水利工程隧洞开挖技术施工工艺探析

周响

中国能源建设集团广西水电工程局有限公司 广西 南宁 530000

引言

在进行水利惠民工程建设时，隧洞开挖是其中十分重要的一部分，有着较高的社会价值。相较于其他建设项目而言，水利工程在进行隧洞开挖环节，涉及的影响因素较多，如果在开挖作业或者管理工作上存在不足之处，欠缺信息数据的参考和对照，就容易出现施工质量不达标的问题，导致现场作业人员面临人身安全威胁。为此，有关部门在进行隧道开挖施工时，必须要预先确定施工技术的要点，结合相关规范标准挑选符合要求的工艺，注重现场施工质量的把控，从而更好地满足不同状态下的施工要求。

1 水利工程隧洞开挖施工技术要点

1.1 选择线路

首先，应结合地质条件选取施工线路，避免选择地下水丰富、岩层破碎的区域，以减少开裂塌陷等问题的发生。同时，在进行线路选择时，还需要综合分析岩体的稳定性。可以通过地质勘察和工程地质力学分析来评估施工区域的岩体稳定性，对于易发生滑坡、塌方等问题的地段，应当避免修建隧洞或采取相应的加固措施，以确保施工过程的安全可靠。采用短直线路设计原则，可以有效减少工程量和工程造价，并提高施工效率[1]。可以通过充分利用地质条件，选择合适的隧洞走向和交点位置，优化地形和地貌的利用，避免长距离的曲线段，合理布置隧洞的曲率半径，进而实现线路的最短化。

1.2 开挖作业

①全断面开挖，其操作流程相对简单。工程人员需要先采用爆破设备实行爆破作业，将岩石炸碎。接下来，使用挖掘设备实行挖掘作业，将破碎的岩石清理出隧道。在挖掘的同时，根据围岩的具体状况，工程人员需进行衬砌和支护作业，以确保隧洞的稳定性和安全性。此技术适用于围岩较好、稳定性较高的条件，存在迅速且高效的优势，可以大大缩短开挖时间，提高施工效果。施工人员可采取分层挖掘技术实行开挖工作，基于分层挖掘，工程人员可以有序地实行施工，并且在爆破处理、通风散烟完毕之后清理挖除台阶上的杂物，以确保隧洞的整洁和安全。②导洞开挖，其主要特点是先在平洞断面上开挖小断面，然后根据设计方案逐步做好整个断面的开挖工作。相比于全断面开挖，此种方式具有更高的灵活性和适应性。在导洞开挖过程中，工程人员可根据实际状况进行排水、地质处理及其他必要的施工准备工作，以确保开挖质量和稳定性。一般情况下，该技术适用于复杂地质的隧洞开挖场景，其可确保开挖工作的稳定安全和质量，并且相对于全断面开挖，导洞开挖更加安全，不易发生质量和安全问题[2]。

1.3 锚杆支护施工技术

其原理是通过将杆柱固定在地表岩体事先钻好的孔洞中，以实现围岩和稳定岩体的结合，从而达成支护的目标。这种方法广泛应用于隧道、地下矿山和地下工程等领域。根据隧洞的开挖方法和围岩质量的不同，锚杆支护方式也会有所差异。在围岩质量较为良好的情况下，可选择在锚杆外部张挂钢筋网片，并实行砼喷射来加固支护。而对于围岩较差或断面不稳定的情况，便要采用随机锚杆或者是超前锚杆进行支护处理。这些锚杆具有特殊的构造，可以通过黏结作用将围岩与稳定岩体紧密结合，产生悬吊效果、组合梁效果或补强效果。

1.4 钻孔灌浆施工技术

在隧洞开挖作业中，为了防止隧洞漏水，需要进行灌浆作业。通过钻孔并采取回填、固结等方式进行灌浆，可以填补隧洞周围的空隙，增强地层的密实性和稳定性。顶拱回填灌浆时通常要划分出多个区段，确保每个区段之间的距离在45m左右。在灌浆期间，需要严格控制灌浆压力，并在回填灌浆结束之后进行固结灌浆，但固结灌浆的间隔时间应控制在7～14d之间。此外，固结灌浆孔通常使用梅花型布设，并按照孔序编号进行灌浆作业。

