引水隧洞穿越不良地质段开挖施工技术探讨

郭继东，邵　华

(1.辽宁省水利厅，沈阳 110003；2.辽宁省白石水库管理局，辽宁 朝阳 122000)



引水隧洞穿越不良地质段开挖施工技术探讨

郭继东1，邵华2

(1.辽宁省水利厅，沈阳 110003；2.辽宁省白石水库管理局，辽宁 朝阳 122000)

隧洞穿越不良地质(主要是流砂和地下水)地段加大了隧洞施工难度与风险，文章根据实际工作经历，就引水隧洞穿越不良地质地段施工技术运用展开深入探讨。隧洞工程施工过程中的任何不良地质灾害的发生都是有征兆的，只要加强现场施工人员的防范意识，提早判断预测，采取科学、合理的治理工程措施，就可以减少塌方、涌砂或涌水事故的发生，保障隧洞开挖施工安全、顺利地进行。

引水隧洞；不良地质；隧洞流砂；地下水；施工技术

0　引　言

由于我国幅员辽阔，地形地貌复杂多变，各地区水资源分布不均衡，人为通过工程措施合理调配水资源的时间、空间分布，解决水资源供需矛盾，长距离跨流域(调)引水隧洞工程建设越来越多。引水隧洞在开挖施工过程穿越不同地层揭露出流砂和地下水等不良地质现象造成的塌方，给隧洞施工造成很大的困难，严重影响引水隧洞的施工进展，加大工程建设成本，甚至会造成安全生产事故，对工程所在地也会造成较大的影响[1]。如何采取有效的施工处理措施和预防措施值得我们去探讨和实践。

1　工程概述

某工程引水隧洞全长6226.739m，平均纵坡2.71%，隧洞设计引用流量Q=62.0 m3/s。低压段长5391.50m，为马蹄形断面，底宽4.5m，洞高5 m，低压隧洞全长采用C35W12F200钢筋混凝土衬砌；高压段长835.239m(其中斜井段长度167.83m，高差125m)，为圆形断面，内径为5.0m，高压管道分别采用C35W12F200钢筋混凝土、钢板衬砌。隧洞总体埋深较浅，开挖直径为6m(混凝土衬砌厚度50cm和30cm)，主要为Ⅲ、Ⅳ类围岩，围岩为薄层～中厚层砂岩、泥质粉砂岩、泥岩，水平互层或夹层，节理发育，裂隙间夹泥。

该隧洞具有隧洞长、断面小的特点，且围岩地质情况较差，雨季地下渗水量大，在施工中存在空间有限，交叉工序多，大型机械无法运用，施工难度大，且该引水隧洞为工程最关键的线路。

2　施工特点及难点

本工程具有如下特点：隧洞结构形式多样，施工工作面较分散，施工布置难度较大；施工支洞长，工作量大；引水隧洞开挖断面大，开挖单头掘进长度长，工期紧，施工通风困难；地下隧洞开挖部分地质条件差，围岩强度低，支护要求高，对施工安全存在较大影响。引水隧洞开挖高差大地下水埋藏较深，施工难度大，特别是4个斜井井段是本标的一个难点。调压室断面大，两个调压井开挖直径达18m，高度在80m左右，地质条件复杂，岩体破碎，施工难度大。

2.1实地资料和数据收集

施工前，都要对工程进行实地考察，对工程的概况有所了解，引水隧洞工程的施工也是如此，引水隧洞施工主要收集工程各项数据信息和地质资料，详细的资料主要包括以下3个要点：

1)收集引水隧洞的具体信息，如：引水洞与隧洞的相对距离和具体位置的信息；引水洞的全长以及纵向坡度、断面类型、断面尺寸等。

2)分析引水隧洞的岩层属性以及特征，尤其要分析当地往年的地震记录以及具体地段岩层的抗震能力。

3)分析区域的地质情况以及水文情况，对于洞外地表、埋深范围以及隧洞穿越地层岩石情况等都要进行仔细分析，以便对引水隧洞施工过程中以及投入使用时可能出现的不良地层情况进行推测[2]。

对具体资料进行分析之后要根据施工附近的地形和地貌等特征，在距离施工的洞口附近设置施工人员生活区以及生产区等的房屋设施，还要对混凝土拌和站以及砂石料堆放场有具体的规划，对于施工用风、水、电等都要进行仔细考量和研究确定。

