謝世良

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

甘肅省引洮供水二期工程總干渠33#及34#兩座隧洞位于白銀市會(huì)寧縣黨峴鄉(xiāng)雪岔溝與十里窯之間，隧洞全長分別為1.57 km與15.51 km，合同工期36 個(gè)月，輸水流量設(shè)計(jì)7.4 m3/s、加大8.2 m3/s，洞身采用三心圓拱曲墻反拱底板類馬蹄型斷面，一次噴混凝土、系統(tǒng)錨桿、鋼拱架、頂拱鋼筋網(wǎng)及小導(dǎo)管管棚等聯(lián)合體系支護(hù)，二次液壓整體鋼模臺(tái)車模筑鋼筋混凝土襯砌的復(fù)合式支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)縱坡1/1250，開挖掘進(jìn)最大斷面尺寸高與寬均為3.59 m、最大斷面面積10.31 m2，凈斷面尺寸2.65（寬）m×2.72（高）m，加大流量運(yùn)行水深2.05 m、流速1.68 m/s。隧洞開挖掘進(jìn)最大斷面跨度與面積為小斷面地下洞室規(guī)模下限，接近特小斷面規(guī)模，屬于典型的小斷面地下洞室規(guī)模水工引輸水隧洞工程，按照新奧法（NATM 法）與鉆爆法相結(jié)合理念設(shè)計(jì)與施工。33#隧洞為進(jìn)出口兩個(gè)施工工作面，34#長隧洞全線增設(shè)5 座施工輔助支洞，包括進(jìn)出口總計(jì)12 個(gè)工作面，兩座隧洞施工關(guān)鍵線路為34#隧洞進(jìn)口段，單工作面控制最大洞長1.6 km。兩座隧洞一次支護(hù)及二次襯砌設(shè)計(jì)典型橫斷面如圖1、圖2 所示。

圖1 隧洞一次支護(hù)設(shè)計(jì)典型橫斷面

圖2 隧洞二次襯砌設(shè)計(jì)典型橫斷面

總干渠33#及34#兩座隧洞具有單工作面控制洞長較大、斷面小，開挖掘進(jìn)及支護(hù)襯砌施工機(jī)械設(shè)備作業(yè)影響大，各道工序間相互干擾，施工功效低；圍巖軟弱，強(qiáng)度低，穩(wěn)定問題突出，一次支護(hù)須緊跟開挖掘進(jìn)施工掌子面，且質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求高；洞身全斷面二次襯砌需“先底后拱”兩次成型且及早施工，施工組織協(xié)調(diào)要求高，以及不良地質(zhì)處理等重難點(diǎn)工程技術(shù)特性。

2 工程地質(zhì)

總干渠33#及34#兩座隧洞洞身圍巖主要為古近系砂巖夾砂礫巖，以及粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖，泥質(zhì)含量低，泥質(zhì)弱膠結(jié)，成巖程度差，單軸抗壓強(qiáng)度普遍小于15.0 MPa，強(qiáng)度低，具弱透水性，屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類軟—極軟巖，遇水快速軟化崩解，巖石強(qiáng)度降低顯著，巖體完整性系數(shù)0.7～0.85，縱波波速2000.0 m/s～2300.0 m/s。巖體受構(gòu)造影響輕微，節(jié)理裂隙不發(fā)育，總體呈中厚—巨厚層狀，局部為薄層狀，巖層層面為主要結(jié)構(gòu)面，層面結(jié)合差，產(chǎn)狀平緩，交錯(cuò)層理發(fā)育，巖相變化劇烈。圍巖地下水主要為孔隙—裂隙水類型，全線洞身均處于地下水位以下，地下水位高于洞頂20.0 m～50.0 m，主要以滴滲為主，局部線狀流水，對(duì)普通混凝土無腐蝕性。

