水工隧洞施工中绿色环保型洞口布设

石铁帅，于洪懿

(辽宁省水资源管理集团，辽宁 沈阳 110000)

辽宁省重点输水工程由水源工程和输水工程组成，其中输水工程分为一期工程和二期工程。输水线路总长1208.18km，其中隧洞长531.56km，管线长675.14km，暗涵与明渠长1.48km。隧洞开挖方式采取TBM和钻爆法两种，成洞洞径最大8.5m，最小4.2m，包括有压隧洞和无压隧洞两种型式。隧洞总长占输水线路总长的44%，所占比例较大，除布设主洞洞口外，从施工需要、运行管理等方面考虑，还需布设施工支洞[1]，本工程共布123个洞口，其中主洞洞口44个，支洞洞口79个。洞口数量大、地形地貌变化多端、永久征地困难等因素客观存在，二期工程柴河供水所有洞口总结前期施工经验，逐个洞口现场研究，切实做到尽量少开挖，保留原有树木和植被，采取多种防护形式，保证安全施工作业。

1 工程概况

辽宁省重点输水工程柴河水库供水支线工程位于沈阳市沈北新区和铁岭市铁岭县境内，共分为4个施工标段，线路全长50.11km，全部为有压隧洞。隧洞按供水对象分为三段，第一段为沈铁共用段，线路全长24.59km；第二段为铁岭新城区供水支线，线路全长7.56km；第三段为沈北新区及沈阳北部地区供水支线，线路全长17.96km。柴河供水工程设计输水流量13.67m3/s，多年平均调水量为3.456亿m3。隧洞采用钻爆法开挖，开挖断面为圆拱斜墙形，开挖洞径4.245m(底宽)×5.2m(高)，成洞断面为圆形D=3.9m，围岩衬砌混凝土厚度30～50cm，衬砌混凝土性能指标为C35 W12 F150。本工程同时包含取水首部工程、分水点事故检修闸门井工程、铁岭新城区支线出口阀井工程、沈北新区出口阀井工程。

柴河供水主体工程共布置16条施工支洞，总长度为11.58km，其中1- 2#、1- 9#、2- 2#、2- 5#、3- 1#为永久支洞。其中最长的支洞为1- 3#支洞，长度为1.27km；最短的支洞为1- 5#支洞(凡河)，长度为0.40km。柴河供水工程主要岩性为白云岩、板岩、白云质灰岩、石英砂岩等，其中Ⅲ类围岩长度为32687.92m，占施工总长度的65.39%，Ⅳ类围岩长度为11937m，占施工总长度的23.88%，Ⅴ类围岩长度为5367.2m，占施工总长度的10.73%。

2 绿色环保型支洞布设理念

长距离输水隧洞施工过程中，尤其是全程采用钻爆法开挖的输水隧洞常常因受工期限制或其他因素的影响，采用施工支洞来增加工作面，将隧道分割成几个段，形成“长隧短做”，以加快施工速度，改善施工条件[3]。

2.1 保护生态环境

设置施工支洞需要选择合适的洞口，每个施工支洞口均需建设施工营区、拌合站、骨料堆存厂、钢筋加工厂、洞口周围还需建设渣场等工作场地，每个支洞周围均需占用大面积的耕地、林地、道路等各式各样的地类，对于周围生态环境的破坏和影响很大，工程建设与生态环境保护的矛盾显得特别突出[4]。

2.2 保证施工需要

单纯从工程投资来确定隧洞的施工支洞，自然是越少越好，但是隧洞设置施工支洞时，支洞的数目及长度应根据地形地质条件、对外交通情况、支洞间的隧洞工程量、方便出渣及工期要求等，通过技术经济比较确定，要从工程工期及建设经济效益考虑，施工支洞能充分配合隧洞的施工，形成紧密的联系，因此在一定程度上有利于施工。

2.3 确保安全作业

在工程建设当中布置施工支洞首先满足工程能顺利进行，与工程建设同样重要的是保护周围原始地貌及地类的一种现代化建设理念，很多情况下虽然我们工程建设的初衷不是想大面积破坏周围环境，但我们在工程建设过程当中能通过设计、施工、管理通过一系列措施去避免或减少对周围环境的影响是我们在工程建设当中实实在在能做到的。

