水工隧洞交叉洞段布置及其施工控制探析

许方安 王丽丽 陈国勋

(1.温州市水利建设管理中心，浙江 温州 325000；2.温州市水旱灾害防御中心，浙江 温州 325000)

新建水工隧洞线路与周边已建交通隧道、引输水隧洞等其他地下建筑物临近或交叉布置时，由于施工爆破振动、地下水渗透、地质薄弱层等因素，可能会相互影响相互干扰[1]，甚至产生安全隐患。因此，存在上述情况时，在隧洞设计和施工阶段需高度重视，合理布置线路，优化隧洞断面，完善开挖方案[2]，加强支护和监测[3]，以策安全。平阳南湖分洪工程南、北线分洪隧洞倒虹吸段先后下穿白岩寨公路隧道、小型灌溉隧洞和平阳引供水隧洞，具有开挖断面大(最大开挖洞径15.5m)，与临近交叉洞段距离近，施工技术难度高、安全风险大等特点，本文以其北线分洪隧洞倒虹吸段下穿已建平阳引供水工程4号引水隧洞为例，对其交叉布置及施工控制要点进行探析，以供参鉴。

1 工程简况

平阳县南湖分洪工程位于水头镇，是鳌江流域治理的重要组成部分，其建设内容为进口分洪闸、分洪隧洞、施工支洞及补偿工程。其中，分洪隧洞2条，北线分洪隧洞长6.563km，南线分洪隧洞长6.538km，含上游无压段、倒虹吸段和下游无压段，衬后洞宽14m，设计最大分洪流量均为410m3/s。

北线分洪隧洞在桩号ND1+524～ND3+609处设倒虹吸段，倒虹吸段总长2085m，断面形式为城门洞形，衬后尺寸14m×11m(宽度×高度)，底高程由4.71m渐变至-11.50m，再由-11.50m渐变至2.66m。倒虹吸段在桩号ND2+980处与已建平阳引供水工程4号引水隧洞相交(见图1)，4号引水隧洞断面为城门洞形，净宽3.0m，边墙净高1.1m，顶为三心拱，净断面面积3.636m2，为有压隧洞。

图1 倒虹吸段下穿4号引水隧洞三维纵剖面

该工程所在区域为低山丘陵—沿海冲洪积、冲海积平原交互地带，受燕山晚期花岗岩侵入侏罗系上统西山头组熔结凝灰岩地质构造作用影响，北线分洪隧洞倒虹吸与4号引水隧洞交叉段围岩完整性较差。据与4号引水隧洞交叉段地质编录结果，该段揭露压性断层，上下盘各有一条挤压滑动带，宽分别为20cm和15cm，充填高岭土和断层泥，断层中间为强烈高岭土化破碎带，滴水，局部塌方高1.7m，交叉段岩体类别预计为Ⅲ～Ⅳ类。

2 交叉段布置

北线分洪隧洞倒虹吸下穿4号引水隧洞交叉段，在方案设计时重点考虑以下方面：一是要确保4号引水隧洞的结构安全，施工期间不影响其正常输水；二是要确保本工程分洪隧洞的结构安全；三是要尽量减少影响范围、影响程度和影响时间，快速安全通过。

从平面投影分析，分洪隧洞倒虹吸段与4号引水隧洞夹角越大，相应倒虹吸段施工影响长度越短，快速安全穿过越有利。该工程拟定了直线穿越方案(方案一)和曲线穿越方案(方案二)，南北线倒虹吸段共同进行布置比较分析(见图2)。

a.方案一(直线方案)。方案一南北倒虹吸交叉段可比线路总长约1.2km，在已建4号引水隧洞下方约13m处穿过，两隧洞轴线夹角为11.3°，隧洞围岩类别预计为Ⅲ～Ⅳ类。

b.方案二(曲线方案)。方案二南北倒虹吸段线路经过两次偏转，中间直线段与已建4号引水隧洞夹角为40.0°，倒虹吸交叉段可比线路总长1.28km，在已建4号引水隧洞下方约13m处穿过，隧洞围岩类别预计为Ⅲ～Ⅳ类。

图2 倒虹吸段下穿4号引水隧洞方案平面布置

两个方案比较情况见表1。

表1 倒虹吸下穿4号引水隧洞段比选方案比较

通过上述比较，方案一水力条件好，施工条件好，工程可比投资比方案二小，虽然与已建引供水隧洞轴线夹角较小，需要控制爆破施工的隧洞长度更长，但该段不是直线工期的控制段，对整体工期无影响。本段通过控制爆破、加强支护、渗漏灌浆和监测等工程措施，可将对已建4号引水隧洞正常运行影响程度降到最低，故推荐方案一。

3 施工控制

北线分洪隧洞倒虹吸下穿4号引水隧洞交叉段开挖断面大(开挖洞径15.5m)，大断面隧洞开挖后具有应力重分布不利、底脚处应力集中、拱顶不稳定、松弛地压较大以及支护结构承载力相对较小等力学特点，施工技术难度较大；且施工期间4号引水隧洞不间断通水，两者垂直距离12.95m，施工干扰较大，容易因爆破振动引起裂隙贯穿，甚至出现坍塌、突水等风险，存在一定的施工安全隐患。

为此，该工程结合地质情况，综合考虑安全、进度、投资等因素，采取“超前探测、预注浆、短进尺、弱爆破、强支护、重监测”的施工方案，确保了施工安全。

3.1 超前地质预报

通过超前地质预报[4]，了解和判断掌子面前方一定距离内不良地质的性质、位置、宽度和影响隧洞的长度，提前判断地下水情况、围岩类别及对施工的影响，从而为避免工程地质灾害、降低施工风险及保证施工安全提供扎实的基础资料。

