［摘要］隨著水利工程建設(shè)的快速發(fā)展，隧洞群成為了水利工程的重要組成部分，由于地區(qū)不同，地質(zhì)條件差異較大，煤層瓦斯隧洞頻繁地出現(xiàn)在水利工程中。瓦斯危害性大，達(dá)到一定濃度后遇火會(huì)燃燒和發(fā)生爆炸，給瓦斯隧洞施工帶來極大的安全隱患。夾巖水利樞紐及供水工程隧洞繁多，水打橋隧洞瓦斯含量大，給施工帶來了極大地安全隱患，工程參建各方認(rèn)真研究分析，在隧洞通風(fēng)、供電、設(shè)備改造、安全監(jiān)測(cè)等方面采取合理、科學(xué)的控制措施和施工方法，最終安全地完成了瓦斯洞段施工，保證合同工程工期。

［關(guān)鍵詞］煤層瓦斯；隧洞；技術(shù)措施；作業(yè)環(huán)境；安全產(chǎn)生

1工程概況

夾巖水利樞紐及供水工程，是一座以城鄉(xiāng)供水和灌溉為主、兼顧發(fā)電、扶貧開發(fā)、改善生態(tài)環(huán)境的“國家重點(diǎn)水利工程”，供水區(qū)域涉范圍7個(gè)縣市區(qū)，渠道總長829000m。其中水打橋輸水隧洞總長20360m，埋深50～435m，隧洞進(jìn)口位于鼎新煤礦附近，標(biāo)段地質(zhì)情況復(fù)雜、溝谷眾多、巖溶發(fā)育，隧洞穿越地層主要為二疊系至三疊系地層，洞線與巖層走向大角度斜交，地質(zhì)報(bào)告中有煤層瓦斯出現(xiàn)，甚至?xí)霈F(xiàn)高瓦斯。

2水打橋隧洞瓦斯活動(dòng)情況

根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)預(yù)報(bào)，隧道進(jìn)口里程0-25m～0+961m段洞身通過二疊系P3L中厚及薄層細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾粉質(zhì)泥巖、泥巖等，含煤層，瓦斯絕對(duì)涌出量為1.86m3/min，屬于施工的高危區(qū)域,存在煤與瓦斯突出的安全風(fēng)險(xiǎn)。水大橋隧洞隧洞于2015年12月正式進(jìn)行隧洞開挖，隧洞洞口覆蓋層只有3m厚度，經(jīng)過采用大管棚的施工方法順利通過，當(dāng)進(jìn)入隧洞內(nèi)就出現(xiàn)了不同程度的煤層瓦斯，開始瓦斯含量較低，濃度只有0.5%左右，當(dāng)開挖達(dá)到200m以后瓦斯含量增高、濃度達(dá)到3%，監(jiān)理部及時(shí)組織召開專題討論會(huì)，會(huì)議相關(guān)方提出了治理方案措施，施工單位隨即開展了瓦斯專項(xiàng)技術(shù)治理工作。

一、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作概況

⑴超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作概況

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為TBM掘進(jìn)施工中隧洞地質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要組成部分，它包括隧洞圍巖描述、水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)、施工地質(zhì)測(cè)繪、圍巖變形監(jiān)測(cè)、圍巖類別判別、儀器現(xiàn)場量測(cè)、不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)及相應(yīng)的地質(zhì)、測(cè)試資料分析和成果整理等工作，并及時(shí)提供超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果資料。

⑵超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作實(shí)施特點(diǎn)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作主要是對(duì)圍巖及水文地質(zhì)條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào)，及時(shí)獲取現(xiàn)場第一手地質(zhì)資料和儀器測(cè)試數(shù)據(jù)，是地質(zhì)預(yù)報(bào)工作成敗的關(guān)鍵，同時(shí)現(xiàn)場地質(zhì)工作和儀器測(cè)試與隧洞TBM掘進(jìn)施工相互干擾、又相輔相成。因此，進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)工程師要在充分了解前期地質(zhì)工作的基礎(chǔ)上，對(duì)隧洞的工程及水文地質(zhì)條件進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)查，時(shí)時(shí)跟進(jìn)TBM施工，在TBM檢修維護(hù)的空隙時(shí)間里及時(shí)的進(jìn)行儀器測(cè)試，保證采集的資料、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，并盡快提供分析成果，為圍巖支護(hù)和不良地質(zhì)體的超前處理提供依據(jù)。

二、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作項(xiàng)目和內(nèi)容

1概述

全斷面砼襯砌埋藏式水工隧洞，在砼澆筑結(jié)束后，由于山體內(nèi)地下水的滲流通道被封堵，形成較高的外水壓力，使襯砌砼在施工縫、變形縫的薄弱位置產(chǎn)生滲漏。這是因?yàn)椋?/p>

在砼澆筑時(shí)沒有采取有效的排水措施(如設(shè)置排水廊道、打排水孔等)進(jìn)行外水導(dǎo)排減壓。

在砼襯砌完成后，因各種原因回填和固結(jié)灌漿不可能立即進(jìn)行時(shí)，當(dāng)襯砌砼水化熱完成后，襯砌與巖體之間實(shí)際存在一個(gè)較大的空隙。當(dāng)圍巖外水壓力梯度尚不足以形成新的滲流通道時(shí)，外壓力實(shí)際上是滲透水在圍巖和襯砌中產(chǎn)生的體積力。其計(jì)算公式為P=Byh、B=0.25-0.6。

