引洮供水二期工程小断面软岩隧洞施工技术措施

谢世良

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

1 工程概况

甘肃省引洮供水二期工程总干渠33#及34#两座隧洞位于白银市会宁县党岘乡雪岔沟与十里窑之间，隧洞全长分别为1.57 km与15.51 km，合同工期36 个月，输水流量设计7.4 m3/s、加大8.2 m3/s，洞身采用三心圆拱曲墙反拱底板类马蹄型断面，一次喷混凝土、系统锚杆、钢拱架、顶拱钢筋网及小导管管棚等联合体系支护，二次液压整体钢模台车模筑钢筋混凝土衬砌的复合式支护衬砌结构，设计纵坡1/1250，开挖掘进最大断面尺寸高与宽均为3.59 m、最大断面面积10.31 m2，净断面尺寸2.65（宽）m×2.72（高）m，加大流量运行水深2.05 m、流速1.68 m/s。隧洞开挖掘进最大断面跨度与面积为小断面地下洞室规模下限，接近特小断面规模，属于典型的小断面地下洞室规模水工引输水隧洞工程，按照新奥法（NATM 法）与钻爆法相结合理念设计与施工。33#隧洞为进出口两个施工工作面，34#长隧洞全线增设5 座施工辅助支洞，包括进出口总计12 个工作面，两座隧洞施工关键线路为34#隧洞进口段，单工作面控制最大洞长1.6 km。两座隧洞一次支护及二次衬砌设计典型横断面如图1、图2 所示。

图1 隧洞一次支护设计典型横断面

图2 隧洞二次衬砌设计典型横断面

总干渠33#及34#两座隧洞具有单工作面控制洞长较大、断面小，开挖掘进及支护衬砌施工机械设备作业影响大，各道工序间相互干扰，施工功效低；围岩软弱，强度低，稳定问题突出，一次支护须紧跟开挖掘进施工掌子面，且质量标准要求高；洞身全断面二次衬砌需“先底后拱”两次成型且及早施工，施工组织协调要求高，以及不良地质处理等重难点工程技术特性。

2 工程地质

总干渠33#及34#两座隧洞洞身围岩主要为古近系砂岩夹砂砾岩，以及粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩，泥质含量低，泥质弱胶结，成岩程度差，单轴抗压强度普遍小于15.0 MPa，强度低，具弱透水性，属极不稳定的Ⅴ类软—极软岩，遇水快速软化崩解，岩石强度降低显著，岩体完整性系数0.7～0.85，纵波波速2000.0 m/s～2300.0 m/s。岩体受构造影响轻微，节理裂隙不发育，总体呈中厚—巨厚层状，局部为薄层状，岩层层面为主要结构面，层面结合差，产状平缓，交错层理发育，岩相变化剧烈。围岩地下水主要为孔隙—裂隙水类型，全线洞身均处于地下水位以下，地下水位高于洞顶20.0 m～50.0 m，主要以滴渗为主，局部线状流水，对普通混凝土无腐蚀性。

隧洞工程地质突出问题是极软岩稳定，围岩总体工程地质条件差，具长期流变特性。随隧洞开挖掘进，地下水集中向洞内渗流排泄，在动静水压力及爆破震动共同作用影响下，围岩塑性松动圈岩石遇水快速软化及崩解，岩体结构遭到破坏，局部可能产生流土破坏，进而发生局部涌砂，并可能产生大变形及塌方，掌子面多不能自稳。

3 开挖掘进施工主要技术措施

3.1 施工通风

总干渠33#及34#两座隧洞施工通风方案考虑钻爆法开挖掘进、爆破作业产生的有害气体与粉尘为主要污染源、独头开挖掘进最远送风距离1.6 km、洞内无轨运输、通风排烟占用30.0 min 作业工序循环时间（正常送风不占用循环时间），以及可提供足够风量与风压风机、漏风与阻力小风管等诸多因素，确定采用独立压入通风方式，主洞及支洞洞口配置1 台SDF（C）№11 型多极变速轴流式风机，主洞洞内采用直径Ф500 mm 的PVC 增强维纶布风筒，平直悬挂于洞身一侧，直至距开挖掘进施工掌子面不小于30.0 m 处。通风风量须满足能够为洞内作业人员供给足够的新鲜空气，保障作业人员身体健康，并冲淡排除有害气体，降低粉尘浓度，改善劳动环境，以及保证洞内最低风速不低于0.25 m/s、温度不大于28.0℃等技术要求，风机依据洞内需风量及通风距离选型。通风风量按以下三种工况计算：

