长距离输水隧洞进度补短板措施与技术创新*

赖 勇，杜强强，郑 刚

(1.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002； 2.杭州市千岛湖原水股份有限公司，浙江 杭州 310016)

0 引言

长距离输水隧洞为控制工期，一般设置施工支洞增加工作面，实现长洞短打，但由于受围岩条件等不确定性因素影响，实施过程中易出现进度短板，制约工程整体进度，增加成本。现有加快施工进度措施的研究大多从管理角度着手，如保障通风排烟、保障人员设备投入[1]、减少设备故障[2]、优化出渣工序、提高光爆效果[3]等。与交通工程隧道相比，输水隧洞洞径小得多，开挖与衬砌支护一般难以并行实施，隧洞工作面存在进度短板且滞后较大时，管理优化和现有技术手段不能满足要求时，有必要进行创新[4]。

1 工程概况

千岛湖配水工程输水隧洞全长113.22km，其中C30W8F50平底圆形钢筋混凝土隧洞长102.29km，衬后洞径6.7m，浅埋段长10.93km，采用钢管外包混凝土衬砌，钢管内径5.0m。工程沿线共34个施工支洞，采用城门洞形断面，最小衬后洞径为5.5m×6.0m(宽×高)，施工支洞总长20.36km，连同埋管工作面，全线共78个隧洞开挖及支护工作面，隧洞全线采用钻爆法施工，单工作面最长3.3km[5-6]。

输水隧洞围岩总体以Ⅲ类为主，Ⅰ类围岩相对较少。根据统计结果，Ⅰ～Ⅱ类围岩占全洞长的9.7%，Ⅲ类围岩约占全洞长的76.6%，Ⅳ～Ⅴ类围岩约占全洞长的13.7%。其中中部建德、桐庐段隧洞总体围岩条件较好，以Ⅲ类偏好围岩为主。上游淳安段除部分灰岩区存在溶洞溶蚀影响外，总体围岩条件较好；下游富阳段围岩条件较差，Ⅲ类偏差、Ⅳ～V类围岩居多。

2 开挖初期措施

工程全线共16个土建标段，其中首批5个标段于2015年4月开始隧洞爆破施工，其余11个标段于2015年下半年进场，2016年初陆续开始隧洞爆破施工。2016年8月，疏理排查全线78个工作面进展情况，此时以西坞山上游、西坞山下游和桐村上游进度滞后情况最突出。采取加快施工进度的技术措施如下。

1)增设施工支洞 分别在西坞山和桐村上游各增设1个施工支洞。

2)调整支洞轴线 西坞山上游增设施工支洞后，单工作面长度大幅减少，向下游调整该支洞轴线与输水隧洞交点，以减少下游工作面长度。

3)扩大底部洞径(见图1) 贝山寺下游、春建上游、爽坞里下游、上陈上游工作面底部两侧各拓宽0.7m，以满足出渣设备平行作业所需宽度要求。

图1 输水隧洞扩大底部洞径结构

采用以上技术措施后，进度短板提升效果如图2所示。实际过程中，基于后期围岩条件的不确定性，本阶段未直接采纳上述建议，现场主要采用加强进度管理、政策处理及时到位、施工单位加大设备及人员投入、做好工序衔接、保障原材料供给、节假日加班、连续24h循环施工等非技术措施。

图2 开挖初期进度短板采取措施前后完工时间

3 开挖中期措施

2017年5月1日，除进水口施工支洞外，其余33个施工支洞均已完成开挖，输水隧洞累计开挖56.95km，约占输水隧洞总长的50.3%。根据已开挖隧洞段进尺统计，Ⅱ类围岩平均进尺190m/月；Ⅲ类偏好围岩平均进尺180m/月；Ⅲ类偏差围岩考虑施工安全，增加钢拱架支护，平均进尺约120m/月；Ⅳ类围岩平均进尺约75m/月；V类围岩平均进尺仅50m/月。

