引汉济渭隧洞施工若干技术问题探讨

刘宏超，刘贵雄

（陕西省引汉济渭工程协调领导小组办公室，陕西西安 710004）

引汉济渭工程是从陕南的汉江流域调水到渭河流域的关中地区，是解决关中水资源短缺，实现陕西省内水资源的优化配置，促进全省经济协调发展的跨流域调水工程。秦岭输水隧洞是引汉济渭工程的唯一输水工程。秦岭隧洞总长98 km，隧洞为明流洞，隧洞设计流量70 m3/s，规划向关中调水15亿m3。越岭段约40 km为TBM施工，其余支洞、主洞均为传统的钻爆法施工。秦岭隧洞施工具有埋深大，地质情况复杂，施工难度大等特点。参与设计的单位分别为铁一院和黄河院，施工单位以铁路系统施工企业为主。由于水利水电和铁路、公路隧洞常常有行业技术规范的差异，在施工中，不同行业规范的良好协调与融合，保证了引汉济渭工程隧洞施工的顺利进行，下面就有关技术问题进行探讨。

1 引汉济渭隧洞的动态设计

隧洞施工的动态设计就是在施工蓝图的基础上，对开挖、支护、衬砌结构进行合理的修改，以使其适应开挖掌子面围岩的变化情况。动态设计现行规范明确要求[1]“在锚喷施工中，工程建设各方必须密切配合，根据围岩条件的变化情况，及时调整支护方案和施工措施，做到安全可靠，经济合理”。

引汉济渭工程隧洞的动态设计模式，可以概况为“全盘考虑，预先设计；跟踪施工，及时反馈；动态设计，安全经济”。引汉济渭隧洞施工图是设计单位根据前期的地质调查勘探资料设计的，一般按照不同区段的围岩类别，设计有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ至少4种围岩开挖支护方式[2]，基本能满足不同围岩类别情况下的安全掘进需要，不同围岩的详细支护参数见表1，隧洞衬砌标准断面见图1。

引汉济渭工程隧洞动态设计，一般有以下3种情形，第1种是图纸设计与实际相符，照图施工，不发生变化。第2种是由施工单位根据围岩的变化提出变更设计的申请，经监理、设代、业主现场部4方查看讨论形成意见，确定围岩类别和支护方式，然后及时履行4方汇签手续，套用设计图中相应类别围岩的支护方式。当由施工单位提出变更时往往是需要加强支护，增加费用。第3种由监理、设代或业主代表在日常巡查中根据围岩情况的变化，确认围岩类别后，提出优化设计要求，明确开挖支护方式，履行4方汇签手续，施工单位据此套用设计图中相应类别围岩的支护方式进行施工。这种情况下往往是减少支护，降低费用。秦岭隧洞6号主洞上游方向通过动态设计，将原断层QF3-4段约300 m的Ⅳ、Ⅴ类围岩支护变更为Ⅲ类围岩开挖支护，既保证了安全，还大大加快了进度，降低了造价。

表1 6号洞衬砌及支护参数表Tab.1 Lining and support parameters of No.6 tunnel

图1 隧洞衬砌标准断面Fig.1 Standard cross-section of the tunnel lining

动态设计的难点在于确定围岩的类别。一般是凭经验判断围岩类别,受现场人员水平的局限，业主、监理、设计与施工单位往往对围岩的判断意见不一，施工单位一般希望加强支护，设计单位、业主方往往可能优化支护，围岩复杂时，偏向安全考虑，加强支护，围岩稳定时，则优化支护，加快进度。

综上所述，动态设计的实质是针对不同围岩，开挖和支护手段随之改变，其实也是不同支护方式的桩号进行了合理科学的动态调整，使设计工作更加符合围岩的实际情况，从而达到了安全可靠，经济合理。

2 隧洞的超前地质预报

施工图阶段评价为高风险和极高风险的软弱围岩及不良地质段落，加强超前地质预报是保证施工安全的保证。2012年，引汉济渭工程合同明确了超前预报的责任主体是设计单位，其超前预报的地质工作由设计单位组织实施，施工单位积极配合。特别是对地质情况复杂区段，要按照“物探先行，钻探验证，有掘必探，先探后掘”的原则组织施工。2012年以来，6号洞对发现的两处不良地质地段进行了超前预报，特别是7月19日，在k67+163位置，准确判断掌子面前方有较大的富水层，随即施工单位进行了钻孔排水，现场部根据情况及时确定了“加强排水、加强观测、暂停掘进、择机而进”的决定，避免了涌水的发生，保证了施工安全。

目前，涌水预测仍然是隧洞超前地质预报中的薄弱环节，往往是在有涌水征兆或是已发生小量涌水时才进行超前探水预报。为了提高地质超前预报特别是涌水预测的准确性，对物探发现的异常区进行钻探验证是必要手段。

