失陷性黄土地区小断面输水隧洞施工技术

席刚盈

(陕西省桃曲坡水库管理局，陕西 铜川727031)

1 概述

桃曲坡水库灌区南支渠与岔口连通工程地处富平县梅家坪镇以北，西起刘家坡村北的210国道东侧南支渠7+556.1处，东至岔口村以北的石川河，全长3.2km。工程设计流量4.0 m3/s，校核流量 5.0 m3/s，由渠首进水闸、明涵、隧洞等三部分组成。隧洞段全长2.4 km，平均埋深28 m，设计比降i=1/400，2.0×2.0 m 城门洞型断面，C20砼衬砌。隧洞洞身地层主要为第四系松散堆积物，属于自重失陷性黄土地质条件，失陷等级为Ⅳ级(很严重)。

2 工程项目的特点及难点

1)进口分水闸及隧洞出口(位于石川河)施工受灌溉季节影响较大，必须将分水闸和出口隧洞涵洞段的施工安排在非灌溉及枯水季节，确保灌区灌溉不受影响。

2)隧洞断面较小，且洞身有弯道三处、较大陡坡及消力池两处，施工难度较大。

3)隧洞洞线穿越失陷性黄土地区，失陷等级Ⅳ，对隧洞的抗渗漏要求较高，施工安全隐患较大。

4)由于本过程基本上为土质隧洞，需要人工开挖，对劳力的选择性较大，施工工期较长。

5)沿洞线共有陡坡两处，弯道三处，对测量的技术要求较高。

6)洞内有坡度为i=1/8、i=1/10陡坡两处，且单向最远通风均超过500 m，通风运输压力较大。

3 主要施工工艺及施工步骤

3.1 施工原则和总体安排

1)隧洞工程共开6个工作面，即隧洞进口、1#措施井上下游两个工作面、2#措施井上下游两个工作面、出口工作面，以确保工程每日进度。

2)隧洞进口段及绝大部分洞身施工采用全断面人工开挖，隧洞出口段200 m属岩石段，采用钻爆法全断面开挖。

3)因为隧洞绝大部分洞身处于失陷性黄土地区，尽管不受地下水位的影响，但在施工中应管理好施工用水，防止雨水或施工用水漫流。

4)在施工中应遵循“短掘进、少扰动、强支护、严治水、勤测量”的施工原则，紧凑施工工序，精心组织施工。

5)在施工过程中应做好黄土构造节理的产状与分布状况的调查，对因节理切割而造成坍塌的，在施工时应加强支护措施，防止坍塌，保证施工安全。

6)隧洞进口洞门施工尽量避开雨季，争取早日安排施工。在洞口段衬砌10～20 m后，视地质情况及时按正常循环组织正洞施工。

3.2 隧洞测量

隧洞测量分洞内及洞外测量，在测量工作开展前，先行做好隧洞工程测量设计，估算预期的误差，确定导线施测的等级，确定洞外小三角控制网点、洞内支线点及高程点，以保证洞室开挖轴线的正确，即贯通精度符合设计要求。

在隧洞对内的直线段，采用红外线对中指向仪，不仅使洞内测量工作任务量减小，而且可以直观指导作业面开挖断面的控制。

3.2.1 洞外控制测量

导线各水平角用全站仪GTS-311全测回法分别观测左角两测回，导线边长使用全站仪往返对向观测2个测回。根据测定的导线，设定洞口投点。洞外高程控制测量根据水准点，分别在进出口附近采用二等高程控制测量精度要求引设两个水准点。采用水准仪多次往返引测，全站仪复测，进口、出口水准联测。

3.2.2 洞内测量

洞内测量分平面控制测量及水准、施工测量。

A.平面控制测量在未贯通前都是支导线。该隧道长度为大于1 000 m，基本上由三段直线隧洞，采用中线支导线控制进行平面控制测量，导线点用全站仪定出，角度观测2个测回，测角中误差要求小于2.5″。

洞内平面控制测量注意事项:

a.每次建立新点，都必须检测前一旧点，确认旧点没有发生位移，才能发展新点。

b.导线应尽量布设在避免施工干扰、稳固可靠地段;导线边以接近等长为宜，一般直线地段不宜短于200 m，曲线地段不宜短于70 m。

c.边长丈量，用钢尺丈量时，钢尺需经过检定，当时用全站仪时，应注意洞内排烟和漏水地段的测量状况。

d.洞内导线点，用全站仪测设，标志顶点应比洞内地面低20～30 cm，上面加设坚固覆盖，然后填平地面，注意覆盖不要和标志顶点接触，避免洞内运输或施工的碰撞。铺底时应用全站仪加以恢复，改用永久性钢筋桩布设。

B.洞内水准测量，将洞外水准点的高程引到洞内，作为洞内高程控制的基础，作为隧洞施工放样的依据，以保证隧道在竖向正确贯通。

a.在隧洞贯通之前，洞内水准点的延伸采用往返对向、多次观测进行检测。

b.在洞内每隔200 m至500 m设立一个永久水准点。为施工便利，应在导坑内拱部边墙上每50 m设立一个临时水准点。

c.水准仪到标尺的距离不宜超过50 m，标尺可直接立于导线点上。

d.因洞内施工干扰较大，可采用挂尺传递高程，高差计算公式仍用hab=a-b，但对于零端在顶上时，读数应为负值。

C.洞内施工测量

a.施工中线测量。

永久性中线点用全站仪测设，直线上每100 m一个、曲线上每50 m一个;临时中线点用经纬仪测设，直线上每20 m一个、曲线上每10 m一个，掘进衬砌延伸中线点用经纬仪每10 m加密一个，曲线上采用长弦支距法串线加密，直线上直接串线加密。

