厦门莲花水库灌溉隧洞开挖施工要点初探

1 工程概述

莲花水库工程灌溉隧洞位于副坝左岸，全长283.904m，城门洞型结构，开挖断面尺寸为2.1m*2.4m，衬砌成型后过水断面为1.5m*1.8m，出口段采用Φ800的钢管和锥阀室连接，整个洞身处在V类围岩中，隧洞埋深在4-12m之间，整个洞身均处在地下水位以下，洞身段围岩为2类，一类是沙性高岭土，一类为强风化的花岗岩。其中沙性高岭土围岩基本特性含水量高，透水性强，自身的稳定性比较差，遇水极易软化和崩解，成流塑状。主要工程量见表1。

表1 主要工程量表

2 施工方法

隧洞施工按新奥法原理采用全断面掘进施工，本着“先排水、短进尺、少扰动、及时支护”的施工原则，适时根据实际地质情况及时调整开挖方法。出口段由于条件特殊采用注浆固结方法进洞施工。

根据隧洞地勘资料隧洞0+000—0+085及0+200—0+278为含水量较大的土质地层，故采取在主体衬砌结构外采取拱架及侧墙超前锚杆、初喷、钢拱架、钢筋网片、复喷等进行初期支护。

隧洞0+085—0+200为含水量较小的土质及岩石地层，故采取初喷、钢拱架、钢筋网片、复喷等进行初期支护(在满足安全的前提下，减少超前锚杆施工，加快施工进度)。

2.1 出口段超前导管注浆固结支护

(1)洞脸施工。出口段洞脸施工边坡坡比取1∶1自然边坡，洞脸边坡开挖形成后，进行锁口和洞脸支护施工。锁口采用I14工字钢拱架和ø48无缝钢管形成钢拱架和小导管锁口，小导管长度4.5米，间距20cm，采用双排小导管，排距30cm梅花形布置。完成小导管和拱架施工后，接着进行洞脸挂网喷护，钢筋网采用ø6@20，喷砼厚度不小于15cm，将洞脸进行封闭。

(2)注浆导管施工原理。超前小导管注浆的基本原理是在工作面周边按一定角度将小导管打(钻、压)入地层中，借助注浆泵的压力，使浆液通过小导管渗透，扩散到地层孔隙或裂隙中，以改善土体物理力学性能，这样既可止水又可在工作面周围成一个承载壳——地层自承拱，同时管体又可起到超前锚杆的作用，从而达到增加土体的自稳时间、提高开挖面地层自稳能力、限制地层松弛变形的目的。

(3)注浆导管施工工艺。渗入性注浆，对于具有一定孔隙或裂隙受扰动或破坏的围岩，在注浆压力作用下，浆液克服流动的各种阻力，渗入围岩的孔隙或裂隙中，达到地层加固的目的。劈裂、压密注浆，对于致密的土质地层，在较高的浆液压力作用下，裂隙被挤开，使浆液得以渗入，形成脉状水泥浆脉，浆液在围岩分布形成以钢管为主干的树枝，凝固后的浆液挟持、网罩被压密的土体，起到固结作用。形成了管棚与固结联合的超前支护体系，提高岩体自身的稳定性，抑制围岩松弛变形，增强了施工的安全性(见图1)。

图1 注浆导管布置示意图

(4)注浆导管施工。超前注浆导管采用φ42热轧钢无缝花管，壁厚3mm。小导管环向间距20cm，每环41根，每根长3.5m。外插角一般为5°～7°，纵向间距2m，搭接长度不小于1m;采用水泥砂浆(水灰比0.5～1)灌注;当围岩破碎，岩体止浆效果不好时，可采用水泥-水玻璃双液浆。

图2 小导管构造图

(5)注浆小导管制作。小导管采用外径φ42mm，壁厚3mm的热轧无缝钢管，钢管前端作成尖锥状，尾部焊接φ6加筋箍，以防打设小导管时端部开裂，影响注浆管联接，尾部长度不小于30cm，作为不钻孔的止浆段。管壁四周钻四排φ6mm孔，孔间距10～20㎝，呈梅花型布置(见图2)。