（1）按洞内同时作业人数计算

式中：Q 为理论通风风量，m3/min；q 为每人每分钟呼吸所需空气量，取3.0 m3/min；M 为同时工作人数，取25 人；K 为风量备用系数，取1.15。

由此得：Q＝86.3 m3/min。

（2）按洞内爆破后，稀释一氧化碳（CO）至许可最高浓度计算。

式中：A 为同时爆破的炸药消耗量，取31.2 kg；K 为风量备用系数，取1.10；t 为通风时间，取30.0 min。

由此得：Q＝572.0 m3/min。

（3）按洞内允许最小风速计算

式中：S 为隧洞横断面面积，取最大开挖掘进断面面积10.31 m2；V 为最小允许风速，取0.25 m/s。

由此得：Q＝154.7 m3/min

采用上述三种工况计算最大值作为施工理论通风风量，即洞内工作面所需理论风量应不小于572.0 m3/min。实际施工通风量需考虑风筒漏风因素后确定，百米长风筒漏风率正常情况下按控制在1.2%以内确定，独头开挖掘进最远送风距离1.6 km，据此计算漏风系数：

式中：P 为风筒漏风系数；L 为独头开挖掘进最远送风距离，取1600.0 m；P100为百米长风筒漏风率，取1.2%。

由此得：P＝1.02，则：

经计算分析，隧洞施工洞内单工作面实际所需通风量应按不小于583.0 m3/min 控制，并进行风机与风筒等设备选型。

3.2 施工供风

两座隧洞按单工作面开挖掘进施工采用4 台凿岩机同时工作，主供风风管采用Ф125 mm 钢管进行施工供风计算分析。空压机生产能力应考虑由储气筒至风动机具沿途损失、各机具耗风量，以及风动机具同时工作系数与备用系数。空压机生产能力计算式为：

式中：Q 为空压机生产能力，m3/min；K 为风动机具同时工作系数，按投入4 台凿岩机同时工作考虑，取0.85；K备为风动机具备用系数，一般为75.0%～90.0%，取75.0%；km为工程区海拔高程对空压机生产能力影响系数，取1.14；∑q 为全部风动机具所需风量，为∑q＝4×3.5＝14.0 m3/min；q漏为管路及附件漏耗损失，按风损30.0%取1.3。

由此得：Q＝32.6 m3/min，隧洞单工作面设置2 台生产能力为20.0 m3/min 的电动空压机，即可满足开挖掘进施工需要。

3.3 主洞开挖掘进

针对总干渠33#及34#两座隧洞单工作面施工控制洞长较大、断面小、围岩软弱稳定性差、工程设计，以及合同工期安排等主要工程技术特性，制定开挖掘进施工技术措施。两座隧洞采用全断面光面爆破技术开挖掘进，以最大限度减轻对围岩扰动，坚持边开挖掘进边实施一次支护，一次支护体系紧跟开挖掘进掌子面的原则施工，以保证开挖掘进施工及洞身稳定安全。

隧洞主洞开挖掘进施工总体采用YT－28 型手风钻钻孔，洞身全断面布孔装药爆破破岩一次成型，履带移动式扒渣机装渣，洞内每间隔洞长300.0 m 设置1 处错车回车道，4.0 t小型自卸车无轨运输出碴及进料的技术方案。隧洞开挖掘进及一次支护施工工艺流程如图3 所示；爆破作业工序单循环时间安排如表1 所列；洞身全断面光面爆破布孔及装药设计参数如图4 所示、如表2 所列。隧洞开挖掘进并一次支护施工单循环进尺2.0 m，每月按25 d、每天按三班24.0 h 工作制有效作业时间计算分析，单循环作业12.0 h，月均50 循环，月均进尺100.0 m。