2.2确定施工方案

引水隧洞施工方案的确定比较复杂，本部分结合以往的施工经验，简单介绍引水隧洞的施工方案确定：

2.2.1首先确定进洞方案

设计方案是要求作洞顶截水沟、天沟和排水沟，随后进行刷坡，直到达到设计坡度，采用人工的方式在洞口处由上而下开挖，同时要及时进行防护，在现场按照设计方案中的支护参数制作支护工具，并安装完成对引水隧洞洞口部位的初期支护。根据围岩的类别进行进洞施工，确定进洞方法类型，然后进行洞门端墙砌筑，这也是对引水隧洞工程的第2次支护。

2.2.2引水隧洞施工

首先对隧洞流砂段进行支护和施工。施工时应当对流砂断段的地质进行勘探和研究，对于施工的要用到的注浆机以及型钢拱架或者钢格栅等材料、机械设备要提前准备并调试好，对于机械设备的操作人员也应进行落实并派专人管理，对于支护中要运用到的原材料如钢轨、焊接钢管以及水玻璃和水泥等要充足准备，另外，在开挖爆破的过程中，结合开挖掘进循环钻设超前勘探孔用以判断掌子面正前方待开挖洞段的围岩地质情况，根据超前探孔钻进情况，如果发现围岩地质松软，须及时采取防护措施，进行封闭或台阶法施工；如出现渗水量太大甚至突涌水时考虑多打花管，完善洞内底板部位的排水工程。提前进行有效地支护施工，可以避免施工人员因无法掌握掌子面前方待开挖洞段洞穴流砂位置和分布情况，造成塌方的后果。

2.2.3隧洞流砂段开挖和支护

进行隧洞流砂段开挖时，要充分考虑隧洞流砂的流动性，如果遇到隧洞流砂的流动性太强的情况下，则不应对隧洞流砂段进行全面开挖，在其他施工中也应尽量减少扰动围岩。类似情况开挖方法比较多，以下以台阶法为例进行介绍，对于隧洞流砂段的上半部分采用人工的方式进行挖掘，每一循环进尺应控制在50cm以内，同时这部分的渗水位置不应当封堵，而应打入花管进行排水。可以对于渗漏流砂的位置可以进行封堵。同时根据流砂的流动性，以及涌水量或渗水量等，对台阶的长度进行控制。在开挖以后，要及时初喷混凝土进行封闭，初喷厚度要提前进行设计研究，施工时也要严格按照设计的要求确定其厚度，运用型钢架进行支撑，打设砂浆锚杆进行拱墙挂网施工，确定形成全断面初期支护闭合环以后，进行二次混凝土衬砌施工。

要加强拱部的纵横方向支护，横向支护对于支撑流砂体的垂直压力以及挤压力有巨大意义，因此必须要加强拱部型钢或者钢格栅的横向支撑，同时挂设钢筋网，收集沉降量和水平位移以及沉降速度和水平位移的速度等基础资料，必要时架设横支撑；另外，施工过程中须打入多环超前管棚，加强纵向支护力度，以免因为拱部的开挖，管棚对流砂和渗水支承能力不足，造成拱部沉降。考虑到流砂以及其他软弱的围岩承载能力不足的情况，对断面进行二期支护施工时，可以考虑进行基底换填的工程措施补强基础，为抵制围岩复杂的挤压力，可以设置横向的浇筑底板，在拱部和边墙底板的支护断面外形成一个完整的封闭环结构，避免围岩位移、变形或者沉降。在引水隧洞工程中，拱部纵横方向支护工作非常重要，因此相关的施工和管理人员必须严格按照规范认真施工。

在进行下部台阶施工时，要着重考虑流砂的自稳能力，严格遵循新奥法施工原则，控制进尺、加强支护措施，可分为左右两侧，边挖边护的方法。完成了一侧的施工以及喷射混凝土，打设锚杆等全部初期工序以后，再对下部台阶另一侧进行施工。

3　隧洞流砂、溶洞的坍方处理方法

3.1隧洞流砂坍方主要有两种情况

一是出现坍碴，流砂与隧洞内的积水出现一同向外喷涌的情况，此时要等待喷涌情况相对稳定后，才能组织施工人员进行现场处理，采用堵截相结合的方式，横向将坍碴截断，避免在处理的过程中出现砂体流动的情况；第二种情况比较严重，就是坍孔封闭，在处理这类情况的时候要采用上文中提及的超前支护方法，另外，应该在隧洞外设专职的安全员，负责观察洞内外的地表动向等情况的观察，对于隧洞内外出现的开裂、沉降或者变形等异常情况，应及时通知相关人员并采取紧急有效的措施。

