深圳北線引水隧洞工程主要施工技術綜述

深圳北線引水隧洞工程主要施工技術綜述

王順橋

  （深圳市廣水建設工程有限公司，項目總工程師、注冊安全工程師、注冊二級建造師）

【摘  要】 茜坑～鵝頸引水隧洞工程（簡稱茜鵝隧洞）是深圳市北線引水工程重要項目之一。該隧洞具有斷面小、線路長、施工難度大等特點。茜鵝隧洞全長4030m，襯砌后凈空為2.5×2.7m成門形斷面。小斷面隧洞施工難以實現開挖與襯砌平行作業，一般是按照先行開挖和初期支護，待洞身開挖貫通后再進行砼襯砌的施工程序。根據工程條件選用不同的小型設備進行開挖、二次襯砌，提高單項工序的生產能力和設備利用率，實現了預期的質量、安全、工期和成本目標。

【關健詞】小斷面；長隧洞；施工技術

1、工程概況

深圳北線引水工程是為解決深圳市中西部地區城市缺水問題而興建的大型供水工程項目，茜坑—鵝頸引水隧洞（簡稱隧洞，下同）為其中一項控制性工程。隧洞全長4030m，為有壓引水、城門形斷面隧洞。在樁號F2+031.78處設有一條斜井支洞，斜井與水平交角8°27′8.28″（縱坡1/6.81），長274.66m，把隧洞分為四個施工工作面；另外在進口設有閘室、引水渠，出口設有豎井、消力池、出口明渠等附屬建構筑物。隧洞進口位于茜坑水庫內，出口與鵝頸水庫相連，洞底縱坡1/424，設計流量9.26m³/s。隧洞開挖斷面3.1～3.7×3.4～3.9m，襯砌后成洞斷面為2.5×2.7m城門形斷面。

隧洞所在地區出露巖層，主要以殘坡積及風化巖為主。隧洞前段（F0+000～F1+030）為高譚超單元花崗巖，全～微風化，巖性為中粗粒黑云母花崗巖；隧洞中段（F1+030～F3+730）為早侏羅世金雞組和晚三疊世小坪組的沉積巖，前者巖性為細粒長石石英砂巖與粉砂巖、粉砂質泥巖，后者巖性為中厚層狀砂礫巖、中細粒石英砂巖等；隧洞末端（F3+730～F4+030）為震旦紀黃婆山片巖，巖性以片巖、片麻巖為主，多為全～強風化。按巖性及風化程度、巖石質量等因素的不同，將隧洞段圍巖類別分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ四類（國標GB50287—1999分類），并劃分為17小段。

隧洞進口位于茜坑水庫庫尾花崗巖區，地下水位較高，距地表補給水源近，補給量充足；

隧洞出口位于鵝頸水庫東部庫尾區，距地表補給水源近，地下水以基巖裂隙水為主，對施工影響較大。

隧洞初期支護參數以工程類別為主確定，采用超前小導管注漿、徑向錨桿、格柵鋼拱架、網噴砼等支護形式；二次模注參數由結構計算的結果確定，采用鋼筋砼襯砌，Ⅱ～Ⅲ類圍巖襯砌厚度為0.30m；Ⅳ～Ⅴ類圍巖襯砌厚度為0.40m。砼強度為C25，抗滲為W8。

2、 工程特點及方案的選定

2.1  工程特點

（1）洞身長、工程量大、工期緊。

（2）通風排煙、供電困難。

（3）隧洞斷面小，影響施工機械配套和洞內管線路布設，加劇施工機械作業的干擾。

（4）局部圍巖差、地下水較豐富。

（5）隧洞施工與水庫運行協調難度大。

2.2  方案選定

2.1.1  總體施工方案

長隧短做，按“兩平一斜（支）、三工區、四工作面”布置，即：設進口工區、出口工區、支洞工區。

2.1.2  結合各區特點確定施工方案

（1）針對隧洞長、工程量大、工期緊，分別在進口、出口以及支洞口設立項目管理分部，安排三個作業隊，每個工作段長度約1000m，長隧短打。合理分配開挖、支護與襯砌時間，減少平行作業影響。