隧洞工程地質(zhì)突出問題是極軟巖穩(wěn)定，圍巖總體工程地質(zhì)條件差，具長期流變特性。隨隧洞開挖掘進(jìn)，地下水集中向洞內(nèi)滲流排泄，在動(dòng)靜水壓力及爆破震動(dòng)共同作用影響下，圍巖塑性松動(dòng)圈巖石遇水快速軟化及崩解，巖體結(jié)構(gòu)遭到破壞，局部可能產(chǎn)生流土破壞，進(jìn)而發(fā)生局部涌砂，并可能產(chǎn)生大變形及塌方，掌子面多不能自穩(wěn)。

3 開挖掘進(jìn)施工主要技術(shù)措施

3.1 施工通風(fēng)

總干渠33#及34#兩座隧洞施工通風(fēng)方案考慮鉆爆法開挖掘進(jìn)、爆破作業(yè)產(chǎn)生的有害氣體與粉塵為主要污染源、獨(dú)頭開挖掘進(jìn)最遠(yuǎn)送風(fēng)距離1.6 km、洞內(nèi)無軌運(yùn)輸、通風(fēng)排煙占用30.0 min 作業(yè)工序循環(huán)時(shí)間（正常送風(fēng)不占用循環(huán)時(shí)間），以及可提供足夠風(fēng)量與風(fēng)壓風(fēng)機(jī)、漏風(fēng)與阻力小風(fēng)管等諸多因素，確定采用獨(dú)立壓入通風(fēng)方式，主洞及支洞洞口配置1 臺(tái)SDF（C）№11 型多極變速軸流式風(fēng)機(jī)，主洞洞內(nèi)采用直徑Ф500 mm 的PVC 增強(qiáng)維綸布風(fēng)筒，平直懸掛于洞身一側(cè)，直至距開挖掘進(jìn)施工掌子面不小于30.0 m 處。通風(fēng)風(fēng)量須滿足能夠?yàn)槎磧?nèi)作業(yè)人員供給足夠的新鮮空氣，保障作業(yè)人員身體健康，并沖淡排除有害氣體，降低粉塵濃度，改善勞動(dòng)環(huán)境，以及保證洞內(nèi)最低風(fēng)速不低于0.25 m/s、溫度不大于28.0℃等技術(shù)要求，風(fēng)機(jī)依據(jù)洞內(nèi)需風(fēng)量及通風(fēng)距離選型。通風(fēng)風(fēng)量按以下三種工況計(jì)算：

（1）按洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)人數(shù)計(jì)算

式中：Q 為理論通風(fēng)風(fēng)量，m3/min；q 為每人每分鐘呼吸所需空氣量，取3.0 m3/min；M 為同時(shí)工作人數(shù)，取25 人；K 為風(fēng)量備用系數(shù)，取1.15。

由此得：Q＝86.3 m3/min。

（2）按洞內(nèi)爆破后，稀釋一氧化碳（CO）至許可最高濃度計(jì)算。

式中：A 為同時(shí)爆破的炸藥消耗量，取31.2 kg；K 為風(fēng)量備用系數(shù)，取1.10；t 為通風(fēng)時(shí)間，取30.0 min。

由此得：Q＝572.0 m3/min。

（3）按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計(jì)算

式中：S 為隧洞橫斷面面積，取最大開挖掘進(jìn)斷面面積10.31 m2；V 為最小允許風(fēng)速，取0.25 m/s。

由此得：Q＝154.7 m3/min

采用上述三種工況計(jì)算最大值作為施工理論通風(fēng)風(fēng)量，即洞內(nèi)工作面所需理論風(fēng)量應(yīng)不小于572.0 m3/min。實(shí)際施工通風(fēng)量需考慮風(fēng)筒漏風(fēng)因素后確定，百米長風(fēng)筒漏風(fēng)率正常情況下按控制在1.2%以內(nèi)確定，獨(dú)頭開挖掘進(jìn)最遠(yuǎn)送風(fēng)距離1.6 km，據(jù)此計(jì)算漏風(fēng)系數(shù)：