此時(shí)的外水壓力迅速升高，并直接作于襯砌砼上，導(dǎo)致砼薄弱面滲水，而影響襯砌結(jié)構(gòu)的安全。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)如何控制外水壓力引起構(gòu)筑物的滲漏是十分重要的。尤其是特殊的隧洞結(jié)構(gòu)斷面的襯砌(如斷面形式、配筋限制等問題)不可能一次全斷面襯砌成型時(shí)，必須將底板和邊頂拱分開施工，對(duì)形成的施工縫止?jié)B防治是十分重要的。

2水工隧洞工程特性

［摘要］兩河村小型水電站無壓隧洞的原設(shè)計(jì)方案中隧洞的施工存在工作面少，工期長，防洪壓力大等問題，引水隧洞的施工工期成為影響電站能否早日發(fā)揮效益的最大因素。針對(duì)此問題，根據(jù)實(shí)際地形、地質(zhì)、洪水等情況，通過分析論證后，優(yōu)化方案中取消原設(shè)計(jì)方案中兩處溝道中的明涵，變?yōu)樗矶矗瑫r(shí)增加兩條支洞，通過方案優(yōu)化后，可以將隧洞施工中原來的六個(gè)工作面增加至八個(gè)工作面，同時(shí)避免了洪水的影響。同時(shí)可縮短工期及節(jié)約工程投資，為工程早日發(fā)揮效益提供保障。

［關(guān)鍵詞］無壓隧洞；設(shè)計(jì)方案；優(yōu)化

1工程概況

兩河村小型水電站為徑流引水式電站，主要由低壩引水樞紐、輸水隧洞、壓力前池、壓力管道和電站廠房等建筑物組成[1]。擋水壩采用WES曲線實(shí)用堰，全斷面溢流，壩頂長度66m，最大高度9m。電站進(jìn)水口布設(shè)于河道左岸，渠首設(shè)進(jìn)水閘一孔，孔口尺寸4m×2m（寬×高）、沖沙閘兩孔，孔口尺寸3m×3m(寬×高)。電站設(shè)計(jì)水頭60.0m，設(shè)計(jì)引水流量11m3/s，電站裝機(jī)5000kW，輸水隧洞線路長5380m（含明涵），隧洞采用城門洞形斷面，為無壓隧洞。隧洞設(shè)計(jì)比降1/2000，斷面凈尺寸為3m×4.3m（寬×高）。

2隧洞設(shè)計(jì)方案

2.1隧洞

一、運(yùn)輸爆破材料原則

(一)安全輸送準(zhǔn)則。爆破材料是水利水電工程隧洞爆破鉆孔的基礎(chǔ)。在整體工程領(lǐng)域有重要的意義，應(yīng)當(dāng)注重采用科學(xué)的運(yùn)輸方法，合理的限制運(yùn)輸在規(guī)定的重量范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)控制車輛的速度，防止車輛發(fā)生碰撞的問題。在特殊情況下應(yīng)當(dāng)做好必要的警示也防控措施，有效分析特殊天氣可能對(duì)運(yùn)輸造成的影響。(二)采用分類存放方法。爆破材料與其它材料有很大的差異性，需要運(yùn)輸人員進(jìn)行分類存儲(chǔ)和管理。應(yīng)當(dāng)把有同樣性質(zhì)的材料放在一起，禁止不同類別的材料混合存放，應(yīng)當(dāng)注意不能將黑火藥與雷管等一起運(yùn)輸。在運(yùn)輸?shù)倪^程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格的遵守雷管、黑火藥、導(dǎo)火索不可以一起運(yùn)輸原則，在運(yùn)輸?shù)倪^程中還要檢查各種材料的情況。(三)運(yùn)輸?shù)耐緩胶头?。爆破材料在運(yùn)輸時(shí)還要由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，運(yùn)轉(zhuǎn)人員應(yīng)當(dāng)有專業(yè)的資格證，運(yùn)輸人員還要有專業(yè)技術(shù)人員的陪同。運(yùn)輸人員應(yīng)當(dāng)限制其它人員的同行。在運(yùn)輸前還要經(jīng)過相關(guān)部門的許可，經(jīng)公安部門的批準(zhǔn)后才可以實(shí)施運(yùn)輸操作。在運(yùn)輸時(shí)前后車輛應(yīng)當(dāng)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，人群密集處不可以過多的停留。

二、施工中隧洞鉆孔爆破注意事項(xiàng)