（2）針對隧洞洞身長、通風條件差的特點，僅采用接力式壓風送風，節約抽風設備空間，既不影響施工，又能滿足風量、風壓需求。

（3） 針對洞內線路長、電壓降過大等特點，一是調高洞口變壓器低壓端電壓到極限值；二是采用大斷面單股銅芯線供電；三是盡量避免多種設備同時用電。

（4）針對隧洞斷面較小的特點，合理選用小型施工機械：

①支洞工區：二臺LW-150型軌式扒渣機，四臺梭式礦車，一臺5t東風汽車，二部2m³輪式砼罐車，一部自制輪式平板車，一部5t卷揚機牽引。

②進、出口工區：分別配置一臺LG-30型裝載機，二臺2.5t農用車，二臺2m³混凝土罐車。

③每隔370～500m設一避車段，滿足機械設備掉頭作業。

（5）針對局部圍巖差的特點，主要是F3+922～F3+888段圍巖差不穩定，加上覆蓋層厚度不足2m（與設計不符）造成塌頂，后改為明挖支護，第二次進洞，既減少施工難度，又能節約資源和確保安全施工作業。

（6）針對地下水豐富、洞內滲水量大等問題，采取引、降、堵等辦法進行處理。如在F3+850處附近地表面，有一處山塘與洞內形成漏水通道，長期有較大漏水流出（約4L/S），采用在地面打深井抽排、洞內先引后堵等辦法處理，取得了較好的效果。

（7）針對隧洞施工與水庫運行協調問題，經過幾方多次協商達成共識：既要保證水庫運行和度汛，又不能讓隧洞施工間斷，采取加高加寬進出口圍堰的辦法，達到了兩不誤的目的。

3、施工方法

3.1  施工通風

3.1.1  供風量計算

長隧洞施工通風一直是一項技術難題，對于這樣一條狹長隧洞，施工通風更顯得問題突出。本工程中對每一工作面風量的計算按四種方案進行：

（1）按洞內同時工作最多人數10人計算；

（2）按洞內最多兩臺內燃機（裝載機和農用車功率100kw）同時工作計算；

（3）按最小風速計算；

（4）按洞內爆破石方稀釋炮煙計算。

取最不利組合（1）+（2）計算，考慮風阻和百米漏風率，將上述供風量再乘以1.2的系數作為洞內需最大供風量。

3.1.2  設備的選型

由于隧洞斷面狹小，采用大直徑通風設備影響洞內運輸，小直徑通風管風阻和其直徑的平方成反比，供風量和供風距離受到很大限制，機械設備不容易配套。綜合考慮采用φ600

通風袋（防水帆布）接力通風，洞口風機22KW，供風量約400m³/min，洞內風機5～7.5KW，間距200～300m，除掌子面用舊通風袋外，其余采用新通風袋（見圖片）。

3.2  施工工藝

3.2.1  鉆孔

搭設好操作平臺，因隧洞斷面小，采用鋼管支架加鋼筋網架簡易操作平臺。每班僅20分鐘即可完成平臺的搭設。采用風動鑿巖機鉆孔， 洞口布設20m3/min的0.8Mpa空壓機供風，高壓通風采用DN100鋼管輸送。

3.2.2 裝藥與堵塞

裝藥主要采用集中裝藥和不耦合裝藥。采用炮棍裝藥，炮棍采用竹竿制作，直徑比炮孔小10～20mm，一次只能壓裝一個藥卷，以免搗破藥包。堵塞材料采用包裝箱紙或塑料膜。

3.2.3 起爆

采用非電毫秒雷管起爆網，起爆雷管放在炮孔底部，保證底部裝藥全部起爆，起爆藥包

不許強裝硬塞進炮孔或扔進炮孔內，以免雷管位置變動影響起爆。

3.2.4  通風、排煙、除塵

爆破后，立即通風、排煙。因隧洞較長，爆破后立即打開高壓水管閘，讓高壓水呈霧狀噴出。既降低粉塵濃度，又縮短了通風時間，每班縮短通風時間15～20分鐘。

3.2.5  出渣

采用LW—150型立爪式扒渣機或裝載機裝渣，4m³梭式礦車或2.5t農用自卸汽車運渣，每370～500m設一錯車道，提高出渣速度。

3.2.6  初期支護

茜鵝隧洞采用徑向錨桿加噴射混凝土方式進行初期支護。圍巖破碎地段增加φ6鋼筋網片，或鋼拱架、超前小導管注漿等加強支護。

由于隧洞斷面較小，噴射混凝土、錨桿安裝與開挖不能平行作業，因此在掌子面鉆孔時進行上一循環徑向錨桿眼鉆孔，裝藥的同時進行錨桿的安裝，噴射混凝土視圍巖情況決定噴射時間，一般為20～30m噴射一次，減少工序轉換時差，格柵鋼拱架的架設一般能與開挖平行作業，在掌子面鉆炮孔時進行安裝。