1.5 混凝土衬砌施工技术

该技术主要用于避免围岩变形或者是坍塌。在施工前，需要进行详细勘测，了解围岩的属性，以便更好地进行砼衬砌施工。当输水隧洞周围位移速率逐渐放慢，并且水平收敛和拱顶位移速度满足砼衬砌的要求时，可以开始进行衬砌施工。在施工过程中，需要连续浇筑砼，首先实行底板的浇筑，然后开展顶板和拱顶的施工处理。衬砌施工的关键是保证支护表面没有明显的裂缝，以确保支护结构的稳定性和完整性[3]。

2 实例分析

2.1 工程概述

菲律宾新百年水源-卡利瓦大坝项目输水系统中的隧洞为有压隧洞，全长约21.9km，施工期间难以避免的会遭遇断层破碎带、岩溶段、突发涌水段等，因此必须要落实不良地质洞段超前地质预报工作，并编制处理预案，该隧道按照开挖方式，主要包括了钻爆法与TBM开挖隧洞。

2.2 钻爆法开挖隧洞洞段

2.2.1 岩溶洞段。结合详细勘察结果，确定隧洞桩号0+433～0+733段和1+776～1+801段为岩溶发育段，可采取下述处理方式：首先，对于较小的溶洞，可以使用砂浆回填和喷锚支护的方式进行处理。其次，略大的溶洞可以使用砼回填的方式填充洞穴，并结合钢拱架与喷锚支护技术来提供额外的支撑力。最后，对于巨大的溶洞，由于其规模较大且复杂，需要按照实际开挖情况编制专项方案。较常使用的处理方式包括跨越法与局部改线法。

2.2.2 地下暗河洞段。结合勘察结果，桩号0+541（钻孔YZK04），有可能是正在发育的地下暗河，需采取下述处理措施：首先需要清除淤积物，将洞穴内的堆积物清除，将岩石表面予以露出。接着，可以采用混凝土回填的方式，将洞底填充至一定高程，并利用抽水设备将洞内水充分排出，以保持洞内的干燥状态。最后，需要进行隧洞的砼衬砌和灌浆工作，以增加洞壁的强度和稳定性[4]。

2.2.3 断层破碎带。结合勘察结果，采取钻爆法的隧道段穿越了F201-203、F205、F222等多个断层，其中F205断层影响带最大，约有50m。这些断层的存在给隧道施工带来了困难和挑战，因为在遇到断层破碎带时，围岩有可能会发生坍塌，甚至导致停工和人员意外受伤的风险。为了应对这一问题，需要采取一系列的处理方法。首先，在隧道上半拱部分，可以使用超前小导管注浆的方式进行支护。对于没有地下水的地段，可以使用水泥注浆进行加固，而对于存在地下水的地段，则需要使用化学注浆的方式进行处理。其次，在隧道开挖过程中，每一次只开挖0.5到1m长度，并且还需设置钢拱支护与喷射砼来增强整体结构的稳定性。再次，如果隧道工作面遇到较大的水压，则需要进行钻孔排水，同时利用水泵将水排出。最后，需要实行隧道的衬砌、回填与固结灌浆等工作，以进一步巩固隧道的稳定性。

在整个施工阶段，结合现场及周边的水文地质条件，需要及时调节支护参数，以确保隧道在穿越断层破碎带时能够得到充分的支撑和加固。并且，要密切监测施工期间不良地质区域的变形情况，结合监测信息，及时采取有效的措施，以应对潜在的风险。此外，还要及时记录和调查隧道揭露的地质现象，为后续的工程建设提供重要的参考依据。

2.3 TBM开挖洞段

2.3.1 岩溶洞段。分析勘察结果可知，隧洞桩号5+100～5+200段及14+633～14+883段为岩溶发育段。结合施工经验可知，若岩溶规模比较小，则掘进机能够顺利通行，而若是规模比较大，则必须要停机加以处理。

