水工隧洞洞室工程施工技术研究

乔瑞森

（山西省水利建筑工程局集团有限公司，山西 太原 030006）

以小断面输水隧洞施工为研究对象，结合输水隧洞工程建设，对小断面隧洞施工中可能出现的困难，以及施工中可能出现的其它意外情况，进行针对性的分析论证，并对本隧洞工程建设方案进行优化，以达到最好的效果。

1 工程概况

本工程段地下洞室工程，全长8.88 km,1号、2号、3号、4号施工支洞均采用城门洞型,其中主洞Ⅲ类围岩段洞宽3.76 m、高4.68 m，Ⅳ类围岩段洞宽3.9 m、高4.8 m，Ⅴ类围岩段洞宽4.04 m、高4.92 m，侧墙高均为2.5 m。成型的标准横截面为3.65 m×3.20 m，详见图1—4。

图1 主洞Ⅲ类围岩标准横断图

图2 主洞 Ⅳ类围岩标准横断图

该隧洞工程施工线路长，隧洞开挖分为两个阶段，一是土洞开挖，二是岩洞开挖，开挖段围岩类别为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，主洞、支洞断面均较小，且各支洞均为斜井，坡度较大，围岩较为破碎，故在有效施工工期内合理地组织施工是本工程的关键。开挖、出渣、支护等是控制难点的主要因素。

对于小断面输水水工隧洞来说，施工断面狭窄、工作空间狭小、工作面不大、送风排水困难、地质情况复杂多变、施工难度大，往往不能采用全断面隧洞掘进技术。应根据工程区的基本情况、施工工序、施工工艺等，提出水工输水隧洞的施工工艺。

图3 主洞Ⅴ类围岩标准横断图

图4 主洞土洞段标准横断图

2 隧洞开挖方法

2.1 爆破法

钻爆法是最常用的爆破法，钻爆法掘进主要分为以下几种开挖工艺：

（1）全面掘进法。在挖掘工作面（掌子面）进行全断面钻孔、爆破和成形，对弃方进行挖掘、装载、运输、弃渣后，进行下一个循环工序。当隧道高度较大时，可将施工分为上下两部分，形成阶梯同步爆破和钻孔；在地质条件较好和施工环境适合的情况下，首选全断面开挖工艺。

（2）导孔法。将掘进段的一部分用作引导孔，引导孔开挖后，再连续扩展挖掘隧道的其他部分，直至所有部分开挖后，进入下一个循环。导孔法施工中，当隧道截面较大，地质条件或施工环境不能实现全截面挖掘时，应主要使用中小型机械，导孔段开挖不宜过大，以适应设备的正常安装，车辆的便捷运输，风水等管道的安装和施工安全。导孔可以在挖掘和爆破过程中增加工作面，以利于勘探隧道的地质和水文地质环境，为洞内供气和排水创造条件。根据隧道长度和施工环境，定义上导向孔、中导向孔或下导向孔。隧道开挖后，完全挖掘导孔，然后加宽隧道。

（3）分区掘进方法。在围岩稳定性差，掘进段必须进行强支护的情况下，大断面隧道挖掘，要先对断面的一部分进行开挖，加强支撑后，再依次逐渐拓展挖掘面。钻爆挖掘，从第一序钻孔、装药、爆破、吹气、排气和出渣完成后，进行第二顺序施工，应尽可能压缩工艺循环周期，加快循环频率。

2.2 非爆破法

非爆破法主要包括：掘进机开挖、盾构法。

（1）全截面隧道掘进机TBM。硬基岩TBM适用于山区硬岩隧道的开挖，可取代传统的钻爆方法。在相同的围岩地质构造下，开挖率是一般钻爆方法的4～10倍，每日最快进尺可达40 m；具有优质、快速、经济、安全的优势，有利于减少生态环境破坏，节省劳动力，改善施工人员工作环境，提高安全施工效率等优点。

（2）盾构法，是一种采用自动盾构机械开挖隧洞的施工方法。它将盾构装置推入施工断面，用盾壳和管片段支撑围岩，避免坍塌体进入隧道；通过盾前切割设备，切割挖掘岩土，从挖掘设备孔出渣，并运往洞外；盾构机掘进前移后，后部千斤顶加压顶住裸露围岩，并迅速组装预制混凝土衬砌管件，构筑好第一道衬砌，并从灌浆孔灌浆，使隧道衬砌一次成形。

