水利工程隧洞开挖技术探讨

水利工程隧洞开挖技术探讨

付登宇

武汉长科工程建设监理有限责任公司，湖北  武汉 430100

摘要：在中大型水利工程中，隧洞是极为重要的一个施工环节。以新疆和田玉龙喀什水利枢纽工程为例，隧洞涵盖在导流、交通、泄水、发电等工程中，基本贯穿整个枢纽项目施工。隧洞施工线路必须与工程建设要求相符，并能够基于水利工程施工现场的地质、水文环境以及地形、地貌等特征进行细化与明确。隧洞开挖的过程中，会受地质条件、水文环境以及地形地貌特征等影响，所以，其也属于是隧洞工程施工作业中的重要难题。为确保隧洞施工的质量，注重现代化施工技术的合理应用，用以来确保水利工程项目的整体施工质量。

关键词：水利工程、隧洞开挖、技术探讨

引言：新疆和田玉龙喀什水利枢纽工程是国务院确定的172项重大水利工程之一，位于玉龙喀什河中游河段和田县喀什塔什乡境内，工程估算总投资78.79亿元，属II等大（2）型工程。坝址及两岸岩性以二云母石英片岩为主，岩石中硬，岩体结构以片理面结合紧密的薄层状为主，围岩类别主要为Ⅲ、Ⅳ类，局部II、Ⅴ类。目前，导流洞、生态放水洞、交通洞、1#泄水洞等13条隧洞施工基本完成。本人作为该项目副总监理工程师，全程参与工程建设，现就隧洞开挖技术经验总结与大家探讨、研究。

1、隧洞工程施工作业前的准备工作

隧洞工程开挖作业以前需要对施工作业者开展技术交底，同时要基于隧洞工程的施工图纸相关要求，开展测量放样相关工作。测量工作者遵照设计图纸的相关要求采用GPS+全站仪以及隧洞测量辅助软件来测量放样，以此来明确开挖作业过程当中的轴线、边线、深度、坡度控制线、桩等，之后基于隧洞工程施工现场中的地质、水源、地形、地貌及及水流量等，整合永久性的排水设施来进行排水系统相关布置。隧洞进洞前，应做好开挖及其影响范围内的危石清理和坡顶排水，按设计要求进行边坡加固，洞口确认稳定并完成洞口锁口支护后，方可开挖洞口。洞口段应采用“短进尺、弱爆破、多循环、勤测量、紧支护”的原则进行施工，以防止爆破震动造成洞顶山坡和洞口岩石发生震裂、松动和塌方。洞口施工宜避开降水期和融雪期。

2、水利工程隧洞开挖施工关键技术

隧洞开挖

①水利工程的隧洞作业中，开挖是首要的也是最为关键的施工环节。应根据隧洞的断面尺寸、地质条件、施工技术水平和施工设备性能分析确定开挖方法。II、Ⅲ类围岩，洞高小于10m 的方圆形断面，优先采用全断面开挖，超过上述尺寸时，可采用分部分层法开挖；Ⅳ类围岩，当开挖断面为中断面时，应采用分部开挖，开挖后应立即进行临时支护；Ⅴ类围岩开挖前应进行超前支护，在超前支护的保护下进行开挖。

②根据围岩情况，断面大小和钻孔机械等条件，选择最优循环进尺。II、Ⅲ类围岩中，手持凿岩机钻孔时宜为2～3m，钻架台车或多臂钻车钻孔时宜为3～5m；Ⅳ类围岩洞段上层钻爆作业循环进尺不得超过1.5m；Ⅴ类围岩洞段上层钻爆作业循环进尺不得超过1.0m。

③爆破开挖时，应严格控制装药量，根据实际爆破效果和爆破振动监测成果，不断优化爆破设计参数，避免岩石出现爆破裂隙。爆破后和出渣前，应清撬所有开挖面上残留的危石碎块，以确保进入洞内的人员和设备的安全。在施工过程中，应经常检查已开挖洞段的围岩稳定情况，清撬可能塌落的松动岩石。

④爆破后，应及时进行安全处理及初期支护。Ⅲ类围岩洞段初喷混凝土施工紧跟掌子面，系统锚喷支护工作面滞后开挖工作面应不大于 20m；Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段支护应紧跟开挖作业面，只有在完成该循环洞段的初期支护后，才能进行下一循环的钻爆作业。