交叉段主要采取地质雷达探测、TSP预报和红外探水预报方式进行超前地质预报，其中，地质雷达预报和红外探水预报每25m一循环，TSP预报共开展2次。根据超前地质预报结果，该段岩体节理裂隙较发育，岩体相对较破碎，围岩以Ⅲ类偏差为主，局部Ⅳ类，局部含裂隙水，施工过程中需加强支护。

3.2 超前预注浆

超前预注浆作用主要是止水和加固围岩[5]。通过注浆使浆液对围岩进行挤密、劈裂和填充，提高围岩的承载和自稳能力，并将地下水有效地封堵在开挖轮廓线以外位置，使得围岩的透水量减小，保证正常施工。

为应对可能出现的山体裂隙贯穿，造成施工或运行期4号引水隧洞内水外渗，该交叉段在地质超前预报和超前钻孔分析判定基础上，对Ⅳ类及更差围岩进行短距离超前预注浆处理，预注浆材料采用疏水性聚氨酯溶液，注浆断面排距2.5m，每排16孔，孔深4.0m，按照“止水灌浆4m+开挖2m”的循环工序施工。

3.3 洞室开挖施工

北线交叉段与4号引水隧洞距离近，开挖断面大，爆破开挖存在一定的安全风险，为确保施工安全，坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤监测”的原则，并根据爆破振动监测数据，优化爆破参数，以减小爆破振动影响。

为此，对交叉段针对性地编制爆破开挖施工方案，采用导洞超前(超前控制在10m内)、分段毫秒(半秒)延时微差爆破工艺及限制单段爆破最大用药量等措施。每循环进尺1.0m，开挖方量170m3，炸药单耗0.365kg/m3，单段最大齐爆药量控制在6.0kg。开挖爆破布孔情况见图3。

图3 交叉段开挖爆破布孔(单位：m)

为确保4号引水隧洞安全，隧洞爆破振动采用萨氏公式验算：

R=(K/V)1/αQ1/3

式中：K、α为地质地形条件系数，根据工程地勘报告，K值取200，α值取1.8；Q为一次齐爆的最大药量，实际为5.9kg；R为爆点与保护对象距离，交叉段下穿4号引水隧洞净距12.95m；V为爆破安全允许振速，cm/s。

该工程隧洞爆破f>50Hz，保护对象为水工隧洞，爆破安全允许振速V取10cm/s。经验算，V=9.1cm/s，振速小于质点安全允许振速，交叉段爆破振动对4号引水隧洞影响可控。

隧洞开挖遵循新奥法原理施工，光面爆破，非电毫秒雷管起爆，乳化炸药爆破；围岩稳定较差时，支护紧跟掌子面；出渣采用反铲挖掘机配合装载机装渣，自卸汽车运输。

3.4 初期支护

针对交叉段的地质条件，初期支护采用柔性支护和刚性支护两种措施。柔性支护主要为锚喷支护，包括锚杆(含砂浆锚杆、自进式中空注浆锚杆及超前注浆小导管)、挂钢筋网及喷混凝土；刚性支护主要为钢拱架支护。

其中，自进式中空注浆锚杆利用风动凿岩机安装连接套与锚杆连接，锚杆钻孔完成后与风动凿岩机脱离，同时锚杆留置在孔中，在安装好止浆塞及排气管后，采用锚杆专用的螺杆式注浆泵往中空锚杆内压注浆液，注浆压力为1.2MPa。超前注浆小导管在现场加工，钢管前端呈尖锥状、尾部焊接φ6加劲环，管壁四周按20cm间距钻φ6压浆孔，梅花形布置，尾部1m不设压浆孔；注浆小导管采用风动凿岩机钻孔，钻孔完成后利用钻机的顶推力将小导管推送入孔中，然后进行安装排气管、封孔等施工，同时在小导管管口安装注浆球阀；注浆由两侧对称向中间进行，自下而上逐孔注浆，注浆压力由小到大，初始注浆压力0.2～0.3MPa，终止压力1.0～1.5MPa。型钢拱架在初喷后架立，排距间距加密至0.5m，同榀钢拱架两底角位置采用同等材质的型钢连通，以保障拱脚稳固，使型钢拱架封闭成环，保障型钢拱架承载力。

3.5 安全监测

分洪隧洞交叉段施工是全线的重难点部位，也是监测工作的重点。隧洞交叉段施工期安全监测内容主要包括收敛变形、拱顶下沉、钢拱架应变、锚杆应力、爆破振动等项目[6]。

根据北线隧洞下穿开挖过程监测结果，隧洞最大周边收敛累计值为2.8mm，拱顶沉降为1.9mm，小于设计控制值15mm；最大钢拱架应变累计值为ND2+970右拱肩部位197.71MPa，小于设计控制值211MPa；最大锚杆应力累计值为ND2+970左拱腰部位40.16kN，小于设计控制值84kN；爆破最大质点振速5.92cm/s，未超规范允许值10.0cm/s；上述监测指标表明交叉段爆破开挖符合预期安全目标。

4 结 语

平阳南湖分洪工程北线分洪隧洞倒虹吸段下穿平阳引供水工程4号引水隧洞交叉段，施工期间在4号引水隧洞不间断通水的条件下，通过优化交叉线路布置，合理制定爆破开挖方案，强化开挖断面支护，加强地质预报和安全监测等措施，确保了倒虹吸交叉洞段施工安全，对类似工程有一定的参考价值。