小断面长距离输水隧洞开挖支护施工关键技术

李功子 ,于振飞 ,范靖奇  

南水北调（开化）水务有限公司   浙江衢州  324300

摘要：小断面长距离输水隧洞在开挖支护施工过程中难度较大，小断面导致爆破超欠挖较难控制、大中型施工机械设备难以进入，长距离导致通风散烟及降尘困难、施工废水及渗水处理困难，长隧洞地质条件存在较大的不确定性、施工存在较大的安全风险。为了确保小断面长距离输水隧洞安全、高效、经济的进行开挖支护施工，须对施工的关键问题进行分析并制定相关技术措施，以确保满足安全、工期、成本要求。

关键词：小断面长距离；输水隧洞；开挖支护；关键技术

引言

小断面长距离输水隧洞施工将解决我国局部地区缺水问题，完成跨流调水。在施工时，解决开挖支护关键问题至关重要，是工程成败的关键。相关施工单位近年来积累了很多施工经验，但各施工现场条件均有差异、小断面长距离隧洞开挖支护施工条件复杂，涉及专业领域较多，施工困难，安全隐患较多。小断面长距离输水隧洞开挖支护与公路隧道、水工中大断面隧洞相比有较多差异，所幸近年来类似工程增多，本文得以通过分析文献和工程实例，总结相关开挖支护施工关键技术，以供施工参考。

1工程概况

某水库输水工程从山区水库内取水，经长距离的输水隧洞及埋管将水输送到县城，为县城提供优质水源。输水隧洞单条最大长度为7.9km，开挖断面主要为2.8m×2.75m（宽×高）；在该条最长隧洞4.3km处设置了一条施工支洞，施工支洞长0.3km，开挖断面主要为5.3m×5.2m（宽×高）。

输水线路所经区域褶皱构造较发育，与北东向断裂共同组成区内北东向构造骨架。受区域构造影响，断层较为发育，输水线路沿线地质构造复杂，岩性多变，隧洞围岩类别多为Ⅲ类～Ⅳ类，进出洞口及断层等构造带处为Ⅴ类围岩，地表水系发育、地下水丰富，工程地质条件较差，存在岩溶、构造破碎带、突涌水（泥）、塌方等工程地质问题。

2小断面长距离输水隧洞开挖支护施工关键问题分析

2.1作业面施工问题

本工程为典型的小断面长距离输水工程，输水隧洞作业空间狭小，相应的干扰因素较多。在施工时，需要结合爆破、出渣、支护等工序。但这些工序在施工时因作业面狭小，严重制约施工速度，而工期安排较为紧张，为了快速完成施工，势必会影响工作人员的工作心态，导致施工人员为了取得更快的工程进展，忽视安全性。小断面且地质条件多变导致爆破超欠挖较难控制，大中型施工机械设备难以进入导致出渣施工速度存在较大问题。光面爆破施工、出渣施工等关键施工工序均存在一定程度的问题。

2.2通风散烟及降尘问题

在施工过程中，洞内存在通风散烟降尘问题。在隧洞开挖支护施工时，洞内通风情况时好时坏，干扰工作流程。在施工时分析遇到大规模有害气体可能性不大，但由于其地质结构复杂，且荷塘组等寒武系地层具备页岩气成藏可能。有害气体在施工过程中，有可能会通过裂缝到达隧洞。在施工时由于钻孔、爆破、装碴、喷射混凝土以及开挖时地层释放出的有害气体等因素，使得隧洞里空气污浊、有大量有害气体，严重影响人体的健康。因此，必须向洞内及时供给新鲜空气，排除有害气体，降低粉尘浓度，而小断面长距离导致隧洞通风散烟降尘存在较大问题。

2.3施工废水及渗水处理问题

输水隧洞沿线存在多处过沟段且有较多断层，地表水系发育、地下水丰富。在施工过程中，洞内存在大量渗水，而隧洞大部分工作面为长距离下坡洞，排水困难。同时钻孔施工及爆破施工时会产生少量废水，已完成支护段渗水为清水，但大部分为散状渗水、局部为股状渗水，由于隧洞断面小，车辆通行也易将渗水污染，废水易与渗水混合在一起，大大增加废水处理量和难度。因此，施工废水及渗水处理是小断面长距离隧洞施工的一个关键问题。

2.4不良地质处理问题

输水隧洞沿线地质构造复杂，岩性多变，断层较为发育，隧洞围岩类别多为Ⅲ类～Ⅳ类，进出洞口及断层等构造带处为Ⅴ类围岩，地表水系发育、地下水丰富，工程地质条件较差，存在岩溶、构造破碎带、突涌水（泥）、塌方等工程地质问题。小断面长距离隧洞不良地质段施工安全风险大，因此，不良地质处理是又一个关键问题。

