小断面水工隧洞施工排水条件的改善

吴为强

摘要：以华坪县务坪水库-石龙坝片区连通工程项目为例，探讨了渠道工程小断面水工隧洞施工过程中洞内地下水的处理方法。研究表明：采取合理的措施引排地下水，不仅能够降低洞内施工、临电等安全风险，还能够提高出渣效率，地下水沉淀处理后可满足小断面隧洞施工期的供水要求，降低施工成本。排水作为隧洞施工的一项基本性能，对水工隧洞设计施工具有重要意义。本文对华坪县渠道工程某一小断面水工隧洞洞身开挖和初期支护过程的施工排水进行了分析和讨论，提出了改善小断面水工隧洞地表排水条件的科学建议。

关键词：小断面水工隧洞；施工排水；地下水

引言：水工隧洞断面形式一般采用城门洞型，开挖采用全断面钻孔光面爆破法施工。施工过程主要由隧洞进出口明挖段开挖支护、锁口、洞身开挖支护、隧洞混凝土衬砌和止水、排水施工等组成。在进行隧洞开挖之前必须做好洞口边坡的支护及排水工程，施工期隧洞排水可根据水量，在底板设置排水管或排水沟，隧洞顶拱、边墙或掌子面有流水、涌水的，可根据水量大小，设置孔、管集中引排，雨季施工应采取措施防止边坡汇水流入洞内。洞内水量较大时，可采取抽排水措施。但是，因地下工程地质条件的复杂性和不可预见性，在不良地质条件洞段开挖，特别是在岩溶发育地段和地下水丰富地段，如何快速排水不让水长时间浸泡掌子面和基础，是水工隧洞施工排水的重点和难点，小断面水工隧洞因其断面较小、施工作业面狭窄，针对小断面水工隧洞的施工排水条件改善显得极为重要。

一、工程概况

本工程共布置有两条输水隧洞，输水隧洞采用城门洞型断面，Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖断面为2.58m*2.74m, Ⅲ类围岩开挖断面为2.4m*2.65m，采用C25钢筋混凝土衬砌，衬砌尺寸为40cm，衬砌后断面尺寸均为1.5m*1.8m；设计水深0.69m,引水流量0.84m³/s。本文以红岩子隧洞为例进行简述。

1.2工程地质简介

1.2.1区域构造稳定性

本区域位于川滇南北向构造带与青藏“歹”字型构造体系中部复合部位，介于盐边地块隆起和滇中中生代断陷盆地交接带。两者之间未发现有明显的深大断裂，而以较破碎的小断裂带和褶皱逐渐过渡。工程区晚近期以较为普遍的强烈上升为主，受到永胜至华坪中强烈带影响，新构造运动表现为不均衡的间歇性急剧上升。

1.2.2输水隧洞工程地质条件

隧洞进出口边坡高度不大，大多中等稳定，局部较不稳定，围岩总体以硬质岩为主，强风化带围岩以V类为主夹IV类，弱风化上带围岩以IV类为主夹V类，弱风化下带至微风化带洞身围岩以III类为主，夹V、IV类（软岩夹层、层间挤压破碎带、煤层等），地下水活动以线状流水为主，局部小股涌水。

红岩子隧洞长561m，最大埋深约146m，位于含煤系地层亚区（B2），沿线地表Qeld碎块石土、含碎石粉土覆盖厚1～3m不等，下伏基岩为T3-J1bg1灰黄、灰白色中厚层状砂岩，含砾砂岩夹灰黑色含碳泥质粉细砂岩、炭质泥岩及煤层，沿线未见大型构造痕迹，地层产状相对稳定，总体倾向北东，局部见小规模揉皱。隧洞进口段自然边坡较陡，局部形成陡坎，岩体卸荷中等发育，推测卸荷深约8～12m，出口段自然边坡相对平缓，卸荷不发育。隧洞沿线不良物理地质现象不发育。

二、小断面水工隧洞施工排水条件改善的必要性

2.1提升小断面水工隧洞的施工效率

提高小断面水工隧洞洞身开挖和初期支护的施工效率，最主要是提高出渣效率和掌子面钢支撑、锚杆等施工效率。科学合理的排水措施，可以保证洞内运输道路路面的干燥和基础坚硬平整，加快渣料运输车辆的运输效率，特别是隧洞进尺越深效果越明显；妥善排水以后可以保证隧洞掌子面干燥，防止基础因长时间浸泡变软，影响钢支撑基础找平，方便钢支撑的立架安装，防止掌子面因地下水侵蚀出现钻孔时出现塌孔等现象，加快锚杆钻孔安装的效率。整体提升隧洞洞身开挖和初期支护每循环段的施工效率。

