【复合地层长距离输水隧洞施工探究：以某工程为例9400字（论文）】

复合地层长距离输水隧洞施工研究—以某工程为例摘要天水调水工程是甘肃省的一项大型工程。这是天水市水利历史上最大的现存工程，也是未来天水市最重要的供水设施之一。该项目向大约80万人提供饮用水。这项工程的完成无疑会改善目前天水市的缺水情况。为加快天水市的发展，这项工程旨在兴建天水市区第二条供水隧道。在对区域人文环境、工程地质特性、当地施工资源、施工建设方案和工程效益进行全周期分析的基础上，提出了项目规划试试的各种方案，以及针对各种复杂地质条件和特殊隧道的特殊施工方案。详细设计了主输水线路、水工隧道长距离隧道，以及单护工程、主孔二次衬砌工程、施工滑动工程和配套施工方案，并对一些施工问题进行了梳理，这类隧道实施国中较为常见的问题，通过总结分析并改进，积累的项目经验，为同类工程施工提供参考，具有一定的普遍意义。关键词：大口径；长距离；水工隧洞；施工技术目录TOC\o"1-3"\h\u313311引言 引言中国是一个严重干旱和缺水的国家。水资源在一段时间内分布不均，分布集中在一年中，年变化较大；空间分布不均匀，东西、南北降水差异大；人均可利用水资源量小，水资源分布极不均匀，这是中国水资源的一个重要特点。跨区域和跨区域供水项目缓解了该地区的缺水状况，在一定程度上解决了城市供水和农业灌溉问题。在引水工程结构中，输水隧洞是一种非常常见输水形式，适用于复杂地形和复合地质条件下。输水隧洞作为一种建筑结构，能够有效避免工程穿越山区发生大规模土石方施工的难度，有效减少施工占地，保证生态和环保，降低了长距离输水工程的工作量、在使用过程中，能够有效减少蒸发量和避免水质污染。因此，水工隧洞已成为国内外引水工程规划中的联合设计[1]。本文以长距离、大直径输水隧洞施工为研究对象，结合天水市桃阴供水工程2号取水隧洞施工，对其安装空间狭窄、作业面积小、施工难度大、施工难度高、施工难度小等技术地质灾害进行有针对性的分析论证，单端隧道工作量大，通风困难。总结了项目实际施工中采用的一些蓝图和技术措施，并及时完善和纠正了存在的问题，其发生在计划和措施的实施中，以实现最佳应用效果。本文旨在对大直径长距离隧道工程进行研究，为相同条件下的同一水工隧洞顶管施工提供参考。2水工隧洞施工方法概述2.1隧洞开挖施工方法隧道开挖是指在隧道施工期间，松动、破碎、挖掘和运输土壤或岩石的过程。根据历史记录，隧道开挖的原始方法是火烧法，用火将需要破碎的岩石烧热，泼上冷水使岩体急剧冷却后崩裂。后来，随着火药的发明，人们逐渐将火药带入岩层，从而逐渐形成钻爆技术的先行者。掘进隧道的方法从早期的人工钻井和钻井到使用雷管引爆单个爆炸包，一直发展到应用工程和电子等现代技术进行辐射开启。使用机械化钻头或多管钻头进行钻探。隧道掘进过程中采用了差动爆破、间歇爆破和光面爆破等现代爆破技术。随着全切口隧道机（TBM）的开通和实施，隧道施工进入了一个新的发展阶段[2]。隧道掘进方法的基本分类是基于爆破方法的使用，包括爆破方法和非爆破方法。最典型的爆破方法是梯段微差爆破。非爆破开挖过程主要是指利用机械或者人工屏蔽和拆卸过程。钻孔爆破主要分为以下几种开挖方法：（1）全断面开挖法。适用于大直径隧道或围岩类别有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类岩石的中断面隧道。其设计特点是更少的建筑破坏，空气、水、电和管道不需要多次拆除。各种小型机械可用于配合，但不适用于自稳定时间短的围岩类型。优点在于，该段可通过单次爆破形成。