地下输水隧洞施工支护技术研究

■李建华
■府谷县惠泉水务有限责任公司，陕西府谷719499

摘要：我国是一个水资源分布不均匀的国家，但随着我国科技不断创新和发展，在地下开凿隧道，实现水量的调配，能够满足全国各地的资源供应需求。通过科技和地下隧道施工技术的支护技术解决地下隧道开挖中面临的各种问题，没有稳固施工支护手段的输水隧道施工作业会威胁到地下隧洞使用的安全性和稳定性。本文主要结合自身工作经验，阐述了不同输水隧洞施工工艺的优缺点以及支护设计的作用原理。

关键词：输水隧道　钻爆法　掘进机　支护结构　锚网支护　衬砌支护

某地下输水隧洞工程为一条超长输水隧道，距离地表面100多米深，输水隧洞全长26.798km，隧洞断面为2.67m×2.54m。该工程主要采用钻爆法施工，衬砌支护工艺。该隧洞设置8个施工支洞，保证了施工工作的顺序进行，而且为方便日后检修工作奠定基础。工程所在地主要气候为以温带季风气候为主，具有夏季高温多雨，冬季寒冷干燥的气候特点。此次工程施工过程中揭露的砂岩岩组风化裂隙发育，岩石稳固性差。

2.1　目前地下输水隧洞工程施工工艺简介

我国自80年代开始引进掘进机施工隧道工艺，极大地提高了隧道掘进效率，并得到广泛应用。随着掘进机施工隧道工艺的不断发展和进步，该工艺逐步用于地下输水隧洞工程的施工，大大提高了地下输水隧洞工程的施工进度和工程质量。目前，随着机械化水平的不断提高和进步，多臂钻－装载机－自卸汽车等大型机械化设备组成的联合作业的技术得以广泛推广应用。当前，我国地下输水隧洞工程施工主要包括钻爆法与掘进机法。

2.2　钻爆法与掘进机法的对比

钻爆法作为传统的隧洞施工方法，能够较好的适应各类工程地质条件。在施工过程中，不同的围岩条件只需根据实际围岩条件调整爆破参数、采取合理的预裂爆破技术或者光面爆破技术，即可完成隧洞的开挖工作。钻爆法由于具备准备工作较为简单、初期投资少、作业人员的技术水平要求低等优势而在一些地区得以应用。但是该方法也存在一些缺陷:工人劳动强度大、施工环境恶劣、安全性差、开挖量大、工序多、开挖速度慢等。

掘进机法有着掘进速度快、安全系数高、工人劳动强度小、所需作业人员少、工程施工质量高、支护量小等明显优势。这些优势都是钻爆法无法具备的致命缺陷，因此，该隧洞施工方法运用越来越广泛。显然，该工艺机械化程度高，初期投资大，对施工场地有着较高的要求，因此对于工作量小的工程以及位处偏僻地形复杂的山区较难得以运用。

综上所述，以上两种施工方法在隧洞施土工程中均发挥着举足轻重的作用，其自身也存在着明显的优势和缺陷。因此，在进行隧洞工程施工过程中需根据工程自身的条件选择合理的施工工艺。

该地下输水隧洞工程由于其断面较小(2.67m×2.54m)，采用的施工工艺为钻爆法。掘进爆破采用筒形掏槽的光面爆破技术。周边眼13个，采用Φ32的药卷，眼深2.65米，装药长度1.8米。掏槽眼13个，其中空眼3个，装药眼10个，采用Φ32直径的药卷，眼深2.65米，装药长度2.1米;辅助眼14个，采用Φ32直径的药卷，眼深2.65米，装药长度1.8米;炮眼总个数为40个。

