中国水利水电第五工程局有限公司 四川成都 610066
摘要：本工程为的有压输水隧洞，全长12080m，其中穿河段全长3066m，均位于河流一级阶地上，具有工期紧、任务重、风险高、难度大等特点；穿河段埋深较浅，施工过程中存在爆破震动破坏围岩裂隙，导致大量渗水的风险；同时地下水可能与地表河水产生水力联系，开挖过程中极容易发生节理切割的失稳块体塌方、突水、突泥、冒顶等问题，施工现场质量、安全隐患突出；如何在保证施工质量、安全的前提下，按期完成穿河施工任务为本工程施工技术难点。
关键词：穿河段输水隧洞 开挖 施工技术 研究
一、工程概况
本合同工程位于**省**市**县境内，合同主体为输水隧洞，全长12080m，隧洞为有压洞，开挖断面为圆拱斜墙形，成洞断面为圆形，D=3.9m；
本工程位于中纬度地区，春季大风干旱，夏季多雨炎热，秋季短暂凉爽，冬季漫长寒冷，平均封冬日为115d，冻土开始日期为11月，化冻日期为4月，最大冻土深度为1.4m；
输水洞穿越地貌大部分为侵蚀构造地形-剥蚀隆起低山-圆顶状低山区，围岩极不稳定，所穿越的河谷埋深较浅，洞顶最小埋深31m，出山顶部一般直接裸露在外，多为表层残积物覆盖。
二、工程施工特点与重、难点
1、穿河段全长3066m，均位于河流一级阶地上，具有工期紧、任务重、风险高、难度大等特点；
2、穿河段埋深较浅，围岩类别以Ⅲ、Ⅳ类为主，施工过程中存在爆破震动破坏围岩裂隙，导致大量渗水等风险；同时地下水可能与地表河水产生水力联系，开挖过程中极容易发生节理切割的失稳块体塌方、突水、突泥、冒顶等问题，施工现场质量、安全隐患突出。
3、目前国内穿越河流施工多采用盾构施工，常规钻爆法施工较少，因此，如何在保证施工质量、安全的前提下，按期完成穿河施工任务，节约施工成本为本工程施工难点。
三、施工措施及实施情况
1、采用TSP超前地质预报。在隧洞即将进入穿河范围，进行TSP超前地质预报分析，了解隧洞掌子面前方地质性质（是否为软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等）、位置及规模。为确保地质预报分析的准确性，项目委托**省水利水电勘测研究院应用TSP203超前预报系统在本工程隧洞施工中做超前地质预报工作。
通过超前地质预报分析，撑握穿河段围岩实际情况，根据不同的围岩类别制定有效的超前预控措施指导施工，确保施工安全，通过准确判断地下水情况，有效避免发生涌水、突水、塌方等安全隐患。
2、采用弹性波测试开挖段围岩稳定情况。为满足围岩工程地质分类需要，对穿河段进行弹性波测试，及时检测已开挖段围岩稳定情况，通过每月定期弹性波检测，随时反馈开挖段围岩变化情况，能够确保跨河段施工围岩变化情况，采取有效措施保证施工质量、安全满足要求。
3、开展不同围岩爆破监测
3.1爆破振动监测的目的是为确定穿河段爆破参数，为后续穿河施工提供相关爆破控制措施。不同围岩爆破振动效果试验过程中进行了振动监测，并汇总成不同围岩爆破振动成果表。
表1 不同围岩爆破振动成果
由上表进行分析：根据不同围岩类别爆破振动试验成果对设计取值进行核算，其K、α值计算如表2所示。
表2 K、α值计算
通过计算可以得出：Ⅲ类围岩α=1.317、K=119；Ⅳ类围岩α=1.51、K=175。
3.2根据爆破振动成果计算取值进行安全复核
3.2.1 穿河段Ⅲ类围岩爆破参数复核：
① Ⅲ类围岩最大单响药量核算：
穿河段Ⅲ类围岩最小距离单响药量核算：
=36.76Kg
根据公式计算，Ⅲ类围岩最大单响药量为36.76Kg，施工爆破参数最大单响药量为18 Kg，爆破参数满足要求。
② 穿河段Ⅲ类围岩爆破安全允许距离核算
穿河段Ⅲ类围岩最大单响药量爆破安全允许距离核算：
=17.18m
根据公式计算，施工期设计爆破安全允许距离为17.18m，施工参数为21.8m，爆破安全允许距离满足要求。