b.施工水准测量。

施工水准测量，采用水准仪每10 m加设一个临时水准点，掘进采用水准管抬设加密。

c.断面轮廓的测设。

断面轮廓的测设采用串线设定，高程采用水准管设定，轮廓线采用布点联线设定。

3.3 隧洞施工

3.3.1 隧洞施工总体施工程流程

洞挖土方采用人工开挖和装渣运输，洞挖石方采用人工钻爆开挖，人工装渣。

隧洞总体施工流程图。

3.3.2 洞内通风

根据施工设计手册及检索到的国内小断面隧洞施工经验，施工洞、井内的最低风速不小于0.15 m/s，工作面附近的最小风速不低于0.25 m/s，隧洞、竖井工作面最大风速为4 m/s。考虑到本次隧洞施工以人工开挖为主，除隧洞出口段为人工钻爆需要排烟外，其它区段只需要考虑运输通风排烟的情况，因此本次隧洞开挖方式拟采用压入式通风方式，采用轴流式通风机，风机功率11 kW。输风管选用DN300塑料柔性风管。塑料风管采用法兰连接，解决接头气密性差、阻力大等问题，100 m漏风量控制在不超过10%。风管布置在隧洞开挖附加断面上。

另外由于本工程隧洞埋深较浅，在施工过程中也可采用在隧洞顶部钻孔辅助通风的方式，进一步促进隧洞内的空气流通，保证施工期间洞内空气畅通。本工程沿线布置DN600竖向通风孔16处，通风孔之间间距根据现场地形条件为120～200 m。竖井通风孔与机械强制通风相结合，有效解决了隧洞长距离通风的不足问题，而且局部可以实现隧洞内的自然通风，减少了风机的开启时间，大大降低了施工成本。

隧洞横断面布置图见图1。

图1 隧洞通风平面示意图

3.3.3 供电与照明布置

洞内供电为380V电源，布设与隧洞一侧，仅供作业面照明及砼浇筑时机械动力。隧洞照明，采用36 V安全电压，沿洞身一侧边墙直线敷设，每隔5 m安装36 V低压灯泡用于照明。

3.3.4 隧洞洞身施工

1)洞身开挖:由于该隧洞断面较小，大型机械用不上，所以只能采用人工开挖形式。人工开挖用二齿钯较日常作业工具略有改进，开挖时先下后上分层开挖，作业熟练后每作业班组平均进度可保持1.2 m。

2)装渣运输:采用人工装渣、农用小三轮车运输为主。在陡坡段施工运输时采用小型卷扬机牵引辅助运输。

3)清底:在整个断面开挖时应严格控制超欠挖，及时清底到位。

图2 隧洞通风平面示意图

4)隧洞支护:在本工程实际施工过程中，考虑到失陷性黄土在开挖完成后很快在掌子面出现的塌帮、顶部掉块等现象(开挖后3～5 d即开始)，我们及时调整作业工序，采用边挖边衬砌的方式，始终保持土洞开挖掌子面距砼衬砌面距离不超过10 m，有效减少了隧洞的二次支护，确保了作业安全。

对于洞内消力池的施工，因开挖断面超过3.5m高度，采用现消力池部分开挖，完成消力池砼工程后二次回填至隧洞底高程，之后开始正常隧洞施工。虽然这样会对对进度产生一点影响，但施工安全问题却得到了很好的解决，也是对工程整个进度的一个促进。

图3 隧洞通风断面示意图

5)砼衬砌

a.模版的安装:根据隧洞断面型式，为保证浇筑质量，本过程模版选用钢制定型模板，模板长度为1.0 m。直墙部位采用平面模板，模板宽度为40 cm钢制模板拼装，在起拱部分采用定型弧度模版，模板宽度为40 cm。选择较短长度分层浇筑，可以满足洞顶砼回填厚度，确保工程质量。

b.洞身衬砌砼应连续灌筑，尽可能做到不间歇施工，在砼浇筑期间加强振捣，特别应注意拱角及拱顶部分的砼浇筑。洞室超挖部分用与衬砌砼同强度的砼灌筑回填。浇筑的砼在拆模后表面应无裂缝、蜂窝、漏振现象，其密实度及强度的检测可采用砼回弹仪进行强度检查、砼试件块抽检。为保证砼浇筑质量和人工作业强度、运输能力等，本工程砼一次浇筑长度为5.0 m。

4 工程施工改进效果

1)人工全断面开挖虽然在当时现场条件下是不得已的选择，但人工开挖在工作面较为灵活，且好的作业习惯容易培养，易形成良性的作业循环，日进尺稳定，影响及干扰较少，整个项目的工期能够保证。

2)掌握了失陷性黄土地质的特点，采用边挖边衬的作业形式，确保了工程施工安全。

3)采用竖井通风和机械压入式通风结合的方式，提高了隧洞施工过程中的通风效率，确保了掌子面作业有序进行，对隧洞供电容量的要求大大降低，节约了工程成本。

4)砼连续浇筑过程中合理分段，模板1.0 m分节，使浇筑时间缩短，且能保证拱顶的回填厚度，确保了浇筑质量。

通过以上主要作业工序的合理安排及改进调整，是的本项目在实际施工过程中能始终保持安全、进度稳定、现场管理便捷等特点，有效降低了工程施工成本，使项目提前6个月顺利完成，为湿陷性黄土地区浅埋深隧洞施工积累了经验。