长距离小断面水工隧道施工技术研究

曾钦泓

中国安能建设集团第三工程局有限公司成都分公司，四川省成都市，611130

摘要：目前，国内长距离引调水工程以引水隧洞形式为主，此种形式适用于交通不便、开挖难度大、覆盖层较厚的山岭地区，通过设计并开展施工作业，可以解决水资源分布不均匀和量少的问题。文章依托工程的引水隧洞符合长距离、小断面特点，单头掘进工作量大、工作面小等因素限制了施工技术的正常应用。为此，要结合施工区域的环境特征合理应用多种施工技术。

关键词：长距离；小断面；水工隧道；施工技术

1工程概况

该工程是城市水资源配置项目，隧道整体穿越多条河流，文章研究的区域是供水工程引水隧洞处。引水隧洞长8.89km，开挖断面面积为8m2，满足长距离、小断面特征。设计纵坡为1/1400，设计流量为2.1m3/s，属于自留无引水隧洞类型。横断面为圆拱直墙型和马蹄型两类，净断面尺寸为2.1m×2.5m（宽×高），其中，圆拱直墙型的顶拱圆心角为180°，拱高1.05m，直墙段高1.50m，净宽2.1m。施工区域的地质环境恶劣，岩体坚硬，对应采取的喷锚支护技术形成的洞身钢筋混凝土衬砌结构厚30cm，选用C25混凝土。

2施工技术应用

2.1爆破

因施工区域的地质环境恶劣，岩体坚硬，引入爆破技术，通过掏槽扩展自由面，使爆破开挖施工顺利开展。依据现场施工环境，利用手风钻钻孔的方式，使用岩石乳化炸药，所设计的孔深长度为2.0～2.2m，钻孔直径为42mm，循环进尺长度为1.8m。在隧洞开挖断面的下部布置掏槽孔，形式为直孔掏槽。空孔的设置要基于钻孔设备，因在爆破阶段并未使用大型设备，因此，空孔直径较小。最终，结合现场试验结果确定设置1个主掏槽孔、4个辅助掏槽孔和8个空孔，组成以四角柱状掏槽为基础的多空孔直孔槽。每次进尺1.8m左右，按照三段分批起爆的形式开展爆破作业。依照形式设置装药结构，应用空气间隔装药光面爆破技术，针对不同条件下的岩体结构和轮廓孔特点，合理规划装药形式。共设15个轮廓孔，Ⅰ类、Ⅱ类底板与围岩侧墙周边和顶部弧线段周边孔间距分设为70cm和65cm，其余Ⅲ类围岩侧墙周边和底板孔间距适当缩小，对应调整装药量。

2.2开挖

该项目采用了电动铣挖机开挖技术，并以超前小管棚作为保护。具体施工过程如下：（1）布置φ42mm管式超前锚杆。按照纵向间距为0.6m、环向间距为0.2m的方式布置超前锚杆。与前段超前管棚搭接3.5m，钢管前端范围内设置间距0.5m、孔径10mm的梅花形注浆孔。（2）遵从短循环土洞开挖原则。控制循环进尺管控在低于1.2m的范围内。使用纯水泥浆灌注超前管式锚杆，小管棚外插角度为15°左右。（3）确定小管棚位置。根据设计图纸，在打孔前确定小管棚位置，并明确标记打孔位置。控制孔口偏差、成孔直径和孔深，要求误差不得超过50mm。在打入小管棚阶段，使用高压风机吹出管棚内砂石，并使用塑胶泥封堵安装后出现的岩石裂隙和导管外孔口。（4）注浆作业。在注浆作业前，检查开挖面周围是否存在杂物等，清除干净后，使用注浆机将混凝土喷射于洞壁，保证厚度为50～100mm。注浆过程中结合使用的注浆原材料适当调整与开挖的间隔时间，一般为5～8h。为实现安全施工，要预留一定区域不进行开挖作业，该项目预留的掌子面长1.8m，能够有效避免孔口跑浆。

