倪宏涛
中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州450001
摘要：水利水电工程涉及隧洞作业，因受到工程所在地实际地形、埋深、地质情况以及作业空间窄小等诸多因素影响，普遍具有未知性大、作业复杂、作业期限较长等特点。而在隧洞掘进过程中的复杂地质洞段处理施工是水工隧洞施工的难题所在。
关键词：复杂地质；岩溶区； 小断面；通风； 引水隧洞； 施工管理
1 案例分析
1.1 工程概述
引水系统共布置6条施工支洞，总长1688m，城门洞型，断面尺寸为3.0m×3.0m。引水隧洞全长4.66km（包含地下沉沙池），隧洞主要为城门洞型，而且有压洞，引水隧洞底板纵坡为2%。压力钢管主管总长1986.4m，支管最长段27.7m。主管由4段水平段和3段斜段组成，水平段开挖为城门洞型，断面尺寸2.8m*2.8m，顶拱开挖半径1.4m。
1.2 地质描述
引水系统总体布置于河流左岸，沿线山坡均为基岩陡壁，沿线围岩为Hmb的石英岩夹片麻岩，岩体完整性差～较完整，引水系统整体围岩多数为稳定性一般的Ⅲ类（约占74%），少部分为稳定性较差的Ⅳ类（约占20%）与稳定性较好的Ⅱ类（约占5%），极少量的Ⅴ类围岩（约占1%，位于断层及影响带）。
2 施工系统布置
2.1 施工供风
根据该隧洞施工特点，在施工过程中，隧洞主要通过两头掘进方式进行开挖，在进洞口和出洞口处分别布设一台电动移动式空压机，用于进出口边坡开挖及洞室开挖施工供风。由于隧道的断面较小，送风量和送风距离受到很大限制。综合考虑后选用 SFD-I-No10隧道施工专用轴流通风机， 采用 800 的通风管进行接力通风，通风机功率为2×37 kW，供 风量为1 250 m3 /min，在布设过程中，风管主要采用布质风管。
2.2 施工排水
隧洞位于地下水位线以下，隧洞分为两头掘进，出口因自然开挖坡比关系可以自流进行排水。在隧洞出口位置开挖排水井进行汇流后通过抽水泵连接排水管将沉淀后洞内积水抽排。进口方向开挖因坡比因素会出现一定的积水，隧洞开挖时每隔200 m设置一个接力排水井，并设置水泵向隧洞进口方向引排。并在洞口附近设置沉淀池，将沉淀后的积水引排至隧洞外截水沟中。
2.3 施工供电、照明
施工用电：施工用电主要包括空压机、湿喷机、通风机、电焊机、照明、抽排水设施等，施工用电拟采用用厂房下游已架设的11kV高压线路搭接，鉴于目前该线路提供我部的施工用电最大负荷为2MW，根据本工程施工用电量，我部拟在引水系统上游段采用发电机供电为主，引水系统下游段采用系统电为主，后期根据周围电站用电负荷情况，对本项目用电系统进行调整。洞内动力电源采用400V低压电缆供给，沿隧洞拱肩处布置并在用电点(工作面、排水点等)设置配电盘。洞内照明拟采用LED灯带，沿隧洞侧壁连续布置。
3 洞口开挖施工技术措施
3.1开挖施工
3.1.1洞口开挖施工
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工作面清理之后，根据测量放线的位置，放出爆破孔孔位，并采用油漆或木桩标记，其放样误差控制±5cm以内。钻孔按“准、直、平、齐”原则进行控制，严格控制孔位、孔向、角度、孔深。
在施工过程中，通过人工装填等方式进行爆破，使用的主要为乳化炸药，需要使用连续不耦合柱状装药的结构来对主爆孔和缓冲孔进行装药，装药过程中使用的主要是竹制或木制炮棍。设置药包过程中需要保证脚线位置的顺直，并且在孔外导管位置压上一些小石块将脚线拉紧，并且逐步向孔壁一侧贴近，避免管掉入孔中。在完成装药工作后，需要使用炮泥对孔口进行封堵，而且需要捣实炮棍，保证堵塞的长度符合爆破的具体要求。
