西北水电・２０１２年・第２期 ４３ 文章编号：１００６－－２６１０（２０１２）Ｏ２—０ｏ４３—０４ 极浅埋特大断面饱和黄土隧洞施工 李峰，颜志强 （中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州４５０００１） 摘要：亡Ｂ山隧洞为南水北调中线一期工程穿黄隧洞盾构机接收洞，具有浅埋、开挖断面大、饱和黄土围岩等特点，合 同中规定采用矿山法开挖，安全风险突出。施工中，采取双侧壁导坑法与分层降水、分层开挖相结合的混合工法，实 施效果显著。 关键词：浅埋；饱和黄土；隧洞 中图分类号：ＴＶ５５４ 文献标识码：Ａ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ Ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ Ｔｈｉｎ Ｃｏｖｅｒ ａｎｄ Ｓｕｐｅｒ Ｌａｒｇｅ Ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｌｏｅｓｓ Ｓｏｉｌ ＬＩ Ｆｅｎｇ，ＹＡＮ Ｚｈｉ—ｑｉａｎｇ （Ｓｉｎｏｈｙｄｒｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂｕｒｅａｕ １ １ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｎｇｓｈａｎ Ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ ｏｎｅ ｔｏ ｒｅｃｅｉｖｅ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｗｈｉｃｈ ｐａｓｓｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｉｖｅｒ ｉｎ Ｓｔａｇｅ Ｉ，ｍｉｄｄｌｅ ｒｏｕｔｅ ｏｆ ｓｏｕｔｈ－ｔｏ－ｎｏｒｔｈ ｗａｔｅｒ ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｆｅａｔｕｒｅｓ ｔｈｉｎ ｃｏｖｅｒ，ｌａｒｇｅ ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｌｏｅｓｓ ｓｏｉｌ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｃｔ，ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｉｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｔｏ ｅｘｃａｖａｔｅ ｂｙ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｗｉｔｈ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ｒｉｓｋｓ．Ａｃｔｕａｌｌｙ，ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｓｉｄｅ —ｗａｌｌ ｈｅａｄｉｎｇ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｗａｔｅｒ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｂｙ ｌａｙｅｒ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔｈｉｎ ｃｏｖｅｒ，ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｌｏｅｓｓ ｓｏｉｌ；ｔｕｎｎｅｌ １ 工程概７兄 透性差ｎ ］。隧洞进口区地下水位高程约１４０ ｍ，高 出洞顶２５ ｍ，围岩渗透系数为１．０ｘｌ０～～１．０ｘ１０ 亡 山隧洞位于河南省荥阳市境内，地处亡Ｂ山南 ｃｍ／ｓ，具弱透水性。 