3.2.7  二次襯砌

茜鵝隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，施工時采用鋼拱架支撐，臺車鋼模板，60輸送泵泵送入模。模板定位采用激光全站儀和水準儀，控制襯砌中線和水平線。

3.2.8  回填注漿

襯砌時，因振搗不密實或拱頂混凝土自重等因素造成襯砌后有一定量的空隙，需要進行注漿加固，注漿孔采用φ50的鍍鋅管，注漿壓力為0.3Mpa。

4、各類圍巖初期支護施工

4.1  Ⅴ類圍巖初期支護

（1）超前小導管：φ32*3.25鋼管，環向＠0.4m，L=3.5m

（2）鋼拱架：主筋φ22*4，縱向＠1.0m

（3）鎖定錨桿：砂漿錨桿φ18，縱向＠1.0m，L=2m

（4）鋼筋網：φ6，＠200*200mm

（5）墻拱噴射混凝土：C20，厚200mm

（6）底板素噴混凝土：C20，厚200mm

4.2  Ⅳ類圍巖初期支護

（1）墻拱錨桿：砂漿錨桿φ18，縱環向＠1.0m，L=2m

（2）鋼筋網：φ6，＠200*200mm

（3）墻拱噴射混凝土：C20，厚100mm

（4）底板澆注素混凝土：C10，厚100mm

4.3  Ⅲ類圍巖初期支護

（1）墻拱錨桿：砂漿錨桿φ18，縱環向＠1.2m，L=2m

（2）墻拱噴射混凝土：C20，厚100mm

（3）底板澆注素混凝土：C10，厚100mm

4.4  Ⅱ類圍巖初期支護

（1）隨機錨桿：砂漿錨桿φ18，L=2m

（2）底板澆注素混凝土：C10，厚100mm

4.5  超前小導管施工

4.5.1 工藝流程（見圖1）                                                                

        圖1   小導管工藝流程

4.5.2 導管加工制作

小導管采用φ32×3.25mm鋼管加工，管前端加工成錐形，中間部位鉆φ8mm～φ10mm溢漿孔，呈梅花形布置，間距500px，尾部1.0m范圍內不鉆孔防止漏漿，末端焊φ6mm環形箍筋，加工成形見圖2。

4.5.3 導管布設及灌漿范圍

小導管單根長3.5m，環向間距0.4m，從拱部格柵中穿過，仰角及外插角10～15°，布設范圍在拱部120°范圍內，縱向間距1.5m，布設見圖3。

　　        圖2    小導管加工示意圖

            　圖3    小導管布設示意圖

4.5.4  鉆灌漿孔

使用手持YT—28風動鑿巖機鉆孔。

4.5.5  導管安裝

鉆孔完成后，將小導管打入孔內，如地層松軟也可用錘子將導管直接打入。對于砂類土，如有堵孔，用φ20mm鋼管制作吹風管，將吹風管緩緩插入土中，用高壓風射孔，成孔后將小導管插入，并用CS膠泥將管口密封。

4.5.6  導管灌漿

（1）灌漿以注水泥漿為主，首先將掌子面用噴射砼封閉，以防漏漿，并對小導管內的積物用高壓風進行清理。

（2）灌漿順序由下而上，可以單管灌漿，也可以多管并聯灌漿（增加分漿器）。

（3）漿液水灰比1.5：1，1：1，0.8：1三個等級，漿液按先稀后濃，逐級變換。

（4）灌漿壓力和流量分三階段：初始階段（漿液流動擴散階段），壓力迅速由零上升到0.7MPa左右，注入量亦由大逐漸減??；充填階段灌漿壓力由大變小，灌漿速度也有所降低；