2.2降低水工隧洞施工的安全风险

水工隧洞施工的危险源因素主要有临时用电、爆破安全和有害气体等，洞内供电位置固定的动力与照明线路，必须采用绝缘良好的导线整齐排列，分别架设固定在隧洞 1.8m 以上的侧壁上，严禁使用裸导线；工作面附近的临时动力及照明线，应使用防水与绝缘性能良好的优质电缆；洞内照明应采用防水灯头，淋水地段应用防水灯罩；电力起爆主线也应采用绝缘线路。因此保证供电线路和照明灯具的绝缘和防水及其重要，而洞内环境潮湿，极易出现带电线路破损导致触电事故，采用合理的排水设施排水，可以保证洞内工作面及基础不积水，有效保护供水、供电、供风线路，降低触电等风险。

2.3降低小断面水工隧洞的施工成本

小断面水工隧洞的排水可视实际情况采用排、堵、截、引等技术措施。采取适当的排水措施，可以改善洞内作业环境，加快隧洞开挖支护的施工进度，根据水工隧洞掘进的方向，一般可以采用自然排水方式，利用排水沟自流排水可以减少排水措施费用的投入，开挖工作面和局部地段的集水，宜用潜水泵排至集水井。洞口应根据地形条件，采用设计的排水设施排水，不得使地表水流倒灌入洞和冲塌洞口及附近路基，减少不必要的排水费用投入。注意改善水工隧洞洞内外施工排水状况，可减少工程排水问题，减少小断面隧道施工费用，加快施工进度，可以缩短施工时限，合理把控施工成本。

2.4有效节约资源，保护环境

在水工隧洞施工过程将洞内渗水、地下水合理引排至洞外，洞口设污水、施工废水沉淀池，并在适当位置开挖清水池，施工废水沉淀、净化合格后排放至清水池储存，在干热河谷地区高山缺水地段施工，特别是枯水季节，可以保证施工生活生产用水，有效节约利用水资源，也能避免未经处理直接将施工废水排入附近水体或箐沟等现象，保护周边环境。

三、小断面水工隧洞实践中的施工排水问题

根据小断面水工隧洞布置、通风、照明、爆破、出渣等施工条件，在进行小断面水工隧洞施工作业时，为了确保其施工排水的有效性，避免影响水工隧洞安全性能，需要注重其实践中的施工排水问题分析。这些问题包括以下方面：

3.1实际排水问题

在小断面水工隧洞的施工作业过程中，由于其断面较小，施工作业面、运输道路狭窄，设置的排水沟断面也比较狭小，特别是遇到长距离小断面水工隧洞，排水距离长且扬程大，

而且通常采用盲沟软管，导致排水效果较差，从而降低了隧洞的排水效率。在此类工程中，如果隧洞距离较长、断面较小，隧洞埋深在110m以下，则会受到溶洞、裂隙、地下暗河发育和岩溶水文等复杂地质环境的影响。同时，在岩溶发育地段和地下水丰富地段等不良地质条件洞段开挖，会增加小断面水工隧洞的涌水量，从而导致排水问题。在施工前期，逆坡开挖隧洞时，应利用排水沟自流排水，排水沟须随工作面的掘进开凿，并经常清理，必要时，可设置盖板；顺坡开挖隧道时，可在适当地点设置集水井或积水箱并用水泵排水，排水泵的容量应比最大涌水量大 30%～50%，使用一台水泵排水时，应有 100%的备用量，使用两台水泵排水时，应有不小于 50%的备用量，重要部位应设有备用电源。在实际应用中，遇到隧洞塌方或者突发涌水是，基本不可能进行施工，只有设置集水井集中水泵，配备大功率、高扬程、大流量离心泵、大管径的管道排至洞外。

3.2在实际操作中的持续排水问题

在小断面水工隧洞施工过程中，由于隧洞逐步掘进，隧洞的照明、通风、爆破等电力线路也随之跟进。随着照明功率和水负荷的增加，线路损耗也逐步增加，排水效果越来越不能满足设备的需求，水泵的排水能力也在逐步降低。为了解决这一问题，需要变压器进洞，以确保施工机械及用电设备正常运转。另外，针对隧洞涌水量大、持续时间长的洞段，需要24小时连续抽吸。而在雨季，由于恶劣的气候条件，变压器经常会遭遇雷击等自然灾害，可能造成电力供应中断，造成小断面水工隧洞排水系统的动力不足，就算有备用电源也难以维持排水系统的优良功能，无法充分发挥其应有的功能，造成水工隧洞排水中断，无法持续排水导致洞内掌子面等积水，影响施工进度和质量。