图3 隧洞开挖掘进及一次支护施工工艺流程

图4 隧洞全断面光面爆破布孔设计/cm

表1 隧洞开挖掘进爆破作业工序单循环时间安排

表2 隧洞全断面光面爆破布孔及装药设计参数

隧洞开挖掘进全断面光面爆破质量控制措施，主要包括做好超前地质预报，准确判定围岩性状，合理设计爆破参数；准确确定炮孔位置与洞身开挖掘进轮廓线；严格按爆破设计钻孔、装药、接线和引爆。洞身断面中部掏槽孔孔口与孔底间距误差不大于50.0 mm；辅助孔孔口排距与行距误差不得大于100.0 mm；周边孔布置于开挖掘进断面轮廓线上，允许沿轮廓线调整，其误差不大于50.0 mm，孔底不超出轮廓线100.0 mm；内圈炮孔至周边孔排距误差不大于50.0 mm，深度超过2.5 m 时，内圈孔与周边孔以相同斜率钻孔；当掌子面凸凹较大时，按实际调整炮孔深度，力求除掏槽孔及底孔外的所有炮孔孔底在同一垂直面上；周边孔采用不耦合方式装药。炮孔内泥浆及石粉等杂质须吹洗干净，完成装药的炮孔均堵塞炮泥，周边孔堵塞长度大于20.0 cm。

4 一次支护体系施工主要技术措施

总干渠33#及34#两座隧洞一次支护体系原则是紧跟开挖掘进施工掌子面，确保与围岩岩体能够及早共同承载，保持洞身整体稳定及施工安全。按照隧洞工程设计，一次支护体系主要包括Φ20 mm、长2.0 m 水泥基药卷系统锚杆、Φ6.5 mm 钢筋网、喷射厚120.0 mm 混凝土、Ⅰ12 工字钢型钢钢拱架及Φ42 mm 小导管管棚等。

4.1 系统锚杆

隧洞一次支护系统锚杆施工主要工艺流程为测量放线→布孔→钻孔→清孔→送水泥基药卷锚固剂→推进锚杆与搅拌锚固剂→达锚固强度→检查验收。采用YT－28 型风钻成孔，钻孔直径按大于锚杆杆体直径15.0 mm～20.0 mm 确定为Φ35.0 mm～40.0 mm，钻孔深度按大于锚杆杆体入岩长度20.0 mm～30.0 mm 控制，孔位允许偏差±15.0 mm，孔深允许偏差±50.0 mm，高压风清孔。水泥基药卷需在20.0℃～22.0℃的温水中浸泡软化后，立即按节依次送入孔内全断面满孔均匀密实，孔内不能出现漏空，并尽快将锚杆杆体打入孔内并搅拌后待凝固结。

4.2 挂网喷射混凝土

隧洞一次支护喷射混凝土前随岩面起伏铺设钢筋网，与锚杆头可靠焊接，以确保喷射混凝土时钢筋网不摆动，喷头不得正对钢筋。施工时若存在脱落喷层或大量回弹物被钢筋网“架住”，须及时清除，不得包裹在喷层内。喷射混凝土须填满钢筋网与岩面之间的空隙，并粘结牢固。为确保喷射混凝土层均匀密实，凝结高强，并减少回弹，须分两次喷射，初喷厚度40.0 mm～50.0 mm，二次喷射至设计厚度120.0 mm，且钢筋网覆盖厚度不得小于50.0 mm。喷射混凝土厚度、喷层强度，以及喷混凝土与岩面之间、两次喷层之间的粘结强度，通过钻取试芯及喷大板制作试件的方法进行试验检测。

4.3 钢拱架

隧洞一次支护钢拱架须与岩面紧贴架设，岩面凹陷处采用混凝土块楔紧，前后相邻钢拱架采用连接筋连接形成整体，以确保钢拱架能够全断面均衡承载。钢拱架加工及架设施工允许误差为沿洞身周边轮廓误差不大于30.0 mm，钢拱架整体平面翘曲小于±20.0 mm。

5 二次衬砌施工主要技术措施

总干渠33#及34#两座隧洞二次衬砌遵循“先底后拱、底拱超前、拱墙整体”的施工原则，一次支护体系施工完成后，为有效控制围岩变形，并防止岩体软化及泥化，洞身底拱二次衬砌应尽量紧跟开挖掘进并一次支护施工掌子面，采用钢结构栈桥平台解决洞内施工出碴及进料运输问题，底拱二次衬砌须全幅一次性浇筑施工。洞身拱墙二次衬砌采用液压整体穿行式钢模台车，一次性整体浇筑施工，严禁设置环纵向施工缝，以避免产生冷缝。混凝土在洞外采用拌和站集中拌和，搅拌运输车运至洞内，严禁产生离析，泵送混凝土入仓浇筑，插入式振捣棒配合钢模台车自带附着式振捣器捣固均匀。

