周 驊，朱鵬飛，胡露騫

(杭州市千島湖原水股份有限公司,浙江 杭州 310016)

淺埋暗挖法在輸水隧洞施工中的應用

周 驊，朱鵬飛，胡露騫

(杭州市千島湖原水股份有限公司,浙江 杭州 310016)

在輸水隧洞施工中，在隧洞明挖法和盾構法不適應的條件下，淺埋暗挖法具有占地少、拆遷少、造價低，周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點.以千島湖配水工程穿越23省道為例，詳細闡釋了淺埋暗挖法施工工藝“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”的特點及要求，總結提出了開挖、支護、超前支護加固、監(jiān)測等施工要點和技術參數(shù).

輸水隧洞；配水工程；淺埋暗挖；施工工藝

1 工程概況

近年來，水污染突發(fā)事件頻頻發(fā)生，給現(xiàn)有河道型水源地構成了嚴重的威脅，并由此引發(fā)了城市供水資源短缺問題.現(xiàn)階段杭州城市供水主要依靠錢塘江，解決單一水源問題，提高供水抗風險能力，構建大城市的多水源供水安全保障體系，開辟第二水源地迫在眉睫.杭州市第二水源千島湖配水工程(以下簡稱“千島湖配水工程”)是浙江省重大民生供水工程，經浙江省發(fā)改委核準建設，并列為省重點建設項目[1-2].千島湖配水工程從新安江水庫淳安縣境內取水，通過輸水隧洞將水引至杭州市余杭區(qū)閑林水庫.千島湖—閑林水庫輸水線路長112.34 km，其中輸水隧洞混凝土襯砌段長約102.39 km，采用平底圓形斷面，襯后φ6.7 m；其余部分為鋼襯段或埋管段，鋼管內徑φ5.0 m[3].設計流量38.8 m3/s，為I等工程，施工總工期42個月，總投資約106 億元.輸水線路共分16個標段，本文以12標官地上穿越23省道為例，詳細地介紹淺埋暗挖施工工藝及注意事項.

1.1 項目簡介

官地上淺埋段位于杭州市富陽區(qū)新登鎮(zhèn)，長282 m，施工需下穿23省道(見圖1).23省道交通流量大，交通地位顯著，為雙向六車道一級省級干線公路，路基寬度42m，設計時速80 km/h.為保障省道交通安全，該段隧洞施工采用淺埋暗挖法，進行松動爆破配合破碎機機械開挖，同時加強支護進行穿越公路施工.官地上淺埋段隧洞底高程15 m，隧洞襯后洞徑5 m，洞身圍巖為奧陶系上統(tǒng)長塢組(O3c)中厚層狀粉砂巖、粉砂質泥巖等，河床段上覆巖體厚度薄，僅為15 m左右，且局部巖體較為破碎.

1.2 施工難點

官地上下穿段部位圍巖類別為Ⅳ類，開挖時存在頂拱坍落、邊墻失穩(wěn)等現(xiàn)象，局部區(qū)域甚至還出現(xiàn)較大變形.由于23省道為重要交通干線，交通流量大，交通地位顯著.若工程采用明挖法施工，將涉及大面積征借土地、省道中斷交通、社會影響面大等方面影響.綜合條件分析，采用淺埋暗挖法進行穿越23省道的方案是合理的.官地上暗挖施工難度主要有3點：(1)洞頂上覆巖土體較薄，約為15 m且較為破碎；(2)洞頂路邊地面段為官地上1#支洞工區(qū)棄渣場，并布置有拌和系統(tǒng)，重型施工機械通行頻繁；(3)省道上川流不息的車輛作為動荷載也不利于下覆巖體的穩(wěn)定.統(tǒng)籌考慮以上問題，本文從開挖進尺、區(qū)別支護、加強監(jiān)測等若干方面入手，摸索出一套科學完備的淺埋暗挖施工方案，順利安全地穿越了23省道.

2 淺埋暗挖法的核心技術

淺埋暗挖法的核心施工技術總結為18字要訣：“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”[4].在施工作業(yè)中，根據(jù)現(xiàn)場的地質條件復雜程度,制定相對應的開挖順序和支護形式，并嚴格根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)確定支護的形式和參數(shù)，確保施工作業(yè)和周邊環(huán)境處于安全可控的狀態(tài).

