向家坝灌区南北总干渠首部长引水隧洞施工关键技术

景茂贵，刘益勇，车公义，樊启祥

(1.中国三峡建设管理有限公司，四川成都610041；2.中国华能集团有限公司，北京100031)

0 引 言

近十年，我国水工隧洞得到了迅猛发展，其建设规模和难度不断刷新纪录。据不完全统计，截至2013年底，各类水工隧洞已建成的超过10 000 km、正在建设的超过1 000 km、已规划的超过2 000 km[1]。规划中的南水北调西线一期工程引水线路总长255.9 km，隧洞总长252.7 km(单体隧洞最长72 km)，工程面临高寒缺氧、活断层、高地应力及高地温、高压涌水等突出问题，因此成为世界建设难度最大的引水隧洞[2，3]。为适应施工难度不断增加的长隧洞工程建设，有必要开展长隧洞施工技术研究。本文结合类似工程经验和相关文献资料，对南北干渠长隧洞特殊地质条件的处理和针梁台车快速衬砌等进行了分析研究，形成了一套相对固定和成熟的施工关键技术。

1 工程概况

向家坝水电站灌区工程位于川南干旱区，是一座以灌溉为主，兼顾城乡生活、工业供水的大型水利工程，是《四川省农业发展上台阶建设项目规划》中的重要水利工程。根据规划，向家坝灌区工程幅员面积10 155.6 km2，灌溉面积3 533.3 km2，惠及500万人。灌区咽喉工程——南北干渠——分别位于向家坝水电站大坝左右岸(见图1)，渠长约5.2、10.1 km，衬砌后分别为直径6 m和8.2 m的圆形有压洞，设计引用流量分别为38、98 m3/s。

图1 南北干渠平面布置

根据现场地形条件，北干渠设2条施工支洞(即N1号和N2号施工支洞)和3个弃渣场，5个工作面平行施工，单工作面最长约3 km。南干渠设2条施工支洞(即S1号和S2号施工支洞)，4个工作面施工，单工作面最长约1.5 km。隧洞采用钻爆法开挖、针梁台车衬砌，总体“先挖后衬”的施工方案。

南北干渠垂直埋深多为200～500 m，围岩以泥质粉砂岩和粉砂质泥岩为主，易遇水软化和失水崩解，Ⅳ2和Ⅴ类围岩约占95%。取水隧洞部分洞段穿越岩爆、崩塌堆积体宽大裂隙、煤层、大涌水等特殊不良地质区域，施工期围岩稳定性突出、安全风险高；近距离穿越水富新县城、地下厂房帷幕等敏感建筑物，施工干扰大、精细化爆破控制要求高；取水隧洞为有压隧洞，衬砌质量要求高。

2 长隧洞施工关键技术

2.1 长隧洞开挖方法与地质预报

长隧洞的开挖方法主要有钻爆法和TBM法两种。对于地层较均一、硬度适中的围岩，采用TBM掘进效果较好；对于存在大量高地应力岩爆、大断层、溶洞和塌方等不利地质条件时，钻爆法开挖适应性更强。南北干渠特殊地质条件多，经技术经济分析后，最终采用常规钻爆法开挖，并分别于2015年8月19日和2016年7月4日实现全线安全顺利贯通。开挖期间，南北干渠洞内未发生质量安全事故，创造了复杂地质条件下长隧洞安全施工的典范。

长隧洞开始掘进之前，尽管采用了多层次平行的综合勘探方法，但要消除地质条件的不确定性是不可能的，“十隧九变”是施工常态。在实际施工时，必须进行综合性的超前预报，并将其纳入正常的施工工序[4]。南北干渠开挖施工过程中，主要采用了地质雷达和水平超前钻孔，成功预报了北干渠桩号2+858大涌水和南干渠桩号4+139崩塌堆积体宽大裂隙，通过采取提前引排和超前加固措施，避免了人员和设备受损并安全通过上述洞段。

2.2 精细化爆破振动控制

南干渠沿线近距离经过向家坝地下厂房灌浆帷幕、水富新县城、水富市政交通隧洞等敏感建筑物，最近距离仅16.5 m(见图2)。鉴于复杂的地质条件和周边环境，为避免对附近建筑物造成损伤，降低对周边居民的干扰，按照精细爆破的指导思想[5]，先在南干渠S2号支洞内进行爆破试验，根据成果优化爆破设计，并持续开展安全监测。

2.2.1爆破试验

试验方案是循环进尺≤2 m；中心直孔掏槽；试验期间爆破振动控制标准暂定为居民住宅和商铺基础处最大振动速度不超过2 cm/s，市政管线地表处不超过1.5 cm/s，爆破噪声控制标准暂定为120 dB。主要设计参数见表1，起爆网路布置见图3。