在施工过程中，可根据围岩稳定性确定是否进行一次性支护，以及一次支护的时间间隔。（2）短时挖掘。适用于IV、V沉积岩中的原生和原生断面，以及自持期极短的大孔和沉积岩。缺点是大型机器不适合用于IV型和V型沉积岩。（3）在长台阶或台阶上挖掘。与短洞子及小断面施工不同，它适用于具有良好自主环境、的中、大或特大隧洞。顶层高度由施工工艺的高度确定，通常在7.5-10.5米之间。对于业务通道，上下层可以并行运行[3]。（4）导洞超前法。适用于中、大、特大型断面隧洞，特别是地质条件复杂、地下水丰富的地区。根据岩石类型的不同，隧道通常在路段的底部通过。路线可以根据实际情况确定。通道可在地下水提前注入和降低地下水位方面发挥重要作用，但不利于风、水、电等辅助设备的布置，增加了辅助工艺。（5）留核心土法。适用于自稳定性极差的V类围岩。人工开挖或空气钻平孔爆破沿开挖线内侧开挖后，必须立即衬砌主梁或混凝土部分。如果使用混凝土衬砌，侧壁背面为上拱，底板必须及时密封。该方法的缺点是施工进度缓慢，薄膜材料小，但有利于提高掘进后沉积岩的自给性。介绍了一种分割和分层的方法.适用于大、中、小截面隧道或三、四种沉积物。该方法主要减少一次性通行，允许吃水时有发生，满足一次性防护要求，但施工过程复杂，施工进度缓慢，施工费用增加[4]。2.2隧洞支护衬砌理论的发展隧道是土木工程的一部分。由于其施工环境与地面工程完全不同，隧道工程规划将长期遵循地面工程的一些设计理论和方法。地表工程设计理论和方法计算的结果不能合理有效地解释地下采矿中的不同力学现象和过程，这使得隧道和地下采矿的规划和建设长期处于“体验设计”和“体验施工”的状态。隧道支护结构理论产生于上世纪初，并在上世纪中叶得到迅速发展。它们的发展与岩土力学的发展密切相关。土力学的发展促进了松散层围岩稳定性和围岩压力理论的进步，而岩石力学的发展则促进了围岩压力理论和地下技术支护结构的进一步飞跃。一般来说，20世纪50年代以前形成的支持理论已经成为传统的支持理论根据传统支护理论，支护的作用是承载围岩坍塌拱中超载或松动岩石的重量。随着岩石学的逐步发展，它已发展成为一门新兴的科学分支，沉积岩的弹性、弹性塑性和粘性弹性逐渐显现。同时，出现了许多新的保护形式，如锚杆、喷射混凝土浇筑和弹性锚固，这些都是新的奥地利隧道。最后，在岩石力学原理的基础上，并考虑到岩石防护与围护的相互作用，逐渐发展了现代地下加固理论[5]。随着科学技术的进步，各种先进的监测检测技术逐渐应用于地下工程的设计中，这就从根本上改变了地下工程的设计理念。在传统的建筑工程设计理论中，隧道因岩石而成为主要荷载，而作为结构而竖立的混凝土支撑着岩石的荷载和内外的水压，即荷载。随着岩体力学的发展和机械工程实践经验的积累，以及岩体压力监测等技术的应用，人们推测沉积物不是主要的荷载源，而是承受其荷载的主要结构。这是对岩石结构的看法。作为主要支撑结构，岩体类型变化很大。有些是完整的，有些是断裂的，有些发育有接缝和裂缝，有些是松散和断裂的，一些水分含量高，有些很快在空气中变得浑浊。大多数围岩不能起到自稳定作用。因此，有必要对围岩地质不良的隧道段进行加固。耐火粘土和混凝土覆层从外部加固，以防止由于不受阻碍的变形导致围岩不稳定和坍塌[6]。添加地脚螺栓、管秤、小管道、连接件等。此外目的是从内部加固围岩，提高围岩的完整性和完整性，改善其一般应力条件。隧道结构是由围岩和内外加固措施组成的统一整体。在设计支护形式时，必须充分考虑围岩的固有稳定性和承载能力，使围岩本身能够承受主要荷载。如果围岩本身不稳定，可采取加固措施进行支护。