3.1　隧洞支护理论的发展以及现状

隧洞工程作为地下工程，其施工环境以及施工条件与地面施土是截然不同的，地下工程受地下工作场地、地压变化、围岩应力等因素的影响，其施工工艺中比地面施工工艺要复杂很多。虽然隧洞支护工艺一直借鉴地面施工经验来改进隧洞施土方法，但是地面施工工艺并不能正确阐明地下工程的各种力学现象，其受力情况截然不通，地面施工工艺的理论不利于地下工程的发展。随着科学技术的不断发展，地下工程的受力理论也在不断的进步，其受力状态理论也在不断更新。隧道围岩应力的计算方式包括平衡拱理论、太沙基理论、围岩压力系数法以及铁道部隧道规范法。这几种围岩应力计算理论当中，应用最为广泛的是平衡拱理论，该理论能够适合不同的地质条件和不同的应力分布情况，并且易于理解和计算，易于采用计算机模拟。因此多数隧洞工程在进行支护设计的过程中一般选用平衡拱理论对围岩的应力进行计算。该理论认为在隧洞工程开挖以后，隧洞顶板岩石在上层覆岩的压力作用下逐步形成坍塌，形成一个稳定的拱形结构后自动停止坍塌。随着人们对岩土力学的深入研究和不断的发展，隧洞支护结构理论也发生了较大的变化，岩石力学是与隧洞支护结构联系最为密切的学科，目前，随着岩土力学测试仪器分析方法的不断更新，隧洞支护结构学作为一个新兴的学科也在不断的进步。

3.2　隧洞支护类型(www.xing528.com)

3.2.1　刚性支护结构

刚性支护结构是采用刚性支护材料作为受力载体，该类材料需要具备足够的刚性以及合理的断面尺寸，当前通常采用刚性支护材料是现浇混凝土。刚性支护结构根据其与支护对象的接触结构分为贴壁式和离壁式两种类型。

贴壁式支护结构是指不稳固围岩与衬砌紧密衔接，围岩与衬砌中间需要有隔离层;而离壁式结构需要依附其他结构，缺少保护和承载的结构很容易出现安全事故。

3.2.2　柔性支护结构

输水隧洞开挖之后破坏了原有围岩应力平衡，隧洞围岩应力会重新进行分布，围岩周边会出现应力集中的现象，集中的应力作用于围岩的边帮导致围岩发生一定的形变，即出现塑形变形，发生塑性形变的围岩的应力得到释放，此时围岩并不是完全丧失承载能力，还存在残余强度。柔性支护机理是把开挖后的隧洞围岩看作连续介质，在受到围岩应力重新分布以后，柔性支护结构与围岩形成一个统一的有机结合在一起的整体结构，承受自重和上部的围岩应力，抑制围岩变形，充分发挥围岩的自承能力，提高围岩自稳能力。多采用的柔性支护方式是锚喷网支护结构，加固锚杆对隧洞顶部的围岩体松动圈进行锚固，钢筋网使单根锚杆联结组成锚网群，钢筋网和混凝土共同形成一层薄壁混凝土支护圈，喷射的混凝土能够起到封闭围岩与隔离水的作用。锚喷网支护结构允许围岩发生一定的形变，支护性能满足对隧洞地质条件差的支护要求，能够提高围岩的稳固性。

3.2.3　复合式支护结构

复合式支护结构刚性支护与柔性支护的结合，多用于地质条件极为复杂的隧洞工程。这种支护结构开始采用柔性支护的方式，让开挖围岩的应力充分释放，之后再采用刚性支护对应力释放后的围岩进行支护，从而保证围岩的稳定性。

本文通过对输水隧洞施工工艺和支护理论的分析研究，对输水隧洞施土施工工艺的选取依据以及支护方式的作用原理进行了进一步探讨，对以后隧洞施土工艺和支护工艺的发展提供一定的参考资料。

参考文献

［1］张传健，任继礼.三峡永久船闸输水系统的地下工程开挖及支护设计［J］.岩石力学与工程学报，2001(9).

［2］杨晓莹.输水隧洞的支护结构及围岩稳定性分析［J］.水利规划与设计，2005(6).

［3］纪鹏.关于输水隧洞施工支护技术的探索分析［J］.黑龙江水利科技，2014(8).