管超前：由于開挖面頂拱部位巖體自穩(wěn)能力能力差，當頂拱部位失去支撐時，極易發(fā)生坍塌.為了提高其穩(wěn)定性，有必要采用超前小導管和小棚對前方巖體進行預支護，并形成前拱前部支撐架，以抑制拱部變形.

嚴注漿：要解決前方巖體的穩(wěn)定，必須從內部對巖體的性質進行化零為整，在實施過程中主要采取小導管超前預注漿的措施對巖體進行注漿固結的加固方式，為下一工序開挖過程提供安全的保障.

短進尺：開挖過程中，保證巖體的穩(wěn)定是需解決的重點難題.同一性質的巖體，穩(wěn)定能力很大程度上與以下2個方面密不可分，即暴露的時間和開挖進尺的大小.曝光時間越長，巖石崩塌進尺的危險性越大，反之亦然.預留核心土的目的在于平衡掌子面前方的巖體，防止失衡滑塌.

強支護：隨著時間和振動的繼續(xù)，自拱將逐漸失去穩(wěn)定，松散的巖石將直接作用于初始支撐的結構.因此，強大且系統(tǒng)的支護體系是確保結構穩(wěn)定的基礎.

快封閉：隧道爆破施工后，隨著暴露時間推移，巖體的自穩(wěn)能力將逐漸變弱.暴露時間越長，巖體坍塌的風險就越大.盡早采取封閉作業(yè)面的錨噴支護措施，將使支護體系及早地發(fā)揮系統(tǒng)防護的作用.

勤量測：淺埋暗挖實施過程中，應測量地表沉降和支護結構受力情況，了解施工過程中的動態(tài)變化.因此，制定頻率對敏感部位進行觀測，掌握變形變位的動態(tài)信息，設置相對應的變形警戒值并適時地調整下一循環(huán)的施工參數(shù)，對變形量過大的部位采取預防預控措施是必要的.

“首先排管，其次注漿，最后開挖，注漿、開挖、支護、封閉的工序環(huán)環(huán)相扣”的施工工序必須嚴格遵守.應建立一整套變位、應力監(jiān)測系統(tǒng)，采用動態(tài)設計實時指導施工的信息化方式，來保障施工過程中處于安全的狀態(tài).

3 淺埋暗挖法的施工工藝

3.1 開挖

23省道下穿段的開挖方式采用弱爆破和破碎機機械開挖相結合的方法(見圖2).破碎軟巖采用爆破松動巖體配合破碎機周邊開挖相結合的方式.堅硬、中硬巖石施工主要利用自制鉆孔臺車，YT-28型氣腿式風動鑿巖機配合鉆孔作業(yè)，爆破采用鉆爆法施工.本段圍巖主要以Ⅳ類圍巖為主，可能存在少部分Ⅴ類圍巖，擬采用光面爆破、全斷面一次開挖的方式.采用楔型掏槽，輔助眼間距為50～70 cm, 周邊眼間距40～50 cm，使用小直徑乳化炸藥、間隔裝藥的方式，確保爆破后炮痕均勻分布在開挖輪廓面上，再通過非電毫秒雷管連接導爆索進行點火起爆.

圖2 淺埋暗挖法工藝流程圖

3.2 支護

(1)鋼拱架

鋼架在鋼筋加工棚內加工制作，采用I20a型工字鋼冷彎機分節(jié)段彎制，連接鋼板與工字鋼間采用雙面焊，焊腳高度≥8 mm.每側拱腰拱腳處各設2根φ25 mm鎖腳砂漿錨桿，長4.5 m.鋼拱架分5片安裝，縱向設置φ22 mm連接筋與之焊接，鋼架與系統(tǒng)錨桿焊接.鋼拱架鎖腳錨桿端部彎折20 cm，以便同鋼拱架內表面雙面焊接，焊縫長度≥5倍錨桿φ.鋼拱架基礎須置于完整、堅硬巖石，巖基承載力≥0.5 MPa.為保證質量，鋼拱架連接鋼板嚴禁采用氣割、沖孔，孔口多余的鋼渣、毛刺采用機械進行清除.

