复杂地质条件城市供水工程输水隧洞施工实践

雷 金 华

(神农架林区雄图建筑有限责任公司，湖北 神农架 442400)



复杂地质条件城市供水工程输水隧洞施工实践

雷 金 华

(神农架林区雄图建筑有限责任公司，湖北 神农架 442400)

针对某城市引水工程输水隧洞的区域地质环境和工程地质条件，从钻爆开挖、竖井施工、明洞段施工等方面，阐述了输水隧洞的整体施工方案，提出了隧道施工中破碎松软、渗漏水、流砂、塌方、断层等的处置措施。

城市供水，输水隧洞，地质条件，施工方案

0 引言

在城市供水工程建设过程中，不可避免的会遇到输水、地下引水等工程，这些工程通过输水隧洞进行引水，当这类工程穿越复杂地质条件时，就会在很大程度上给工程带来复杂性和不确定性[1-3]。复杂地质条件下输水隧洞将会不可避免的产生诸如输水压力对隧洞衬砌结构安全的影响、锚喷支护体系承载能力及与围岩的相互作用、复杂地质条件对施工造成的困难及对隧洞安全的影响等一系列工程问题[4]，同时，输水隧洞还受到地质构造作用、地下水作用、大规模断层带等不利因素的制约，这些工程在开挖过程中，会发生隧洞坍塌、涌水、岩溶、衬砌结构开裂、支护结构断裂等严重的工程问题[5]，而为了最大程度的减小这些工程问题的危险程度，提高输水隧洞的安全程度与支护结构的安全性，人们通常会对隧洞加强各类支护措施[6，7]，因此，对复杂地质条件下的输水隧洞的锚喷支护体系进行设计研究，具有现实的理论与实践研究意义。

1 工程概况及工程地质条件

1.1 工程概况

某城市输水线路中最为关键的是输水隧洞的施工，该工程下穿城市郊区山体。输水隧洞长1 186.8 m，纵向坡度为0.009，桩号0+000～0+932.591的围岩级别为Ⅱ类围岩，桩号0+932.591～1+243.636的围岩级别为Ⅱ类～Ⅲ类围岩，输水隧洞的纵断面图见图1。

输水隧洞的开挖断面为直径3.1 m的内割圆形，由出口往进

口方向独头掘进。输水隧洞的横断面布置图见图2。本工程输水线路总长1 237.8 m，最大输水能力为50万t/d。

1.2 区域地质环境与工程地质条件

1)地质条件。工程区域构造位于华南褶皱系浙东南褶皱布带的北东端，区域构造褶皱不明显，以断裂为主要表现形式，北西向的韩岭—邹溪张扭性断裂贯穿其中。

拟建隧洞及其附近的构造形迹以节理裂隙为主，构造节理倾向倾角陡缓不等，节理裂隙面一般较平直，多为钙质充填，局部可见有铁锈浸染。本次勘察测得的节理产状为103∠78°。

拟建场地发现有多处可能发生滑坡或崩塌等地质灾害。其中在拟建输水隧洞出口处，其上方存在一体积近百立方米的岩体，具活动过的迹象；在隧道入口处正上方，也存在大量松散状风化残留体，拟建工程的施工爆破等震动可能导致其滑动崩塌。

场地地下水主要为赋存于基岩风化带中的裂隙水，沿节理裂隙面渗出。陆上两个钻孔地段地下水主要受大气降水补给。库区内钻孔岩体内地下水受水库水存量的影响较大，地下水对岩体的影响具长期、多次、短时间等特点，如对节理裂隙的冲刷、冻胀、增加岩体自重、加速风化等。

2)地层岩性。本区出露的地层主要是上侏罗统的中酸性、酸性火山碎屑岩，主要岩性为灰紫色、浅灰绿色变余玻屑塑变结构、次平行构造粗晶屑玻屑熔结凝灰岩、含晶屑玻屑凝灰岩、流纹(斑)岩、假流纹质浆屑熔结凝灰岩等，地质剖面见图3。

根据本次勘察揭露综合分析，场地内岩体由浅而深可分为以下四类：

第①层：含碎石粘性土：灰黄色，松散～稍密，稍湿～湿。坡积成因。骨干颗粒为块石，母岩为强～弱风化火山岩，含量约为50%。粒径以20 mm～50 mm为主，个别大于50 mm。充填物为粘性土及碎石。层厚4.00 m～4.20 m。

