穿黄隧洞工程开挖安全保证措施分析

朱海亚，廖成林，高鹏伟，赵慧仙，周黎辉

（中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都 610066）

1 工程概况

南水北调东线穿黄隧洞工程属国家重点工程，位于山东省东阿县位山村和东平县解山村之间。隧洞上方筑有黄河大堤，洞顶距黄河水面约70 m，在桩号6+750部位发育有F5断层，直通黄河底部，该部位岩层厚度为38.53 m，仅为开挖洞径4倍左右。从地质资料看，该洞穿越岩层构造发育，共有断层13条，产状多为北东走向，陡倾角，宽度在0.5～3.0 m之间，均通向黄河底部。围岩以Ⅳ类围岩为主，围岩破碎、节理裂隙发育，探洞开挖过程中曾出现过大量渗水、涌水，最大涌水量达到200 m3/h。

由于隐伏地质构造使围岩中地下水空间分布具有极不均一性，开挖隧洞涌水的可预见性差。开挖施工安全构成本段工程实施主要问题。隧洞按100 m3/s进行设计，为有压圆形隧洞，洞径8.9～9.5m，洞长585.38 m。隧洞包括南岸竖井、过河平洞、北岸斜井及进、出口埋管，其中竖井段实长82.25 m、平洞段实长307.17 m、斜井段实长166.03 m。

2 以科学的管理理念促进安全生产工作

2.1 以制度规范管理

现行的国家安全生产法律法规及企业的各项安全生产管理制度凝结了前人的经验和智慧，对促进企业的安全管理工作起到了重要作用。随着企业生产力的不断发展、进步，如何更好地科技管理显得尤为重要。

中国水利水电第五工程局有限公司穿黄隧洞工程项目经理部承担南水北调（东线）穿黄隧洞工程施工伊始，首先制定了一套适用于项目施工管理实用的各项规章制度、规范，如《安全管理制度规范汇编》。《安全管理制度规范汇编》中，明确了安全生产方针与目标、安全保证体系、安全责任、各项规章制度等。在施工过程中强调“一岗双责制”，落实至作业班组，加强安全生产管理。结合项目部制定的《安全文明生产奖惩制度》，在安全管理过程中实行“以功论赏、以责论处”的原则。对安全生产中做出显著成绩和特殊贡献及积极采取各项安全活动宣传的集体和个人，给予重奖。对工作中因严重失职，违章指挥，违章作业等造成事故的给予重罚并追究岗位责任。

2.2 实行安全管理闭合运行机制

在南水北调（东线）穿黄隧洞开工后，对项目施工领域危险源进行辨识与评价，辨识出重大危险源4个，并针对重大危险源制定了专项应急救援预案。施工过程开展危险源动态跟踪，及时更新危险源并进行评价，以便制定预案及措施，消除安全隐患。每周一定期对生活办公区、施工现场进行安全隐患综合大检查，对检查出的安全隐患当场下发整改通知书，责令相关人员限期进行整改，并回收整改反馈情况表。在管理上形成了规章制度查落实、发现隐患必整改、发生“三违”必问责的安全管理闭合运行机制。

3 以科学的技术措施保证隧洞开挖安全生产

3.1 合理选用爆破参数及开挖方式，有效减小爆破震动，避免造成隧洞开挖岩石变形和破坏

隧洞爆破开挖是工程施工的重大安全隐患，开挖施工方法由岩体质量、洞室断面的大小等因素决定，不同围岩类别采取不同的爆破方式及选取不同的爆破参数。结合本工程现场实际情况及施工特点，通过爆破试验选定爆破参数（爆破试验数据分析见表1），利用原探洞作为临空面采取上、下错台阶法分2次开挖成型（开挖方式如图1所示），增大开挖临空面，减少爆破装药量，从而达到通过爆破参数减小爆破震动的目的，减小对隧洞围岩造成变形及破坏，确保开挖施工安全。

