小断面引水隧道施工技术探析

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摘要：引水隧洞是输水工程的主要组成项目之一，长期以来由于输水隧洞断面小，长隧方案难以实施，常成为项目方案比选的重点，也是项目施工的控制点。本文结合杭州市闲林水库小断面引水隧道施工的实例，详细探讨了小断面引水隧道施工中技术方案的选择，及施工的关键技术。

关键词：小断面；引水隧道；掘进；开挖；通风

Abstract: the water conveyance project of diversion tunnel is one of the main component project, for a long time because of the water conveyance tunnel cross section is small, ChangSui scheme is difficult to implement, often become the focus of the project scheme is selected, and the project construction of the control points. Combining with hangzhou xianlin Lin small reservoir section of diversion tunnel construction as an example, discusses in detail the technical scheme of the small section of diversion tunnel construction, and the construction of the key technologies.

Key words: small section; Water diversion tunnel; Tunneling; The excavation; ventilation

中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

工程概况

（一）工程简介

杭州市闲林水库坝址位于闲林镇朱田坞村，主要建筑物包括挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、补水建筑物以及库区水环境改善工程等。泄水建筑物采用深孔泄洪洞。输水建筑物部分结合引水入城输水隧洞和暗渠4.4km，新开隧洞10648.5m（中间设2个施工支洞和大清谷泵站工作面），布置于闲林水库右岸，衬后洞径3.5m，从大清谷元坞附近接入引水入城主隧洞，再由引水入城隧洞和暗渠输至大刀沙沉沙调蓄池，由池边加压泵站通过管道加压输水至珊瑚沙水库。大清谷附近设置水工消力池，消除多余水头。补水建筑物方案为大清谷附近的半地下补水泵站，通过从引水入城隧洞取水，再由输水隧洞反向送至闲林水库。

本标段为杭州市闲林水库工程四标输水隧洞（慈母桥支洞控制段工程）共3850m（洞4+750m～洞8+600m），其中上游2128.92m（洞4+750m～洞6+878.92m），下游长1721.08m(洞6+878.92m～洞8+600)。其中主洞Ⅲ类围岩长63m,Ⅳ类围岩长1807m,Ⅴ类围岩长705m,浅埋段Ⅲ类围岩长42.5m，浅埋段Ⅳ类围岩长647.5m，浅埋段Ⅴ类围岩长585m。

（二）施工引水隧道地质评价

1、引水隧洞进口段工程地质评价

引水隧洞进口位于坝址上游约600m，进口段山坡平缓；岩体为奥陶系上统文昌组二段（O3w2）青灰～灰绿色泥质粉砂岩，间夹岩屑粉砂岩、粉砂质泥岩，岩性中等坚硬～较软。岩层走向与洞轴线斜交，岩石强风化带厚4～8m，弱风化带厚度6～11m；岩层层面呈薄层状发育，倾角70多度，节理不发育～稍发育，一般以中陡倾角为主，节理面一般充填铁锰质或钙质薄膜及细脉。覆盖层为第四系全新统残坡积（el-dlQ4）含砾石粉质粘土，湿，灰黄色，可塑～硬可塑，含砾量约10～20%，厚度约8～10m，局部15m，表部见植物茎，厚约50cm左右。

2、隧洞洞身段工程地质评价

（1）地层岩性：

沿线岩体为泥盆系上统珠藏坞组一段（D3z1）、西湖组（D3x）的石英砂岩、砂砾岩和志留系中统康山组一、三段（S2k1、S2k3）、志留系下统大白地组（S1d）的中细粒岩屑石英砂岩、中细粒石英砂岩等，中厚层状或厚层～块状，抗风化、抗软化能力较强，围岩以稳定～基本稳定为主。

（2）地质构造

由于隧洞区受区域构造的影响，沿线断层构造较为发育，主要有F17：310°SW∠50°～70°，为孝丰-三门湾大断裂东部边界断层，由2～3条规模较小的结构面组成，总体规模不大，对周围岩体影响较小；F20、F21、F2、F6、F22、F24、F25、F26、F27发育规模不等，断层走向多以NW～NNW为主，倾角较陡，力学性质以压性、压扭性为主，破碎带岩石硅化明显，充填胶结较好。

小断面引水隧道施工的难点

本标段输水隧洞单向掘进距离大，最长独头掘进长度超过2100m，而且隧洞主洞内存在拐弯施工，长隧洞特别是拐弯隧洞的施工通风、供电、供风、排水、出碴等施工难度较大，通风和供电工作将是本工程施工的难点和重点，直接影响到本工程能否安全顺利进行。