表1 S2号支洞第1次爆破试验设计参数

表2 S2号施工支洞第1次爆破试验振动数据

图2 向家坝南干渠平面布置

图3 S2号支洞第1次爆破试验炮孔布置(单位：mm)

试验时在距离S2号洞口150 m范围内的路面、建筑物基础布置了6个振动测点，在正冲向最近的建筑物一楼(140 m)布置1个噪声测点(见图4)。爆破振动监测数据见表2，1号测点竖向振动波形见图5所示。

图4 S2号支洞爆破振动监测布置

测点振速最大值出现在初始掏槽孔起爆时刻，这表明南干渠爆破开挖产生的质点振动速度峰值取决于掏槽孔的布孔、联网方式与单段药量，与其他爆破参数关联性不大。相关监测点最大振动幅值：市政管线0.91 cm/s，城区道路0.62 cm/s，居民楼基础处0.41 cm/s，均低于预先规定的安全阈值；同时无路面下沉开裂等震害现象。81栋一楼的噪声测值为115 dB，未超过设计控制标准120 dB，但居住在6层以上的居民反映，爆破时家中能感觉到楼板和门窗发生轻微晃动，使老年人和婴幼儿产生惊吓、心慌等不良反应。

图5 1号测点第1次爆破试验竖直向振动波形

炮孔类型孔深/m孔径/mm数量/个孔距/cm排距/cm药径/mm单孔药量/kg第1排掏槽孔1.4421460—320.9第2排掏槽孔2.1421085—321.5辅助孔2424060～8558～68321底板孔24287570321周边孔242404050250.4

表4 S2施工支洞第2次爆破试验振动数据

2.2.2爆破方案优化

图6 S2号支洞第2次爆破试验炮孔布置(单位：mm)

在第1次爆破试验监测数据和调查成果的基础上，对爆破设计方案进行了优化：将掏槽方式由单排直孔改为双排斜孔。改进后的爆破设计参数见表3，起爆网路布置见图6。第2次爆破试验时在相同位置布置了6个振动测点和1个噪声测点，振动监测数据见表4，1号测点竖向振动波形见图7。

监测数据显示，改进后的爆破方案产生的振动比第1次试验有明显降低，S2工区路面(1号测点)的振动峰值速度降低幅度约20%，居民楼基础(4号、5号测点)的振动峰值速度降低幅度为30%，居住在高楼层的居民反映家中楼板和门窗没有出现晃动，表明双排斜孔掏槽能够起到较好的减振效果。

近距离过地下厂房帷幕、水富市政交通隧洞等敏感建筑物时，参照上述思路开展双排或多排斜孔试验、优化爆破设计及振动监测，确保了南干渠在复杂环境下微震爆破取得成功。

2.3 特殊地质问题处理

2.3.1宽大裂隙处理

图7 1号测点(S2工区)第2次爆破试验竖直向振动波形

测点号最大主应力应力值/MPa方位/(°)倾角/(°)中间主应力应力值/MPa方位/(°)倾角/(°)最小主应力应力值/MPa方位/(°)倾角/(°)实测应力分量/MPaσxσyσzTxyTyzTzz最大水平主应力/MPa最小水平主应力/MPa最大水平主应力方位侧压力系数λ=σh/σz左01-21.69259.292.63-18.82351.0133.25-11.61165.2956.62-16.88-21.45-13.801.060.973.1821.6816.6577.561.57左02-21.27185.4115.78-10.7278.8945.17-8.13289.4140.57-20.24-9.47-10.401.39-0.95-3.1720.429.297.241.96左03-9.43290.5170.14-3.83186.245.09-2.3694.4719.14-3.90-3.09-8.62-0.112.130.663.913.08352.400.45左04-9.56329.7354.51-4.32235.083.310.49142.7335.29-3.61-3.60-6.190.782.623.944.392.8244.820.71左05-13.544.475.18-6.62251.0777.15-4.6495.5411.73-13.42-4.78-6.590.720.340.6613.484.724.732.05左06-13.62237.0213.96-8.7925.6473.77-5.16144.998.12-7.75-10.82-9.003.751.24-0.2013.345.2356.131.48

表6 各工况支护和衬砌结构应力峰值 MPa

南干渠开挖至桩号4+187时，掌子面顶部揭露出陡倾角宽大裂隙，最大宽度约0.8～1.5 m，洞顶以上空腔高度超过3 m，沿洞轴线方向延伸，总长约150 m。宽大裂隙空腔内充填泥质松散块石，有孤石滑出。由于该洞段上覆岩体为崩塌堆积体，埋深仅30～50 m，为保证施工安全和地表稳定，采取了如下措施：①加强封闭和支撑。喷混凝土封闭掌子面和空腔内的充填物，拱顶180°范围内采用大管棚超前支护。②回填顶部空腔。拱顶上方用Φ22钢筋焊接成钢筋龙骨，模喷50 cm混凝土作为模板，回填1.5m厚一级配C25混凝土，埋管引排空腔内积水，减小外水压力。③布置永久监测。防止洞室坍塌和地表沉陷。