网络连接严格按爆破设计和《爆破安全规程》相关要求执行，排间分段延期，孔外簇联（大把抓），瞬发电雷管反向激发起爆。连接时需保证接头质量。连接完成后，按爆破设计逐个检查，确保正确无误。起爆前，首先检查起爆器是否完好，警戒到位，确认一切准备工作完毕后，由爆破员起爆。
3.1.2 平洞开挖
根据基础设计报告，引水系统平洞开挖主要以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，其隧洞开挖断面主要为施工支洞、引水隧洞3m×3m（宽×高）、沉沙池闸门交通洞4m×4m（宽×高）、压力管道平洞段2.8m×2.8m（宽×高），城门洞型；沉沙池（9.3m*11m），马蹄型，根据设计断面结合以往的施工经验，施工支洞、引水隧洞、压力管道平洞、沉沙池闸门交通洞均属小断面城门洞形平洞开挖，使用手风钻进行钻孔，在钻孔时通过全断面一次爆破成型的方法进行开挖，而后进行掏槽操作。掏槽时使用的主要是空孔直线掏槽操作法，而后需要使用毫秒延时的方式在管雷孔内完成微差起爆工作。在此过程中有效地对轮廓进行控制，沉沙时开挖时使用上下两层台阶的开挖方式。
在爆破开挖工作展开前，先需要进行爆破试验，依照围岩的变化情况，合理地对爆破参数进行调整，以获得最优的爆破参数，以方便后续指导后期洞室大规模开挖。
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3.1.3 特殊洞身开挖
（1）洞室进口段
进洞开挖前，首先需要做好锁口锚杆、锚喷支护以及超前小导管施工，在完成相关工作后才能进洞开挖。在洞口10米位置需要依照短进尺、早支护、弱爆破的具体原则进行施工。每开挖循环进尺需要控制在1.5米以内，另外还需要保证支护与开发工作紧密进行。依照钢拱架完成支护，做到开挖一段、支护一段，这样才能保证洞中的安全。
（2）不良地质洞段开挖
超前支护：
在不良地质段开挖前，可视情况并在征得咨询工程师同意后实施超前锚杆或超前小导管法支护措施，以确保施工安全。开挖钻爆：
依照“短进尺、弱爆破、强支护、少扰动、早封闭、勤量测”的要求进行施工，每排炮管爆破后需要进行安全处理，在施工之后需要做好一次支护工作，然后使用锚杆、挂网等方式完成混凝土的铺设，并且进行钢格栅的架设，以达到加强支护目的，形成一道柔性封闭环。
一次支护：
按照“勤量测、紧封闭”的原则施工。使围岩变形过大等情况得到有效控制。地下水较为丰富的位置需要首先进行勘测，在开完后马上钻孔然后有效完成集中排水工作。
施工监测措施：
成孔后需要及时监测施工区域的临时设备，并且进行有效观测。在三倍洞径距离内，每排炮后进行一次测量10倍洞径距离后对速率情况进行观察，将量测的时间间隔拉长，通过勤量测量方式及时了解当前设备的状态，并且指导后续的开挖之后工作，以保证成功的稳定性和施工过程中的安全性，避免出现人员伤亡和施工事故。
3.2 开挖方法
（1）施工准备
在施工工作展开前，需要依照已审批的施工方案机芯施工，做好施工过程中的技术交底，交底内容包括施工方法等， 另外组织钻机设备、风水电管线等附属设施的就位工作。
（2）测量放样