(6)工作面封闭。为了防止小导管注浆时浆液沿隧洞掌子面渗漏，需做止浆墙封闭开挖面，止浆墙采用喷射砼方法制作，喷砼厚度为5cm。

注浆固结达到一定强度后，进行洞挖，洞身开挖施工采取含水较大的土质地层的初期支护方案洞施工。

2.2 含水量较大的土质地层的初期支护

(1)锚杆施工。洞身开挖前进行超前锚杆施工，锚杆采用Φ25的钢筋，长3.5米，外露50cm，间距20cm，侧向应施打到底部，作为锁角锚杆与钢拱架进行焊接。每进尺50cm进行新一排锚杆施打。锚杆施工时选用有经验的作业人员，在造孔或打入锚杆的过程中保证各锚杆要相互平行，深度要一致，锚杆底均落在同一断面上。施工完成后，现场技术员按“平、直、齐”的要求对锚杆进行检查，对不符合要求的超前锚杆要重新施工(见图3)。在隧洞侧墙底部两侧施打排水花管各3根，排水花管参数与超前锚杆一直，并代替部分超前锚杆。

图3 超前锚杆示意图

(2)洞身开挖。根据测量控制点确定洞口中心线并采用圆钢上口做标记的方式做好永久控制点，后期施工采用激光经纬仪对灌溉隧洞的中心线进行控制，每施工3m复核一次，及时纠偏。洞内开挖顺序上、下导洞分台阶开挖。先开挖上部分，从拱肩部位开始，用人工左右交替开挖，交替进尺不大于0.5m。由于围岩自稳时间极短，开挖后及时初喷5cm厚的混凝土支护。上导洞开挖喷护后及时立拱，并做好临时支撑。

(3)钢架安设。用工12的工字钢拱架进行支撑，锚杆与拱架搭接处采用双面焊接处理，拱架与拱架之间的连接筋采用Φ20的Ⅱ级钢筋焊接，拱架两侧按50cm间距设置超前锚杆并焊接在拱架上，拱架底部设置一块50*50cm的受力垫板并与锁角锚杆焊接，拱架间挂设钢筋网片，网片的间距为15*15cm，网片所有的钢筋为直径Φ6的Ⅰ级钢筋。挂网完成后进行复喷5cm的混凝土完成初期支护。

2.3 含水量较小的土质及岩石地层

(1)洞身开挖。根据测量控制点确定洞口中心线并采用圆钢上口做标记的方式做好永久控制点，后期施工采用激光经纬仪对灌溉隧洞的中心线进行控制，每施工3m复核一次，及时纠偏。洞内开挖顺序上、下导洞分台阶开挖。先开挖上部分，从拱肩部位开始，开挖主要采用人工配合电风镐进行，岩石地层采用爆破法开挖，开挖进尺控制在1.5m～2m之内。由于围岩自稳时间较好，减少超前锚杆支护，开挖后及时初喷5cm厚的混凝土支护。上导洞开挖喷护后及时立拱，并做好临时支撑。

图3 掌子面开挖示意图

(2)拱架安设。用工12的工字钢拱架进行支撑，锚杆与拱架搭接处采用双面焊接处理，拱架与拱架之间的连接筋采用Φ20的Ⅱ级钢筋焊接，拱架底部设置一块20*20cm的受力垫板并与锁角锚杆焊接，拱架间挂设钢筋网片，网片的间距为20*20cm，网片所有的钢筋为直径Φ6的Ⅰ级钢筋。挂网完成后进行复喷5cm的混凝土完成初期支护。

2.4 衬砌混凝土施工

待隧洞进洞后8m开挖及临时支护完成后，按要求进行的混凝土衬砌，施工工序:施工准备→测量放样→基础清理及验收→钢筋制作安装→止水安装→模板施工→开仓前验收→混凝土浇筑→模板拆除→混凝土养护。

(1)施工准备。准备浇筑混凝土所有的原材料、拌合设备、运输设备、浇筑设备、止水材料、作业人员及水电等必须的资源就位。

(2)测量放样。由专业的测量员对施工部位进行放样，放样内容为:混凝土衬砌结构线、钢筋安装控制线、立模线、校模线、起始桩号。放样完成后，将结果对施工技术人员交样，经施工技术人员复核无误后开始施工作业。

(3)基础清理及验收。作业人员根据测量交样情况，按设计要求，对基础进行清理，基础清理完成后，进行地质素描，素描完成后，由测量人员对高程和结构尺寸进行验收，符合要求后，由质检人员终检验收合格后，报监理验收，合格后进行下一道工序。