式中：P 為風(fēng)筒漏風(fēng)系數(shù)；L 為獨(dú)頭開挖掘進(jìn)最遠(yuǎn)送風(fēng)距離，取1600.0 m；P100為百米長風(fēng)筒漏風(fēng)率，取1.2%。

由此得：P＝1.02，則：

經(jīng)計(jì)算分析，隧洞施工洞內(nèi)單工作面實(shí)際所需通風(fēng)量應(yīng)按不小于583.0 m3/min 控制，并進(jìn)行風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒等設(shè)備選型。

3.2 施工供風(fēng)

兩座隧洞按單工作面開挖掘進(jìn)施工采用4 臺(tái)鑿巖機(jī)同時(shí)工作，主供風(fēng)風(fēng)管采用Ф125 mm 鋼管進(jìn)行施工供風(fēng)計(jì)算分析?？諌簷C(jī)生產(chǎn)能力應(yīng)考慮由儲(chǔ)氣筒至風(fēng)動(dòng)機(jī)具沿途損失、各機(jī)具耗風(fēng)量，以及風(fēng)動(dòng)機(jī)具同時(shí)工作系數(shù)與備用系數(shù)?？諌簷C(jī)生產(chǎn)能力計(jì)算式為：

式中：Q 為空壓機(jī)生產(chǎn)能力，m3/min；K 為風(fēng)動(dòng)機(jī)具同時(shí)工作系數(shù)，按投入4 臺(tái)鑿巖機(jī)同時(shí)工作考慮，取0.85；K備為風(fēng)動(dòng)機(jī)具備用系數(shù)，一般為75.0%～90.0%，取75.0%；km為工程區(qū)海拔高程對(duì)空壓機(jī)生產(chǎn)能力影響系數(shù)，取1.14；∑q 為全部風(fēng)動(dòng)機(jī)具所需風(fēng)量，為∑q＝4×3.5＝14.0 m3/min；q漏為管路及附件漏耗損失，按風(fēng)損30.0%取1.3。

由此得：Q＝32.6 m3/min，隧洞單工作面設(shè)置2 臺(tái)生產(chǎn)能力為20.0 m3/min 的電動(dòng)空壓機(jī)，即可滿足開挖掘進(jìn)施工需要。

3.3 主洞開挖掘進(jìn)

針對(duì)總干渠33#及34#兩座隧洞單工作面施工控制洞長較大、斷面小、圍巖軟弱穩(wěn)定性差、工程設(shè)計(jì)，以及合同工期安排等主要工程技術(shù)特性，制定開挖掘進(jìn)施工技術(shù)措施。兩座隧洞采用全斷面光面爆破技術(shù)開挖掘進(jìn)，以最大限度減輕對(duì)圍巖擾動(dòng)，堅(jiān)持邊開挖掘進(jìn)邊實(shí)施一次支護(hù)，一次支護(hù)體系緊跟開挖掘進(jìn)掌子面的原則施工，以保證開挖掘進(jìn)施工及洞身穩(wěn)定安全。

隧洞主洞開挖掘進(jìn)施工總體采用YT－28 型手風(fēng)鉆鉆孔，洞身全斷面布孔裝藥爆破破巖一次成型，履帶移動(dòng)式扒渣機(jī)裝渣，洞內(nèi)每間隔洞長300.0 m 設(shè)置1 處錯(cuò)車回車道，4.0 t小型自卸車無軌運(yùn)輸出碴及進(jìn)料的技術(shù)方案。隧洞開挖掘進(jìn)及一次支護(hù)施工工藝流程如圖3 所示；爆破作業(yè)工序單循環(huán)時(shí)間安排如表1 所列；洞身全斷面光面爆破布孔及裝藥設(shè)計(jì)參數(shù)如圖4 所示、如表2 所列。隧洞開挖掘進(jìn)并一次支護(hù)施工單循環(huán)進(jìn)尺2.0 m，每月按25 d、每天按三班24.0 h 工作制有效作業(yè)時(shí)間計(jì)算分析，單循環(huán)作業(yè)12.0 h，月均50 循環(huán)，月均進(jìn)尺100.0 m。