(一)控制炸藥的用量。炸藥用量在很大程度上影響隧洞爆破鉆孔的成敗?？梢哉f炸藥量是爆破施工成功與否的關(guān)鍵因素。應(yīng)當(dāng)合理的控制炸藥量，根據(jù)實(shí)際情況采用有效控制方法。例如，縫隙的強(qiáng)度，鉆孔的布置方式與炸藥的用量有直接的關(guān)系，應(yīng)當(dāng)控制藥量處在合理的成本空間。根據(jù)鉆孔的布置方式有效的控制藥量。例如，應(yīng)當(dāng)根據(jù)掘進(jìn)面的炮孔數(shù)量裝填藥量，在藥量控制方面還要根據(jù)巖層的性質(zhì)量，炸藥的性能與鉆孔的分布情況確定藥量。在實(shí)際作業(yè)時(shí)還要采用類比分析法與經(jīng)驗(yàn)公式法。根據(jù)單位用藥量，掘進(jìn)的深度，以及炮孔間距對(duì)具體的藥量進(jìn)行微調(diào)，然后還要在施工現(xiàn)場進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)，然后再進(jìn)行炮孔數(shù)量的分析，達(dá)到合理的控制間距的目標(biāo)。(二)隧道的掘進(jìn)施工。水利水電工程隧洞掘進(jìn)施工較為重要，隧洞是水利水電工程的重要組成部分，具體包括導(dǎo)流洞、引水洞、交通洞、地方廠房洞等，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的需要采用不同的爆破方式，基于開挖的需要合理的控制爆破施工量。(三)鉆孔爆破循環(huán)施工。水利水電工程借助隧洞鉆孔爆破技術(shù)進(jìn)行開挖，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化工程序，以循環(huán)施工的理念達(dá)到提高施工有效性的目標(biāo)。首先，優(yōu)化施工的每道具體工序，分別準(zhǔn)備好鉆孔、合理的裝置炸藥、還要延長運(yùn)輸線路，并且做風(fēng)水管線的布置工作等。在作業(yè)時(shí)采用循環(huán)作業(yè)理念，達(dá)到提高作業(yè)質(zhì)量的目標(biāo)。首先，在每個(gè)晝夜循環(huán)里應(yīng)當(dāng)保證作業(yè)數(shù)為整數(shù)，循環(huán)時(shí)間以2的倍數(shù)為宜，開挖斷面的大小應(yīng)當(dāng)根據(jù)巖層的穩(wěn)定情況而定。如果巖層的穩(wěn)固性好，可以采用多臂鉆車鉆孔，配合使用短臂挖掘機(jī)，并且采用深孔少循環(huán)的方式，這樣可以節(jié)約輔助工作的時(shí)間，減少不必要的施工麻煩。(四)裝置和卸載方法。水利水電工程的隧洞鉆孔爆破施工應(yīng)當(dāng)保證施工安全，強(qiáng)調(diào)將炸藥等運(yùn)輸?shù)揭?guī)定，并且由相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員負(fù)責(zé)交接，應(yīng)當(dāng)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化的接管相關(guān)設(shè)施設(shè)備，嚴(yán)禁管理人員各種原因造成的延誤情況，以減少風(fēng)險(xiǎn)隱患因素。如果在夜間進(jìn)行裝置，還要提高準(zhǔn)備照明設(shè)施設(shè)備，嚴(yán)禁在施工地區(qū)采用金屬缺口。(五)炮孔的布置布局。平洞開挖斷應(yīng)當(dāng)合理的配置炮孔的位置，這樣才能達(dá)到提高爆破質(zhì)量和有效節(jié)約藥量的目標(biāo)。一般來說炮孔布局方式有三類，主要為掏槽類、崩落孔、周邊孔，每種孔洞有不同的使用價(jià)值。掏槽孔可以用于增加臨空面，可以保證爆破的效果，這種孔洞的位置在開挖斷面的中部位置。

三、施工中隧洞鉆孔爆破注意事項(xiàng)

(一)鉆孔爆破程序。鉆孔爆破施工是隧洞挖掘的關(guān)鍵程序，爆破的質(zhì)量不僅影響開挖的質(zhì)量，而且也影響開挖施工作業(yè)的安全性。在施工過程中應(yīng)當(dāng)配置科學(xué)的設(shè)備，注重使用高效率的鉆孔機(jī)，這樣可以提高掘進(jìn)的速度。(二)提高廢渣的運(yùn)輸率。運(yùn)輸鉆孔廢渣是保證施工環(huán)境清潔，提高爆破施工質(zhì)量，有效快速掘進(jìn)作業(yè)的重要工作步驟。應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)減輕廢渣出渣的工時(shí)，提高出渣的效率，在鉆孔作業(yè)時(shí)構(gòu)建良好的出渣機(jī)制，應(yīng)當(dāng)科學(xué)的配備出渣的工具，有效運(yùn)用出渣設(shè)備，應(yīng)當(dāng)在出渣時(shí)計(jì)算好出渣線路，控制每資助的出渣量。(三)加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)。隧洞鉆孔爆破施工應(yīng)當(dāng)在安全的環(huán)境下進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)根據(jù)巖石的以靜制動(dòng)采用科學(xué)的鉆孔爆破方法。在開挖洞室時(shí)還要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，加大支護(hù)作業(yè)的力度。有效的保證圍巖處在穩(wěn)定的狀態(tài)。(四)做好輔助工程?，F(xiàn)代水利水電工程強(qiáng)調(diào)在安全、有序、科學(xué)的環(huán)境下進(jìn)行施工。水利水電工程的輔助作業(yè)質(zhì)量也影響了隧洞爆破施工的質(zhì)量。因此在實(shí)施隧洞爆破鉆孔工程時(shí)應(yīng)當(dāng)提高輔助作業(yè)的質(zhì)量，重點(diǎn)提高通風(fēng)、防塵、消煙的質(zhì)量，加強(qiáng)排水施工。(五)保證填塞孔口質(zhì)量。為了達(dá)到更極佳的爆破效果，水利水電工程隧洞鉆孔爆破還要提高孔口的堵塞質(zhì)量，防止堵塞孔口時(shí)存在堵塞不嚴(yán)的問題。重點(diǎn)需要提高鉆孔的利用率，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)亩氯僮鞣椒ā?/p>

［摘要］隧洞施工過程中會(huì)產(chǎn)生廢水，為避免污染環(huán)境必須達(dá)標(biāo)排放。文中通過一系列室內(nèi)外試驗(yàn)，對(duì)洞口廢水采用物理、藥劑與機(jī)械相結(jié)合方法進(jìn)行處理，解決了渾濁、懸浮物和化學(xué)污染等問題，給出了相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，相關(guān)成果可供類似工程參考。

［關(guān)鍵詞］隧洞；廢水；處理；試驗(yàn)