麓，由２个同等大小的隧洞组成，系为接收自黄河北 隧洞开挖在进口区边坡开挖完成后进行，覆盖 岸始发的南水北调中线一期工程穿黄隧洞盾构机而 层厚度５—１５ ｍ，洞脸边坡高度２７．３ ｍ，设计综合坡 布置。隧洞总长３５ ｍ，圆形断面，开挖直径由１３．３５ 比１：０．６５。左侧隧洞洞口外侧亦为与洞脸相同的 ｍ渐变为１１．７５ ｎｌ，最大开挖断面１４０ ｉｎ ，洞身末端 高陡边坡，具有偏压特征。 设１ ｍ厚混凝土堵头。 ２施工规划 ２条隧洞净间距为１４．７５ ｍ，每条隧洞外侧各布 ２．１施工顺序 置１条检修通道，与主洞交角４５。，检修通道岔洞段 为避免应力重分布带来的交叉影响，邙山隧洞 与主洞整体衬砌，岔洞开挖断面８．０ ｍｘ８．０ ｉｎ，在主 洞侧壁投影高度８．０ １ＴＩ，投影宽度１１．３ ｉｎ。平面布 置图见图１。 隧洞围岩为Ｑ。黄土状粉质壤土，夹有⑨一２黄 土状粉质壤土软层，强度较低，具弱湿陷性；隧洞底 部有Ｑ 古土壤出露，土体结构致密，承载力高，渗 收稿日期：２０１１—１０－２１ 作者简介：李峰（１９７７一），男，河南省汜池县人，工程师，主要从 事水利水电工程施工工作． 图１邙山隧洞平面布置图 单位：ｍ 李峰，颜志强．极浅埋特大断面饱和黄土隧洞施工 ２条洞（自左向右分别为Ａ，Ｂ洞）保持一定的空间 ３进洞准备 ３．１洞脸降坡 距离，超前施工的隧洞通过高程１２０ ｍ平台后（开 挖进尺１５ ｍ），另外一个洞方可开挖。通过对工期 目标、技术安全等多种因素综合对比，施工中优先安 ＝｝ｊ｝Ａ洞施工。 洞脸设计边坡为２级，一级边坡（高程１０２．６～ １２０ ｍ）坡度１：０．５，二级边坡（高程１２０～１３０ ｍ） 坡度１：０．７，并在高程１２０ ｍ处预留２ ｍ宽马道， 检修通道岔洞与亡Ｂ山隧洞相通，要求和主洞整 体衬砌。因检修通道开挖断面较小，初期曾提议先 洞脸总高度２７．４ ｍ，综合坡比１：０．６４。为确保边 坡稳定，施工时做降坡处理：高程１２０ ｍ马道宽度调 整为５ ｍ，高程１２０ ｍ以下洞口采用抽槽开挖，洞口 开挖检修通道，之后开挖邙山隧洞，以降低安全风 险。但该方案存在开挖断面过渡困难，施工不便，工 期延误等多个问题，遂被放弃。经过深入论证，在采 取必要的技术措施后，邙山隧洞开挖安全可以保证， 故安排先开挖邙山隧洞，主洞开挖完成，围土趋于稳 定后，再安排岔洞段施工。 ２．２降水方案 相关工程实践证明，饱和黄土情况下，新黄土呈 强触变特性，开挖暴露后短时间内就会在壁面上形 成薄层水膜，继而发生渗透破坏，出现掉块、流泥等 现象，成洞极为困难。本工程因条件所限，必须采用 矿山法开挖，地下水低于开挖面成为施工先决条件。 施工降水总体方案需与地层情况相适应，并具 有可操作性，施工中采用了洞外真空管井＋洞内轻 型井点的综合方案。洞外布置真空管井，由于地层 渗透系数小，洞底存在相对隔水层，真空管井仅能将 地下水位降低至隧洞腰线附近，并能最大限度隔断 地下水补给通道，洞内结合开挖分层布置轻型井点， 分层降水，消除洞底部相对隔水层的不利影响。 ２．３开挖方案 隧洞开挖混合了双侧壁导坑法和台阶法２种方 法，将隧洞从高度上分为３层，自上而下分层开挖。 而在各层开挖时，先开挖两侧壁导坑，支护封闭后再 开挖中导坑，具体顺序见图２。 １１一－１０８．３７３ｍ 一图２亡 山隧洞开挖顺序图 范围以外预留平台，坡度放缓至１：１．２２，洞口范围 边坡坡度放缓至１：０．７５。 ３．２洞口加固 隧洞进洞采用管棚＋明洞的方式，以减少对土 质边坡的扰动。 锁口管棚采用 ７６ ｍｍ钢管，主要布置在拱顶 圆心角１３５。范围内，管棚间距３０ ｅｍ。管棚长度以 满足渐变段支护且通过高程１２０ ｍ马道为准，约为 １５ ｉｎ，外露端与明洞相接。孑Ｌ向与洞轴线一致，为水 平向下１０％。管棚采用干钻法，钢管表面梅花形钻 孔，相邻管棚接头错开１ ｍ以上，安装完毕后孔口封 闭使用１：１水泥浆注浆。 明洞长１．８ ｍ，明洞骨架采用Ｉ ２０ａ工字钢，间 距０．６ ｍ，横向连接结构采用Ｉ １６工字钢，间距１～ １．５ ｍ。骨架问喷射Ｃ２０混凝土，厚度２０ ｅｍ，内外 挂双层钢筋网，钢筋网规格 ８＠２０ ｃｒｕｘ２０ ｃｍ。 ４主洞施工 ４．