对各工作面进度进行重新梳理和综合分析后，采取的加快进度工程技术措施包括扩大底部洞径、调整相邻工作面长度、渐变段采用钢衬等，缩短滞后工期约2个月，增加投资1 020.9万元。

4 开挖后期措施

2017年12月14日，输水隧洞累计开挖92.2km，约占输水线路总长的81.4%，尽管总体开挖完成比例较高，但由于地质条件的差异，部分节点工作面仍较滞后，输水隧洞剩余开挖长度超过800m的工作面及掌子面围岩情况如表1所示。

表1 输水隧洞滞后工作面统计

施工12标西坞山下游工作面剩余长度最大、围岩条件极差，尽管已采用保障人员及设备投入、连续24h循环施工、拓隧洞底宽等措施，但进度形势极为严峻。根据规范[7]，平洞开挖Ⅳ类围岩循环进尺宜为1.0～2.0m，Ⅴ类围岩循环进尺宜为0.5～1.0m。结合Ⅳ，Ⅴ类围岩一期支护紧跟掌子面要求[8]，各工作面每天仅能完成1.5个循环，因此，制约Ⅳ，Ⅴ类围岩隧洞开挖进尺的关键因素在于单循环进尺较小，在确保施工安全的前提下，应加大单循环进尺。为此，对采用凿岩台车施工的方案进行专题调研，并选择优化常规支护加大单循环进尺方案。

4.1 改用凿岩台车施工方案(方案1)

凿岩台车是集行走、凿岩和装药于一体的特种施工机械，可替代人工进行掌子面钻孔、打设锚杆等作业，并可提供吊篮平台辅助装药，具有整体性能稳定、操作简单、钻孔速度快、安全系数高等优点，在高铁隧洞施工中被广泛应用[9-10]。目前，常用的凿岩台车有三臂和双臂系列，适用的最大洞径为16.6m×12.6m，最小洞径为5.0m×6.0m。输水隧洞洞径小，本工程采用双臂凿岩台车的施工可行性如下。

1)通行工作空间 本工程输水隧洞喷护后的洞径净空约7.5m，底宽约6.0m，双臂凿岩台车尺寸15.1m×2.5m×3.3m，12标工地装载机宽3.1m，自卸汽车宽2.5m，双臂凿岩台车与装载机并行时的宽度要求是3.1m+2.5m+0.5m(排水沟)+0.5m(安全裕度)=6.6m，因此，凿岩台车需设避车道才能让行装载机，为方便凿岩台车与装载机并行，需在开挖断面洞底两侧各拓宽0.7m的基础上，在洞底两侧各加宽0.3m。

2)主支洞交汇口转弯 本工程主支洞交汇口支洞和主洞底宽均为8.0m，洞壁转弯半径6.0m，因此，理论允许的最大外转弯半径为8.0m+6.0m-0.5m(安全裕度)=13.5m，双臂凿岩台车最小转弯外半径为8.4m，满足主支洞交汇口通行条件。

3)钻孔工作空间 双臂凿岩台车推进器总长6 125mm， 最大钻孔深度4.0m。本工程喷护后的洞径净空约7.5m，满足钻孔工作空间要求。

4)钢拱架架设 改用凿岩台车施工时，必须考虑架设钢拱架时采用钻孔台车的兼容性，双臂凿岩台车可从钻孔台车下部穿行，因此，可与钻孔台车兼容施工。

综上，在西坞山下游工作面采用双臂凿岩台车施工方案可行。改用凿岩台车施工后，支护措施调整如下：①开挖洞底两侧再各加宽0.3m；②Ⅳ，Ⅴ类围岩增设中管棚；③Ⅲ类偏差围岩取消钢拱架；④砂浆锚杆、药卷锚杆、普通中空注浆锚杆均调整为SD27N自进式中空注浆锚杆。估算本方案需增加投资889.7万元，可缩短工期3.7个月。