2.4 保护生态环境和利于施工有机结合

在支洞布置和洞口布设时要把保护生态环境、保证施工需要、确保安全作业，还有减少工程投资等方面互相结合起来，不能只顾及某一个方面，而忽视其它方面，要互为结合和补充，形成统一的完整体。

3 施工支洞布置原则

3.1 施工支洞布置原则

(1)在综合考虑地形地质条件的情况下，水工隧洞洞线布置必须考虑施工要求，两项工作要协调进行，充分结合水工隧洞洞线与地形的关系，进行施工支洞布置。必须结合现场地形条件，考虑施工交通的方便性、经济性及施工通风条件等因素，力求施工支洞最经济[5]。

(2)在沿引水隧洞轴线方向上尽可能均匀的布置各施工支洞，通过施工支洞来平衡各段的施工工作量。受各种因素的限制，在施工支洞布置过程中应该尽量缩短控制性引水隧洞洞段的长度，缩短工程的控制性(直线)工期，达到加快工程进度的目的。

(3)施工支洞布置应考虑隧洞开挖的施工程序及开挖方法。在施工程序中主要有开挖及衬砌两项内容。对于整个隧洞来说，如何合理安排各个部位开挖和衬砌之间的顺序，以及开挖和衬砌本身的顺序，对于避免施工干扰，保证施工安全，加快施工速度具有重要的意义。

(4)施工支洞布置应考虑机械化程度。如果机械化程度低，隧洞施工需要的人力相应增加，那么隧洞内的施工条件就相应要求很高，这就对施工辅助设备提出了更高的要求，也限制了施工支洞的间距。如果施工机械化程度高，开挖进尺大，施工进度快，在满足施工条件的前提下，就可以减少施工支洞的数量，提高工程的效益。

3.2 施工支洞布置

施工支洞布置时应考虑因素主要包括尽可能使各工作面承担的工作量一致；主要交通运输干线通向支洞口的运输线路工程量要小；保证良好通风，出碴距离不长；支洞线最短，洞线地质条件较好，洞口岩体稳定，明挖量较小；支洞口有弃碴场地和临建布置条件；洞口不受洪水影响。

4 支洞布置及洞口位置选择

根据地形地质条件、主洞布置、工程量、施工期限、施工方法及机械化程度等具体情况，同时考虑支洞的支护型式、运输方式、运输强度和运距等条件，全程共布置16条施工支洞，总长度为11.58km，为工程运行期间检修需要，将1- 2#、1- 9#、2- 2#、2- 5#、3- 1#设置为永久支洞。柴河供水施工支洞均布置为平支洞，其中1- 2#支洞最大坡度为14.09%。各支洞口位置距离国、省干路较近，对外交通便利，支洞口与外界交通路联通通畅，多数利用已有乡、村道路，进行适当加宽路面整修即可，新修道路长度较短，不仅减少了在道路设施上投入的人力、财力，同时减少了修建道路设施而破坏的耕地、林地，降低了工程对当地环境的影响，其中1- 1#支洞需要新建道路1077m，虽然1- 1#支洞为临时支洞，但此段路为取水头部永久进场路设计区间，将此段路与1- 1#进场路相结合不仅有效的改善了1- 1#支洞的交通条件，避免了施工期间对村民的生活干扰，同样2- 2#、2- 5#支洞为永久支洞，永、临结合的道路布置形式，降低了工程投资。通过实践，柴河供水工程支洞的合理布置及洞口位置的恰当选择，充分利用现有道路资源，既满足了工程需要，又将工程对周围环境的影响降到最低，同时降低了工程造价。

5 施工支洞洞口形式分类及布置

由于柴河供水工程本身地形地貌较为复杂，地质条件较差，同时受工期、施工条件等制约，以及矿产压覆、军事管理区等客观条件的影响，支洞口位置地形多种多样，根据各洞口的地形、地貌条件，将16条施工支洞洞口分为缓坡土洞式洞口、岩石陡边坡式洞口、平坦河滩地深基坑式洞口、岩、土结合缓边坡式洞口4类。