3小断面长距离输水隧洞开挖支护施工关键技术措施

3.1作业面施工技术措施

（1）采用全断面爆破技术，以新奥法理论为标准，通过光面爆破技术，保障隧洞开挖质量。若因爆破引起的超欠挖，可尽量减少超欠挖出现的几率。超挖会引起多出渣的问题，超挖部位需使用混凝土回填，会造成材料浪费、成本增加，也会制约后续施工进度。可采用直线型掏槽技术，毫秒微差爆破，周边光面爆破成型，崩落孔梅花形布置。周边孔采用小药卷间隔装药，周边炮孔的底脚孔装一个Ф32药卷，以克服岩体的挟制作用。爆破顺序由内到外分段起爆，先爆掏槽孔，再爆崩落孔，最后爆周边光面孔。为减少超欠挖，还需根据隧洞地质构造、完整度以及裂隙等地质形态，合理调整爆破孔布置及装药结构并根据爆破效果不断优化爆破参数，确保一次爆破可以取得良好的开挖成型质量，减少超挖超填造成的施工成本和施工时间增加。

（2）针对于出渣工序，进行科学规划，输水隧洞采用ZWY-80型电动全液压轮式扒渣机将掌子面洞渣转运至5t自卸车内运至洞外弃渣场，考虑洞渣可能存在较大块体、扒渣机难以转运，对扒渣机进行适当改装、备用破碎头，遇较大岩块时换用破碎头进行破碎后再转运至自卸车内。随着隧洞不断掘进加深，逐渐增加自卸车的数量，以保障出渣效率。由于隧洞断面小，为便于车辆掉头并缩短装渣待车时间，一辆自卸车在掌子面装渣时其它自卸车可以提前在错车道内等待装渣，同时为便于爆破及支护时扒渣机临时停放，根据现场围岩情况，每150～300m布置一处错车道。

（3）由于单条输水隧洞最长为7.9km，断面小、工期紧，仅从隧洞进、出口两个工作面掘进无法满足工期要求且安全风险大，故需加快中间的施工支洞掘进、尽快掘进至输水主洞，然后从支洞上、下游各增加一个输水主洞工作面，确保单工作面掘进长度控制在2.5km以内，减少通风散烟、排水困难、施工降效等问题。

3.2通风散烟及降尘措施

（1）在开挖支护施工中，需保证洞内有足够的风压以及风量，以确保施工安全及工人职业健康。在输水隧洞口配备2×22KW品牌轴流风机、施工支洞口配备2×37KW品牌轴流风机，保障风量大、通风效果好；由于输水隧洞断面小，考虑出渣车辆通行问题，布置的通风管管径较小，可使用φ600mm高强通风软管，摩阻系数较小，随着隧洞的掘进加深需根据通风效果情况每隔500～800m串联布置1台2×11KW接力轴流风机，接力风机布置接口50m范围需设置硬质风管以确保通风效果，在输水隧洞与施工支洞交叉口设置钢质分岔风管并沿上、下游侧各设置1台2×22KW接力轴流风机，并随着隧洞的掘进加深按输水隧洞要求布置接力风机，所有通风管需确保平顺、完整、无破损以减少风损。如遇通风不良情况，可间隔一定距离在隧洞内布置射流风机。

（2）为减少废气排放，洞内禁止使用汽油发动机施工设备，扒渣机采用电动设备，出渣车柴油机燃料中添加助燃剂，保证燃料充分燃烧，同时尾气位置配置废气净化装置，减少有毒有害气体排放。对于无渗水洞段，爆破和出渣时可在距掌子面设置几道风水混合型水幕降尘器，使水充分雾化，使粉尘迅速液化而降落，装渣时可向洞渣上洒水以减少出渣产生大量粉尘。对于洞内有害气体，配备专用检测仪器，进洞前须加强通风并检测满足规范要求后方可人员进入，施工过程中定期检测并加强通风，施工人员配备自吸过滤式防毒面具，确保施工安全。

3.3施工废水及渗水处理措施

（1）为避免施工废水将洞壁渗出来的清水污染，导致需处理的污水量大大增加，而该工程环保要求高，为节约污水处理成本，需将洞壁渗水与施工污水分离排放，洞内成股渗水处打设随机排水孔并设置排水管引排至集水坑水箱内，水箱需高于现状排水沟，避免施工污水流入水箱内，洞壁散状渗水较大部位采用EVA防水板引排，渗水尽可能通过排水管直接引排至水箱内集中抽排至洞外排放，避免与施工废水混合，减少废水排放和处理体积。