洞外采用全站仪进行测量放样，对开挖边线开口线放样后，应经现场技术负责人复核后施工，并及时对断面桩号、高程（不大于5m）进行明显标识；洞内采用无棱镜反射全站仪，根据设计图纸要求，准确放出开挖轮廓线、顶拱圆心点、拱肩等特征点以及隧洞走向等。
（3）布孔
由技术人员与现场施工人员，根据现场地质条件参考爆破设计，在掌子面上标出每个炮孔的孔位、方向，确定钻孔深度。
（4）钻孔
周边孔在断面轮廓线上开孔，钻孔质量直接影响爆破效果和周边规格，施工中严格按照爆破设计布置图进行钻孔，并采用木杆作为参照物，尽可能使各炮孔的孔底落在同一平面上，以保证下一作业循环掌子面的平整。对于光面孔还应做到“准、齐、平、直”，以确保光面爆破后孔痕率及不平整度达到规范要求。
（5）装药、起爆网络及爆破
爆破装药过程中使用2号岩石乳化炸药。起爆过程中的网络设计非常重要，一般使用并联的方式连接，而阶梯段爆破过程中需要具体分析起爆的规模和使用串并混合等方式进行连接。分段使用内延起爆或者孔外缘起爆的方式，周边预列过程以及光爆孔的过程则通过导爆索的方式进行传播。在装药过程中首先需要清理爆破孔，保证爆破孔当中的引爆线路装药以及线路的有效连接，并且由爆破工及时对出现的问题进行检查。在检查无误之后进行封堵，而后联网起爆。联网起爆过程中在孔外设置并联方式，使用电雷管作为起爆管。具体起爆的线路如下所示。在光面孔当中通过爆破索完成爆破，一般将爆破所设置在孔外，使用非电雷管进行引爆。
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（6）出渣
施工支洞前100~200m直接采用小型装载机出渣，后期采用LML-80型扒渣机或小型装载机配合矿用自卸出渣车运至洞口，再用15T自卸车转运至弃渣场或砂石骨料系统。
4 支护工程施工方法
4.1 支护形式
引水系统支护主要施工部位有洞口支护、平洞洞身支护、沉砂池及闸门井支护，其支护的主要类型有锁口及砂浆锚杆、钢筋网片、喷射混凝土、排水孔及截水沟，以及用于洞口及不良地质洞段钢拱架等加强支护措施等。
4.2 洞室进口及不良地质段支护
在各洞室开挖和进洞时，需要注意控制一些不良地段，使用短进尺、弱爆破等方式进行施工。在施工的过程中需要有效的调整开挖支护参数，与此同时使用注浆超前锚杆或者超前小导管完成之后，设置相应的钢拱架。施工方法如下：
4.2.1 进口防护施工
洞脸坡面支护完成后，为保证洞口处施工安全，在临时洞室进口设置安全防护棚，在永久交通洞洞口设置明拱，防护棚及明拱采用I10工字钢结构，设置长度根据洞口顶部岩体地质情况进行确定。
安全防护棚根据洞室尺寸设置，安全防护棚立杆需落于洞口坚硬岩石基础面，顶部铺设单层或双层马道板防护；明拱采用同尺寸拱架进行，拱架坐于坚实基岩面，并采用Φ20纵向钢筋固定连接成整体结构，采用挂网喷射混凝土形式拱棚。
4.2.2 超前锚杆施工
（1）施工程序
在超前锚杆施工的过程中，首先需要制作锚杆，而后做好布控工作，接着通过钻机完成钻孔，进行清孔，最后完成注浆和锚杆的安装等具体工作。
（2）超前锚杆设计参数
1）超前锚杆规格为Φ25钢筋，长度为4500mm。
2）超前纵向间距为2.4m，环向中心间距0.4m。
3）外插角15°。
4）注浆材料：M30水泥砂浆。
5）设置范围：根据现场地质情况由现场工程师确定。
（3）施工方法
1）制作锚杆
锚杆规格按照设计参数在综合加工厂内完成制作，加工完成后组织进行验收。
2）钻孔
依照现场的地质情况进行分析，相关工程师需要对锚杆位置进行确认，而后通过tt28风钻完成钻孔。在成孔后，及时对锚杆孔位置是否出现岩渣进行检查，并且保证清理干净。