第②层：强风化熔结凝灰岩：灰黄色，稍硬。岩芯多呈碎块状，节理裂隙发育，按岩石坚硬程度分属较软岩，该层按岩体完整程度分属破碎岩体，其岩体基本质量等级为Ⅴ，其围岩级别为Ⅱ级。层厚1.60 m～3.60 m。

第③层：弱风化熔结凝灰岩：浅灰黄色、肉红色，较硬。岩芯多呈块状～短柱状，少量呈长柱状，节理裂隙较发育。裂隙面铁染呈黑色。节理裂隙面闭合～微张。按岩石坚硬程度分属较硬岩，该层按岩体完整程度分属较完整～较破碎岩体，其岩体基本质量等级为Ⅲ～Ⅳ，其围岩级别为Ⅳ级。层厚2.00 m～3.00 m，其中Z6孔未揭穿。采芯率65%～80%，RQD=0%～52%。

第④层：微风化熔结凝灰岩：肉红色、青灰色，坚硬。岩芯呈长柱状。岩石颜色新鲜。按岩石坚硬程度分属坚硬岩。仅发现有少量裂隙，裂隙面铁染呈褐黄色或为钙质充填。除Z1孔外，其余钻孔均发现有陡倾角节理裂隙。该层按岩体完整程度分属完整岩体，其岩体基本质量等级为Ⅰ，其围岩类别为Ⅴ级。采芯率85%以上，RQD>60%。本层钻孔未揭穿。

2 工程特点及整体施工方案

2.1 工程特点

本输水隧洞工程的施工特点、难点为：隧洞出口施工点与公路相邻，交通便利，便于组织机械化施工。但来往车辆较多，对施工(特别是对洞口明挖爆破和隧洞出碴)干扰较大。本工程的施工重点是三溪浦隧洞出口向进口方向独头掘进1 186.80 m，隧洞的开挖与混凝土衬砌是本工程施工控制的关键作业线路。因本工程竖井和取水头部均无施工道路到达，施工材料设备进场和闸门等金属结构运输安装是本工程施工的一大难点。取水头部岩塞爆破，施工测量精度要求高，且技术要求较复杂，是本工程施工的又一难点。

2.2 整体施工方案

该工程的施工重点、工期节点是输水隧洞、竖井的开挖和钢筋混凝土衬砌及金属结构安装等主要工作量。隧洞快速施工，尽可能在单循环作业的基础上安排平行交叉作业，做到组织有序，互不干扰。由于竖井和取水头部均无施工道路到达，竖井和隧洞不能平行作业，竖井需在隧洞开挖全部完成后进行施工。用XU-600地质钻机钻孔爆破先行贯通竖井导洞，再由上而下扩挖，通过隧洞内S8的梭车将石碴运输至洞口，由自卸汽车转运至弃碴场。竖井开挖支护完成后对进口末端至竖井段隧洞进行混凝土衬砌支护，同时通过隧洞和竖井，将闸门、启闭机、拦污栅等金属结构提升至闸门井顶平台，然后对闸门井进行衬砌、金属结构安装，再对竖井外隧洞进行二次开挖、衬砌、锚喷支护、钢管安装。洞外部分管道安装、阀门井、蝶阀安装、挡墙、围墙等施工工作与竖井外隧洞施工同步进行，待闸门井、隧洞全部施工完成后最后实施岩塞爆破。

对于隧洞出口明方施工：因隧洞出口环境较为复杂，距离出洞口西侧35 m有一条乡村公路，路口有高压线、电线杆通过，距离40 m处有一座公路桥通过，距离60 m处为直径2 200 mm白溪输水管桥。出口明方爆破难以实施，爆破评估改为机械凿岩，为缩短施工工期且变压器未能按时通电，因此在施工准备期间，同期进行出洞口明方凿岩，并进行空压机等设备及配电房的安装、调试，待变压器正常通电、空压机安装完毕即进行隧洞开挖。因原设计洞口中心位于一滑动断裂面上，围岩较破碎，洞顶右侧埋深不够，将洞口位置向左侧平移3.0 m，因原设计洞口中心位于一滑动断裂面上，围岩较破碎，洞顶右侧埋深不够，难以正常进洞，洞口位置向左侧平移3.0 m。出洞口开挖为5 m×5 m正方形洞脸，明方石方开挖采用自上而下破碎机凿岩。

对于出洞口7.201 m明洞施工：因原设计图桩号有误，根据现场实际情况，明洞长度由原来的5 m调整为7.201 m。待明方开挖完成后，先在出洞口用破碎机凿出隧洞轮廓线，再对7 m明洞架设钢拱架，50 cm一榀，然后对明洞进行钢筋网喷混凝土。