凝膠脫水階段隨著裂隙、孔隙和空洞全部充塞完畢，吸漿量逐漸降至結束標準。

（5）灌漿完成后，立即堵塞孔口，防止漿液外流。

4.5.7 灌漿異?，F象處理

（1）灌漿中如發生與其他孔串漿應將串漿孔堵住，輪到注該孔時，拔出堵塞物，用高壓風或水沖洗。如拔出堵塞物時，仍有漿液外流，則可不沖洗，立即接管灌漿。

（2）壓力突升則可能發生堵管，應立即停機檢查處理。

（3）如果壓力長時間上不去，應檢查是否窩漿或流往別處，否則應調整漿液配比，縮短膠凝時間，進行小泵量低壓或間歇灌漿，但間歇時間不能超過漿液膠凝時間。

（4）其他方法：可采用改性水玻璃灌漿（水玻璃加工業硫酸），雙液漿灌漿（水泥加水玻璃）等。

4.6  鋼拱架施工

4.6.1 工藝流程（見圖4）

圖4    鋼拱架工藝流程圖

4.6.2 鋼拱架加工

（1）格柵鋼架在洞外加工場分段冷彎制作，按1：1比例放樣設立工作臺，按設計分節焊制。

（2）加工做到尺寸準確，弧形圓順。

（3）鋼架加工后先試拼，檢查其平面翹曲和橫斷面誤差，保證格柵鋼架在架設時能夠閉合成環。

（4）鋼架堆放和運輸時不得損壞和變形。

（5）格柵鋼架加工前，應嚴格按預留沉落量（即拱頂100mm，邊墻和底部50mm）重新設計細部尺寸。

（6）運至現場的每批鋼筋，應按規定進行機械性能的試驗。

（7）鋼筋運輸和儲存應設置標牌，并分批堆放整齊，不得銹蝕和污染。

（8）格柵鋼架在工廠加工、焊接應嚴格按操作規程進行，并按要求進行試驗。

4.6.3  架立鋼拱架

（1）架設前計算每一節的橫縱坐標（即以到隧洞中線的距離為橫坐標，以到隧洞軌面設計線的距離為縱坐標），以便架設時對每一節進行測量定位，使之能形成一個完整的閉合環，保證每榀格柵之間最大距離為1000mm。架設時每一片要架設在隧洞縱向軸線垂直面內，縱向以φ22鋼筋焊接連成一體。

（2）分節之間以75×75mm角鋼螺栓連接。

（3）開挖上層后及時安裝，在格柵鋼架底部設置鎖定錨桿。開挖底層時，在開挖面底部打設鎖定錨桿，將格柵鋼架與鎖定錨桿和系統錨桿焊接牢固。

（4）鋼拱架與圍巖之間初噴50mm砼作為保護層。

5、施工技術及措施

5.1  隧洞開挖爆破設計

5.1.1  施工工藝（采用鉆爆法）（圖5）

圖5    鉆爆法工藝流程圖

5.1.2掏槽形式及布置

（1）本隧洞斷面較小，采用直孔掏槽形式（如圖6）。

（2）本隧洞掏槽a取120mm，b取170mm。

（3）空孔與裝藥孔之間的距離：空孔與裝藥孔之間距離為炮孔直徑的2～4倍。

5.1.3  輔助孔布置

輔助孔的間距應根據巖石的最小抵抗線確定，一般均為500～650mm，方向基本垂直工作面，布置要比較均勻。緊鄰周邊孔的輔助孔應為周邊孔的光面爆破創造條件，所以應采取與隧洞的輪廓線相似現狀布置，使之與周邊孔的間距處處相等。

