穆軍明

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

引洮工程濕陷性黃土引水隧洞施工及安全監(jiān)測

穆軍明

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

隧洞工程施工過程中，濕陷性黃土遇水后容易出現(xiàn)破壞變形，為了保證隧洞工程施工質(zhì)量，需要制定合理的施工方案。本文以實(shí)際工程為例，針對隧洞工程的地質(zhì)情況制定了隧洞開挖方案，并對隧洞施工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，保證了隧洞工程順利完工。

濕陷性黃土；引水隧洞；施工；安全監(jiān)測

1 工程概況

引洮工程總干渠9A號、10號隧洞及連接段工程區(qū)位于甘肅省定西市安定區(qū)境內(nèi)，距離蘭州市區(qū)約140km，屬大(2)型二等工程。9A號隧洞進(jìn)口位于陽陰峽，出口位于何家岔溝，全長1047.58m；10號隧洞進(jìn)口位于何家岔溝，出口位于許家河，全長932m。橫斷面均為類馬蹄形，凈斷面尺寸4.26m×4.42m(B×H)，設(shè)計(jì)縱坡為1/1500，設(shè)計(jì)引水流量27m3/s，加大設(shè)計(jì)流量24m3/s。

引洮工程總干渠9A號、10號隧洞及連接段工程區(qū)主要工程量：明挖土石方9.60萬m3，洞挖土方4.58萬m3，土石方填筑4.21萬m3，現(xiàn)澆混凝土2.87萬m3，鋼筋制安2121.50t。

工程86+070～86+615段al-plQ33黃土狀粉質(zhì)壤土渠段：地處黃土丘陵區(qū)緩坡地帶，渠基土為al-plQ33黃土狀粉質(zhì)壤土，以粉粒為主，土質(zhì)均一，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)育，具強(qiáng)濕陷性、弱透水性，屬Ⅲ～Ⅳ級自重濕陷性黃土場地，濕陷性敏感，存在濕陷破壞和凍脹危害。

2 隧洞開挖方案

根據(jù)隧洞地質(zhì)情況，為保證隧洞施工的安全性，降低對圍巖造成的擾動，設(shè)計(jì)采用無爆破開挖法進(jìn)行施工，在進(jìn)行拱部開挖作業(yè)時(shí)先進(jìn)行兩側(cè)的開挖，將核心土保留下來，在完成支護(hù)工作后再將核心土挖除。設(shè)計(jì)環(huán)形開挖進(jìn)尺為1m，下臺階開挖長度為開挖洞徑的1.5倍。下半斷面開挖到落底后采用先拉中槽然后跳間挖馬口的方法進(jìn)行施工。設(shè)計(jì)馬口長度為2.5～3m。施工過程中，禁止進(jìn)行馬口對挖施工，保證施工安全。為了防止初期支護(hù)過程中拱腳出現(xiàn)下沉情況，每米布設(shè)8～12根拱腳鎖定錨桿，避免上半斷面兩側(cè)拱腳同時(shí)出現(xiàn)懸空的情況。在進(jìn)行環(huán)形部分的開挖作業(yè)時(shí)，選用人工開挖方法進(jìn)行施工。由于進(jìn)尺比較短，人工將渣甩至下臺階。使用振動錘挖掘機(jī)進(jìn)行核心土和下部土的開挖。施工時(shí)使用立爪式裝巖機(jī)進(jìn)行裝渣，并使用自卸車進(jìn)行運(yùn)輸。根據(jù)隧道地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)日進(jìn)尺指標(biāo)2m、月進(jìn)尺指標(biāo)50m。

3 引水隧洞施工技術(shù)關(guān)鍵要點(diǎn)