隧洞开挖及出碴计划如下：每循环作业时间6 h，每天4个循环。随着隧洞掘进深度加大，将适当增加通风排烟和出碴工序作业时间。隧洞掘进800 m以后，每循环作业时间增长到8 h，每天3个循环。出碴采用国内较先进的有轨机械化生产线，洞碴装运采用P-60耙斗装岩机配备XK8-7/132型电瓶车和S8梭车搭接，有轨机械化作业线装岩运输，石碴运输至洞口，由自卸汽车转运至弃碴场。

输水隧洞混凝土衬砌由里向外进行施工，采用移动式钢模台车，混凝土输送泵上料，JZC-750型搅拌机搅拌。

竖井石方开挖在土方开挖后，用XU-600地质钻机钻孔爆破先行贯通竖井2 m×2 m导洞，再由上而下扩挖，通过隧洞内的S8梭车将石碴运输至洞外弃碴场。扩挖采用YT-28型气腿式凿岩机，乳化炸药，非电毫秒雷管进行控制爆破。竖井支护根据围岩情况与开挖同步进行，并对井口浇筑钢筋混凝土进行护壁，确保施工安全。竖井混凝土衬砌从下至上分段施作，每段3 m，分一期、二期混凝土施工，HBT30C混凝土输送泵将混凝土入模，插入式捣固器人工捣固。闸门、启闭机、拦污栅等金属结构，在征得业主、监理方的同意后，委托有专项资质的单位加工制造。

输水隧洞开挖采用钻爆法，以新奥法理论指导施工。隧洞出口周边环境比较复杂，为防止爆破时飞石破坏周围建筑及设施，采用整体封闭式防护，先在明洞口设一道由钢、木架和竹篱片做成的洞门，然后采用钻爆法开挖，光面爆破技术；钻孔设备选用10 m3/min电动空压机，YT-28型气腿式凿岩机，爆破器材分别选用非电毫秒导爆雷管、导爆管、2号岩石乳化炸药、起爆器采用YJ-新3型起爆器。隧洞开挖炮眼布置图见图4。

3 结语

以某城市引水工程输水隧洞为例进行了施工实践研究，对输水隧洞的区域地质环境和工程地质条件进行了详细阐述，阐述内容包括：输水隧洞工程概况、水文条件、地质条件、地层岩性。描述了输水隧洞包括钻爆开挖、竖井施工、明洞段施工等在内的整体施工方案和工程的特点及交通不便等施工难点。最后提出了复杂地质条件下面临的施工难题以及对破碎松软、渗水、漏水、流砂、塌方、断层等的处置措施。

[1] 魏永庆,杜士斌.大断面超长输水隧洞的施工特点[J].水利水电技术,2006(3):8-11.

[2] 付维博,陈先恩.城市供水工程输水隧洞新奥法施工质量控制措施[J].甘肃冶金,2006(2):59-60.

[3] 谈英武,景来红,杨维九,等.我国跨流域调水的长隧洞工程[J].现代隧道技术,2006(5):1-6.

[4] 李 云,何 伟,朱国金.输水线路关键技术问题初探[J].人民长江,2013(12):31-36.

[5] 何勇军,范光亚,徐海峰,等.输水隧洞安全监控与预警技术研究进展[J].东北水利水电,2014(10):48-50,56,72.

[6] 赵子杰,程翠林.富水地层大口径压力输水隧洞暗挖工法比选[J].北京水务,2007(4):4-7.

[7] 刘 锐.小型水库输水涵管加固技术方案关联因素分析[J].长江科学院院报,2011(1):25-28.

The construction practice of water conveyance tunnel of urban water supply engineering under complex geological conditions

Lei Jinhua

(ShennongjiaForestRegionXiongtuConstructionLimitedLiabilityCompany,Shennongjia442400,China)

According to the regional geological environment and engineering geological conditions of water conveyance tunnel of a city water diversion engineering, from the drilling and blasting excavation, shaft construction, open cut tunnel section construction and other aspects, elaborated the overall construction scheme of water conveyance tunnel, finally put forward the disposal measures of broken soft, permeability water leakage, sand flow, landslide, fault etc. in tunnel construction.

city water supply, water conveyance tunnel, geological condition, construction scheme

1009-6825(2016)32-0190-03

2016-09-03

雷金华(1972- ),男，工程师

U459.6

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