1工程概況

某輸水工程位于桓仁縣境內(nèi)，主體為輸水隧洞，樁號(hào)0+000～21+391.23為輸水隧洞主洞段，縱坡i=0.03115%，采用鉆爆法施工，斷面為馬蹄形，成洞洞徑為7.28m。主洞沿線布置有4條施工支洞，為1，2，3和3’號(hào)施工支洞。隧洞在長白山余脈及其支脈龍崗山底部通過，山體走向NE，地勢(shì)呈東北高西南低。地貌類型為侵蝕構(gòu)造地形和侵蝕堆積地形，以尖頂狀低山和中低山、鋸齒狀中低山和樹枝窄谷為主，多為侵蝕隆起與斷褶中低山丘陵地形。地面高程一般在360.00～540.00m，洞室埋深一般為100.00～350.00m。洞線區(qū)洞室開挖以微透水～弱透水為主，局部為弱透水～中等透水。洞口廢水處理主要包括地下洞室的洞內(nèi)滲水、施工廢水，以及施工營地生產(chǎn)廢水和生活污水的處理，必須達(dá)標(biāo)排放。各洞口修建的沉淀池，一般采用“平流初沉池+二級(jí)沉淀池加藥+混凝池+斜板沉淀池+機(jī)械過濾”等處理工藝。

2試驗(yàn)?zāi)康?/p>

尋求合理經(jīng)濟(jì)的聚合氯化鋁（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）等藥物摻量，確保廢水達(dá)標(biāo)排放，滿足排放要求。生產(chǎn)性試驗(yàn)分為室內(nèi)試驗(yàn)和廠區(qū)試驗(yàn)兩個(gè)步驟進(jìn)行，先通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得出初步成果，然后在廠區(qū)污水處理池試驗(yàn)，通過計(jì)時(shí)計(jì)量器均勻?yàn)⑺?、機(jī)械攪拌的方式處理污水，用排放清水的檢驗(yàn)效果及各項(xiàng)指標(biāo)來驗(yàn)證藥劑添加量。

1選擇壓力隧洞型式的前提

設(shè)計(jì)壓力隧洞的主導(dǎo)思想:是保證能將水壓力引起的荷載盡可能大的部分(最好是全部)傳遞給周圍的山巖巖體。高水頭隧洞推廣采用無承力襯砌型式,在巖石破碎地段建造的混凝土或鋼筋混凝土襯砌,旨在用來保證隧洞開挖和運(yùn)行時(shí)巖體的穩(wěn)定性,并不承受水壓力。這種觀點(diǎn)是基于對(duì)現(xiàn)實(shí)情況的考慮——混凝土或鋼筋混凝士襯砌不可能承受很大的拉應(yīng)力,襯砌中裂縫的形成,促使將水壓力的主要部分傳遞給巖體,而襯砌材料則只能為該隧洞段創(chuàng)造有利的水力學(xué)條件,并在某種程度上減少其滲流量。在隧洞泄空的情況下,則恰恰相反,裂縫閉合,襯砌結(jié)構(gòu)能承受山巖的壓力。在設(shè)計(jì)時(shí),考慮這一實(shí)際情況,就有可能采用更經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。若遇到不可能將水壓力的主要部分傳遞給巖體的情況,則采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌或承力鋼板襯砌。當(dāng)壓力隧洞接近地面時(shí),在相當(dāng)堅(jiān)固的巖石中,必須采用這樣的襯的方式,將有可能縮短工期,降低工程造價(jià)。

2無襯砌壓力隧洞的最小埋深計(jì)算分析

壓力隧洞的最小埋深指的是,若能將隧洞內(nèi)的水壓力荷載傳遞到山巖巖體,而不致引起巖石滑移或涌水的危險(xiǎn),則隧洞距地表面的距離,即為壓力隧洞的最小埋深。實(shí)際上,是指無襯砌壓力隧洞的最小允許埋設(shè)深度。下面以某埋深不大的壓力隧洞附近山巖巖體應(yīng)力——變形狀態(tài)的分析成果,作為具體實(shí)例進(jìn)行研究。該壓力隧洞內(nèi)徑9.5m,水頭為160m(P=1.6MPa),穿越一段地形低洼地段。隧洞在地形低洼地段的最小埋深(至隧洞的頂拱)為36m。該洼地是一個(gè)山谷隘口,兩側(cè)與水平面的坡度分別為26°和46°。山巖巖體由弱泥質(zhì)密實(shí)的層狀石灰?guī)r組成,層厚0.4m～0.8m。巖層隧洞軸線對(duì)水平面的傾角為6°,在垂直于隧洞縱軸的平面內(nèi),巖層對(duì)水平面的傾角為65°。順層理的巖體變形模量采用E11=7000MPa:垂直于層理的巖體變形模量E⊥=3600MPa,泊桑比V=0.2,由于是空間結(jié)構(gòu),故利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序以有限元法求解。

計(jì)算區(qū)域的尺寸(考慮采用的對(duì)稱條件)選擇是沿隧洞軸線400m,水平方向距隧洞軸線200m,高400m(考慮地形情況)。對(duì)于有限元法標(biāo)準(zhǔn)的限制條件——各節(jié)點(diǎn)的水平位移限制在其下部的水平面內(nèi),計(jì)算區(qū)域包括936個(gè)等參數(shù)單元和1972個(gè)節(jié)點(diǎn)。在開挖輪廓附近,利用二次單元隨后轉(zhuǎn)移到一次單元。所采用的計(jì)算區(qū)域的對(duì)稱性假定,不可能考慮巖體的實(shí)際結(jié)構(gòu)。因此,對(duì)與對(duì)稱條件不矛盾的兩種極限——巖石具有垂直和水平層理的情況進(jìn)行了分析。為了進(jìn)行比較,對(duì)變形模量平均值E=5300MPa的各向同性巖體也進(jìn)行了分析研究。對(duì)于最小埋深段的隧洞斷面的平面變形條件進(jìn)行了驗(yàn)算。這一算題是在非線性布置情況下解算的。對(duì)于山巖巖體,采用了橫向——均質(zhì)材料的綜合性彈塑模型,該模型遵守庫侖-摩爾塑性流(破壞)準(zhǔn)則,計(jì)算中,巖石的有關(guān)參數(shù)采用以下值,粘著力C=1MPa,內(nèi)摩擦角40°,抗拉強(qiáng)度極限Rt=2MPa。對(duì)于層理接觸面,取C=0.4MPa,Φ=31°。