4.2 优化常规支护加大单循环进尺方案(方案2)

采用管超前、严注浆措施，结合现场试验和施工期安全监测实时反馈信息，在确保安全的前提下逐步提高单循环进尺，考虑与钢拱架间距匹配，拟定Ⅳ，Ⅴ类围岩优化常规支护后，依次调整循环进尺如下：①Ⅳ类围岩为2.5，3.0m；②Ⅴ类偏好围岩为1.6，2.4m；③Ⅴ类偏差围岩为1.0，1.5m。

常规支护方式优化调整如下。

1)Ⅳ类围岩 原SD27N自进式中空注浆锚杆超前支护调整为φ42小导管超前支护，小导管环向间距0.35m，顶拱150°布置，2.5m进尺施工时排距2.0，3.0m间隔布置，3.0m进尺施工时排距3.0m间隔布置，超前小导管长度统一为5.5m，外插角10°～15°。

2)Ⅴ类围岩 φ42小导管环向间距0.3m，顶拱150°布置，排距同循环进尺长度，搭接长度≥2.5m，外插角10°～15°。

估算本方案需增加投资330.2万元，可缩短工期3.6个月。

4.3 推荐方案及实施效果

西坞山下游工作面采用方案2，月平均进尺Ⅳ类围岩由75m/月提高到110m/月，Ⅴ类围岩由50m/月提高到80m/月，该工作面于2018年12月底顺利贯通。隧洞开挖期间，该工作面有3个多月采用试验悬臂式掘进机施工，平均进尺为75m/月。由于多次遭遇溶洞，施工1标金竹牌下游、石毛畈上游工作面后期进度出现滞后，同样采用方案2，于2018年12月底完成工作面开挖。

5 加快衬砌进度的技术措施

除隧洞开挖及初期支护外，加快二次衬砌是进度补短板的重要组成部分。规范建议施工缝间距为6～12m[11]，C30W8F50钢筋混凝土含泥量高，采用12.0m台车时易出现环向裂缝，若采用6.0m台车施工则进度太慢。为实现施工缝间距6.0m时采用12m甚至18m台车，本工程输水隧洞混凝土衬砌全线采用诱导缝，各台车衬砌段间距6.0m按施工缝要求预先固定设置止水和嵌缝松木板，衬砌拆模后迎水面切割5cm深的环向伸缩缝，可有效防止除诱导缝内部外的衬砌再出现环向裂缝，在加快衬砌进度的同时有效保障衬砌质量。输水隧洞衬砌诱导缝结构如图3所示。

除诱导缝措施外，部分滞后的工作面仍同步采用双台车施工，相关工作面的衬砌进尺如表2所示，2019年8月20日，隧洞全线衬砌完成。

6 结语

千岛湖配水工程输水隧洞于2018年12月26日全线开挖贯通，2019年9月29日正式通水，工程在上游存在多处溶洞，在下游软岩洞段水平节理发育、涌水突泥多发的情况下按时完工。衬砌进尺多次刷新全国纪录，最终创造18m双台车单月衬砌进尺954m的纪录。

1)若长距离输水隧洞洞径小，工作面进度滞后，应首先考虑管理措施。在进度仍然滞后的情况下，可考虑增设施工支洞、扩大底部洞径、调整支洞轴线、渐变段采用钢衬、调整相邻工作面长度等技术措施。

图3 输水隧洞衬砌诱导缝结构

表2 输水隧洞采用诱导缝技术后的衬砌进尺

2)分阶段采用技术措施，效果更好。部分措施后期采用时难以发挥效果，如增设施工支洞，需尽早采用。

3)制约Ⅳ，Ⅴ类围岩隧洞开挖进尺的关键因素在于单循环进尺较小，在确保安全的前提下，可考虑优化常规支护加大单循环进尺方案。

4)采用双台车施工，设置诱导缝，可加快进度，同时保障衬砌质量，尤其加快长距离输水隧洞进度。