2.3隧洞支护衬砌技术随着岩石力学理论和掘进方法的不断发展，以及对围岩稳定机理认识的逐步深化，支护和衬砌方法朝着更简单、更实用、更安全、更可靠的方向发展。目前，适用于采矿的快速支护和衬砌技术主要包括新奥地利隧道技术、挪威技术、管片衬砌技术和钢筋混凝土覆层技术。（1）新奥地利隧道法（NATM）。这是一系列隧道设计和施工的新技术，奥地利土木工程师L.v.rabcweicz在分析和总结以往隧道项目的经验后，于20世纪60年代提取了这些技术。20世纪80年代，奥地利土木工程协会地下空间利用部将新奥地利过程定义为在岩石、土壤和砂质介质中开挖隧道以形成用于围岩的空心圆柱形支撑环结构的隧道设计和施工方法。新奥法的这一定义简单明了地解释了新奥法中的核心问题，也就是说，岩石本身被允许形成封闭的支撑环，轮廓本身支撑着隧道。奥地利的新施工技术是：隧道掘进后，为了防止新鲜岩体在空气中出现太久，通过喷流混凝土层及时封闭岩体表面，然后根据沉积物的稳定性，选择锚杆等加固措施。绕组、注入混凝土层和锚杆形成初始柔性支架，形成支撑环，共同支撑外岩体压力。支撑结构的这一部分通常称为“外拱”或“主梁”.由于沉积岩基本稳定，其变形可随时跟踪。沉淀物释放应力后，变形基本停止，可安装预制混凝土拱衬里作为主要支撑涂层，称为“内拱”或“二次衬里”。新奥第二次单板的时间必须严格限制，以保持先柔韧后刚度的防护性能[7]。（2）挪威隧道计划（NMT）。是将Q值岩体分类系统与锚固支架和钢纤维喷射混凝土相结合的设计施工方法，即根据Q值岩体分级系统，确定钢纤维喷射砼的长度、直径、距离和厚度。自20世纪90年代以来，该方法已广泛应用于西欧和北欧隧道项目，即新奥法的改进、补充和发展[8]。（3）分段衬砌法。管材衬砌工艺是通过在隧道内安装预制管材和管材后压制豌豆碎石来完成的。该方法方便快捷，满足了隧道组织要求，可大大改善隧道施工条件。随着隧道投影在隧道掘进中的应用越来越广泛，区划在隧道加固和衬砌中的应用越来越广泛。（4）混凝土挤压工艺，即挤压混凝土衬砌是通过在TBM面板背面安装模板并压制混凝土、钢纤维混凝土或钢筋混凝土来实现的，这将衬砌与墙壁紧密结合，加快施工进度，减少衬砌之间的间隙。2.4隧洞支护衬砌形式一次支护和二次衬砌的作用是保持沉积物稳定，防止渗漏，保持隧道的工作截面，确保其正常的工作条件，并履行所赋予的功能。水工隧道整体衬砌形式可分为几种类型.2.4.1按材料及结构形式划分（1）锚定混凝土支架。所使用的材料除其他外包括锚杆、简易混凝土、钢纤维混凝土和钢筋网。利用其中一种或多种材料，可形成各种形式的锚固混凝土支架，如锚杆、喷射混凝土支架、钢纤维喷射混凝土支架和钢格栅，以及喷射混凝土支架；锚固和射流混凝土梁；锚杆加钢筋材料加注入混凝土支架等.特别是混凝土钢纤维射流支架的抗拉、压缩和剪切强度高于单纯混凝土喷射，与岩石表面的粘结强度较高。能提供快速有效的工作面紧固，保证早期保护效率，保持沉积物稳定性；与钢筋混凝土网相比，其施工更方便快捷。（2）浇筑混凝土盖。包括简易混凝土衬砌、钢筋纤维钢筋混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌.其中，钢筋混凝土涂层是机械工程中应用最广泛的，适用于各种型材的饰面。移动模板压力的应用大大提高了混凝土路面的施工质量和速度，大大降低了衬砌成本和劳动强度。如果衬砌主要用于确保隧道内的水力条件，则可以使用简单的混凝土衬砌。如果隧道内的水压较大且流速较高，则必须采用钢涂层钢筋混凝土覆层，以确保隧道的安全运行。钢纤维混凝土可以提高衬砌的抗裂强度[9]。（3）预制段衬砌。