3.3建设过程中设备配备不足

在进行小断面水工隧洞施工时，由于隧洞开挖轴线和地下水位线经常交叉，洞内会出现大量的涌水点，以及在不良地质条件洞段施工过程中出现的涌水不确定性，会导致小断面水工隧洞施工排水困难。针对上述问题，一些小断面水工隧洞施工排水设计和布置，施工单位采用的抽水设备和排水设备与洞内实际排水需求不符，致使工程排水设施在使用中出现问题。在水工隧洞的开挖和初期支护过程中，在岩溶发育地段，因未查明岩溶类型、溶蚀状态、充填及堆积物性质、分布范围及地下水活动规律，未能制定、采取相应的施工方案和排水措施，

致使洞内积水未得到有效的引排，阻碍隧洞掘进的速度和降低施工效率。而在施工过程中，由于排水设施的性能降低，导致小断面水工隧洞施工排水问题的影响范围扩大，间接降低了项目的经济和社会效益。为此，必须采取适当的排水措施，逐步改善小断面水工隧洞的排水条件，将洞内渗水、涌水等问题的影响降到最低。

四、洞口排水系统设计方案

小断面水工隧洞建设涉及防洪、供排水等多种功能，其工程效益直接影响下游河流、水库、河道防洪以及灌溉、供水、排水等多种生产和生活条件，也会影响水利工程效益评价指标体系的评价结果并最终进行综合评价。因此，洞口应根据地形条件，采用设计的排水设施排水，不得使地表水流倒灌入洞和冲塌洞口及附近路基，再根据施工洞室的地质和施工围岩的具体情况，采用分区、分项的方法对洞室排水系统进行优化设计。

4.1排水渠道及其他附属设施设备

在隧洞施工前，一般需开挖围岩边角，如泄洪隧洞和导流洞，一般边角不小于50 cm。当洞口开挖的边界条件较为复杂时，应设置排水沟等措施。隧洞掘进过程中为防止发生突发涌水事故以及发生塌方、坍落等事故，必须设置防渗墙。对于软岩溶洞等地段洞室较深时应设置溢流堰，溢流堰的数量可根据隧洞地质情况和隧洞支护情况决定。

一般采用自下而上或从上向下的坡度形式来排水，坡度可采用不小于5%～10%的块石砌筑的自下而上排水墙，采用水平排水管道或竖井排水的方式。溢流堰是为了防止溢水进入隧洞、保证安全和防止隧洞塌陷而设置并提供泄水通道的临时设施。当洞口不能及时排除地下水时，溢流堰可用于截留地下水向洞内倒灌。如需要使用水泵提灌地下水时，应在地面设闸门将水压降到最低，保证其水位不低于溢水管底壁高线，方可进入隧洞施工作业。

4.2施工设备及施工方法

4.2.1施工设备的组成

洞身开挖时，根据具体情况应采用机械挖掘、人工开挖等作业方式。常用的施工设备有扒渣机、钻机、拖拉机等。

4.2.2施工方法

在洞口预留地坪未开挖前，需根据地面排水条件及现场施工情况，应设置相应的临时排水沟。临时排水沟的设计应符合规范要求及本工程实际的施工条件。洞口排水沟宜从隧洞洞口端向下延伸至洞底。

为防止临时排水沟内积水过多影响隧洞的正常运转，在洞口周围设置排水沟可利用隧洞口周边开挖而成的临时排水沟沿洞壁摊铺沥青混凝土或铺设钢板进行隔离。施工人员进出洞口时必须使用专用工具清理，不能随意进出洞，用手扶着洞口端向下挖以避免因杂物阻塞排水系统造成不便，并且不能将洞渣冲入水中造成安全隐患。

施工中如遇特殊情况要及时处理，不得影响其正常使用。如遇突发事件要及时报告当地相关部门。在水工隧洞工程建设中应优先考虑使用开挖排水沟、设置溢流堰门和溢流闸门系统来加强排水条件并对其实施有效的监控和管理。通过本工程优化方案的实施可以将开挖排水沟和设置溢流堰门及溢流闸门所需费用降低并使其正常运转起来，提高了施工效率和水环境质量，同时可避免对地面造成污染和对环境造成的影响。

五、结论

总之，为了提高在小断面水工隧洞施工中的掘进速度和掘进质量，首先要在设计中明确好设计方案及工程的安全等级，并根据工程实际情况进行优化；其次要根据地形情况进行合理的支护施工方案；对工程中的地下水控制点加以监测；在开挖初期对掘进速度和工程风险采取相应的措施进行处理。采取有效措施进行排水，以保证排水系统正常进行，达到既定的排水效果，实现小断面水工隧洞施工排水的精细化设计。

参考文献

[1] 刘海真, 张健. 浅析小断面水工隧洞施工排水条件的改善[J]. 科技致富向导, 2013.

[2] 刘海波. 小断面水工隧洞施工排水条件的改善[J].  2021.

[3] 丁小华. 小断面长距离水工隧洞施工通风的设计与布置[J]. 低碳世界, 2017(25):2.