③ 穿河段Ⅲ类围岩质点振动速度核算
穿河段Ⅲ类围岩根据爆破振动监测成果进行质点振动速度核算：
×119
=7.3cm/s
根据公式计算，施工期爆破质点振动速度为7.3cm/s，小于设计允许爆破质点振动速度10 cm/s。
④ 结论：
根据爆破安全复核结果，Ⅲ类围岩设计方案爆破参数满足爆破振动控制要求，同时地表围岩不会受到破坏。
3.2.1穿河段Ⅳ类围岩爆破参数复核：
① Ⅳ类围岩最大单响药量核算：
穿河段Ⅳ类围岩最小距离单响药量核算：
=19.8Kg
根据公式计算，施工应控制最大单响药量为19.8Kg，施工爆破参数最大单响药量为8.8 Kg，爆破参数满足要求。
② 穿河段Ⅳ类围岩爆破安全允许距离核算
穿河段Ⅳ类围岩最大单响药量爆破安全允许距离核算：
=16.63m
根据公式计算，施工期设计爆破安全允许距离为16.63m，施工参数为21.8m，爆破安全允许距离满足要求。
③ 穿河段Ⅳ类围岩质点振动速度核算
穿河段Ⅳ类围岩根据爆破振动监测成果进行质点振动速度核算：
=4.298
根据公式计算，施工期爆破质点振动速度为4.298cm/s，小于设计允许爆破质点振动速度7.5cm/s。
④ 结论：
根据爆破安全复核结果，Ⅳ类围岩设计方案爆破参数满足爆破振动控制要求，同时地表围岩不会受到破坏。
4、监控量测成果
根据现场施工要求，IV、V类围岩及锁口段收敛观测按每15m布置一个观测断面，对IV、V类围岩拱顶及侧壁水平方向进行收敛变形量测，其中：
1-5#支洞控制段2个监测断面（S13+300、S13+315）；
1-7#支洞控制段2个监测断面（S14+810、S14+830）。
测点拉环采用Φ6光圆钢筋，测点锚杆采用Φ18螺纹钢筋，长度225mm。
4.1量测收敛数据及围岩位移变化规律
4.1.1 1-5#支洞控制段S13+300观测断面
根据实测收敛数据，经过计算绘制三测线AB、AC、BC及洞室顶拱（△h）收敛变形位移时态散点曲线，采用指数函数对实测关系曲线进行回归计算，得回归方程如下：
测线AB：u=5.354e-1.956742/t；相关系数R2=0.984712。
测线AC：u=6.894e-1.964598/t；相关系数R2=0.891454。
测线BC：u=7.541e-1.912334/t；相关系数R2=0.884515。
（△h）：u=8.541e-2.055631/t；相关系数R2=0.954725。
由回归方程推求最终位移量：
由测线AB回归曲线：u=5.354e-1.956742/t；取t=∞天，得最终位移值u=5.35mm。
由测线AC回归曲线：u=6.894e-1.964598/t；取t=∞天，得最终位移值u=6.89mm。
由测线BC回归曲线：u=7.541e-1.912334/t；取t=∞天，得最终位移值u=7.54mm。
由（△h）回归曲线：u=8.541e-2.055631/t；取t=∞天，得最终位移值u=8.54mm。
4.1.2 1-5#支洞控制段S13+315观测断面
根据实测收敛数据，经过计算绘制三测线AB、AC、BC及洞室顶拱（△h）收敛变形位移时态散点曲线，采用指数函数对实测关系曲线进行回归计算，得回归方程如下：
测线AB：u=5.471e-1.956235/t；相关系数R2=0.998471。
测线AC：u=6.654e-1.963278/t；相关系数R2=0.875472。
测线BC：u=7.841e-1.912853/t；相关系数R2=0.984552。
（△h）：u=7.542e-2.053331/t；相关系数R2=0.887535。
由回归方程推求最终位移量：
由测线AB回归曲线：u=5.471e-1.956235/t；取t=∞天，得最终位移值u=5.47mm。