3）注浆、安装
采用注浆机将预制好的砂浆注入孔内，保证注浆密实；并将制作好的锚杆插入孔内。
4.2.3 超前小导管施工
注浆小导管主要通过直径42毫米的热轨无缝钢管进行加工，加工过程中壁厚设置的4毫米，长度为5米。超前小导管与钢架配合进行使用，尾部需要与钢架之间焊接好。
（1）施工程序
在施工过程中首先进行施工准备，然后做好测量、布孔等工作，完成钻孔，接着进行小导管的安装和注浆，最后对现场进行清理。
（2）水泥注浆参数
注浆终压设定在0.5兆帕到1兆帕，控制扩散半径在28厘米。在操作过程中，依照施工图纸要求进行小导管的布设，测量放样时需要将小导管的轮廓线布设出来，沿着轮廓线设置开挖面，准确地将循环需要的小导管孔位开挖出来。
（3）钻孔及安装
移动钻爆台车就位后使用气腿式风钻机完成钻孔工作，通过人工方式将小导管顶入，接着在尾端外露足够长度，超前小导管外插角需要严格依照施工图纸进行操作，将尾部和钢架之间有效焊接。超前小导管和线路中线位置处于平行状态。孔位钻射过程中偏差需要控制在5厘米以内。
（4）钢管加工及施工
将小导管位置前端设置成尖锥形，关闭周边注浆孔，接着插入钢管，而后封闭孔口。在小导管等位置设置止浆阀。在施工过程中通过焊接方式完成钢管尾端的施工设置，钢管顶进后需要保证孔内位置与孔壁之间能够有效契合，严密封堵间隙。另外保证钢管尾部能够露出足够的长度，以便于刚支撑进行焊接，在顶进过程中需要严格进行控制，确保管口位置不会出现变形等现象。另外还需要注意在注浆前检查导管口的位置是否能够符合密封的要求，避免出现漏浆等问题。
（5）注浆
使用高压注浆机完成注浆工作，控制注浆的压力在1兆帕到1.5兆帕，依照要求设置单管，保证其依照施工图纸的要求进行注浆。在注浆过程中，需要保证达到终压要求，使压力处于终压的时间在20分钟以上，在进浆量符合要求后就可以结束注浆。在注浆工作结束之后，需要及时封堵管口，避免出现浆液倒流管外等问题。
4.2.4 钢拱架施工
钢拱架支护结构由I10工字钢和挂网喷射C20混凝土组成，间距0.8~1.2m，具体钢拱架设置依据施工图纸及洞室围岩情况进行设置。
（1）施工程序。
钢拱架施工程序：弯曲成型→验收→钢筋网片安装→拱架安装→纵向连接钢筋焊接。
（2）施工方法
1）加工：根据加工料表切出所需钢拱架尺寸。采用型钢弯曲机加工成型；
2）验收：钢拱架弯曲成型后对其进行检测，以检验钢拱架的几何尺寸、钢拱架连接点的质量等。
3）测量定位：按现场施工情况对拱架安装部位进行放样，对欠挖部位及时处理，保证钢拱架安装正确；
4）钢拱架安装：钢拱架安装时，其腿部必须支撑在坚实的基岩面上，安装完成后，纵向采用钢筋连接固定。
5）拱架安装后，在拱架处视情况安装锁脚锚杆，锁脚锚杆施工工艺同系统锚杆，完成后，采用C20混凝土喷射12cm进行封闭处理。
结束语
隧洞工程是一个线条状的地下隐蔽工程，往往会穿越山峰、沟谷及河流等地貌，且埋深差别较大，因此隧洞工程地质状况十分复杂多变，遭遇复杂地质非常常见，但在多数情况下复杂地质洞段是可预防、可控制、可避免的。因此，为保证施工安全和质量，施工过程中的地质预测、预报必不可少，合理、安全的处理复杂地质洞段，把复杂地质洞段对于隧洞施工安全、施工质量、成本控制、工期影响的负面影响消除到最低程度。
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