圖3 隧洞開挖掘進(jìn)及一次支護(hù)施工工藝流程

圖4 隧洞全斷面光面爆破布孔設(shè)計(jì)/cm

表1 隧洞開挖掘進(jìn)爆破作業(yè)工序單循環(huán)時(shí)間安排

表2 隧洞全斷面光面爆破布孔及裝藥設(shè)計(jì)參數(shù)

隧洞開挖掘進(jìn)全斷面光面爆破質(zhì)量控制措施，主要包括做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確判定圍巖性狀，合理設(shè)計(jì)爆破參數(shù)；準(zhǔn)確確定炮孔位置與洞身開挖掘進(jìn)輪廓線；嚴(yán)格按爆破設(shè)計(jì)鉆孔、裝藥、接線和引爆。洞身斷面中部掏槽孔孔口與孔底間距誤差不大于50.0 mm；輔助孔孔口排距與行距誤差不得大于100.0 mm；周邊孔布置于開挖掘進(jìn)斷面輪廓線上，允許沿輪廓線調(diào)整，其誤差不大于50.0 mm，孔底不超出輪廓線100.0 mm；內(nèi)圈炮孔至周邊孔排距誤差不大于50.0 mm，深度超過2.5 m 時(shí)，內(nèi)圈孔與周邊孔以相同斜率鉆孔；當(dāng)掌子面凸凹較大時(shí)，按實(shí)際調(diào)整炮孔深度，力求除掏槽孔及底孔外的所有炮孔孔底在同一垂直面上；周邊孔采用不耦合方式裝藥。炮孔內(nèi)泥漿及石粉等雜質(zhì)須吹洗干凈，完成裝藥的炮孔均堵塞炮泥，周邊孔堵塞長度大于20.0 cm。

4 一次支護(hù)體系施工主要技術(shù)措施

總干渠33#及34#兩座隧洞一次支護(hù)體系原則是緊跟開挖掘進(jìn)施工掌子面，確保與圍巖巖體能夠及早共同承載，保持洞身整體穩(wěn)定及施工安全。按照隧洞工程設(shè)計(jì)，一次支護(hù)體系主要包括Φ20 mm、長2.0 m 水泥基藥卷系統(tǒng)錨桿、Φ6.5 mm 鋼筋網(wǎng)、噴射厚120.0 mm 混凝土、Ⅰ12 工字鋼型鋼鋼拱架及Φ42 mm 小導(dǎo)管管棚等。

4.1 系統(tǒng)錨桿

隧洞一次支護(hù)系統(tǒng)錨桿施工主要工藝流程為測(cè)量放線→布孔→鉆孔→清孔→送水泥基藥卷錨固劑→推進(jìn)錨桿與攪拌錨固劑→達(dá)錨固強(qiáng)度→檢查驗(yàn)收。采用YT－28 型風(fēng)鉆成孔，鉆孔直徑按大于錨桿桿體直徑15.0 mm～20.0 mm 確定為Φ35.0 mm～40.0 mm，鉆孔深度按大于錨桿桿體入巖長度20.0 mm～30.0 mm 控制，孔位允許偏差±15.0 mm，孔深允許偏差±50.0 mm，高壓風(fēng)清孔。水泥基藥卷需在20.0℃～22.0℃的溫水中浸泡軟化后，立即按節(jié)依次送入孔內(nèi)全斷面滿孔均勻密實(shí)，孔內(nèi)不能出現(xiàn)漏空，并盡快將錨桿桿體打入孔內(nèi)并攪拌后待凝固結(jié)。