由测线AC回归曲线u=6.654e-1.963278/t；取t=∞天，得最终位移值u=6.65mm。
由测线BC回归曲线：u=7.841e-1.912853/t；取t=∞天，得最终位移值u=7.84mm。
由（△h）回归曲线：u=7.542e-2.053331/t；取t=∞天，得最终位移值u=7.54mm。
4.1.3 1-7#支洞控制段S14+810观测断面
根据实测收敛数据，经过计算绘制三测线AB、AC、BC及洞室顶拱（△h）收敛变形位移时态散点曲线，采用指数函数对实测关系曲线进行回归计算，得回归方程如下：
测线AB：u=5.684e-1.956235/t；相关系数R2=0.895784。
测线AC：u=5.724e-1.963278/t；相关系数R2=0.887416。
测线BC：u=6.882e-1.912853/t；相关系数R2=0.985487。
（△h）：u=7.584e-2.053331/t；相关系数R2=0.995452。
由回归方程推求最终位移量：
由测线AB回归曲线：u=5.684e-1.956235/t；取t=∞天，得最终位移值u=5.68mm。
由测线AC回归曲线 u=5.724e-1.963278/t；取t=∞天，得最终位移值u=5.72mm。
由测线BC回归曲线：u=6.882e-1.912853/t；取t=∞天，得最终位移值u=6.88mm。
由（△h）回归曲线：u=7.584e-2.053331/t；取t=∞天，得最终位移值u=7.58mm。
4.1.4 1-7#支洞控制段S14+830观测断面
根据实测收敛数据，经过计算绘制三测线AB、AC、BC及洞室顶拱（△h）收敛变形位移时态散点曲线，采用指数函数对实测关系曲线进行回归计算，得回归方程如下：
测线AB：u=7.682e-1.956456/t；相关系数R2=0.86842。
测线AC：u=6.885e-1.964439/t；相关系数R2=0.98145。
测线BC：u=5.687e-1.913651/t；相关系数R2=0.87596。
（△h）：u=7.254e-2.053367/t；相关系数R2=0.854699。
由回归方程推求最终位移量：
由测线AB回归曲线：u=7.682e-1.956456/t；取t=∞天，得最终位移值u=7.68mm。
由测线AC回归曲线：u=6.885e-1.964439/t；取t=∞天，得最终位移值u=6.88mm。
由测线BC回归曲线：u=5.687e-1.913651/t；取t=∞天，得最终位移值u=5.68mm。
由（△h）回归曲线：u=7.254e-2.053367/t；取t=∞天，得最终位移值u=7.25mm。
4.2量测成果分析与应用
4.2.1围岩稳定和支护结构安全状态分析：
1-5#支洞控制段S13+300观测断面：变形速率平稳基本完全稳定。
1-5#支洞控制段S13+315观测断面：变形速率平稳基本完全稳定。
1-7#支洞控制段S14+810观测断面：变形速率平稳基本完全稳定。
1-7#支洞控制段S14+830观测断面：变形速率平稳基本完全稳定。
4.2.2 周边位移相对值分析
根据量测细则要求，Ⅴ围岩周边位移相对值要小于0.6%，Ⅳ围岩周边位移相对值要小于0.4%。由此对下列各断面的量测周边位移相对值进行分析如下：
1-5#支洞控制段S13+300观测断面各测线实测位移相对值：
L取三测线AB、AC、BC之间的实测距离。LAB=3384mm、LAC=3384mm、LBC=4498mm；
AB测线实测位移相对值为：
=0.1583%
AC测线实测位移相对值为：
=0.199%
BC测线实测位移相对值为：
=0.167%
各测线实测位移相对值满足要求。
1-5#支洞控制段S13+315观测断面各测线实测位移相对值：