通常用于掘进机法开挖的隧道，可以更好地满足机械化施工的要求。根据隧道的地质条件和使用功能，工程师设计了各种预制节段，如钢筋混凝土节段、钢纤维混凝土节段，钢管节段、钢筋混凝土组合节段等。根据段组成材料；根据结构形状，可分为箱形段、板形段和弧形段。与预制钢筋混凝土覆层相比，预制管片衬砌对结构规划和施工技术提出了更高的要求。2.4.2按作用机理划分根据紧固和覆层机构的不同，可分为刚性、柔性和复合结构三种类型。（1）刚性结构。它通常具有足够的刚度和切口尺寸，通常用于保持松散岩石的较高压力。这种支架通常由混凝土或石材、预制混凝土块和分段组成。在结构上有一个结构，将墙壁与墙壁分开并悬挂。墙的外墙结构意味着它在早期不会与周边直接接触，留下一些变形。沉积岩的张力完全溶解后，与之接触，承受后期沉积可能产生的变形压力或松弛压力。这是早期隧道设计中使用的普通衬里。由于沉积岩不能及时保护，产生了巨大的压力，削弱了结构。墙体结构得到了广泛的应用.墙体结构将沉积物与衬砌结构紧密结合.中间部分的非接触部分应通过回填接缝和其他形式进行密封，以确保周长和衬里结构紧密接触，保持周围岩石的压力。（2）结构灵活。它是基于现代支撑结构，如新澳大拉西亚。它能及时支撑和封闭岩石表面，不仅限制了过度变形引起的松弛，而且允许一定程度的周长变形，从而减弱周围岩石的应力。柔性支承的主要形式是抛锚保护。此外，还有预制细混凝土块、硬塑料梁和钢梁[10]。（3）结构复杂。这种柔性与刚性结构的有机结合，即最初采用锚固混凝土梁或管道敷设等柔性结构，在本设计中称为“一次衬砌”，后来又称混凝土衬砌，又称“二次衬砌”。组合保护与衬砌应用于地质条件复杂的软质地层，特别是塑性流动地层。在塑性再成层中，被围岩对地应力大，围岩变形也大且持久。如果在掘进后使用刚性支撑或饰面，刚性结构将在现场载荷增加的作用下粉碎和损坏。如果采用一般锚固形式，则不足以承受较大的现场应力和周围层压力。锚杆保护仅适用于松散岩石地区，不能达到改善沉积物完整性的预期效果。沉积物在达到一定的变形后会被破坏.在复杂的承重结构中，采用了“新奥地利隧道”中“先软后硬梁”的概念。首先采用柔性支护，尽可能释放大部分土体荷载，然后采用刚性支护和铺砌方式，保持土体残余部分或更多的变形和应力，从而更好地保持塑性过渡层沉积层结构的稳定性。组合梁和衬砌结构是水利工程隧道设计施工中采用的主要衬砌形式。在正常情况下，复杂支承结构的主要支承是支撑结构，对岩石来说是稳定的，二次衬砌是备用强度；但在复杂地质条件下，组合保护结构的一次支护和二次衬砌构成支撑结构。主要灵活的辅助结构主要用于施工期间的安全。后续浇筑混凝土或敷设预制混凝土管不仅可以提高结构的承载能力，还能防止渗漏，保证流动条件[11]。3水工隧洞顶管施工方案设计3.1工程概况天水市城区引洮供水工程2号隧道全长8.72km。项目入口位于天水市甘谷县白家湾市供奉支流马屋沟村。隧道线穿过渭河干流巫山至甘谷段与渭河来水之间的分水岭。出口位于钦州区官子市石川村，设计为自由流动输水隧洞，设计流量为2.1m3/s，设计纵向摆动为1.1400。截面137.168.0和139.865.5的横截面为马蹄形，总长2697.5m，网孔截面尺寸为2.1×2.5（B）×H）；横截面139.865.5.145.888.0为直圆拱，全长6022.5m，网孔截面尺寸为2.1×2.5（B）×H），网孔宽度为2.1m，直墙截面高1.45M，拱高1.05M，上拱中心角为180度。洞身采用喷锚支护后现浇30cm厚C25钢筋混凝土衬砌结构。