4.2 掛網(wǎng)噴射混凝土

隧洞一次支護(hù)噴射混凝土前隨巖面起伏鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，與錨桿頭可靠焊接，以確保噴射混凝土?xí)r鋼筋網(wǎng)不擺動(dòng)，噴頭不得正對(duì)鋼筋。施工時(shí)若存在脫落噴層或大量回彈物被鋼筋網(wǎng)“架住”，須及時(shí)清除，不得包裹在噴層內(nèi)。噴射混凝土須填滿鋼筋網(wǎng)與巖面之間的空隙，并粘結(jié)牢固。為確保噴射混凝土層均勻密實(shí)，凝結(jié)高強(qiáng)，并減少回彈，須分兩次噴射，初噴厚度40.0 mm～50.0 mm，二次噴射至設(shè)計(jì)厚度120.0 mm，且鋼筋網(wǎng)覆蓋厚度不得小于50.0 mm。噴射混凝土厚度、噴層強(qiáng)度，以及噴混凝土與巖面之間、兩次噴層之間的粘結(jié)強(qiáng)度，通過鉆取試芯及噴大板制作試件的方法進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。

4.3 鋼拱架

隧洞一次支護(hù)鋼拱架須與巖面緊貼架設(shè)，巖面凹陷處采用混凝土塊楔緊，前后相鄰鋼拱架采用連接筋連接形成整體，以確保鋼拱架能夠全斷面均衡承載。鋼拱架加工及架設(shè)施工允許誤差為沿洞身周邊輪廓誤差不大于30.0 mm，鋼拱架整體平面翹曲小于±20.0 mm。

5 二次襯砌施工主要技術(shù)措施

總干渠33#及34#兩座隧洞二次襯砌遵循“先底后拱、底拱超前、拱墻整體”的施工原則，一次支護(hù)體系施工完成后，為有效控制圍巖變形，并防止巖體軟化及泥化，洞身底拱二次襯砌應(yīng)盡量緊跟開挖掘進(jìn)并一次支護(hù)施工掌子面，采用鋼結(jié)構(gòu)棧橋平臺(tái)解決洞內(nèi)施工出碴及進(jìn)料運(yùn)輸問題，底拱二次襯砌須全幅一次性澆筑施工。洞身拱墻二次襯砌采用液壓整體穿行式鋼模臺(tái)車，一次性整體澆筑施工，嚴(yán)禁設(shè)置環(huán)縱向施工縫，以避免產(chǎn)生冷縫。混凝土在洞外采用拌和站集中拌和，攪拌運(yùn)輸車運(yùn)至洞內(nèi)，嚴(yán)禁產(chǎn)生離析，泵送混凝土入倉澆筑，插入式振搗棒配合鋼模臺(tái)車自帶附著式振搗器搗固均勻。

5.1 底拱二次襯砌

隧洞底拱二次襯砌采用拱架支撐組合鋼模板配套施工，洞身兩側(cè)墻下部設(shè)置高30.0 cm 小邊墻，其頂部為洞身全斷面二次襯砌縱向施工縫，洞身兩側(cè)小邊墻與底拱全斷面整體澆筑，洞身二次襯砌施工時(shí)須做好鋼筋搭接及環(huán)向結(jié)構(gòu)縫止水帶布設(shè)。洞身底拱二次襯砌定型鋼模尺寸為0.05 m×0.3 m×1.2 m，支撐拱架采用Ⅰ18 工字鋼按洞身底拱斷面尺寸及弧度，并考慮模板厚度加工制作，間距按模板尺寸確定為1.2 m。須保證支撐拱架具有足夠的剛度及強(qiáng)度，并加固端頭模板，做好防浮支撐，以防止泵送混凝土灌注施工時(shí)發(fā)生變形。洞身底拱二次襯砌跨長及永久分縫與拱墻保持一致，設(shè)計(jì)要求跨長為10.0 m，混凝土澆筑完成不少于20.0 h 后脫模，并開始灑水養(yǎng)護(hù)不小于7 d。