3.1 洞內(nèi)排水

為保證施工質(zhì)量需要做好施工排水工作。對于順坡和反坡有水地段，用抽水機(jī)進(jìn)行排水。洞內(nèi)設(shè)φ100的排水管，每間隔100～200m設(shè)一處集水井(漿砌片石砌筑)，利用管道接力方式向洞外排水[1]。在開挖工作面附近結(jié)合工程具體情況將抽水設(shè)備準(zhǔn)備好，確保掌子面積水不間斷排除。先使用2.20kW潛水泵將水抽排到集水坑中，再利用排水泵將水排出。在對反坡地段進(jìn)行開挖時(shí)，如遇到大面積滲水帶或股流時(shí)，為降低排水壓力，需立即進(jìn)行注漿封堵。加強(qiáng)排水設(shè)備圍護(hù)力度，及時(shí)對設(shè)備和管路進(jìn)行延伸，確保管路排水通暢。

3.2 支護(hù)施工

隧洞支護(hù)施工分兩次開展。在各個(gè)開挖循環(huán)完成后立即進(jìn)行一次噴錨支護(hù)，隧洞逐步穩(wěn)定后進(jìn)行二次混凝土澆筑施工[2]。隧洞第一次支護(hù)采用聯(lián)合支護(hù)方式，使用全封閉鋼拱架進(jìn)行支撐，并將鋼筋網(wǎng)片焊接到鋼拱架腹板中部，然后連接系統(tǒng)錨桿進(jìn)行混凝土的噴射。當(dāng)斷面開挖至設(shè)計(jì)要求后立即使用鋼拱架支護(hù)。鋼拱架一共分為四段，各段使用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。因?yàn)閲鷰r穩(wěn)定性較差，需要將鋼拱架之間的間距控制在0.60～0.80m。安裝鋼拱架時(shí)，需要與圍巖緊貼到一起，并在鋼拱架底部使用混凝土墊塊進(jìn)行墊設(shè)，避免鋼拱架出現(xiàn)下沉后影響其作用的發(fā)揮。

由于該隧洞工程全線都使用鋼拱架進(jìn)行支護(hù)，因此需要按照設(shè)計(jì)的拱架安裝距離提前將鋼筋網(wǎng)加工成網(wǎng)片，安裝好鋼拱架后立即焊接鋼拱架和鋼筋網(wǎng)片。采用干噴法嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行混凝土噴射施工，保證混凝土工程施工質(zhì)量。

3.3 超前小導(dǎo)管棚施工技術(shù)

在黃土隧洞段施工時(shí)，由于濕陷性黃土自穩(wěn)定差，并且土層有水平層理，如果按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行斷面的開挖施工，會導(dǎo)致后續(xù)施工過程中頂拱位置出現(xiàn)坍塌，增加施工安全隱患。因此，該工程在施工時(shí)在頂拱180°的范圍內(nèi)設(shè)置了超前小管棚。小管棚使用直徑42mm的鋼管制作，管棚之間環(huán)向間隔距離控制在30cm，每一排管棚的長度設(shè)計(jì)為3m。每四榀鋼拱架之前要提前布設(shè)好一組管棚，保證各級管棚之間互相搭接。管棚中每一根鋼管的外傾角均控制在8°～9°，以保證在第一榀拱架腹板中部位置進(jìn)行開孔后，第二榀拱架施工時(shí)管棚可以剛好從頂部位置穿過，不需要在所有鋼拱架腹板處都開孔，可充分發(fā)揮鋼拱架的支護(hù)作用。使用超前小管棚進(jìn)行輔助施工后，隧洞頂拱部位和拱肩位置的坍塌情況得到顯著改善，解決了施工時(shí)黃土坍塌問題。

3.4 鋼拱架背部空隙位置的噴護(hù)