表1 穿黄隧洞爆破试验分析

3.2 利用原帷幕检查孔钻孔灌浆施工技术，有效避免出现涌水及塌方安全隐患

黄河在穿黄隧洞工程为地上“悬河”，黄河水、孔隙水和岩溶裂隙水“三水连通”，河水补给水量充沛，涌水的可预见性差，构成本段工程实施主要问题。同时，穿黄隧洞属水下浅埋层施工，爆破开挖施工危险性相当大。因此，采取原帷幕检查孔钻孔灌浆50 m、爆破开挖40 m的施工方式，不仅对穿黄隧洞涌水、渗水起到阻水作用，还起到固结岩石的作用，确保开挖过程中的施工安全。原帷幕检查孔钻孔灌浆布置方式如图2所示。

原帷幕检查孔钻孔灌浆采取分段（分段长度5～ 6 m，最大长度不超过10 m）孔内循环的方式进行施工，灌浆施工工艺流程如图3所示。利用GMS-III型灌浆数据采集与处理系统自动对灌浆过程中的各项参数进行采集、处理和输出，并对灌浆过程中的压力、流量、密度、位移等各种参数进行实时监控，从而保证了灌浆工程质量，为后续的隧洞开挖过程消除了安全隐患，确保了开挖施工的顺利开展。

3.3 采取临时支护措施，确保开挖成型后隧洞的稳定

如何确保开挖成型后隧洞的稳定是隧洞开挖施工过程中的关键。岩石类别决定岩石自身承载能力的强弱与岩石承载时间的长短，同时决定了隧洞开挖施工临时支护方式。根据南水北调东线第一期穿黄隧洞工程实际情况，围岩类别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，分甲-1型、甲-2型、乙型、丙型、丁型5种临时支护方式。穿黄隧洞工程开挖及支护参数见表2。经研究决定，采取“短进尺、弱爆破、强支护”的施工方法，确保开挖施工安全。

表2 穿黄隧洞工程开挖及支护参数

4 采取先进的监测手段，动态跟踪围岩变化，确保穿黄隧洞开挖安全

地下洞石方开挖确保施工安全是一个难点。随着新奥法施工技术的应用，在隧洞开挖过程中安全监测工作成为一项主要的内容。结合穿黄隧洞施工情况，共埋设6套多点位移计、6套锚杆应力计及开展收敛变形观测，如图4-6所示。通过观测数据分析和成果整理，及时发现安全隐患并采取相应措施，确保隧洞开挖施工安全。

4.1 多点位移计

穿黄隧洞工程目前共埋设多点位移计6套设备，埋深16.0 m，分别布置在隧洞上半拱180°范围。当结构物发生变形时将会引起位移计的位移，通过前、后万向连轴节传递给二级机械负放大机构，经负放大后的位移传递给振弦，转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输到读数仪上，测出被测结构物的位移量。为确保开挖安全，埋设完成初期每天观测一次，后期每周观测一次。典型断面多点位移计变化过程曲线如图7所示。

4.2 锚杆应力计

穿黄隧洞工程目前共埋设锚杆应力计6支，埋深3 m，分别布置在隧洞上半拱180°范围。锚杆应力计测值准确，性能稳定，安装时将锚杆应力计、钢筋和锚头连成一体，埋设在洞壁的钻孔中，利用电阻比和电阻2个测值及仪器特性参数算出锚杆所承受的应力。典型断面锚杆应力变化过程曲线如图8所示。

4.3 收敛变形观测

通过对围岩周边的收敛量及其速度进行观察，掌握围岩内部随时间变形的规律，从而判断围岩的稳定性，利用量测结果逐步修正爆破进尺，以适应围岩条件并完善支护措施。目前，穿黄隧洞工程已布设7个断面共35个收敛测点。典型断面收敛变形观测数据变化见表3。

表3 典型断面收敛变形观测数据变化 mm

此外，结合穿黄隧洞工程实际施工特点，采用矿用提升绞车牵引平台车进行有轨出渣，运送设备、材料等，存在较大安全隐患。为此，穿黄隧洞项目部配置了视频监控系统及MTC钢丝绳电脑探伤仪，及时跟踪出渣系统运行情况及钢丝绳的磨损、断丝等情况，为本工程安全生产提供强有力的保证。

5 结语

穿黄隧洞工程项目部在开挖施工过程中充分采取科学的管理理念、科学的技术措施及先进的监测手段消除安全隐患，确保开挖安全。通过近2年的实践应用取得良好的效果，并形成一套完整的水下工程开挖施工安全保证措施，可为以后类似水下工程如何进行安全开挖施工提供借鉴经验。