监测资料显示，目前该洞段围岩、衬砌结构和对应地表均安全稳定。

2.3.2岩爆

岩爆是高地应力条件下围岩发生脆性破坏时应变能突然释放造成的一种动力失稳现象。自1738年在英国锡矿坑道中首次报道以来，岩爆已成为高应力地下工程中普遍关注的一种地质灾害[6]。由于存在损毁施工设备和砸伤施工人员等，岩爆给工程建设带来严重的影响和安全威胁[7，8]。为保证施工安全，目前治理岩爆的原则仍是“以防为主、防治结合”[9-11]。

在北干渠桩号1+369～1+412开挖过程中，每循环爆破后，掌子面岩体均有零星、间断的噼啪声和爆裂声响，同时还出现岩块剥落形成的片帮，偶有岩块弹射现象，最大粒径约70 cm，厚约15～20 cm。为了解和掌握发生的上述现象，现场开展了地应力测试。现场共布设了6个孔(左01～左06)，计算成果见表5。

(1)开挖阶段措施。根据地应力测试成果，该区域会发生高地应力现象。采取短进尺(按1.5 m控制)、增加超前应力释放孔、提高光爆效果、高压水喷淋和封闭掌子面、喷纳米钢纤维混凝土、打水胀式锚杆、预留变形量(技术超挖2 cm)等系列措施，最终安全地通过了岩爆洞段。

(2)衬砌阶段措施。根据现场实测的地应力资料，按Ⅳ类均质围岩考虑，隧洞底部、顶部以及两侧围岩取4倍开挖洞径，其余上部覆盖层岩石采用等效荷载施加，沿洞轴线方向取10 m建立隧洞分析模型(见图8)，研究衬砌不同承载比例下支护结构的受力情况(见表6)。

图8 三维有限元计算模型示意

从表6可以看出，当围岩地应力释放80%及以上时施工永久衬砌，混凝土与钢筋应力均在设计强度内。总体上，围岩应力释放越充分实施支护，其结构受力越小，安全裕度越大。

处理措施：①岩爆洞段顶拱120°范围内布置应力释放孔(Ф76 mm@2 m×2 m，L=9 m)加速高地应力的释放过程。待高地应力释放基本完成(即变形收敛)再进行衬砌施工(应力释放孔施工完成至衬砌时间间隔不少于3个月)。②调整结构缝(按8～10 m设置结构缝)。③加强结构配筋，环向钢筋由Ф25 mm调整为Ф28 mm。④布置永久监测设备，加强运行期监测。

2.3.3大涌水

北干渠在开挖至桩号2+858.00后，掌子面顶拱出现严重涌水，日均涌水量约3 000 m3。采取的措施有：①根据地质资料推断渗水通道。②水玻璃水泥浆封堵出水孔，水灰比0.8～1∶1，水玻璃稀释浓度25～35 Be，双液体积比(水泥浆体积/水玻璃体积)为1∶(0.5～0.7)。③对已支护段进行灌浆(孔深6 m，孔径Φ60 mm，间距1 m、排距2 m，压力0.5 MPa)。④前述灌浆完成后，对未开挖洞段进行灌浆，角度35°～45°，灌浆参数同前，见图9所示。

图9 灌浆施工示意(单位：mm)

图10 针梁台车结构及顶部拼接示意

2.4 衬砌施工

南北干渠采用先挖后衬和针梁台车全圆一次衬砌成型的方案。通过不断的总结和改进，单台针梁台车每月可浇筑12～14仓(144～168 m)，外观质量较好。主要控制措施有：

2.4.1台车设计

①针梁长度。一般为2倍模板长度+富余长度，以南北干渠为例，针梁长度为28～30 m。②模板厚度。根据衬砌厚度和超挖情况，模板厚度一般为10～12 mm。③模板环向拼接。一般采取铰接，为便于脱模，最后的拼接部位最好设置于顶部，如图10所示。④模板仓口及附着式振捣器布置。纵向布置为窗口4排，每排7个共计28个；附着式振捣器6排，每排4个共计24个，如图11所示。

图11 窗口及振捣器布置

2.4.2入仓振捣

该工序对混凝土浇筑质量至关重要，经过大量的研究和总结分析，得出经验：①底板。采用Φ50 mm振捣棒振捣，振捣时间一般为10～15 s。②腰线。下料厚度控制在30 cm左右，上升速度不大于1 m/h，两侧高差控制在0.5 m以内。Φ50 mm振捣棒和附着式振捣器振捣时间均为8～10 s为宜。快插慢拔，振捣时以混凝土不再下沉，不出现气泡，并开始泛浆为止。③顶拱。混凝土入仓后采用附着式振捣器进行振捣，下料厚度控制在30 cm左右，振捣时左、右侧附着式振捣器分开启动，振捣时间控制在10～12 s，复振时间控制在3～5 s。