(4)钢筋制安。钢筋全部在加工厂加工制作，主筋在钢筋加工厂制作成半成品，运至现场绑扎。所有钢筋分底板、边顶拱两次施工。边顶拱钢筋在底板砼浇筑完成后，用脚手架钢管搭设钢筋台车进行边顶拱钢筋绑扎。钢筋施工时，采用架立筋进行主筋定位、固定，主筋间距应符合设计图纸及规范允许偏差要求。纵向钢筋在现场采用单面搭接焊接长，边顶拱钢筋与底板钢筋连接采用焊连接。相邻两钢筋接头必须错开，错开间距至少35D。

(5)模板施工。底板模板采用组合钢模板，方便在洞内拆卸转移;边顶拱模板采用自制钢模板台车或由整体钢管排架作支撑的散钢模拼装;封头模板采用木模板，所有模板都在洞内拼装。

(6)浇筑混凝土。由于本工程项目每次浇筑的量12-20m3，标号为常态混凝土，因受地质条件的因素制约需要及时跟进衬砌，故在隧洞洞口架设的350型或500型自落式搅拌机即可;由于受到断面尺寸的限制不能采用常规的机械设备进行运输，故混凝土运输采用手推车用人工运输;由于衬砌厚度只有30cm，并且内设双层钢筋，混凝土入仓方式采用人工入仓。混凝土振捣采用Φ30的软轴振动棒振捣配附着式振捣器进行振捣，边墙、顶拱浇筑振捣在模板上预留振捣窗口。

(7)模板拆除及混凝土养护。待混凝土浇筑完成后，侧墙混凝土到达2.5MP的强度后进行拆模，顶拱达到70%的强度后进行拆模，由于隧洞相对湿度较大，气温相对稳定，对于混凝土的养护，通常情况下一般养护时间为7d，然后进行自然养护，如遇特殊情况，实际根据需要进行调整处理。

2.5 回填管浆

该施工方法在支护混凝土与开挖面之间，隧洞结构衬砌混凝土与支护混凝之间都要进行回填、固结灌浆，外层按3m间距埋设6根灌浆管，部分兼作排水管。内层可结合灌浆设计图纸进行埋管或后期造孔灌浆。

2.6 灌浆

灌浆包括回填灌浆、固结灌浆和帷幕灌浆。回填灌浆衬砌砼达到70%设计强度后进行，固结灌浆回填灌浆结束7天后进行，最后进行帷幕灌浆。为使回填与固结灌浆能够顺利进行，工作面分别配备二套灌浆台车，一套用于回填灌浆，一套用于固结灌浆。灌浆皆采用手持风钻钻孔，孔径φ48。

3 隧洞的检查养护

目前，该隧洞已于2013年竣工，使用效果良好。隧洞事故发生前一般总有预兆，因此在整个运用过程中必须加强经常性的养护，并及时对病害进行处理，防患于未然，非常重要。该项目主要采取以下养护措施:(1)平时多检查隧洞的衬砌或涵管有无蜂窝、麻面、裂缝、漏水或空蚀等病害，要分析原因，及时处理。还要检查隧洞进出口有无可能崩塌危险的山坡或危石，无衬砌隧洞有无可能塌落的岩块，要及时清除或妥善处理;(2)经常清除拦污栅上的杂草、污物，以防阻水。易被泥砂淤积的进水口，并定期进行泄水冲砂，防止闸门被砂石卡阻;(3)加强管理，禁止在建筑物附近采石爆破或炸鱼，以免因振动而使隧洞衬砌或涵管断裂;(4)正确操作运用，避免在明、满流交替的流态厂运行;闸门启闭要缓慢进行，避免流量猛增或骤减，防止洞内产生超压、负压或水锤等现象面引起破坏;(5)运用期间经常注意洞内有无异常声响，水流是否浑浊;对坝下涵管，要注意观察附近的上下游坝坡有无塌坑、裂缝、湿软及漏水等现象，如有异常，应及时处理。

4 结束语

莲花水库导流洞洞身开挖历时3个月，共完成工程量2000m2。通过爆破方案与支护方案的优化综合利用和相互交叉作业，导流洞洞身开挖达到了预期效果，洞身开挖的平整度不大于20cm，成形条件良好，运行以来没有发生大的安全事故。

[1]钟世华.水库输水隧洞混凝土裂缝控制分析[J].水利科技与经济，2010，15(7).

[2]阮同宁.长隧洞掘进施工技术[J].水利科技与经济，2007，13(12).