5.2 拱墻二次襯砌

隧洞拱墻二次襯砌采用液壓整體穿行式鋼模臺(tái)車澆筑混凝土的施工技術(shù)方案，鋼模臺(tái)車按洞身設(shè)計(jì)斷面型式及其尺寸加工制造，長10.0 m，整體結(jié)構(gòu)由鋼面板、鋼桁架支撐系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及附著式振搗系統(tǒng)等組成，主要工作流程為移動(dòng)定位→調(diào)整至斷面位置→液壓系統(tǒng)頂進(jìn)→混凝土灌注→振搗→液壓系統(tǒng)回收→千斤頂降落→脫?！耙啤乱豢玳L循環(huán)。洞身拱墻二次襯砌跨長及永久分縫與底拱保持一致，設(shè)計(jì)要求跨長為10.0 m，混凝土澆筑完成不少于20.0 h 后脫模，或當(dāng)二次襯砌混凝土強(qiáng)度達(dá)2.5 MPa 時(shí)方可拆除模板，脫模后即行開始灑水養(yǎng)護(hù)不小于7 d。隧洞洞身拱墻二次襯砌施工工藝流程如圖5 所示，液壓整體式鋼模臺(tái)車結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 隧洞二次襯砌施工工藝流程

隧洞二次襯砌施工質(zhì)量控制措施主要包括加強(qiáng)基底清理；混凝土整體澆筑不間歇，加強(qiáng)搗固；嚴(yán)禁斷面欠挖，盡量減少超挖，超挖部分采用與二次襯砌同強(qiáng)度混凝土澆筑回填；加強(qiáng)起拱線、拱頂與環(huán)向結(jié)構(gòu)縫等部位的混凝土振搗；采用配合比最佳級(jí)配集料混凝土，使其快硬早強(qiáng)；混凝土生產(chǎn)全程對(duì)拌和均勻性、適宜拌和時(shí)間、自動(dòng)計(jì)量設(shè)備準(zhǔn)確性等經(jīng)常性檢查；混凝土運(yùn)輸能力要適應(yīng)凝結(jié)與澆注速度需要，以保持均勻性與規(guī)定坍落度，并充分發(fā)揮設(shè)備效率；保證混凝土振搗密實(shí)，以及注重混凝土保養(yǎng)等諸多方面。

圖6 隧洞二次襯砌液壓整體式鋼模臺(tái)車結(jié)構(gòu)

5.3 二次襯砌施工指標(biāo)及強(qiáng)度分析

經(jīng)綜合分析，兩座隧洞二次襯砌施工作業(yè)工序單循環(huán)時(shí)間安排見表3 所列。隧洞二次襯砌按單工作面使用1 臺(tái)鋼模臺(tái)車澆筑混凝土的最不利工況，按每月25 d、每天按三班24.0 h 工作制有效作業(yè)時(shí)間，以及單循環(huán)作業(yè)30.0 h 計(jì)算分析，鋼模臺(tái)車跨長10.0 m，理論月均20 循環(huán)（20 跨），月均進(jìn)尺為200.0 m。施工關(guān)鍵線路34#隧洞進(jìn)口段洞長1.6 km，二次襯砌月均進(jìn)尺200.0 m，則完成二次襯砌時(shí)間為8 個(gè)月，可滿足關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工期計(jì)劃要求。

表3 隧洞二次襯砌施工作業(yè)工序單循環(huán)時(shí)間安排

6 結(jié)語

引洮供水二期工程總干渠33#及34#隧洞屬于典型小斷面規(guī)模引輸水隧洞，按照新奧法（NATM法）與鉆爆法相結(jié)合理念設(shè)計(jì)與施工。針對(duì)隧洞圍巖工程地質(zhì)、斷面及工期等主要工程技術(shù)特性，對(duì)施工通風(fēng)與供風(fēng)、開挖掘進(jìn)、一次支護(hù)體系與監(jiān)控量測(cè)，以及二次襯砌等技術(shù)與質(zhì)量控制措施進(jìn)行了全面分析。兩座隧洞工程現(xiàn)已全線開挖掘進(jìn)施工貫通，大部洞段二次襯砌完工，工期可控。工程施工實(shí)踐表明，所采用的工程技術(shù)與質(zhì)量保證措施實(shí)施良好，取得優(yōu)異成效，可為類似引輸水隧洞工程設(shè)計(jì)與施工參考借鑒。