本标段输水隧洞主洞Ⅱ、Ⅲ类围岩段为圆形开挖断面，Ⅳ、Ⅴ类围岩为马蹄形开挖断面，而圆形开挖断面地段施工过程中必须采取铺垫一定厚度的石碴的施工方法，这样才能确保轨道铺设有足够宽度、施工运输道路能平顺连接，作业人员的行走安全，运输车辆的运行顺利，但这也给后期清底带来了较大的困难，如圆形断面隧洞清底困难不易掌控、超挖难以控制开挖衬砌成本增加、机械化程度低致使施工进度缓慢等，因此隧洞圆形断面施工难度较马蹄形断面大。

小断面引水隧道的施工技术要点

（一）施工总体方案的确定

根据工程施工图纸和现场施工条件，项目部组织有关人员进行多种施工方案比较，从质量和工期要求方面考虑，本工程施工采取以下施工方案：

本工程以隧洞施工为主线，其中以隧洞掘进施工为重点，始终保持连续紧凑的循环作业，即钻爆、通风、出渣、支护循环进行，实现隧洞快速掘进施工。同时，施工中要协调好各工序的施工，减少相互的施工影响，尽可能平行交叉作业，做到组织有序，互不干扰。

（二）隧道掘进施工要点

1、掘进思路

隧洞开挖采用钻爆法，以“新奥法”理论指导施工(新奥法施工工艺流程见图1)。由于隧洞空间狭小产生的夹制作用，所以单位面积的钻孔数量比大面积隧洞多，在施工中采用，5～6台YT-28型气腿式凿岩机钻孔作业，以提高高压风的利用率和减少钻孔时间;在爆破时应采取光面爆破，使爆破对围岩的扰动最小，同时不能照搬投标书中的爆破设计，应根据现场地质情况和爆破实验参数，确定孔数、孔深、角度及装药量，以取得最佳爆破效果;出渣用时的多少，直接影响到下一工序的施工，输水隧洞主洞施工，采用PD－60B型耙斗式装岩机，配合XK8-7/144型电瓶车牵引S8梭车，有轨运输至主支洞接口附近进行有轨无轨运输的转换，将石碴转卸至自卸车上，由自卸车运至洞口临时弃渣场，再由装载机或挖掘机装至大型自卸车上，由大型自卸车运至弃碴场或出售。

图1新奥法施工流程图

2、隧洞超、欠挖控制

隧洞掘进不允许欠挖，且径向超挖值和开挖岩面的起伏均应小于150 mm。因此，必须选择合理的钻爆参数，制定严格的技术标准，保证隧洞超挖控制在《技术规范》允许的范围内。

（1）根据不同地质情况，选择合理的钻爆参数，选配各种爆破器材，完善爆破工艺，不断提高爆破质量。

（2）施工过程中，根据实际爆破中得到的经验，对各项爆破参数进行调整，以获得最佳效果。

（3）提高打眼精度，尤其是周边眼的精度（周边眼精度直接影响超挖值）。因此，要认真准确依据测画轮廓线凿岩钻孔。

（4）提高装药质量，杜绝随意性，防止非电毫秒雷管混装。

（5）断面检查及信息反馈。为了解开挖后断面各点的超欠挖情况，分析超欠挖原因，配专职测量工检查开挖断面，及时修正爆破设计参数。

特殊地质的处理

在断层或其它复杂地层，如破碎松软、渗水、漏水、流砂等不良地质构造中进行隧洞施工，防止围岩坍塌和衬砌沉陷变形是关键问题。对于Ⅱ、Ⅲ类围岩洞段，一次支护采用锚喷支护或锚网喷支护；对于破碎带、断层等Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段或其它复杂地层洞段（如下穿高速公路）采用超前小导管、工字钢架和锚喷钢纤维砼支护；地层特别差时，采用管棚、工字钢架和锚喷钢纤维砼强支护方法。结合我单位施工经验，采取如下相应措施。

（1）淋水地段

对于拱顶大面积淋水地段，先采取钻孔让裂隙水集中释放，同时采取架设拱型钢架，在钢架外面铺塑料布，使大面积淋水从边墙进入底板，在底板设集水井，通过抽水泵排除洞外，这样既保证安全、又便于施工操作，有利于保护工人的身心健康。

（2）塌方处理

不同类型的塌方，选择不同的处理方案，某些情况还需要几种方案综合处理。根据本工程的特点，对预计可能发生的几种塌方情况，提出以下的措施：

①裂隙扩张造成的小塌方

此类塌方多发生在微风化或裂隙较密集的围岩中，主要是由于开挖和支护方法不当造成，常发生在爆破后的几个小时内，虽然塌方数量不大，但威胁工作面的施工安全，施工中拟用加强锚喷网法。

②塌方体窄长的小塌方

此类塌方多发生在断层破碎带较窄且两侧岩体比较完整的地段，施工中可采用挑梁法安装钢支撑，然后对塌方处锚喷网。挑梁法是指将型钢穿过临时架立支撑的顶梁直抵掌子面，形成一排挑梁，在挑梁上架设木垛，填塞洞穴。