在巖體力學(xué)性能各相同性的情況下,埋深最小的隧洞其未來襯砌頂拱點(diǎn)處沒有受到損壞的巖體的計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)為,σmin=-2.1MPa,σmax=-0.97MPa;在巖體各向異性情況下,未來襯砌頂拱點(diǎn)處未損壞巖體的計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)為:巖層呈垂直狀時(shí),σmin=-2.25MPa,σmax=-1.35MPa;巖層呈水平狀時(shí),σmin=-2.17MPa,σmax=-1.5MPa。巖體中的上述應(yīng)力值表明,考慮地形的影響十分重要。要知道,對(duì)于平面問題來說,相應(yīng)的最小應(yīng)力值σmin=-0.94MPa。以上所求得的巖體中的自然應(yīng)力值,是設(shè)計(jì)階段用來決定能否在無襯砌條件下保留該隧洞作為壓力隧洞的充分依據(jù)(σmin=-2.1MPa,其絕對(duì)值大于P=1.6MPa)。在研究的主要部份,考慮隧洞襯砌不承受水壓力,而將水壓力全部傳遞給巖體。也不考慮隧洞襯砌附近巖石灌漿區(qū)的存在--巖石灌漿區(qū)擬作為安全余量。各種計(jì)算情況下的塑性變形區(qū)的范圍(即隧洞最小埋深段,巖石中可能的裂縫開展區(qū))。數(shù)值研究成果的分析表明,在隧洞內(nèi)的水壓力作用下,巖石中可能發(fā)生破壞區(qū)的大小,由巖體的應(yīng)力狀態(tài)決定,而與巖石的強(qiáng)度指標(biāo)無關(guān)。然而,有理由作出推測(cè);與計(jì)算情況相比,從定性上講,所進(jìn)行的巖石灌漿多少會(huì)減少可能破壞區(qū)的范圍。增加隧洞的埋深,將導(dǎo)致塑性變形區(qū)范圍縮小,并使其尺寸穩(wěn)定在距開挖輪廓線1.3m～1.5m范圍內(nèi)(巖石強(qiáng)度參數(shù)值為零時(shí),則為2.5m)。

摘要：水電站建設(shè)中，引水隧洞是工程施工的關(guān)鍵線路，在永久襯砌前開展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，加快工程進(jìn)度、減少工程投資具有重大意義。本電站根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)設(shè)代資料和現(xiàn)場試驗(yàn)成果，對(duì)已劃分的圍巖類別進(jìn)行復(fù)核，并進(jìn)一步對(duì)隧洞圍巖類別進(jìn)行細(xì)分，將Ⅳ類圍巖分為Ⅳ上、Ⅳ下。通過試驗(yàn)成果對(duì)影響圍巖分?jǐn)們?nèi)水壓力比例的彈性抗力系數(shù)進(jìn)行復(fù)核。并根據(jù)試驗(yàn)成果所提供的圍巖參數(shù)，采用公式法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，最終確定優(yōu)化后的襯砌厚度和配筋面積。

關(guān)鍵詞：隧洞；襯砌；配筋優(yōu)化

1概述

某水電站位于四川省甘孜藏族自治州鄉(xiāng)城縣境內(nèi)，是碩曲河干流鄉(xiāng)城、得榮段“一庫六級(jí)”梯級(jí)開發(fā)方案中的“龍頭水庫”電站。水電站采用混合式開發(fā)，電站裝機(jī)容量205.4MW。工程規(guī)模為大(2)型工程，工程等別為Ⅱ等。截止2019年3月，引水隧洞開挖長約14.44km，占總長20.363km的71%。其中Ⅲ類圍巖約占70%，Ⅳ類圍巖約占15.5%，Ⅴ類圍巖約占14.5%。開挖揭示隧洞圍巖地質(zhì)條件與可研報(bào)告預(yù)測(cè)基本一致，前段圍巖好于可研預(yù)測(cè)，后段圍巖較可研預(yù)測(cè)差，主要為Ⅳ類和Ⅴ類圍巖，其中Ⅴ類圍巖比例較預(yù)測(cè)高。本工程引水隧洞是工程的施工關(guān)鍵線路，在永久襯砌前開展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[1]，加快工程進(jìn)度、減少工程投資具有重大意義。本次優(yōu)化重點(diǎn)針對(duì)IV、V類圍巖進(jìn)行。

2優(yōu)化設(shè)計(jì)工作思路

優(yōu)化工作主要從現(xiàn)場變形試驗(yàn)確定合理的圍巖參數(shù)、細(xì)分圍巖類別和公式法計(jì)算著手，具體如下：（1）根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)設(shè)代資料和現(xiàn)場試驗(yàn)成果，對(duì)已劃分的圍巖類別進(jìn)行復(fù)核，并進(jìn)一步對(duì)隧洞圍巖類別進(jìn)行細(xì)分，將Ⅳ類圍巖分為Ⅳ上、Ⅳ下；（2）在現(xiàn)場已開挖的隧洞內(nèi)，針對(duì)不同的巖性、不同的圍巖類別分別進(jìn)行聲波、變形模量實(shí)驗(yàn)，通過試驗(yàn)成果對(duì)影響圍巖分?jǐn)們?nèi)水壓力比例的彈性抗力系數(shù)進(jìn)行復(fù)核。并根據(jù)各類圍巖類別復(fù)核后的彈性抗力系數(shù)，采用與之相對(duì)應(yīng)的彈性抗力系數(shù)進(jìn)行襯砌計(jì)算；（3）根據(jù)試驗(yàn)成果所提供的圍巖參數(shù)，采用公式法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，并最終確定優(yōu)化后的襯砌厚度和配筋面積。