隧洞坍方的处理方式至关重要，攸关施工人员的生命安全，同时对于工程人力、物力等资源也会因此造成浪费，加大引水隧洞的施工造价，因此要充分重视隧洞坍方的处理。

3.2隧洞砂岩地段的溶洞处理

引水隧洞工程受地质断层的影响非常大，围岩的结构发育过程可能对隧洞砂岩地段造成各种洞害情况。如在引水隧洞施工过程中出现大规模的溶洞时，要选择施工梁跨或者拱跨等跨越措施进行解决；面对干涸并且规模很小的溶洞时，可以直接采用注浆的方式进行加固和充填，防止溶洞影响到隧洞工程，出现坍陷安全隐患；另外，可以根据其他可能出现的实际情况，进行支撑加固的工程措施。

4　填充物的处理

在隧洞穿越洞穴填充物地段的时候，该部分的处理方式应该进行特殊处理。洞穴的填充物通常是松软极易坍塌的，因此可以采取设计支承桩的方式对桩基进行加固处理；当溶洞内的填充物较浅少的时候，可以采用人工方式进行换填处理；如果溶洞内的填充物是大量的流塑状的泥沙的时候，可以采用注浆的方式，将泥沙改造成为有强度的硬塑土的加固方式有利于施工安全。

5　地下水的处理

隧洞开挖过程中穿越不良地质地段揭露的地下水按照出水量划分，主要有渗水和突涌水。

5.1渗水防治

对结合钻爆循环布设的超前探孔探明的点、面、线状渗水，严格采用“新奥法”隧洞开挖施工原则，开挖后根据隧洞围岩渗水情况采取以下措施：

1)点状滴水主要采取堵漏剂封堵处理。

2)点状线流采取表面封堵为主，埋引水管排水、水泥灌浆为辅的处理原则。

3)局部面流采取风钻造孔，插入花管、固定孔口并封堵，用PVC管或钢管连接将水集中引出，然后对引水管进行灌浆处理。

4)大面积淋水采取布设系统灌浆孔，分序由四周向中央、由下向上的原则进行灌浆处理。

5.2突涌水防治

隧洞开挖揭露出突水、涌水现象时，需进行超前灌浆加固掌子面前方未开挖洞段岩体。掌子面按照1倍开挖洞径进行全断面封闭的超前灌浆，把前方未开挖揭露洞段岩体中存赋的大压力、大流量的地下水阻挡在封闭范围之外，同时加固易塌方的围岩。灌浆材料采用HSC特种水泥(防渗帷幕型和含水细砂型)。HSC特种水泥主要性能指标及适用情况见表1。

表1　HSC特种灌浆材料性能指标表

结合现场实际情况并参考HSC特种灌浆材料性能指标，封堵灌浆应选用防渗帷幕型特种灌浆材料，超前止水灌浆选用含水细砂型特种灌浆材料。

在灌浆形成覆盖隧洞断面的混凝土不透水壳状结构和超前支护的联合作用下，采取短进尺开挖，及时架设型钢拱架并进行锚喷支护，可以有效地防治隧洞的突发涌水问题，确保隧洞的施工安全。

6　结　论

结合本工程输水隧洞穿越流砂地层和地下水处理的工程实践，表明隧洞工程施工过程中的任何不良地质灾害的发生都是有征兆的，只要加强现场施工人员的防范意识，提早判断预测，采取科学、合理的治理工程措施，就可以减少塌方、涌砂或涌水事故的发生，保障隧洞开挖施工安全、顺利地进行。

[1]张德模.不良地质隧洞开挖与支护施工技术研究[J].科技传播,2011(10)：21，38.

[2]文天平,杨黎明.不良地质隧洞洞口段的施工技术[J].世界隧洞,2000(03):8-12，18.

1007-7596(2016)05-0086-03

2016-03-18

郭继东(1976-)，男，辽宁沈阳人，工程师，从事农田水利工程管理工作；邵华(1988-)，男，辽宁朝阳人，助理工程师，从事水利水电工程管理工作。

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