5.1 底拱二次衬砌

隧洞底拱二次衬砌采用拱架支撑组合钢模板配套施工，洞身两侧墙下部设置高30.0 cm 小边墙，其顶部为洞身全断面二次衬砌纵向施工缝，洞身两侧小边墙与底拱全断面整体浇筑，洞身二次衬砌施工时须做好钢筋搭接及环向结构缝止水带布设。洞身底拱二次衬砌定型钢模尺寸为0.05 m×0.3 m×1.2 m，支撑拱架采用Ⅰ18 工字钢按洞身底拱断面尺寸及弧度，并考虑模板厚度加工制作，间距按模板尺寸确定为1.2 m。须保证支撑拱架具有足够的刚度及强度，并加固端头模板，做好防浮支撑，以防止泵送混凝土灌注施工时发生变形。洞身底拱二次衬砌跨长及永久分缝与拱墙保持一致，设计要求跨长为10.0 m，混凝土浇筑完成不少于20.0 h 后脱模，并开始洒水养护不小于7 d。

5.2 拱墙二次衬砌

隧洞拱墙二次衬砌采用液压整体穿行式钢模台车浇筑混凝土的施工技术方案，钢模台车按洞身设计断面型式及其尺寸加工制造，长10.0 m，整体结构由钢面板、钢桁架支撑系统、液压系统及附着式振捣系统等组成，主要工作流程为移动定位→调整至断面位置→液压系统顶进→混凝土灌注→振捣→液压系统回收→千斤顶降落→脱模→前移→下一跨长循环。洞身拱墙二次衬砌跨长及永久分缝与底拱保持一致，设计要求跨长为10.0 m，混凝土浇筑完成不少于20.0 h 后脱模，或当二次衬砌混凝土强度达2.5 MPa 时方可拆除模板，脱模后即行开始洒水养护不小于7 d。隧洞洞身拱墙二次衬砌施工工艺流程如图5 所示，液压整体式钢模台车结构如图6所示。

图5 隧洞二次衬砌施工工艺流程

隧洞二次衬砌施工质量控制措施主要包括加强基底清理；混凝土整体浇筑不间歇，加强捣固；严禁断面欠挖，尽量减少超挖，超挖部分采用与二次衬砌同强度混凝土浇筑回填；加强起拱线、拱顶与环向结构缝等部位的混凝土振捣；采用配合比最佳级配集料混凝土，使其快硬早强；混凝土生产全程对拌和均匀性、适宜拌和时间、自动计量设备准确性等经常性检查；混凝土运输能力要适应凝结与浇注速度需要，以保持均匀性与规定坍落度，并充分发挥设备效率；保证混凝土振捣密实，以及注重混凝土保养等诸多方面。

图6 隧洞二次衬砌液压整体式钢模台车结构

5.3 二次衬砌施工指标及强度分析

经综合分析，两座隧洞二次衬砌施工作业工序单循环时间安排见表3 所列。隧洞二次衬砌按单工作面使用1 台钢模台车浇筑混凝土的最不利工况，按每月25 d、每天按三班24.0 h 工作制有效作业时间，以及单循环作业30.0 h 计算分析，钢模台车跨长10.0 m，理论月均20 循环（20 跨），月均进尺为200.0 m。施工关键线路34#隧洞进口段洞长1.6 km，二次衬砌月均进尺200.0 m，则完成二次衬砌时间为8 个月，可满足关键节点工期计划要求。

表3 隧洞二次衬砌施工作业工序单循环时间安排

6 结语

引洮供水二期工程总干渠33#及34#隧洞属于典型小断面规模引输水隧洞，按照新奥法（NATM法）与钻爆法相结合理念设计与施工。针对隧洞围岩工程地质、断面及工期等主要工程技术特性，对施工通风与供风、开挖掘进、一次支护体系与监控量测，以及二次衬砌等技术与质量控制措施进行了全面分析。两座隧洞工程现已全线开挖掘进施工贯通，大部洞段二次衬砌完工，工期可控。工程施工实践表明，所采用的工程技术与质量保证措施实施良好，取得优异成效，可为类似引输水隧洞工程设计与施工参考借鉴。