１ 支护设计 隧洞支护采用新奥法，钢拱架与锚喷支护联合 作用，并及时安装仰拱，形成一个封闭的刚性骨架。 初期支护参数主要通过工程类比确定，并根据监测 反馈情况调整，具体见表１。 表１邙山隧洞支护参数表 序 管棚（洞顶１３５。范围） 超前锚杆 钢拱架 钢筋网 喷混凝土 号 一直径／ｍｍ ｆ－ａＩ壁巨／ｍ深度／ｍ ２２－２５ Ｉ ２０ａ 中８ ｃ２０ 注：施工过程中，部分超前锚杆使用０４８ ｍｍ钢管代替，长度不变。 ４．２降水设计 亡 山隧洞地处隧洞进口建筑物区域，初期沿基 坑四周布置降水深井，基本满足了明挖需要，但受地 下水补给及相对隔水层影响，洞身范围内水位仍高 西北水电・２０１２年・第２期 ４５ 于隧洞底板９～１２ ＩＴＩ，且水位下降呈停滞状态。为 此，在洞口处，沿隧洞外轮廓线施工了多眼水平降水 井，以期充分利用黄土地层垂直裂隙发育的特点，截 断地下水补给，但由于隧洞尾部正面的来水通道未 得到有效封堵，尽管各水平井均有出水，地下水位下 降并不明显，必须寻找新的办法。 经研究论证，最终决定采用外截内排的综合治 理方案，即在进口建筑物区域内隧洞范围外的马道 上设置真空深井，截断地下水补给通道，同时在洞内 结合开挖分层设置轻型井点，加速围土疏干。实践 证明，真空深井和轻型井点均在井内形成了负压，对 低渗透地层加速降水效果明显 Ｊ。 真空深井开孔直径６００ ｍｍ，地下水位以下段为 滤管段，滤管外回填细石滤料，其上为实管段，外侧 回填自然风干的黏土球。考虑到黄土地层渗水量 小，降水井间歇运行的需要，井底高程按低于洞底板 ２５ ｍ设计，井间距２０ ｉｎ。 洞内轻型井点分２级设置，采用水冲法成孔，在 每层开挖一段后即可实施，随开挖进程向前推进。 井点管位于两侧壁附近，距边墙３０—４０ Ｏ１ＴＩ，井管布 置间距１．２ ｍ；井管深度５～６ ｍ，外倾１５。，底部３ ＩＴＩ 为滤水管在洞外制作成型，与上部井管套丝连接。 滤水管主体为钢花管，孔径８ ｍｌＴｌ，开孔率不低于 １５％，外包软式透水管，透水管与钢花管之间塞填中 粗砂。 通过洞外降水，将地下水降至约上台阶底面以 下，为上台阶开挖创造了条件。洞内轻型二级井点 降水，满足了下台阶及仰拱的开挖需要。 ４．３开挖作业 开挖施工主要使用小型反铲挖掘机，三轮车运 输，喷锚机喷锚支护。开挖施工程序见图３。 开挖过程中，关键控制事项有： （１）开挖应按照施工分部，逐榀进行，严格控制一 次开挖长度。左右侧边墙错开开挖，避免同时悬空。 （２）顶拱开挖过程中，参照弧形导坑法的要求， 预留核心土。 （３）支护封闭突出“快”的要求，围土暴露时间 宜控制在２～４ ｈ以内，否则围土出现松动，造成顶 拱垮塌。 （４）上、中台阶施工时，及时安装临时仰拱，形 成封闭受力结构，可有效围土变形。 （５）开挖过程中，做好施工监测，若发现变形持 续时间超过３ ｄ或有加速迹象，混凝土面出现裂纹 等，应分析原因，采取加固措施。黄土隧洞变形有一 定突然性，施工过程中，如钢支撑连续发出异响，往 往是塌方的前兆，应立即组织人员撤出，情况稳定后 采取加固措施。 （６）全洞开挖成形后，及时安排永久衬砌，以策 安全。 ５岔洞段及堵头施工 ５．１岔洞施工 岔洞段根据主洞衬砌设计，分２层开挖：先开挖 下部５．５ ＩＴＩ高度，待下部衬砌完成后开挖上部。下 部开挖采用双侧壁导坑，每个导坑内台阶法开挖。 支护参数：管棚采用０４８ ｍｌ＇ｎ钢管，在主洞内一 次压人，钢支撑采用Ｉ ２０ａ工字钢，钢支撑按偏离法 架立，即主洞上游侧壁采用小间距、对侧采用大间距 过渡到与检修通道轴线垂直后，间距确定为６０ ｃｍ。 ５．２堵头临时支护 因堵头混凝土的浇筑安排为自下而上分层浇 左导坑上台阶超前支护 右导坑上台阶超前支护 ０ Ｊ 左导坑上台阶开挖 右导坑上台阶开挖 左导坑上台阶支护 右导坑上台阶支护 ｌ● ＋ ● 左导下部轻型井点降水 中洞上台阶拱部开挖 ｝占导下部轻型井点降水 中洞上台阶拱部支护 中洞上台阶底部开挖 中洞上台阶底部支护 『 ● ● 左导坑下台阶开挖 中洞下部轻型井点降水 右导坑下台阶开挖 ｌ ０ 左导坑下｝台 阶支护 ｌ 右导坑下Ｔ 台阶支护 左导仰拱轻型并点降水 中洞下台阶开挖 右导仰拱轻型井点降水 Ｉ Ｊ 中洞下Ｔ 台ｌ 阶支护 ｌ 左侧仰拱开挖支护 中洞仰拱轻型井点降水 右侧仰拱开挖支护 ｌ ｌ■ 中部仰拱开挖 Ｊ 中部仰拱封闭 图３开挖施工程序图 李峰，颜志强．