鋼拱架的主要作用是對圍巖進(jìn)行支護(hù)，通過將鋼拱架和噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)片緊密聯(lián)合到一起，共同承受圍巖應(yīng)力。實(shí)際工程施工中，由于設(shè)計(jì)斷面和開挖斷面無法完全一致，再加上圍巖不穩(wěn)定性因素的影響，導(dǎo)致拱圍巖和鋼拱架之間會有空隙存在，對拱架的支撐效果產(chǎn)生影響。為充分發(fā)揮拱架的支護(hù)作用，需要確保拱架背部噴射混凝土的密實(shí)性達(dá)到要求。在實(shí)際施工時(shí)，先進(jìn)行背部拱架施工，再進(jìn)行拱架中部圍巖的噴護(hù)施工。先進(jìn)行拱架一側(cè)斜向背部混凝土的噴射施工，在一些混凝土全部噴射完成后再進(jìn)行另外一側(cè)混凝土噴射，從而提升鋼拱架背部密實(shí)性。使鋼筋網(wǎng)片和鋼拱架真正發(fā)揮出現(xiàn)聯(lián)合支護(hù)效果。

3.5 底拱部位的施工

由于洞身段圍巖主要為砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖，在層理結(jié)合面會出現(xiàn)一定的裂隙，并且這類圍巖遇水后很容易軟化，影響施工的順利開展。為了解決這一問題，在開挖底拱部位后立即使用低流臺干硬性混凝土墊層進(jìn)行施工[3]。底拱位置使用打夯機(jī)進(jìn)行分層夯實(shí)。每一層的夯填厚度控制在8cm。通過采用這種方式進(jìn)行處理，有效控制了隧洞的沉陷情況，更好地處理了開挖掘進(jìn)和支護(hù)之間的關(guān)系。

4 施工安全監(jiān)測

隧洞工程在進(jìn)行開挖作業(yè)時(shí)，經(jīng)常會遇到各種不良地質(zhì)，為提高施工的安全性，在進(jìn)行施工時(shí)，需要超前預(yù)報(bào)地質(zhì)情況，將工程地質(zhì)監(jiān)測工作貫穿于隧洞修建過程的始終，通過對隧洞工程進(jìn)行超前探測，可充分了解軟弱地層穩(wěn)定性，獲取掌子面軟弱地層、地質(zhì)構(gòu)造以及地下水等不良地質(zhì)的準(zhǔn)確資料。并針對性地對施工方案和施工設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，合理制定工程施工措施。做好防范工作，防止出現(xiàn)工程事故，保證作業(yè)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

4.1 監(jiān)測斷面測點(diǎn)布置

按照設(shè)計(jì)要求，將隧洞拱頂下沉觀測點(diǎn)和隧洞凈空位移觀測點(diǎn)布置在同一斷面(見下圖)。量測斷面的間隔距離根據(jù)隧洞地質(zhì)條件和隧洞長度確定。測量頻率根據(jù)與開挖面的距離以及位移速度確定。Ⅴ類圍巖測量段距離不超過30m。各個(gè)收斂度測量段的測量點(diǎn)數(shù)要控制在2個(gè)以上。為了準(zhǔn)確了解圍巖開挖后早期力學(xué)狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，要盡可能將測點(diǎn)布置在靠近開挖面的位置[4]。并將測量拱頂收斂度和沉落度的木栓埋設(shè)在掌子面附近1m內(nèi)，而且初次讀數(shù)需要在開挖后24h內(nèi)或者下一循環(huán)開挖之前完成。

觀測點(diǎn)布置示意圖

4.2 監(jiān)測拱頂下沉量

拱頂下沉量使用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行量測。遇到塌方、地質(zhì)條件變化等特殊情況，要增加觀測點(diǎn)的布設(shè)密度(見下表)。每次開挖完成后要立即進(jìn)行量測。

拱頂沉落度和收斂度測量頻率表

4.3 水平收斂監(jiān)測

水平收斂情況使用SWJ-78型周邊收斂計(jì)進(jìn)行量測，在布置操作儀器時(shí)，要施加適當(dāng)?shù)睦?，同時(shí)，要保證每一次量測時(shí)拉力大小的一致性，保證測量精度。