摘要:從我國地下工程運(yùn)行管理實(shí)踐來看，地下輸水隧洞工程運(yùn)行管理仍存在很多安全隱患，以北京市南水北調(diào)配套工程南干渠工程為例，在綜合分析了工程運(yùn)行中風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和影響的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地提出了加大培訓(xùn)、加強(qiáng)技術(shù)支撐、完善工程信息化系統(tǒng)、提升工程運(yùn)行管理能力、完善工程應(yīng)急處置能力和加強(qiáng)安全管理力度等方面的應(yīng)對(duì)措施，為確保首都地下輸送工程安全供水和平穩(wěn)運(yùn)行提供管理經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞:輸水隧洞工程；風(fēng)險(xiǎn)分析；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；應(yīng)對(duì)措施

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，需水要求日益增加。作為首都的北京，隨著京津冀城市一體化建設(shè)推進(jìn)、城市供水格局逐漸由分散型供水向大規(guī)模集約化供水的轉(zhuǎn)變，以及南水進(jìn)京后逐步替代當(dāng)?shù)厮醋鳛橹饕┧?，致使城市供水工程建設(shè)規(guī)模隨之增大。為確保供水安全，加之城市用地限制，北京市近10年新建輸水工程多采用地下輸水隧洞的形式。從我國地下工程運(yùn)行管理實(shí)踐來看，地下輸水隧洞工程運(yùn)行管理中仍存在諸多安全隱患，就首都地區(qū)的水資源戰(zhàn)略安全而言，保障首都城南地區(qū)地下輸水隧洞工程的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管控至關(guān)重要。

1工程概況

北京市南水北調(diào)南干渠工程是北京市南水北調(diào)配套工程之一，全長26.82km。以京九鐵路東側(cè)為界分為上、下兩段，上段（淺埋暗挖段）工程為2條DN3400mm隧洞，全長11.34km，下段（盾構(gòu)段）工程為單條DN4700mm隧洞，全長15.48km。工程沿線分別設(shè)有1處調(diào)度中心、4處分水口、5處排空井和40處排氣閥井等重要工程設(shè)施，見圖1。南干渠工程承擔(dān)向北京城市東部、南部地區(qū)的供水任務(wù)，是直接連接南水北調(diào)中線干線到郭公莊水廠、黃村水廠、亦莊水廠、第十水廠、通州水廠、新機(jī)場及大興支線的輸水管線[1-2]。南干渠隧洞采用一、二襯復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，上段雙條隧洞工程采用淺埋暗挖工藝施工，一襯為25cm后噴射混凝土，二襯為現(xiàn)澆30cm厚鋼筋混凝土，一襯和二襯之間設(shè)1.2mm厚EVA全斷面防水板，防止內(nèi)水外滲或外水內(nèi)滲；下段單條隧洞工程采用盾構(gòu)工藝施工，一襯為30cm厚盾構(gòu)管片，二襯為35cm厚自密實(shí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一襯與二襯之間設(shè)置導(dǎo)水材料，即隧洞縱向每隔12m設(shè)一道環(huán)向排水網(wǎng)墊，隧洞底部一襯與二襯之間全程設(shè)置5cm厚排水網(wǎng)墊，所有排水網(wǎng)墊均用無紡布包裹，見圖2。南干渠工程盾構(gòu)段設(shè)計(jì)采用排水理念，隧洞外滲入或隧洞內(nèi)滲出的水量通過環(huán)向排水網(wǎng)墊、洞底排水網(wǎng)墊，匯集到設(shè)置在排氣閥井內(nèi)的集水井內(nèi)統(tǒng)一抽排，集水井間距一般為500～800m，見圖3。南干渠工程沿線設(shè)監(jiān)測(cè)斷面28個(gè)。埋設(shè)的監(jiān)測(cè)儀器分別為土壓力計(jì)、鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)和混凝土變形計(jì)，其型號(hào)見表1。所有監(jiān)測(cè)儀器均埋設(shè)在隧洞一襯和二襯之間。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)讀取。

2隱患分析

摘要：涌水是隧洞施工中較為常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。以鄂北地區(qū)水資源配置工程大竹園隧洞為研究對(duì)象，該隧洞在開挖至樁號(hào)214+556時(shí)發(fā)生涌水，最大涌水流量259.3m3/h，平均涌水流量達(dá)224.2m3/h，危及施工安全。通過采取鉆孔排水、超前預(yù)報(bào)、固結(jié)灌漿及管棚超前支護(hù)等處理措施，涌水量降至約87m3/h，處理效果較好。該涌水處理措施可為隧洞安全施工和涌水處理提供參考。