⑤相邻洞室作业面间隔距离需试验确定，并不小于30m。平交口开挖应按照“短进尺、多循环”的原则施工，平交口支护应紧跟开挖作业面。当相向开挖的两个工作面相距小于30m或5倍洞径距离爆破时，双方人员均应撤离工作面；相距15m时，应停止一方工作，单向开挖贯通。开挖面与混凝土平行作业时的距离，应根据混凝土强度、围岩特性、爆破规模等因素确定，一般不应小于30m，若因地质等原因需缩短时应有专门论证。

⑥应对斜井（竖井）开挖制定专项施工措施，采用的施工方法及施工程序应确保洞室围岩稳定安全。倾角小于30°的斜井，可采用自上而下全断面开挖；倾角为30°～ 45°的斜井，可采用自上而下全断面开挖或自下而上开挖，若采用自下而上开挖时，应有扒渣和溜渣措施；倾角大于45°的斜井和竖井，可采用自下而上下挖导井、再自上而下扩挖或自下而上全断面开挖。斜井（竖井）开挖施工前必须锁好井口，确保井口稳定；井口应设置防止杂物落入井中的措施；边坡与井台交接处开挖排水沟。当井壁存在不利的节理裂隙组合时，应加强支护。提升设备应进行专门设计，满足有关安全要求。井下有人员作业时，井口应设专人看守，所用工具等，一律用系绳或由吊桶运送，不得向井下投放。

⑦如果发生坍塌或者发现有坍塌的迹象，应立即按施工预案采取紧急措施撤离人员、设备等，并采取一切必要的紧急措施避免事故的发生或防止塌方范围的延伸和扩大，工程受损、人员伤亡和已采取的紧急措施等应及时上报。隧洞开挖中，通风、供电、照明等应满足相应规范的有关规定，并对洞内粉尘、噪声和有害气体等采取安全防护措施。

⑧洞身开挖断面尺寸应满足施工图的要求，不允许出现任何形式的欠挖，尽量减少超挖，平洞径向超挖值不应大于20cm，斜井不应大于25cm。因地质原因产生的额外超挖值，根据地质条件核定。开挖过程中，应注意对已埋设的安全监测设备进行保护，不得破坏。

钻孔施工方面

钻孔的定位和开孔质量应符合下列要求：

 ①钻孔孔口位置、角度和孔深应符合爆破设计规定。周边孔和掏槽孔的孔位偏差不宜大于±5cm，其它炮孔的孔位偏差不宜大于±10cm；钻孔偏斜度误差不得大于1°，周边孔外张量不得大于20cm。

②除中心掏槽空孔外，钻孔直径不宜大于50mm。

③对于因堵塞无法装药的孔，应予以冲孔或补钻，经检查合格后方可装药。应严格控制孔深和钻孔精度，以保证施工安全，减少超欠挖。已完成的钻孔，孔口应予以保护。

④炮孔须检查合格后，方可装药爆破。

爆破施工

水利隧洞施工的爆破操作可能会直接影响整个工程项目的安全性和稳定性。首先，应结合实际的施工情况制定科学、合理的爆破设计方案，并重点关注爆破施工的开挖断面平整和洞壁稳固，在爆破期间，还应严格管控炸药的具体用量，避免爆破施工对围岩的不利影响；其次，还应进行相关爆破模拟实验，当确定具体的爆破结果后及时报送相关部门审批。开挖爆破应符合下列规定：

①每次钻孔前均要测量放样，确定孔位。测量放样的精度应符合相关规范规定。

②炮孔的装药、堵塞和引爆线路的联结，应由经考核合格的炮工负责，并严格按爆破设计图的规定进行施工。

③钻孔爆破应采用先中心掏槽爆破、然后崩落孔爆破、最后周边光面爆破的顺序分段起爆。周边孔应采用光面爆破专用药卷，不耦合装药系数一般不宜小于1.5。

④相邻两茬炮之间的台阶或光面爆破孔的最大外斜值不得大于20cm。

⑤在开挖轮廓面上，残留炮孔痕迹应均匀分布。除地质缺陷部位外， 炮孔痕迹保存率：完整岩石应不小于85%，较完整岩石及完整性较差的岩石不小于60%，较破碎的岩石不小于20%。

⑥在已完成的混凝土衬砌、灌浆和支护结构附近以及地质条件较差的洞段进行爆破时，应严格控制装药量，避免对新浇混凝土、灌浆及支护结构造成损伤。必要时，爆破参数应进行专门试验选定。无试验成果时，可参照《水工建筑物地下开挖工程施工规范》（SL378-2007）附录D 中的要求进行。