(2)錨桿施工

錨桿鉆孔采用YT-28型氣腿風鉆進行鉆孔.由于本工程的砂漿錨桿需先灌漿再進行安插，因此，鉆孔完成后首先用高壓風槍將鉆孔內石屑等異物進行清除，報請監(jiān)理驗收合格后，用干凈的牛皮紙或其它物品將鉆孔口堵塞好.采用錨桿注漿機進行注漿，注漿后立即用支護作業(yè)臺車進行人工錨栓，并將錨桿插入孔內.為防止?jié){液倒流，安插錨桿并打入木楔子對錨桿進行固定后對孔口立即進行封堵.若孔口無漿液溢出，要及時補注漿液.錨桿安裝后，不得對其隨意敲擊和拉拔.

(3)噴混凝土施工

巖面在噴混凝土前必須做好表面清理，清除各種浮石或爆破震松的巖塊，清除受噴面上的巖料、巖渣和其它雜物，基底表面清洗，新鮮完整的巖石采用高壓水沖洗，破碎巖石采用高壓風吹洗，進行噴混凝土作業(yè)[5].邊頂拱滲漏水也是一種常見的現(xiàn)象，主要有集中滲水和分散滲水兩種，處理方法以引、排為主[6].施工中要注意控制噴射壓力、噴混凝土料的含水量，對回彈料的比例進行嚴格控制.此階段特別注意加強通風，噴混凝土的操作人員必須配備必要的防護用品，如口罩、眼罩等.噴混凝土施工結束后，將混凝土表面保持濕潤進行養(yǎng)護，保證噴混凝土質量.

3.3 超前支護加固

洞內如遇破碎軟弱圍巖，根據(jù)實際地質情況采取超前管棚及超前小導管支護(見圖3).

圖3 超前支護斷面圖

(1)超前管棚施工

管棚采用潛孔鉆鉆孔，孔徑φ120 mm，灌漿鋼管采用φ108 mm的普通無縫鋼管，管壁厚6 mm，管壁成“花管”狀，封堵孔口段小孔，管尾接連接頭，管頭焊接錐形悶頭.

采用注漿機進行灌漿，注漿順序為先低后高，先兩側后頂部.隨著潛孔鉆孔深的增大，需要對回轉扭矩、沖擊功率及推力進行控制和協(xié)調，尤其要嚴格控制推力，不能過大[7].將鋼管安放在管棚鉆機上后，對準已鉆好的引導孔，低速推進鋼管，其沖擊力控制在1.8～2.0 MPa，推進壓力控制在4.0～6.0 MPa[7].

(2)超前小導管施工

利用YT28型氣腿式手風鉆鉆孔，注漿、插錨須簡易平臺車配合作業(yè)，用YT28型氣腿式手風鉆帶套筒插錨.小導管采用孔徑φ42 mm，壁厚4 mm的熱軋無縫鋼管加工制成，鋼管前端加工成錐形，尾部焊接φ6 mm鋼筋加勁箍，管壁四周鉆φ6 mm壓漿孔.

小導管鉆孔仰角10°～15°，深度為4 m，環(huán)向間距40 cm，水平搭接≥150 cm.超前小導管應從格柵鋼架腹部空間穿過，插入已鉆好的孔中，尾端與鋼架焊接，連為一體.灌漿采用1∶1水泥漿，初始灌漿壓力0.2～0.3 MPa，終壓1～1.5 MPa，注漿前應噴射4 cm厚混凝土封閉工作面，以防漏漿(見圖4)[7].

圖4 超前小導管花管樣圖

4 工程監(jiān)測

4.1 洞內監(jiān)測

在隧道觀測中，分別進行開挖面和施工段觀測，包括節(jié)理裂隙發(fā)育、工作面穩(wěn)定性、初期支護狀況和突水情況以及施工質量是否滿足要求.

(1)圍巖松動圈監(jiān)測

開挖面觀察應在每次開挖后進行一次圍巖松動圈監(jiān)測采用聲波探測儀及單孔超聲波測試法.如出現(xiàn)異常，應加大量測頻率.

(2)拱頂沉降、收斂變形監(jiān)測

拱頂監(jiān)測和隧道收斂監(jiān)測是通過測量手段，來了解拱頂?shù)钠矫嫖灰坪凸绊斚鲁燎闆r[8]以及主要水準儀或全站儀量測監(jiān)控隧洞掘進過程中平面、豎向尺寸的變化情況，指導施工期的支護.每個收斂監(jiān)測斷面結合1個拱頂測點，并在同一頻率段進行.