本工程阶段为三类中等，主要建筑为三类，次要建筑为四类，临时建筑为五类，工程建设期为三年。3.2主洞开挖及一次支护施工方案3.2.1施工测量隧道测量包括隧道外的地面控制和隧道内的控制测量。地面控制器测量的主要内容是重新检查设计方提供的隧道外中心线的方向、长度和基准高度。红外制导仪用于隧道内的控制测量，以控制隧道扩展和衬砌轮廓设置。为了控制贯入精度，必须组织精确的测量团队对隧道进行贯入控制测量。隧道中的横截面测量必须在每个循环中进行，以避免过度超调和损坏，并确保截面的设计尺寸。测量时，使用经纬仪、水准仪和钢尺准确测量和绘制洞身开挖轮廓，并确定控制点。隧道中心线控制桩与开挖区域的距离不得超过50m，临时水准点的设置不得超过100m。在每次测量和安装期间，必须重新检查和检查上一周期的开挖轮廓和高度，并且必须及时纠正任何偏差。3.2.2洞门开挖隧道帷幕边坡掏空前，应根据实际地形绘制坡顶截水沟布置图，掏空时应提前预留排水沟砌筑位置。汛期必须进行日常维护工作，以防止雨水流入隧道或隧道因排水不良而坍塌或滑动。安装排水及排水设施时，必须符合下列要求：（1）底座稳定，形状规则。（2）在排水情况下，附近其他建筑物不会受到损害。（3）洞穴地段用预制混凝土槽C15排水。（4）确保排水系统在施工期间及完工后运作畅顺，不会形成及堵塞泥土。隧道帷幕的土方工程由1m3挖掘机开挖和装载，用自卸车运输，人工修复边坡。挖掘必须自上而下分层进行。开挖过程中，必须先挖出排水沟，及时排水，使施工开挖工作面始终处于旱地上，防止因隧道帷幕吊装方法错误造成塌方或局部滑坡。开挖程序如图所示。图3.1隧洞土方明挖施工程序图3.2.3洞身开挖及一次支护隧道主体的土方工程必须使用气斧、气铲和人工开挖。采石场的掘进采用钻爆法进行。“尼奥隧道”施工要严格按照“前管、硬灌浆、短挖、强防护、频测、快龙”的原则组织。为了实现最快、最安全的施工方式，必须不断地使爆破参数适应沉积物开挖和开挖条件。对于周围的III级岩石，必须进行尽可能平稳的爆破。沉积物具有良好的内部稳定性，不需要初级保护。针对IV、V型沉积岩，爆破后先喷涂C20层混凝土，尽快封闭沉积岩，缩短沉积岩暴露于空气的时间，控制沉积岩变形，防止沉积岩松动，确保施工人员安全。然后根据沉积岩的耐久性，实施锚柱施工、钢拱加固、钢筋网挂、混凝土多次喷涂等[12]。一步一步。在V级沉积岩极不稳定的情况下，还必须及时采用先进的设计技术，如安装管状挂管生产安装、先进的管铸技术等，确保施工条件安全。必须遵守以下原则：（1）全力保护大岩石，减少对它们的干扰。（2）充分发展岩石自给能力。（3）尽快关闭支撑结构。（4）根据监控数据加强施工控制。挖掘和保护枪管由三个工作组进行，即钻爆组、弃土作业组和一次支撑组。在不干扰设计的情况下，弃渣作业群和一次支持组可以并行施工，以减少循环作业时间。洞身开挖及一次支护工艺流程见图3.2：图3.2洞身开挖及一次支护工艺流程图3.3主洞二次衬砌施工方案主隧道的二次衬砌设计为浇筑0.3m钢筋混凝土。钢筋人工制作安装，然后通过钢模压力和混凝土泵送完成浇筑。浇筑二次混凝土覆层的施工时间分为时段和分段。围岩变形释放后，对开挖和主要支护进行了彻底测试，为确定是否有任何施工故障及工程的工期为何，以确保施工时间，缩短施工阶段的时间及工程中断。在沉积物类型较好的地段，当墙体和主支架的主要稳定变形和变形速度明显减慢，水平收敛速度（约拱脚）小于0.2mm/d，拱落速度小于0.15mm/d时，从二次衬砌开始，衬砌前总变形已达到总预期变形的80%。对于由松散砂岩、低强度和高强度变质岩组成的拉伸路段，或在掘进过程中形成崩塌和崩塌的路段，应在变形达到10cm之前尽快进行铺设[13]。