⑦对洞内掺气槽等沟槽开挖必须进行控制爆破设计，并通过爆破试验调整其爆破参数。

缺陷处理

①不良地质段施工应做好预测、预报工作，坚持以预防为主的原则，在确保安全的前提下，制定切实可行的施工方案并作出专门设计，经批准后执行。

②隧洞开挖过程中，洞口段，局部裂隙、破碎带，以及其他不良工程地质地段开挖施工应减少对围岩的扰动，采用“浅钻孔、弱爆破、紧支护、勤监测”的方式施工，开挖过程中，除遵照设计图纸进行支护外，应根据围岩特性对局部不稳定部位采取增设随机锚杆、钢拱架等施工措施维护围岩稳定。

③层间错动、断层、夹层等地质缺陷的处理尽可能不放炮采用人工开挖处理；须放炮开挖的，应采用小炮进行开挖，并尽可能减少对开挖线以外保留岩体的影响和扰动。

④开挖过程中，应根据围岩特性对局部不稳定部位增设随机锚杆。对控制稳定的软弱结构面，采取锚固措施加固，杆体应伸到完整岩体中维护围岩稳定。

⑤对建基面范围内出露的层间错动、断层以及较大的软弱夹层处理方式如下： （1）当结构面倾角大于45°时，处理准则按混凝土塞的要求确定，处理深度参照公式 h=（1.5～2.0）b 计算，并不得小于 50cm。式中 b 为断层带或软弱夹层带出露宽度，h 为处理深度；处理长度为建基面内出露部分，并适当延伸。当构造岩及影响带胶结良好，结构较致密，处理深度可适当减少；当构造岩及影响带为松散软弱型，所处部位在开挖范围内，处理深度和范围适当增加。（2）当结构面倾角小于45°时，处理深度按上覆完整岩体最小厚度不少于 1.0m 控制，要求沿断层掏挖一定的深度（1～1.5 倍断层带或软弱夹层带出露宽度）。

⑥对于横穿建筑物基础的层间错动、断层或软弱夹层等地质缺陷，应沿其走向延伸扩挖，延伸至建筑物以外的长度不小于2～3 倍扩挖深度，且处理长度不得短于该部位设计水头的 1/10。

⑦边坡上出露的断层、夹层处理方法如下：（1）大的断层、不稳定块体的处理按设计文件、图纸进行；（2）边坡夹层和小断层的处理：在不扰动边坡的前提下，按建基面断层、夹层的原则处理，特殊情况应根据现场实际情况研究处理措施。

⑧灌浆和排水平洞中的断层、夹层等地质缺陷处理：（1）对洞内出露的断层，一般采用喷锚支护和钢筋混凝土衬砌处理。对于特殊的影响大的断层，根据现场实际情况研究处理措施。（2）对洞内出露的夹层，一般不进行处理。特殊情况应根据现场实际情况研究处理措施。

⑨处理地质缺陷所形成的坑槽应清除浮渣黄泥，并冲洗干净，排除渍水，对规模较大、且开挖坡较陡的地质缺陷，其开挖面上应埋设锚筋，经验收合格后，方可回填混凝土，回填混凝土的强度等级应与相应建筑物基础部位的强度等级相同，回填混凝土浇筑完成后须进行冲毛或凿毛处理，以利于与结构混凝土的结合。

⑩地质缺陷处理开挖或槽挖原则上要求两侧的开挖坡比不陡于1︰0.5。地质缺陷规模特别大时，应由设计提出处理方案并按施工图纸要求进行处理。混凝土回填后7天内，距回填区20m 范围内不得进行爆破作业，如必须爆破作业时，应作专门的爆破设计，经批准后方能实施对工程范围内的勘探孔和勘探平硐等，应按照设计文件的要求进行封堵。

3、结语

不同的水利隧洞项目的地理位置、岩层、操作环境及工程条件等情况都不一样，以此水利隧洞项目施工技术的使用也需因地制宜，应当按照水利隧洞工程施工的实际状况选择最恰当的施工技术。水利隧洞施工技术的各种环节严格高效的管理，能够提高水利隧洞施工技术能力，保证水利隧洞工程施工的圆满竣工。

参考文献：

[1]玉龙喀什水利枢纽工程主体工程开挖支护通用技术要求（编号：QYLE60-2102）；

[2]《水工建筑物地下开挖工程施工规范》（SL378-2007）。