(3)鋼拱架應變、錨桿應力監(jiān)測

根據(jù)支護情況選擇鋼拱架布置鋼拱架應變計，監(jiān)測支護結構受力.根據(jù)支護情況選擇錨桿布置錨桿應力計，監(jiān)測支護結構受力，指導施工期的支護.若初支發(fā)生異常現(xiàn)象，應采取措施，并安排人員進行不間斷觀察.

4.2 洞外監(jiān)測

洞外監(jiān)測包括對23省道路面進行爆破振動、地表沉降等進行監(jiān)測.

(1)爆破振動監(jiān)測

爆破振動監(jiān)測主要監(jiān)測開挖面的爆破對周邊敏感點或建筑物的震動影響，獲得爆破振動衰減規(guī)律.根據(jù)圍巖條件和被保護對象的不同擬定相對應的爆破安全振動標準，指導下一步爆破施工.

(2)地表沉降監(jiān)測

地表沉降監(jiān)測主要布置在下穿23省道段的兩端和中部，通過埋設地面位移測點進行水平位移和垂直位移監(jiān)測.根據(jù)道路沉降警戒值，指導下一步爆破施工.

5 結 語

與原來的傳統(tǒng)施工工藝相比，淺埋段的隧洞開挖采用淺埋暗挖法施工的質量和效率得到了很大的提高，其相對應的應用價值和實際操作的可行性也是比較明顯的.本次對下穿23省道段采用淺埋暗挖法的實施，在確保工程安全的前提下千島湖配水工程官地上下穿23省道段順利地完成了本段輸水隧洞開挖工作.這不僅減少了水土流失對環(huán)境造成的影響，還明顯減少了明挖法施工給周圍百姓生活出行帶來的影響；同時保障了省道公路交通的正常通行，并且有效地節(jié)省了工程投資，縮減明挖法所帶來的政策處理成本.因此，在今后的隧道淺埋段施工過程中，充分地推廣和應用該淺埋暗挖法進行淺埋段開挖顯得極為必要.

[1] 白云慶.淺埋暗挖支護工藝在南水北調輸水隧洞工程中的應用[J].水利水電技術,2013,44(1):70-78.

[2] 葉利偉，何曉鋒.大型線性水利工程質量與安全監(jiān)管工作模式研究——以杭州市第二水源千島湖配水工程為例[J].中國水利,2016(6):30-32.

[3] 徐軼慷，肖 鈺，吳留偉，等.千島湖配水工程超長輸水隧洞快速施工關鍵技術探討[J].工程技術：引文版,2016(3):216-218.

[4] 李金剛.淺談淺埋暗挖施工技術[J].科技風,2013(1):161-162.

[5] 張培海.錨噴支護在不良地質段隧洞中的應用[J].浙江水利水電專科學校學報,2009,21(1):9-12.

[6] 張智勇，陽珍平.江西查冊水電站引水隧洞襯砌施工技術探討[J].浙江水利水電專科學校學報,2011,23(2):15-18.

[7] 鄭敬云，夏平華.地下暗挖專項施工中不良地質段的處理預案分析[J].水利建設與管理,2016,36(8):16-19.

[8] 劉紹堂.隧道施工期間的變形監(jiān)測技術[J].地下空間與工程學報,2006，2(S2):1346-1348.

The Application of NATM in the Construction of Water-conveyance Tunnel

ZHOU Hua, ZHU Peng-fei, HU Lu-qian

(Hangzhou Qiandao Lake Raw Water Co., Ltd., Hangzhou 310016, China)

In the construction of a water-conveyance tunnel, compared with open-cut method and shield method, shallow underground excavation method has advantages of economic space occupation, less house removal, low cost and environment protection. Taking 23 provincial roads for example, this paper illustrates construction technology of shallow underground excavation method in detail and proposes some key points and technical parameters so to provide reference for similar engineering.

water-conveyance tunnel; diversion tunnel engineering; shallow underground excavation; construction technology

TV672+.2

A

1008-536X(2017)06-0047-05

2016-11-21

周 驊(1988-)，男，浙江桐廬人，助理工程師，研究方向為水利工程建設管理.