2.3塌方处理

施工常见塌方问题主要出现在主洞、侧拱和顶拱处，可能导致掉块和塌方等现象，严重影响施工区域（例如掌子面）的安全。为了解决这个问题，需要采用相应的处理技术，以便在短时间内恢复正常施工。在该项目中，4号支洞的超前小管棚被塌方的岩土块砸毁。塌方位置周围的岩土含水量较高，导致掌子面的左右侧墙滑塌和挤出，隧洞上部结构的稳定性受到损害，需要积极处理。处理方法包括：将竖向支撑与半圆形拱架的一端焊接在一起，另一端与支洞拱架顶部形成稳固结构。先稳定主洞断面的一半区域，然后在另一区域布置超前管棚，并将主洞拱架安装在管棚下部，同时要求保持安装区域的整洁性。在确认主洞断面稳定后，逐步向上下游方向施工，并架设拱架。超前管棚的设置要求倾斜角为5°，环向间距为10cm，超前管的长度为7cm，管径为φ48mm。根据"洞渣稳固为先、开挖上下导坑为后"的原则，使用I12工字钢支护顶部。下导坑的开挖和支护作业与上导坑类似，支撑位置在拱架的直腿段，通过封闭拱架的方式完成底拱的施工。底拱使用1.5m长的φ20mm锁脚锚杆，安装在加宽段的底部。人工开挖的掘进方向从自支洞的掌子面开始，逐渐向主洞方向施工。竖向支撑使用I12工字钢，间距设定为0.5m，支撑设置在每1.5m的进尺处。在竖向支撑和支洞拱架之间焊接主洞靠支洞侧的顶拱架，并在拱架上喷射C20混凝土。采用缓慢开挖主洞断面另一侧的作业方式，当整个断面结构完整后，焊接主洞另一侧所加设的竖向支撑和拱顶。

2.4变形处理

为了应对隧洞收敛变形问题，该工程采取了以下处理方案：（1）选择变形量较小的区域作为工作面，进行扩挖施工，并在测量放样后描绘轮廓线。根据收敛变形监测结果，预留围岩变形空间，并适当增大尺寸，以减少变形的影响。（2）运用超前管棚支护技术，管棚的长度为4m，环向间距为26cm，角度为5°。采用跳跃式前后支撑形式，在岩层内搭建前后管棚。这样可以提供有效的支护和稳定作用。（3）由于变形程度较深，需要使用I16工字钢来安装新的拱架。两榀钢拱架之间的连接筋采用剪刀型设置，原材料为φ22mm钢筋。在连接完成后，立即进行混凝土喷射，以确保整体的稳定性。这些处理方案旨在控制隧洞收敛变形，保证工程的稳定性和安全性。通过选择适当的工作面、预留变形空间和采用超前管棚支护技术，以及使用合适的钢筋和混凝土喷射，可以有效遏制隧洞收敛变形的发展。

2.5二次衬砌施工

二次衬砌施工技术应用于洞身开挖支护后，按照设计的钢筋混凝土现浇厚度，采用人工钢筋制安的施工方式，联合应用混凝土现浇泵和钢膜车完成现浇作业。结合工期工程要求、交叉干扰、围岩变形量释放情况等设计施工方案，运用分段分时作业手段，在拱顶下沉速度低于0.15mm/d、围岩变形量超过80%总设计变形量、水平收敛速度低于0.20mm/d、整体呈现变形速度放缓态势后进入二次衬砌施工。在钢筋制安环节，钢筋的质量与成型结构稳定性息息相关，因此，需要在钢筋厂集中加工后就加工质量和钢筋参数进行抽检，在保证同一批次材料质量达标后方可使用三轮车等运输至施工位置。按照片网形式人工绑扎点焊，并将形成的结构架立固定在施工位置，结合施工方案预埋灌注管。架模环节在钢筋制安后，在轨道上安装铁质马凳，保证稳定后进入伸缩缝和止水带安装阶段。主要使用钢模台和全站仪，实现安装和高程等参数检查作业目标。浇筑环节要提前将砂、石和水泥加入拌和机，在混凝土运输至工作点后，连接混凝土泵不断输送至拱顶，在输送管支持下，不断自前、后、中间位置压入至模板台车内。为防止底拱无模浇筑出现偏压问题，伴随浇筑高度的上升，侧拱模板的高度也升高，以保证两侧拱处于同一上升速度。浇筑完成后对封顶的混凝土强度进行检验，在其强度超出5MPa后进入拆模作业。细致检查所拆模板是否出现缺棱断角，如若出现缺陷，应在技术人员指导下完成修补，不得自行操作。

3结语

在长距离小断面水工隧道工程施工中，要根据施工条件和地质条件合理选用施工技术。文章举例的水工隧道引水隧洞施工主要应用爆破技术、电动铣挖机开挖技术、二次衬砌施工技术和塌方变形处理技术，能保证结构稳定，满足施工环境和作业要求。

参考文献

[1]肖瑶瑶，王刚，李梦瑶，等.考虑围岩流变特性的隧洞锚喷支护可靠度分析[J].人民长江，2023，54（3）：179-183.

[2]段亚辉，杜洪艳，苗婷，等.水工隧洞混凝土施工期气温演变规律监测分析[J].地下空间与工程学报，2022，18（增刊2）：884-892.