關(guān)鍵詞：隧洞施工；涌水處理；超前預(yù)報(bào)；固結(jié)灌漿；超前支護(hù)；鄂北地區(qū)水資源配置工程

1基本情況

1.1隧洞概況。鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）以丹江口水庫為水源地，從該水庫清泉溝取水，自西北向東南穿越襄陽市的老河口、襄州區(qū)和棗陽市，隨州市的隨縣、曾都區(qū)和廣水市，止于孝感市的大悟縣王家沖水庫。輸水線路總長269.67km，年均引水量7.7億m3，設(shè)計(jì)供水人口482萬人，灌溉面積約24.23萬hm2（363.5萬畝）。大竹園隧洞為自流無壓引水隧洞，全長4.07km，設(shè)計(jì)引水流量9.5m3/s，開挖斷面為城門洞型，成洞洞徑5.2m，埋深15~90m。隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞沿線發(fā)育兩條斷層帶，施工難度較大，是鄂北工程廣悟段的關(guān)鍵性控制工程之一。1.2涌水情況。2019年3月20日，大竹園隧洞開挖至樁號(hào)214+556，正在進(jìn)行鋼拱架支護(hù)施工，3月20日02：05時(shí)隧洞樁號(hào)214+553處底板右側(cè)發(fā)生冒水現(xiàn)象，有2處冒水點(diǎn)，相距0.50m左右，水質(zhì)渾濁。3月21日14：00時(shí)涌水量未見明顯減少，隧洞水深1.50m。發(fā)生涌水現(xiàn)象后立即抽排，水泵排水量80m3/h。依據(jù)2019年3月20日02：05時(shí)至3月21日14：00時(shí)的洞內(nèi)水深及抽排能力，測(cè)算得到樁號(hào)214+553處涌水量Q=726m（洞長214+556～213+830）×6m（洞挖寬度）×1.50m（洞內(nèi)水深）/36h+80m3/h（水泵抽排量）-35m3/h（施工支洞上游隧洞涌水量）=226.5m3/h，即q=62.9L/s。大竹園隧洞樁號(hào)214+553處洞內(nèi)發(fā)生涌水后，2019年3月23日安排3臺(tái)水泵進(jìn)行抽排（2臺(tái)30kW、1臺(tái)22kW），根據(jù)同年4月3日10：20～15：00時(shí)段30kW水泵流量量測(cè)（總排水量540m3），30kW水泵排水量q1=540m3/4.6h=118m3/h，根據(jù)功率推算，22kW水泵排水量q2=86m3/h，現(xiàn)場觀測(cè)記錄見表1。從表1中可以看到，3月23日08：30至3月27日08：30涌水量Q=224.2m3/h，即q=62.3L/s。2019年4月4~8日洞內(nèi)積水已基本排完，抽水水泵減少至2臺(tái)（1臺(tái)37kW、1臺(tái)30kW），測(cè)得37kW水泵流量107m3/h，30kW水泵流量86m3/h。測(cè)算得到樁號(hào)214+553處涌水量Q=107m3/h+86m3/h-35m3/h（施工支洞上游隧洞涌水量）=158m3/h，即q=43.9L/s。2019年4月14日，洞內(nèi)涌水量進(jìn)一步減小，抽水水泵減少至1臺(tái)，涌水量降至約87m3/h。根據(jù)施工單位同年4月11~17日大竹園支洞突水臺(tái)賬，施工支洞排水量見表2。綜上，2019年3月20日至4月17日大竹園隧洞樁號(hào)214+553～214+556處涌水量隨著時(shí)間推移逐漸減少。1.3隧洞工程地質(zhì)情況。（1）地形地貌。隧洞沿線地面高程121.6～207.6m，相對(duì)高差約85.0m，為低山丘陵地形。洞線樁號(hào)212+540～212+680、212+830～212+980段地表為河谷低洼地，高程約125.0m，河谷走向與隧洞軸線平行，河谷常年有水流入先覺廟水庫，水庫正常蓄水位107.0m；214+550～214+650段穿越?jīng)_溝，溝底高程約137.0m，沖溝走向與隧洞軸線垂直，洞線南西側(cè)沖溝里有水塘分布，水塘水位高程約143.3m；樁號(hào)215+300及215+750處地表為沖溝，溝底高程分別約為152.7m和172.0m，沖溝走向與隧洞軸線近垂直，溝內(nèi)有小水塘分布，沖溝無常年流水。隧洞出口為張家橋河，河床高程約105.0m，河谷走向與隧洞軸線交角約45°，河谷常年有水流入徐家河水庫，水庫正常蓄水位72.0m。（2）地層巖性。隧洞樁號(hào)214+010～215+450穿越的地層為震旦-青白口系白兆山組上段（Z2b2），主要為石英鈉長黑云片巖和鈉長綠泥片巖。（3）地質(zhì)構(gòu)造。工程區(qū)大地構(gòu)造處于秦嶺褶皺系（I）南秦嶺冒地槽褶皺帶（I1）隨州應(yīng)山復(fù)背斜（I13）應(yīng)山褶皺束（I13-1）。大竹園隧洞位于張家橋倒轉(zhuǎn)復(fù)式向斜次一級(jí)構(gòu)造——大竹園倒轉(zhuǎn)向斜。大竹園隧洞區(qū)域構(gòu)造見圖1。震旦-青白口系白兆山組震旦-青白口系垸子灣組震旦-青白口系岔河組揚(yáng)子期變輝長輝綠巖實(shí)測(cè)逆斷層實(shí)測(cè)正斷層地質(zhì)界線實(shí)測(cè)、推測(cè)性質(zhì)不明斷層線路工程軸線巖層產(chǎn)狀及傾角010kmSE52°229+120Z2bZ2c(Qn-z1)yβu22(Qn-z1)yZ2cZ2cβu22Z2cZ2bK2hg1K2hg1(Qn-z1)1βu22(Qn-z1)y(Qn-z1)yβu22βu22βu22Z2bZ2bpt1gK2gK2gZ2cZ2cZ2cZ2cZ2bZ2bZ2b(Qn-z1)yZ2cZ2c(Qn-z1)y(Qn-z1)yF10F22F21F19F20F14F17F15F16F12F11F10F13兩河口高城鎮(zhèn)老虎溝Z2bZ2cF18193+420圖1大竹園隧洞區(qū)域構(gòu)造大竹園倒轉(zhuǎn)向斜走向290°左右，北翼向S倒轉(zhuǎn)，核部北西端揚(yáng)起，向南東傾伏。向斜核部地層為震旦-青白口系白兆山組上段（Z2b2）石英鈉長黑云片巖、鈉長綠泥片巖，兩翼地層為震旦-青白口系白兆山組下段（Z2b1）中厚層大理巖、大理巖夾薄層鈉長綠泥片巖和震旦-青白口系岔河組（Z2c）綠簾鈉長黑云片巖。巖層及片理產(chǎn)狀330°～41°∠8°～37°、局部87°～98°∠26°～42°。（4）水文地質(zhì)條件。隧洞沿線巖性多樣，地下水類型較為豐富。片巖段主要為基巖裂隙水，水量較貧乏且不均衡，主要靠大氣降水補(bǔ)給，溝河為其排泄基準(zhǔn)面。砂巖段以孔隙水為主，砂巖總體厚度較小，水量有限，其上下均為片巖隔水層，部分段具有承壓水性質(zhì)，主要靠大氣降水補(bǔ)給，溝河為其排泄基準(zhǔn)面。大理巖夾片巖段以溶蝕孔隙水、溶蝕裂隙水為主，水量較為豐富，但受含水層厚度及補(bǔ)給條件限制，總體水量有限，其上下均為片巖隔水層，部分段有具承壓水性質(zhì)，主要靠大氣降水補(bǔ)給，溝河為其排泄基準(zhǔn)面。（5）圍巖評(píng)價(jià)。根據(jù)現(xiàn)場已開挖及施工階段地質(zhì)測(cè)繪成果，隧洞214+535～214+660為Ⅴ類圍巖，主要為強(qiáng)-弱風(fēng)化納長綠泥片巖，裂隙、片理發(fā)育，片理結(jié)合極差，片理產(chǎn)狀21°∠35°。地表為沖溝，風(fēng)化帶，地下水較活躍，可見線狀流水，傾角較緩，圍巖極不穩(wěn)定。