　　                  圖6    中空直孔掏槽炮孔布置圖（單位mm）

5.1.4  周邊孔布置

（1）周邊孔布置在斷面輪廓線上，斷面拐角處應布置炮孔。

（2）周邊孔的深度不應大于輔助孔。

（3）按光面爆破要求，各炮孔要相互平行，孔底落在同一平面上，但一般炮孔方向通常向外（或向上）斜率：3％～5％。

（4）底板孔下斜5°，孔底一般低于設計開挖線150～200mm。

5.1.5  爆破參數設計

（1）炮孔直徑

藥卷與孔壁之間的間隙一般為炮孔直徑的10％～15％，藥卷直徑為32mm，炮孔直徑設

計為40mm。

（2）炮孔深度

一般根據經驗、工程類別確定，但在實際施工中可適當調整。

①經驗數據一：

Ⅱ～Ⅲ類圍巖3.0～3.5m（中大斷面）；2.0～2.5m（小斷面）；Ⅳ～Ⅴ類圍巖1.5～2.5m（各種斷面）；1.0～2.0m特小斷面。

②經驗數據二：                

一般最大炮眼深度取斷面寬度（或高度）B的0.5～0.7倍，當圍巖條件好時，采取較小值。

③實際操作：炮孔深度一般在2.2～2.8m。

（3）單位體積耗藥量

與藥性、巖性、斷面、孔徑和孔深等因素有關。一般采用經驗公式、國標和工程類別估算，一般1.8～2.3kg/m³，實際耗藥量在此范圍內。

（4）炮孔數量

原則是炮孔數量正好容納一次爆破循環的總裝藥量，光面爆破需多增加周邊眼10～15個。

（5）總裝藥量

采取先用體積公式計算出一個循環的總用藥量，然后按各種類型炮孔的爆破特性進行分配，再在爆破實踐中加以檢驗和修正，直到取得良好的爆破效果為止的方法。

（6）單孔裝藥量：按公式計算：

—炮眼裝藥系數，—眼深，—每米長度炸藥的藥量。

（7）裝藥結構

①掏槽孔及輔助孔，采用線狀連續裝藥結構，孔口用炮泥堵塞。

②周邊孔采用φ25mm小藥卷間隔不耦合裝藥，底部內裝一個粗藥卷，以克服巖體挾制作用。

③裝藥結構圖見圖7

　　      圖7    裝藥結構圖

5.2  隧洞不良地質施工措施

5.2.1  一般施工措施

本隧洞由于部分隧洞埋深不大，需進行初期支護的比例高，地質條件相對較差，必須加強施工監控，防止冒頂、塌方、掉塊事故發生。

（1）加強對開挖面前方的圍巖特性、地質情況的預測預報工作，及時研究治理措施；

（2）地質預測預報以打超前探孔為主，輔以雷達波測試；

（3）通過對開挖面及其附近圍巖剝落情況的觀察、素描、分析圍巖的動態特性，作出超前預報；

（4）采用工程地質類比法進行宏觀預報；

隧洞進水口段覆蓋層巖體卸荷松馳，洞臉邊坡及圍巖穩定性較差，成洞條件較差。為防止拱頂和局部坍落等問題，施工過程采取如下措施：

①認真閱讀設計圖紙及有關規范和技術文件，掌握洞身各類圍巖的力學性能，編制切實可行的施工方案，認真落實；

②精心設計爆破方案，并在實施過程中不斷優化各項參數，盡量減小爆破對圍巖的擾動；

③錨噴支護即時跟進。堅持做到支護不合格開挖不前進，支護不跟進開挖不前進，支護不完全開挖不前進，支護變形原因未查明開挖不前進的四不開挖原則，即時讓洞身形成封閉的環形結構；

④超前預測預報地質變化情況，即時修正爆破方案各項參數；

⑤嚴格執行監控量測有關技術規定，作到勤觀察、勤量測、勤整理，隨時掌握圍巖的變形發展情況，用以修正臨時支護方案，指導開挖進度；

⑥對鉆孔、裝藥、噴錨等關鍵工序進行崗前技術培訓，并嚴格按設計要求進行工序質量檢查，將引起隧洞塌方的因素消滅在工序質量控制中。

5.2.2 隧洞冒頂分析及處理

（1）本隧洞在樁號F3+922～F3+888段發生了長約34m冒頂；

（2）分析其主要原因：一是洞頂覆蓋層厚度不夠（最薄處2m，圖紙有誤），并且是全風化土層，難以形成自拱力穩定；二是洞頂有沖溝穿過，常年有山水流出，土層常年受水浸泡，穩定性極差；