③中等塌方

塌方量较大，塌方范围在10m左右，多发生在两条相邻、倾向相对的断层带或两种岩层交接带。在塌方之前，常有掉块现象，其频率及块度随爆破振动烈度、振动频率的增加而提高。在塌方后，常有较稳定的顶板，继续塌方的可能性不大，一般用锚喷网法、插筋排架法、护顶法、管棚法等处理。

④大塌方

该类塌方在100m3以上，塌穴高度在10m以上，当洞顶岩层较薄时，易发生冒顶。处理措施为：若塌方堵塞整个隧洞，且对塌方规模和规律还不了解，可采用锚喷法，管棚法等多种处理措施；当塌方段埋藏较浅或地质条件较为复杂时，从洞内处理难以保障安全，可采用灌浆法和环行导洞法综合处理。

由于地下工程塌方情况十分复杂，塌方处理也无一定模式，具体要视现场情况研究决定。但根据以往的施工经验，以便做到未雨绸缪，一旦发生塌方，能够及时采取有效措施，以把损失减到最小。

（三）通风、除尘

1、通风措施

长距离隧道的通风和粉尘治理是施工中的一大难题,在施工中我们采用压入式通风,根据施工人员、爆破散烟所需风量和风管损失等确定隧道通风所需的最大风量,然后选择通风机和风管。根据本标段隧洞独头掘进距离长的特点，对于独头掘进在2000m以上的隧洞通风采用多级接力，压入抽出混合式通风方式。对于独头长度2000m以下的隧洞采用压入式通风。

（1）1000m以内

当隧洞掘进距离在1000m以内时，慈母桥支洞口采用2×15kw的轴流式通风机通风，洞内布置2×11 kw轴流式通风机抽出；

（2）1000～2000m

当掘进距离达到1000～2000m之间，慈母桥支洞口同样采用2×15kw的轴流式通风机通风，同时在隧洞1000m位置的风筒中间增加1台5.5 kw的轴流式通风机接力通风，洞内布置2×11 kw轴流式通风机抽出；

（3）2000～3000m

当掘进距离达到2000～3000m之间，及时对慈母桥支洞口布设的2×15kw的轴流式进行更换。在支洞口布设2×37kw的轴流式通风机通风，同时在隧洞1000m位置的风筒中间增加1台11 kw的轴流式通风机接力通风，在隧洞2000m位置的风筒中间增加1台5.5 kw的轴流式通风机接力通风，洞内布置2×11 kw轴流式通风机抽出。

慈母桥支洞与主输水隧洞接口处由于受到支洞与主洞交接处转弯的影响，支洞内通风风筒采用两路φ800mm的硬质钢丝风筒，使上下游风筒分开布设，独立控制，输水隧洞内的风筒均采用φ800mm的硬质钢丝风筒送风，采用φ800mm的软质风筒抽出。在距离开挖作业面一定的范围内（约200m）由于受到爆破冲击波及飞石的影响故采用φ600mm的软质风筒送风。长隧洞通风布置示意图见图2。

图2 长隧洞通风布置示意图

2、除尘措施

为了降低工作面粉尘，可在距工作面40m左右设水幕降尘器，其作用是使水充分雾化，洒在粉尘上迫使粉尘迅速液化而降落。其具体布置见图3。

图3水幕降尘器示意图

（四）永久衬砌及缺陷处理

隧道开挖完成出渣后，采用拼装式钢架及模板，在控制好轴线、底板高程和断面尺寸的条件下，先墙后拱法一次浇筑成型。

由于边掘进边衬砌，爆破对砼表面影响较大，在堆积层地段还出现砼裂缝，在淋水和涌水地段，由于水太大和分散还出现水从墙身渗出，使水泥浆流失形成小裂隙。对于上述缺陷，当全洞贯通后，在无渗水地段采取凿毛砼表面，水泥砂浆抹面；对于出现的裂缝，先观察一段时间，待其不继续变形后，采取拔槽和充填细石砼的方法处理；对于渗水地段，在水泥砂浆中添加速凝剂和胶粘剂的办法，充填和修补小裂隙。

结语

综上，传统的小断面引水隧道施工主要依赖小型机具施工，工效低、工期长，受狭小工作面、劳动生产率低的制约，一直以来长大小断面引水隧洞是制约项目成败的关键，解决专用机械设备配套的问题，形成专项机械化作业线一直在探索中。引水隧洞是水利水电工程的重要组成部分之一，探索与实践综合施工配套技术的组织与实施，促进非标机械配设备的开发是十分必要的。本文为小断面隧洞施工方案的选择提供参考。

参考文献

[1]赵强，钟玉英.中小型断面长隧道的施工实践[J].西部探矿工程，2003.2.

[2]李艳峰.新奥法在小断面引水隧洞工程施工中的应用[J].施工技术，2011.9.

[3]余光辉.长线路小断面引水隧洞施工与质量控制[J].水利水电快报，2008.4.