L取三测线AB、AC、BC之间的实测距离。LAB=3388mm、LAC=3385m、LBC=4479mm；
AB测线实测位移相对值为：
=0.161%
AC测线实测位移相对值为：
=0.196%
BC测线实测位移相对值为：
=0.175%
各测线实测位移相对值满足要求。
1-7#支洞控制段S14+810观测断面各测线实测位移相对值：
L取三测线AB、AC、BC之间的实测距离。LAB=3379mm、LAC=3389mm、LBC=4482mm；
AB测线实测位移相对值为：
=0.168%
AC测线实测位移相对值为：
=0.168%
BC测线实测位移相对值为：
=0.154%
各测线实测位移相对值满足要求。
1-7#支洞控制段S14+830观测断面各测线实测位移相对值：
L取三测线AB、AC、BC之间的实测距离。LAB=3412mm、LAC=3385mm、LBC=4474mm；
AB测线实测位移相对值为：
=0.198%
AC测线实测位移相对值为：
=0.189%
BC测线实测位移相对值为：
=0.127%
各测线实测位移相对值满足要求。
4.2.3 结论
通过以上的分析计算，跨河段断面围岩收敛变形稳定。观测断面处的位移相对值均达到总相对位移量的90%以上。
五、采取其它措施及实施情况
1、短期地质预报
项目部配置两名专业地质人员进行地质素描跟踪，根据掌子面岩石开挖情况、地下水等情况及时将信息反馈于前方管理人员，对于可能遇到的破碎地带提前做出判断，制定相对应的处理措施，避免塌方事故的发生。
2、超前探水孔
由于施工现场洞顶及基岩厚度较薄，地表河水与地下水可能形成直接水利联系，为了避免突发涌水，采用进行超前探水孔施工，超前探孔分别布置在掌子面两侧拱肩上部，孔径为42mm，水平钻孔深度为30m左右，按照预留2倍洞径的搭接长度，进行下一循环超前探水孔施工，为了避免地下水对开挖施工造成影响，对地下水丰富地段加设集水坑设置，增加水泵等措施，保证掌子面开挖正常施工。
3、超前预注浆
隧洞围岩松散破碎及地下水丰富地段，结合超前探水孔情况，经五方同意后进行超前预注浆施工。采取超前钻孔灌浆30m，爆破开挖25m的施工方式，不仅改善隧洞周围岩层，提高岩层的自稳能力，同时也达到阻水的效果。
六、主要成果
1、通过TSP超前地质预报检测，提前了解隧洞工作面前方地质体的性质（软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等）和位置及规模，由此进行隧道指导性施工。
2、通过弹性波测试，对已开挖洞段围岩变形进行掌握，发现问题及时进行处理。
3、通过爆破振动试验，确定爆破参数；根据爆破设计参数及爆破监测的值进行质点振动速度计算，得出施工过程中围岩破坏标准，减少围岩破坏，避免渗水加剧；
4、短期地质预报随时跟进掌子面围岩情况进行描述，提高了工作效率的同时确保了施工安全。
5、超前探水孔施工有效解决了前方地下水发育情况，采用超前预注浆施工，有效减少了地下水发育情况，加固隧洞周围岩层，提高岩层的自稳能力，避免因突发涌水而造成损害。
七、应用情况和应用效果
通过跨河段的施工技术研究、施工安全管控，尽最大可能的避免出现因地质原因或施工处理不当出现较大塌方、甚至冒顶等严重威胁洞内施工人员、设备等情况的发生，在保证施工安全的情况下，争取施工进度最大化，节约施工工期，获取跨河施工相关施工经验及管理经验。
作者简介：
李佳（1976-），女，四川眉山人，汉族，工程师，从事水利水电施工技术与管理工作。
论文作者:李佳
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第35期
论文发表时间:2019/12/18
标签：围岩论文; 位移论文; 河段论文; 断面论文; 曲线论文; 隧洞论文; 超前论文; 《建筑模拟》2019年第35期论文;