极浅埋特大断面饱和黄土隧洞施工 筑，在混凝土浇筑前，需采取牢靠的临时支护手段， 确保墙体稳定。 堵头直立墙高达１３ ｍ，墙中各高度土体侧压力 计算公式如下： ｍｍ以内，未发生安全事故，说明上述技术措施的应 用是成功的。 （２）大断面饱和黄土隧洞施工，在分部开挖的 同时，应切实注意及时施做临时仰拱，形成封闭的受 ｅ＝ ｈ ｔａｎ （４５。一詈ｌ 、 二， 力体，以控制初次支护结构的拱顶沉降和收敛，确保 开挖洞室稳定。 由于盾构机出洞时刀盘须顶住堵头，堵头前方 （３）黄土隧洞若采用矿山法施工，应确保地下 水位低于开挖面。若地下水位低于洞顶，可考虑实 施洞内井点降水，效果显著。 土体内不能有超前锚杆等铁件，施工中主要使用钢 支撑抵抗侧压力。掌子面封堵采用５ ｃｍ厚木板，木 板与土体之间空隙采用稻草填塞，木板后部采用水 平Ｉ ２０ａ工字钢梁支撑，工字钢梁间距根据侧压力 计算，自下而上逐步加大，工字钢梁焊接在拱架及中 部钢支撑上，梁后采用斜支撑加固。 参考文献： ［１］ 廖大恳．饱和性黄土质单线铁路隧道施工技术［Ｊ］．铁道工程 学报，２００５，（４）：５１—５４． ［２］ 杨超先．缅甸电源电站引水隧洞不稳定围岩施工技术［Ｊ］．西 ６结语 北水电，２０１１，（５）：４６—５０． （１）采取分部开挖、分层降水等措施后，亡Ｂ山隧 洞开挖进展顺利，施工过程中最大沉降量控制在３０ ［３］ 夏旺民，郭增玉，李斌．间歇抽水条件下黄土降水的计算模型 和参数［Ｊ］．水利水电科技进展，２００５，（５）：２４—２６． （上接第３８页） 上坝址，上坝址的坝基不存在抗断问题，其工程地质 条件比下坝址好，我们认为上坝址可以建坝。类比 综上所述，在工程地质条件方面，上坝址比下坝 址具有较明显的优越性，故最终选定上坝址。 对于有活断层问题的坝址或场址，目前普遍采 用躲避的策略。在中国国内，基本上还没有大坝跨 境内建在活断层附近的水电工程，该水电站上 坝址是具有一定安全裕度的。 鉴于Ｆ ，Ｆ 活动断层距上坝址较近，建议对大 坝加强抗震、防震措施，并采用超越概率Ｐ 。。＝５％ 越强烈活动断层的先例，在境内，目前大坝跨越 的活断层大多是活动速度低（某引水枢纽的Ｆ ）、或 的地震动参数或采用确定性方法所给的地震动峰值 加速度对大坝设防标准进行校核。为安全起见，建 为蠕动的活断层（克孜尔水库的Ｆ ），或位于分支活 断层上（西大桥电站的调节水库、台兰河上的老龙 口水库） 。类比上述工程，我们认为该水电站选 择上坝址，是具有一定安全裕度的。 议在坝址区或近场区活动断层Ｆ 附近建立地震监 测台、网。 参考文献： ［１］ 水利水电勘测设计研究院．某水电站工程地质勘察 报告（可研阶段）［Ｒ］．２００９，２． ３结语 （１）该水电站上、下坝址相距约１ ｋｍ，均处于 ［２］ 防御自然灾害研究所．某水电站工程场地地震安全性评 价复核报告［Ｒ］．２００９，２． ［３］ ＧＢ５０２８７—２００６，水力发电工程地质勘察规范［Ｓ］．北京：中国 计划出版社，２００６． ［４］ＧＢ５０４８７—２００８，水利发电工程地质勘察规范［ｓ］．北京：中国 计划出版社，２００８． ［５］ＤＬ／Ｔ５３３５—２００６，水电水利工程区域构造稳定性勘察技术规定 ［Ｓ］．北京：中国电力出版社，２００６． ［６］ 工程地质学教研组．活断层和地震层工程地质研究［Ｍ］／／西 南科技大学电子教案，２００５，９． 区域活动断层Ｆ，的上盘，与Ｆ ，Ｆ 活动断层相距较 近。下坝址的坝体夹在Ｆ 与Ｆ 两活动断层之间， 且大坝基础下存在与Ｆ ，Ｆ 有构造成因关系的小断 层，坝基和坝体可能会存在抗断问题。根据相关规 范，我们认为下坝址不宜建坝。 （２）选定的上坝址内，岩体受Ｆ ，Ｆ 断层影响 小或基本没有影响，上坝址断层和构造节理裂隙不 发育，为数不多的几条断层与Ｆ ，Ｆ：活动断层没有 构造成生关系，Ｆ ，Ｆ：及其分支或次生断层未通过 ［７］ 彭敦复．水利水电工程活断层处理的工程实践［Ｍ］．乌鲁 木齐：人民出版社，２００５．