3.3.1钢筋制安钢筋由钢筋厂加工供应.钢筋由三辆轮式小车运送到工作场所，手动将点焊连接到网络中，并根据设计要求进行固定和预埋。3.3.2架模钢筋架设固定后，在隧道底部安装一个铁马凳。轨道安装固定稳定后，移动钢模板车，安装水位和伸缩缝。各部分尺寸、隧道轴线和高度由全站仪校正后，在检查所有部分的正确性后，开始混凝土浇筑。3.3.3浇筑下拱为无模板浇筑。侧板模板随浇筑高度逐渐增加，两侧板同步上升，避免预压。护头由模压钢模板和少量木模板组成，也可用作止水夹。混凝土搅拌站采用强制式搅拌机搅拌。混凝土通过小型混凝土搅拌机运输到隧道内的工作面后，将混凝土泵入仓库。振动采用潜式振动器和平板振动器。通过平板振动器振动下片表面层，然后手动处理[14]。上模的中心封盖装置连接到输送管进行封盖，封盖从内到外逐步进行。如果头部护罩上的观察孔溢出，即封顶完成。3.3.4拆模当最后一块掩蔽混凝土的强度达到5MPa时，可以拆除模板。拆除模板时，施工人员必须注意不要因接触模板而失去棱角。模板拆除后发现缺陷，施工人员不得擅自修补。施工人员、监理人员和其他技术人员必须共同检查并确定维修计划。主隧道二次包层的施工工艺如下图3.3所示。图3.3主洞二次衬砌施工流程图3.4施工支洞方案设计3.4.1施工支洞布置隧道长度为8.72km。为了满足项目施工时间的要求，必须为长隧道提供尽可能多的隧道，并将开放更多的施工区域，以加快项目施工进度。根据主隧道线路的布局、地形和地质条件，并通过计算每个工作面的控制长度，对有条件隧道的沟渠进行了额外的地质调查，并临时规划了7条隧道。受地形条件的限制，没有条件进行桩柱布置，所有桩柱均为深斜长坡或垂直坡。（1）从施工成本的角度来看，3号和5号隧道的施工条件较差。螺栓3的角度为24.9度，螺栓5的角度为31.8度。由于倾斜角度大，理论上需要在斜井段安装绞车拉三轮车进行排渣，这增加了排渣过程和施工成本。（2）在土地保有权方面，隧道兴建越多，临时用地越多，业主在临时收地和临时建筑方面的开支便越大。（3）在施工时间方面，设置的建筑隧道支洞断面越大，主隧道的掘进面积越大，主隧道的掘进速度越快，以便为后续混凝土提供第二次覆盖的时间，从而节省成本。3.4.2施工支洞断面设计该隧道为临时施工场地。通常，内部变量由机组设计。主洞衬砌完成后，必须及时封堵。施工隧道断面设计考虑了施工期交通、供水、送风、供电的要求，主要计算通风管道、排渣车等高压送风管道、供水管道所占用的断面尺寸，排水管和电源线可设置间隙[15]。隧道必须每隔200-300m配备一个保护隧道，以避开车辆和储存设备。用于保护隧道的孔的尺寸应不少于施工隧道宽度的两倍，长度应按渣架长度计算。根据隧道掘进时开挖的地质条件，切口形状可分为全封闭型和非拱形两种。III级沉积物：不使用，挖掘尺寸为2.74m×2.82m加固拱，上拱和侧壁采用工字钢i12，间距80-120cm。安装在上拱中心180°范围内的6.5°温度下200×200mm钢筋网，上拱和侧壁注射C20混凝土，厚度12cm，拱由预制混凝土垫支撑。全封闭的钙钛矿，挖掘尺寸为2.74×2.82m，上拱，下拱，侧墙，IS-12工字固定，距离60-80cm。Φ6.5×200×200mm钢板格栅、顶拱及侧壁喷涂12厘米厚的C20混凝土。底部和侧面电弧焊接在两侧，需要牢固的连接。土壤应铺上干燥坚硬的C20混凝土，以保持表面光滑耐用，满足渣车的需要。4结论水工隧洞中管道钻孔的设计方法不同。根据技术地质条件、交叉口大小、隧道长度、施工时间要求、施工投资、施工