2涌水原因分析

通過前期地質(zhì)資料、地質(zhì)測(cè)繪、地面物探、TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等對(duì)大竹園隧洞涌水進(jìn)行分析。（1）地質(zhì)測(cè)繪。地表地質(zhì)測(cè)繪發(fā)現(xiàn)沖溝（樁號(hào)214+550～214+650）內(nèi)水塘岸邊發(fā)育斷層F2，斷層產(chǎn)狀355°∠52°，斷層破碎帶地表寬度30～110cm。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)測(cè)繪及推測(cè)，涌水處（樁號(hào)214+553～214+556）與斷層的水平距離分別約為80m（地表）和50m（洞底板高程）。根據(jù)斷層產(chǎn)狀投影顯示，隧洞開挖至樁號(hào)214+630左右揭露斷層F2，推測(cè)該斷層向下穿透隔水片巖進(jìn)入大理巖區(qū)。（2）地面物探。采用高密度電法勘探。樁號(hào)214+450～214+630段圍巖節(jié)理發(fā)育，地下水為基巖裂隙水，水量大。樁號(hào)214+630～214+650段隧洞通過斷層F2，斷層向深部延伸，傾角較大（剖面上視傾角約68°），推測(cè)隧洞涌水應(yīng)為該斷層切穿深部導(dǎo)水地層或構(gòu)造引起。隧洞軸線高密度電法視電阻率斷面見圖2。（3）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（TSP）。樁號(hào)214+535～214+572段為強(qiáng)風(fēng)化納長片巖，屬軟質(zhì)巖，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，以風(fēng)化易剝離的片理面和構(gòu)造節(jié)理為主，巖體完整性差，巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu)；樁號(hào)214+594～214+633段為強(qiáng)風(fēng)化納長片巖，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，以風(fēng)化易剝離的片理面和構(gòu)造節(jié)理為主，巖體完整性差，巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部碎裂結(jié)構(gòu)。TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)REC巖石參數(shù)變化情況見圖3。綜合地表地質(zhì)測(cè)繪、地質(zhì)素描、前期地質(zhì)資料、地面物探及TSP成果，已開挖洞段樁號(hào)214+535（發(fā)生冒頂險(xiǎn)情）～214+556（涌水處掌子面）段圍巖為震旦-青白口系白兆山組上段（Z2b2）薄層鈉長綠泥片巖，呈強(qiáng)～弱風(fēng)化，屬軟質(zhì)巖，片理傾角較緩，節(jié)理裂隙、片理發(fā)育，巖體完整性差，洞壁滴水，局部有線狀流水現(xiàn)象，屬Ⅴ類圍巖，圍巖極不穩(wěn)定，地下水為基巖裂隙水。隧洞掌子面（樁號(hào)214+556）前方樁號(hào)214+600～214+650段巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部碎裂結(jié)構(gòu)，發(fā)育有斷層，斷層貫穿下部地層并延伸至地表，具富水性。根據(jù)樁號(hào)214+606處鉆孔AZK2224地下水位高程136.64m，可知涌水處（樁號(hào)214+553～214+556）隧洞底板高程地下水埋深大于30m，由隧洞底板下部地層（Z2b1大理巖）至隧洞底板到地表，壓力水頭逐漸減少。綜合上述分析，大竹園隧洞樁號(hào)214+553～214+556處出現(xiàn)較大涌水現(xiàn)象，地下水來源于震旦-青白口系白兆山組下段（Z2b1）大理巖巖溶孔隙、裂隙儲(chǔ)存的地下水，承壓水沿?cái)鄬覨2破碎帶上升至淺部，然后貫穿片巖中的節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面薄弱部位形成通道，從開挖后洞室底板附近涌出。從涌水時(shí)間和涌水點(diǎn)多處等情況分析，涌水通道應(yīng)該是分散的，而非集中管道式連通。