（1）针对较小与稍大的溶洞，并且隧道掘进机能够顺利通行的情况，可以采取豆粒石回填的方法来处理。首先进行回填灌浆，将豆粒石填充到溶洞中，并进行固结灌浆，以达成施工目标[5]。

（2）对于已经不再发育的小型溶洞，当隧道掘进机推进3～5m后，需要将设备停止运行，并将其退回到溶洞边缘位置进行处理。针对原先有护盾提供支撑作用的坍落与溶洞充填物，可以选择部分或者完全清除。如果选择完全清除，可以使用砌石、豆粒石或者砼等灌注性较好的材料实行回填，并进行压浆加固。如果只对部分进行清除，便可以先使用格栅拱架结合喷射砼等方法，后续再实行回填和压浆加固。当隧道掘进机完全通过之后，需要利用管片回填孔对溶洞段实行灌浆处理，并且要支设锚杆来保证稳定。

（3）对于处于隧道底板下方的局部充填溶洞，可以结合超前钻探报告来判断处理方式。如果溶洞的边界和隧道底板间距未超过洞径的1倍，则可以选择完全或者是部分清理充填物。可以使用豆粒石或混凝土来对溶洞的顶板进行支顶加固，或者可以先实行注浆加固。待隧道掘进机通过之后，需要利用管片回填孔对溶洞段实行高压固结灌浆，并且要支设锚杆。如果充填溶洞在隧道洞径的1倍到2倍范围内，就需要在掘进机通过以后进行灌浆加固。

（4）针对有进行充填处理且规模较大的溶洞，需要在掘进机中安装超前钻探仪器，以实现对全洞超前注浆处理，这样可以防止掘进机通过时充填物发生塌落或者下沉的情况。待隧道掘进机经过之后，同样需要利用管片回填孔对溶洞段实行灌浆加固，并且要支设锚杆，确保溶洞的稳定。

（5）对于空的或者有进行少量充填且规模较大的溶洞，加固流程较为复杂。如果具备建基条件，可以考虑采用梁、拱、桥型基础设置渡槽、箱涵等措施来跨越溶洞。如果地质条件非常复杂，其他方式较难取得理想的处理效果时，可以考虑局部改线避开溶洞，以确保隧道的顺利施工。

2.3.2 断层破碎带。结合勘察结果，TBM开挖隧洞穿越断层时，F207和F223影响带相对较大，大约在100m左右。为保证施工安全性，具体可采取下述措施。

（1）软弱地带TBM下沉处理。当发现可能出现严重下沉的软弱地带时，可以先经过预注浆加固处理之后，再进行掘进操作。如果TBM在掘进过程出现下沉现象，应及时将其后退至断层软弱区之外，并安装枕木对TBM实行姿态调整。随后，可以浇筑砼以替代软弱地带，等到砼结构处于一定强度之后，方可继续推进工作。

（2）涌水处理。在开始掘进之前，可以通过进行超前钻孔来探测出水量和水压涌水点的位置。如果发现水量较小且已经建立了有效的排水系统，可以继续进行掘进工作；但如果水量比较大或者水压没有减少的迹象，就需要先采取注浆堵水等处理措施，再继续掘进。在掘进过程中，也要及时将工作面上的涌水有效排除，并实施回填灌浆工作。对于水压比较高或水量太大的情况，需要使用更加专业的注浆堵水等方法加以处理。

（3）卡机。如果卡机是由于盾体位置的坍塌导致其摩擦力太大，应当将周边的坍塌物充分清理干净；若是刀盘被卡住，便应当采取开挖通道的方式来有效清理刀盘。在施工过程中，还应当结合实际状况制定专门的施工计划，对于断层F207和F223等有较大影响范围的情况，应当重点落实超前地质预测工作，并采取相应的措施来确保施工作业的安全进行。

3 结束语

综上可知，隧洞属于水利工程中十分重要的一环，其施工质量关系到整个工程是否能够正常使用，更关乎现场作业人员的人身安全。在进行隧洞开挖作业时，应当重视对相关开挖技术的使用，同时结合开挖环节有可能发生的问题，制定对应的质量控制策略，以此为工作人员以及施工质量带来充分保障，并进一步促进国内水利事业的健康发展。