（3）處理措施：一是將冒頂段采取明挖，做箱涵式隧洞覆蓋土；二是重新開挖山坡第二次進洞。

5.2.3 洞內塌方分析及處理

（1）本隧洞在樁號F3+850附近發生兩次（兩處）塌方；

（2）分析其主要原因：一是隧洞穿過較大斷層，圍巖為全風化土層；二是洞頂地表有水溝、水塘，地表水通過地下通道直達洞內滲出，造成圍巖自穩定性極差；

（3）處理措施：一是在洞頂地表打深井抽水，降低地下水；二是采取管棚注漿加固圍巖；三是將鋼筋拱架改為工字鋼拱架加固。

（4）兩處塌方采取同樣措施處理，取得了較好效果。

6、二次襯砌施工技術

6.1  二襯設計

（1）混凝土：C25；

（2）鋼筋：Ⅱ級，主筋φ20，分布筋φ18；

（3）混凝土厚度：Ⅱ、Ⅲ類圍巖750px，Ⅳ、Ⅴ類圍巖1000px。

6.2  二襯施工方案

（1）總體施工方案：先澆筑底板，后澆筑墻拱（一次完成），并且底板超前澆筑3～4倉，即超前31.5～42.0m。

（2）底板和墻拱澆筑在同一批次進行，即第1倉的墻拱和第4倉或第5倉的底板是同

一批次，其中墻拱完成后接著底板。

（3）采用商品混凝土灌注，由廠家運至洞口，再分裝到小型灌車轉運至洞內工點，輸送泵泵送入模。

（4）底板采用插入式搗固器、墻拱采用附著式搗固器搗固。

（5）混凝土輸送泵離澆筑倉15～180m。

（6）臺車為軌行式自制臺車，長度為10.5m。

（7）墻拱背部回填灌漿在墻拱施工全部完成后進行，一般采用純水泥漿灌注。

6.3  墻拱施工順序

測量放線→襯砌臺車就位→關擋頭模、加固→泵送澆筑砼→拆?！B護→進入下一倉循環。

6.4  墻拱襯砌工藝流程

隧洞邊墻和頂拱為同一個襯砌臺車制模澆筑，其施工流程見圖8。

　　           圖8   墻拱襯砌工藝流程圖

6.5  墻拱施工

隧洞墻拱二襯施工方法見下頁表。              

墻拱二襯施工方法

6.6  底板施工

（1）清理底部噴射砼面的廢渣物，達到混凝土施工要求；

（2）加工、制作及現場綁扎鋼筋：仰拱鋼筋在加工場內下料并彎制成形，運至現場綁扎；

（3）預埋設計要求的各種預埋設施，做到核對仔細不漏項，以免造成不必要的返工，影

響施工的正常進行；

（4）混凝土施工：人工關兩端擋頭板，側模利用已成型墻拱，模板采用125px厚木板加工。砼為商品混凝土，用混凝土運輸車運到現場，插入式搗固器搗固，保證混凝土密實度和強度。

6.7  鋼筋制安

（1）鋼筋在加工場進行，并根據施工進度計劃分期分批進場加工、堆放，并且要做好鋼筋的維護工作，避免黏上油污。

（2）鋼筋綁扎順序應根據每段的施工特點嚴格按順序執行，一般是底板綁扎完成后再進行邊墻鋼筋綁扎。

（3）鋼筋綁扎時應將混凝土墊塊（保護層）隨之綁扎上。

（4）所有鋼筋交叉點，應用鐵絲全部綁扎，接頭位置、搭接長度、間距應嚴格按圖及規范施工。

（5） 受力主筋采用焊接接頭，接頭相互錯開，錯開距離為鋼筋直徑的35d且不小于500mm。

（6）板內雙排鋼筋間距用“S”形φ8鋼筋拉結。每平米不少于1根，上下鋼筋間距用φ16～φ20馬凳筋控制，每平米不少于1根。

7、結束語

傳統的小斷面輸水隧道施工主要依賴小型機具施工，工效低、工期長。受狹小工作面、勞動生產率低的制約，一直以來，長距離、小斷面輸水隧洞是制約項目成敗的關鍵。解決專用機械設備配套的問題，形成專項機械化作業線一直在探索中。輸水隧洞是水利水電工程的重要組成部分之一，探索與實踐綜合施工配套技術的組織與實施，促進非標機械配設備的開發是十分必要的。本文為小斷面隧洞施工方案的選擇提供參考。