3 隧洞开挖方式探讨

隧洞开挖施工方法的选择取决于岩体类别、洞室断面的大小等因素。对于小断面围岩较好的情况，一般选用全断面开挖；对于中小断面的围岩较差的洞室采用短台阶法开挖；大断面较好的围岩长台阶分层开挖。但在工程实践中，设计、监理、施工对开挖方式意见往往不一。由于公路、铁路隧道，断面大小一般在110~140 m2，属于大断面，其施工规范也是与断面尺寸配套的，对这类围岩，要求分层分部开挖。引汉济渭隧洞断面按围岩类别的不同，断面大小在47~58 m2，按照《水工建筑物地下开挖工程施工规范》SL378—2007，属于中断面[3]。为方便施工，对Ⅱ、Ⅲ类围岩，利用围岩的自稳时间，支护与开挖保持一定间距，有利于快速施工。对Ⅳ、Ⅴ类围岩，施工单位采取了“光面爆、全断面、短进尺、紧支护”的开挖方式，并未分台阶开挖，实践证明效果不错，这也符合新奥法的精神。所以，切忌本本主义，需根据围岩类别、断面大小、经过施工试验进行总结，施工规范也需要科学理解，规范也需要不断创新。不能将公路、铁路隧洞的有些规范和工法简单地套用到引汉济渭工程的隧洞施工中来，因为，他们之间的断面面积差异较大。

4 关于隧洞的初期支护

4.1 初期支护的时效

隧洞的支护施工要根据围岩的类别，分类管理，做到安全、快速。施工规范[1]明确要求，“在Ⅳ、Ⅴ类围岩中进行施工作业时，锚喷支护应紧跟工作面”开挖后及时支护。《SL378-2007》则要求根据开挖后围岩的稳定情况确定锚喷支护的顺序与时机，支护应适时施作[3-4]。有些行业规范和教科书中笼而统之的强调，“初期支护必须紧跟开挖工作面及时进行”的观点是值得商榷的。设计图纸只要求Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖后立即支护，初期支护应紧跟掌子面。在遇到严重风化的围岩或遇到断层破碎带时采用短进尺及时挂网喷护，必要时进行超前小导管进行注浆加固。但在实际施工中，应提倡利用围岩在无支护条件下的允许暴露时间也就是围岩的自稳时间，实现短距离的掘进与支护分离，以减少施工干扰，加快施工进度，围岩的自稳时间，应该在实际施工中总结探索，引汉济渭工程5、6、7号洞在这方面进行了有益的探索，也是对新奥法理论的实践和对施工规范的创新。所以，对硬岩（Ⅰ~Ⅲ）围岩，即“钻爆设计、光爆施工、工序组织、快速施工”。对软岩（Ⅳ~Ⅴ）围岩，“围岩量测、确保安全、遵守设计、按部就班”这一施工理念也与新奥法是一致的。

4.2 关于锚杆问题

引汉济渭工程隧洞设计的锚杆为Φ22砂浆锚杆和Φ25的中空注浆锚杆。但在施工中，几乎没有那一家施工单位遵从设计要求，而是普遍使用了锚固剂锚杆，从安全的角度考虑，应该是用锚杆锚固剂更好一些，因为锚固剂里有速凝成分，可以快速形成强度，能够使锚杆尽快发挥支护作用，加上相应的钢筋网和喷射混凝土，可以快速对破碎围岩进行支护和封闭。锚固剂能在短时间内起到锚固作用，且强度快，砂浆锚杆很难保证密实。工程实践中的设计与施工的明显脱节，这一现象值得研究探讨。近几年大量的公路、铁路、水利水电工程实践表明，锚固剂锚杆替代砂浆锚杆已成为施工大趋势。

5 二次衬砌与掌子面的距离

由于引汉济渭工程的设计、施工单位多年从事公路、铁路隧道。而铁路隧道施工，对二衬间距的严格限制，似有行政命令色彩。公路隧道施工规范[5]虽然并没有明确规定二次衬砌与掌子面的距离，一般也要求在围岩和初期支护变形基本稳定后进行衬砌，说明二次衬砌与掌子面的距离没有硬性的规定，这与铁路规范严格的距离要求不同。水利工程规范[3]第7.4.2条则明确要求“采用现浇混凝土衬砌的隧洞，衬砌应在隧洞贯通后或掘进机开挖一段距离后进行”，这也说明二衬与掌子面的距离没有严格设计。通过以上讨论，应该使引汉济渭工程的二次衬砌与掌子面的距离的认识得到澄清。因此，鉴于引汉济渭工程隧洞断面不大，而且隧洞二衬的主要功能是减小糙率，保证工程的使用寿命，建议在不影响开挖施工、不改变衬砌结构的情况下适时进行二次衬砌，不受铁路规范的条条框框限制，引汉济渭工程秦岭隧洞的实践也证明，不应再纠结与掌子面的距离问题。

[1]国家冶金工业局.GB 50086-2001锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[2]中铁第一勘察设计院集团有限公司.陕西省引汉济渭工程秦岭隧洞越岭段6号洞工区《主洞勘探试验段设计报告》[R].2011.

[3]中华人民共和国水利部.SL378-2007水工建筑物地下开挖工程施工规范[S].北京：中国水利水电出版社，2008.

[4]中华人民共和国水利部.SL377-2007水利水电工程喷锚支护技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，2008.

[5]中华人民共和国交通运输部.JTGF60-2009公路隧道施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2009.