5.1 缓坡土洞式洞口

2- 1#、2- 2#、2- 5#、2- 6#、3- 2#支洞口坡脚均为耕地，洞顶以上为林地，植被茂盛，山体坡度较缓，现场实际开挖揭露均为第四系全新统坡积黏土、粉质黏土，稳定程度较差，故归类为缓坡土洞式洞口。如采用明挖开槽，并满足范规定的1.5倍洞径覆土厚度的情况下，由于各洞口处上坡坡度较缓，明挖开槽长度将大大增加，同时粉质粘土的开挖边坡为1∶1.25，开槽的上开口宽度较大，因此势必造成较大规模土方明挖，造成大量植被的破坏，有违环保绿色型支洞布置理念。为此，提出明洞暗挖的施工方法，即先做明洞，后开挖明洞内土体。此施工方法不仅降低洞脸处的边坡开挖高度，缩短明挖开槽的长度，并减少对土体的卸荷扰动，保证洞段土体的自然稳定，同时考虑到土洞的洞挖可用反铲等机械设备开挖，无需爆破，对土体震动很小，因此拟定当空口覆土达到1.5m时，即可开始进洞。

5.2 岩石陡边坡式洞口

1- 3#、1- 4#、1- 7#洞口位置山坡坡度较陡，高度较高，能够保证洞顶足够的覆盖层厚度，进洞条件较好，归类为岩石陡边坡洞口。洞口为高边坡岩石洞口，综合进洞条件较好，但由于山体坡度较陡，且高度较高，其中1- 3#洞口坡顶位置局部突出，形成小范围反坡。岩石条件下进洞通过爆破进行开挖，会引起山体的震动，虽然通过先进行欲裂爆破等手段，可减轻对山体的扰动，但仍然存在石块塌落的风险，由于山坡坡面较陡，三个洞口上坡坡比接近1∶0.75，其中1- 4#支洞山坡体坡度更大，因此如按照常规做法对山体进行削坡，并结合喷锚支护形式进行支护，需要对洞口以上大面积山坡进行支护，此举不仅造成原山坡大面积的植被破坏，同时后期山体的恢复将非常困难。如此会对现场环境造成无法挽回的恶性破坏。为此，结合现场的实际情况，考虑以上三个高边坡岩石洞口山坡坡体形成时间较长，已达到自稳能力，施工过程中应充分利用这一点，以减少支护范围。并通过控制爆破强度的方法，减少对山体的扰动。根据以上设计思路的指导，制定洞脸部位的防护方案。

5.3 平坦河滩地深基坑式洞口

1- 5#支洞口位置为耕地和草坪种植区，地势平坦，且位于位于汎河右侧200m左右，同时根据地质勘测情况，地基岩性为砂卵砾石，为进洞安全，洞顶覆土必须满足规范规定的1.5倍洞径(7.5m)，由于洞口位置顶面平坦，因此洞口开挖形成深基坑，故归结为平坦河滩地深基坑洞口。因为洞口位置临近汎河，地下水位较高，为做基坑开挖的防水工作，在开挖基坑的外围2m处设置摆喷帷幕，通过高喷灌浆，及喷具的喷嘴摆动，在砂卵砾石层中形成防渗墙，达到防渗的目的。为保证防渗效果，应严格控制钻孔深度，钻孔深度为入岩1m。

5.4 岩土结合缓边坡式洞口

除以上洞口分类外，剩余的洞口归类为岩、土结合缓边坡洞口，此类洞口处上坡坡度一般较缓，洞脸上部存在一定厚度的坡积、残积黏土夹碎石，下部问强风化岩，受地形及风化不均匀影响，接触面有一定起伏变化，上部坡积、残积土厚度局部变化较大，围岩类别均为Ⅴ类。洞脸开挖方面，与缓坡土洞式洞口相似，岩、土结合缓边坡式洞口山坡坡度大部分较缓，如果按照规范规定的1.5倍洞径覆盖层厚度要求进洞的情况下，需要开挖较长的沟槽，才能达到规范的要求。考虑以上洞口的地质条件，下部虽然为岩石，但全部为强风化岩，且风化程度较高，开挖时，可利用机械设备进行开挖，不需要爆破。因此为减少开槽长度，当洞顶覆盖层厚度达到2m时，即可以开始进洞，洞脸处开挖坡比取1∶0.75，结合喷锚支护，保证安全。

6 结语

通过辽宁省重点输水工程柴河供水支线工程施工支洞布置和绿色环保型洞口布设的实践，累计减少占地4.8亩，优化后占地面积为按照规范设计占地面积的50.0%，形成了四种不同类型洞口的洞口布置形式，针对不同的地质条件，总结其特点，综合考量、协调布置，制定经济合理的进洞方案，在保证安全、经济、可靠的前提下，实现了绿色环保型支洞布置理念。