2.5 人员跟踪定位系统

为提高洞内应急救援能力和加强现场管控，南北干渠洞内安装了基于无线射频信号的人员跟踪定位系统。隧洞内信号全覆盖，可实现对人员及设备的精确定位、洞内时长统计、双向呼救、超时报警等。通过安装于手机端的APP，管理人员可随时随地掌握现场情况。尤其对管理人员未履职到岗、作业人员和浇筑罐车超过预定时间出洞(作业人员可能存在安全问题或现场浇筑不正常)等自动报警提示，大大提高了对现场的管控能力。

3 监测成果分析

3.1 施工期临时监测

为充分发挥安全监测在指导施工中的重要作用，南北干渠十分重视施工期安全监测。按照100～200 m布置1条，特殊地质条件加密布置的原则，南北干渠共布置93条围岩收敛监测断面。在所有监测断面中，南取4+120.000和北取2+280断面收敛变形最大，分别为22.53、34.24 mm，其余断面变化量较小或均已收敛。经计算，上述两断面的隧洞周边位移变形相对值F分别为0.44和0.46，均小于规范允许的1.6，南北干渠隧洞总体安全稳定。

变形监测数据显示，南北干渠围岩的变形收敛时间主要集中在开挖后的前4～6个月内，该段时间内的变形量一般占监测总变形量的80%左右；绝大部分断面在8～10个月内基本收敛；如存在软弱夹层等则收敛时间更长，面对此种情况需加强监测并尽快完成永久衬砌施工。

3.2 运行期永久监测

由于北干渠衬砌尚未浇筑至监测断面设计桩号，暂未安装。本部分主要介绍南干渠永久监测情况。根据南干渠沿线围岩地质条件和内水压力分布情况，全线共设计有4个永久监测断面，每个断面安装有4支衬砌钢筋计、3支渗压计、3支测缝计、1支应变计和1支无应力计。仪器具体布设如图12所示。

图12 南干渠永久监测典型断面布置(单位：mm)

监测结果为：①钢筋应力计。在衬砌钢筋上安装有钢筋计。监测数据显示，南干渠衬砌钢筋应力一般在3个月达到稳定状态且应力相对较小，均不超过10 MPa。②渗压计。在各监测断面衬砌外侧布置了渗压计，监测围岩的渗压及分布。根据监测数据显示，各断面渗压水头值均较小，最大为0.77 m。③测缝计。在衬砌混凝土与岩石结合面处安装有测缝计，用于测量混凝土的开合度情况。根据监测数据显示，各断面开合度监测值均较小，最大值为0.03 mm。④应变及无应力计。在衬砌混凝土中埋设有应变和无应力计，用于监测混凝土变形情况，当混凝土初凝后，测取初始值。从监测数据看，测值较小。

从以上监测数据看，各类测值变化不大，说明南干渠开挖期支护效果和衬砌质量均较好。

4 结 论

本文以向家坝南北干渠为例，结合相关文献研究，对长隧洞工程的开挖与地质预报，精细化爆破振动控制、特殊地质条件处理措施及针梁台车快速衬砌等施工关键技术进行了分析研究，总结如下：

(1)长隧洞由于穿越地层多，存在断层、溶洞、大涌水、岩爆、高地温和有毒有害气体等多种不利地质条件。施工过程中需注重超前预报和安全监测，并把其作为施工中的一个必须环节，做到有的放矢，方能确保施工安全。另外，对各种特殊地质条件需要有处理措施及手段，并做好应急预案编制。

(2)长隧洞经过不同类型敏感建筑物时，应提前做好调查分类和标识测量，按不同建筑物的保护类别做好爆破振动控制，并进行过程监测和反馈分析。双排或多排斜孔掏槽可有效降低爆破振动速度，尽可能采用。

(3)针梁台车衬砌具有速度快、外观质量好等优点，但需注意模板搭接、窗口设置、台车抗浮和振捣时间等细节设计与过程控制。

(4)为保证长隧洞施工期安全，同时及时掌握运行期围岩变形、渗流渗压、混凝土衬砌和钢筋等受力变化情况，一般需布设施工期临时监测和运行期永久监测。临时监测主要根据地质情况布设，永久监测一般布置于施工支洞或检修通道等附近。

(5)一切工序标准化、一切标准信息化已是工程发展的大趋势。建议在工程的初始阶段，通过各种试验和总结分析，尽快制定适应本工程的相关标准化工艺或管理流程并加强宣贯，在工程开工就严格执行；引入智能信息化系统，确保对各工程数据的实时监控和全过程追踪。