4.4 地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察

為了準(zhǔn)確掌握圍巖和支護(hù)穩(wěn)定情況，在完成開挖工作后要對地質(zhì)和支護(hù)情況進(jìn)行一次觀測。為了保證施工的安全性，需要每天安排專人進(jìn)行觀測，并將記錄工作做好。

具體的觀測內(nèi)容如下：開挖工作面的穩(wěn)定狀態(tài)、頂板是否出現(xiàn)了坍塌情況；節(jié)理裂隙的發(fā)育情況和方向；是否出現(xiàn)涌水和滲水情況，如果出現(xiàn)涌水情況，需對涌水量、涌水位置和涌水水壓進(jìn)行觀測；是否出現(xiàn)底板隆起情況。對于開挖后已支護(hù)地段圍巖，要觀測是否出現(xiàn)了墊板脫離圍巖或錨桿拉斷的情況，檢查混凝土噴射過程中是否出現(xiàn)了剝離、裂紋或剪切破壞的情況，檢查鋼格柵拱架和鋼拱架是否出現(xiàn)了被壓變形的情況[5]。

4.5 觀測結(jié)果

工程施工過程中的圍巖變形情況觀測證明：隧洞工程在開挖完成且一次支護(hù)30天左右逐步恢復(fù)穩(wěn)定。圍巖位移、沉降觀測過程中如果發(fā)現(xiàn)圍巖位移值突然變大，要提高檢測頻率。觀測證明：黃土洞段的變形主要為沉陷變形。大部分觀測斷面的沉陷值均保持在5cm左右[6]。一些觀測點(diǎn)由于隧洞滲水情況嚴(yán)重，沉降量比較大，為了保證隧洞工程施工質(zhì)量，做好洞內(nèi)滲水引排工作非常重要，如果不能及時(shí)排水，會對施工質(zhì)量造成較大影響。

5 結(jié) 語

綜上所述，該隧洞工程按照“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤觀測”的基本原則進(jìn)行施工，對工程各個(gè)環(huán)節(jié)的施工均進(jìn)行了充分的分析和準(zhǔn)備，順利完成了施工任務(wù)，保證了作業(yè)人員的人身安全，為類似工程施工積累了有益經(jīng)驗(yàn)。

[1] 甘肅省引洮供水一期工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2013：12.

[2] 支喜蘭.黃土地區(qū)公路路基地基承載力評價(jià)方法研究[D].西安：長安大學(xué)，2006：11.

[3] 鄧昌奇，謝新生，楊曉燕.竹壽水庫輸水隧洞除險(xiǎn)整治方案研究[J].陜西水利，2012(5)：67-69.

[4] 崔貴立.哈拉軍水電站發(fā)電引水隧洞塌方處理措施[J].中國水能及電氣化，2013(12)：132-134.

[5] 曾濤，尹朝陽.導(dǎo)向籠在岔管外包混凝土澆筑中的應(yīng)用[J].東北水利水電，2013(1)：54-56.

[6] 李旨強(qiáng).新疆恰甫其海工程黏土心墻壩防滲體土料施工特性[J].東北水利水電，2013(6)：78-80.

Construction and Safety Monitoring of Wet Collapsible Loess Water Diversion Tunnel in Taohe River Water Diversion Project

MU Junming

(ChinaRailway18thBureauGroupCo.,Ltd.,Tianjin300222,China)

Wet collapsible loess is prone to damage and deformation due to contact with water in the process of tunnel engineering construction. A reasonable construction plan should be formulated in order to ensure the quality of tunnel engineering construction. In the paper, the actual project is adopted as an example. A tunnel excavation plan is formulated aiming at geological conditions of tunnel engineering. Key technologies of tunnel construction are analyzed so as to ensure the successful completion of the tunnel engineering.

wet collapsible loess; water diversion tunnel; construction; safety monitoring

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.07.001

TV554

A

1673-8241(2017)07- 0001- 03

施工技術(shù)