（3）两种非爆破法在城市轨道交通施工中的比较。软基岩TBM适用于山区软岩隧道的开挖及城市轨道交通建设，具有掘进稳定、高速，性能安全，施工质量保证等优点。采用盾构法进行城市轨道交通建设，可以减少土壤干扰，保持地面建筑物的稳定，避免阻断交通运行，减少沿线地上地下建筑物和管道的拆除。两种隧洞掘进设备的应用前景非常广阔。

2.3 土洞开挖

土方掘进采取全断面机械开挖，本工程土洞开挖段主要是指位于隧洞进口段的土方掘进。计划在隧洞进口处安排一个全断面机械开挖工作面，风、水、电等设施，随开挖工作面推进而及时跟进铺设。

隧洞掘进使用“土洞开挖装渣一体机”开挖，利用传送带将渣土直接装至弃渣车，然后由弃渣车运至指定的弃渣场。如有欠挖，视欠挖的实际尺寸，由人工或“土洞开挖装渣一体机”重新进行处理，工作面底部采用积渣将底部整平，预留20 cm保护层，再用混凝土衬砌前人工挖除，清渣完成后及时进行验收、衬砌。在土方掘进中，如遇大的石块，可进行小范围爆破。“土洞开挖装渣一体机”工作示意图见图5。

图5 土洞开挖装渣一体机工作示意图

2.4 出渣

由于坡度较大，根据各支洞洞段情况，出渣均选取四驱汽车，由四驱汽车将渣土弃运至弃渣场。结合隧洞的开挖掘进，为加快洞内出渣进度，在洞内每间隔200延米设置一个避车洞，每个避车洞长度10 m，宽度6 m，当车道失去功能后，用60 cm厚的浆砌石密封，内部用砂砾和水泥浆回填。

主洞部分采用小断面挖掘，应选择小型挖掘式装渣机与5 t四轮驱动车配合，将渣土运至主洞入口处，再用自卸卡车将渣运到废渣场。

3 不良地质段与超欠挖措施

3.1 不良地质洞段支护处理措施

地下洞室穿越不良地质段时，增强超前地质预警，做好超前支护，开挖以“锚喷支护”为重点，最大限度掌控围岩变形。选择“提前检测，短进头，强支撑，早期关闭”的过程，以确保隧道开挖过程中围岩的结构稳定性。

通过预测，在洞内土体松散以及局部不良地质构造段掘进时，选取钢拱架支护工艺进行加固。钢拱架使用型钢、工字钢、钢板等制成。钢拱架之间的连接方法使用连接板焊接固牢，在洞外钢结构加工场依照设计图纸进行分段加工，输送到洞内工作面施工。钢拱架与洞壁设8根直径25 mm锁脚锚杆，锚杆布设为水平向下倾斜，相邻钢拱架使用直径20 mm纵向联系筋连接，沿断面平均布设，间距1 m。拼装后钢拱架具有整体连续性，每榀钢拱架控制在同一平面上，而且要与洞轴线互相垂直。土洞钢拱架底垫板下放置C25混凝土垫墩确保基础稳定，垫墩尺寸选用0.3 m×0.3 m×0.2 m。钢拱架架设应延长至围岩结构较好部位，延伸长度在2 m以上。

3.2 超欠挖控制措施

3.2.1 提高中线、高程、轮廓线放样精度

增强隧道照明设备，激光指示器定向隧道轴向线路。考虑到隧洞内有较多的运输车辆，为避免损坏隧洞内导线控制点及中线控制点，将控制点依据施工相关要求进行埋设，并标志明显警示及设置相关保护措施装置，按固定时间段对洞内控制点进行复核检查。

3.2.2 勤放样，减少人为因素超挖

掘进过程当中应该随时测绘开挖轮廓线，对导线控制点复核，对各次施工周期工序经常性进行测量检测工作，并对上一次施工工序开挖轮廓线进行规格检测，同时将超欠挖检测数据进行汇总,并对其及时调整，将超挖尺度降至最低，对局部欠挖地段及时进行精修，确保隧洞洞挖轮廓线和规格，满足施工图纸和有关规范要求。

3.2.3 采用超前支护

超前支护可以使较软弱围岩得以超前加固，防止因不利地质情况引起的局部坍塌、掉块等现象，从而造成大面积超挖。及时在小范围松散部位，选用钢拱架配合超前锚杆加强超前支护，减小坍塌、掉块等现象。

4 结论

针对本输水隧洞工程的施工支洞倾角较大，出渣及材料运输难度大，再加上主洞隧洞施工断面较小、干扰较大等施工难点、重点。为确保施工工期，建议合理安排施工工序，以消减施工干扰。