（2）隧洞下坡掘进时，一侧设排水沟，每隔200～300m设一集水坑汇集污水，用水泵接力排水至洞外沉淀池，主支洞交叉处集中设置的大的集水坑沉淀处理后抽排出洞外沉淀池，为避免人为控制水泵的不确定性，集水坑内水泵的自复位开关均通过一根软绳与集水坑中的一个浮球连接以实现及时、自动抽排水。隧洞上坡掘进时，隧洞一侧设排水沟，水自流至洞口集水坑集中抽排出洞外沉淀池。洞外采用盲沟或软式透水管结合砂砾石反滤料的方式对排放的废水进行粗滤，然后到达洞外沉淀池进行加药处理，对于排出洞外的废水要及时进行废水样品检测，根据检测结果采购适合此工作面废水处理的药剂，并设置污水处理设备以确保污水处理达标。在沉淀池周边挖好排水沟，防止雨水、山水进入沉淀池内，超过沉淀池容量后，就会形成直排，失去了沉淀池的作用。沉淀物过多会减少沉淀池污水容量，所以使用一段时间后，需及时对池底的沉淀物进行清理，以保证沉淀池的正常使用。

（3）施工过程中如果出现渗漏、承压水，则采用“排、堵、截、引”相结合的方法进行处理。对地下水首先做好超前地质预报，掌子面开挖时采取加深炮孔或超前探孔以了解前方地质情况并超前排水，同时须加强安全监测，确保施工安全。对渗水量较小的洞段，在拱顶打一定数量的超前钻孔作为排水减压孔，根据估算的承压水量选择排水设备。对较大的突发性承压水洞段，采用“引、堵”结合的办法处理，采用导管集中引水，然后再喷射混凝土。在围岩渗、涌水量特别大的地段，可优先探查补给水源并采取有效措施减小或截断水源，如无法探明或采取措施后洞内仍涌水严重，可采用超前预固结灌浆或超前帷幕灌浆进行灌浆封堵施工，同时起到堵水和加固围岩的作用，并在开挖后的掌子面上挂钢筋网、喷混凝土进行加强支护，控制围岩变形。

3.4不良地质处理措施

针对隧洞不良地质段开挖支护施工按“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则，根据现场地质情况，可采取以下几项措施：

（1）通过地质雷达、瞬变电磁等方法进行超前地质探测以预报前方地质和水文条件，施工时可采用超前探孔进一步查清前方地质和水文情况，为提前制定可靠的处理方案提供地质保障，降低地质灾害发生的几率和危害程度。

（2）对于爆破孔深度及装药量，可根据围岩情况及爆破开挖效果进行缩减，减少对围岩的扰动，并适当调整爆破孔间距，加密周边孔，爆破过程中尽量的保障隧洞拱部弧线的完整性，充分利用围岩自身的特征。

（3）加密监测点，增加隧洞安全监测频率，建立健全的预警机制，勤检查、勤巡视并且及时分析监测成果和检查情况，若出现围岩变形监测数据或开挖面异常的情况，则立即发出预警机制。防止变形过大，导致隧洞出现塌方事故，造成不必要的损失。根据监控量测的反馈信息和现场地质情况，不断调整开挖方法和支护参数，确保施工安全。

（4）在隧洞围岩较差时，掌子面顶部可以采用注浆小导管或超前锚杆进行提前支护加固，确保前方岩石开挖后能够维持在基本稳定状态。开挖排险出渣完成后立即喷混凝土封闭岩面，并及时设置钢拱架、钢筋网、锚杆、复喷混凝土等加固隧洞开挖面。

（5）在隧洞围岩特别不良时，可采用先护后挖，边挖边扩，先对岩体进行超前固结灌浆或超前大管棚等加固后再开挖等方法。围岩稳定特别差时，爆破排险后立即喷混凝土封闭岩面，出渣后，再安设钢拱架、打锚杆、挂网、复喷混凝土等增加支护能力。

结语

综上所述，小断面长距离输水隧洞开挖支护施工关键问题较多，因此，管理难度较大。在处理这些关键问题时，必须全面、细致的进行分析，实现技术保障措施应对得当，根据现场实际情况制定作业面施工技术措施、通风散烟及降尘措施、施工废水及渗水处理措施、不良地质处理措施等关键技术措施，以确保小断面长距离输水隧洞施工满足安全、工期、成本要求，对类似工程具有参考借鉴价值。

参考文献

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