水利隧洞工程的开挖施工和塌方问题的处理研究

摘要：我国水利工程正处于快速发展阶段，在水资源管理、洪水防控、水利基础设施建设和能源利用等领域已取得明显成效。在水利工程不断推进的同时，受限于施工地质条件和施工环境，开挖施工的难度不断加大，且存在塌方风险。本文详细探讨了水利隧洞工程开挖施工的三种方法，并分析了隧洞施工中塌方的处理技术。

关键词：水利隧洞工程；开挖施工；塌方处理

2024年我国实施水利项目4.7万个、完成投资1.35万亿元，尤其在“十四五”规划期间，国家大力推动水利基础设施的现代化，水利工程项目的建设已逐步从传统的大型水库工程转向了包括生态保护、水资源优化配置和高效利用等多元化目标。在这一过程中，隧洞工程不仅是水利工程的关键组成部分，还是整个水利设施系统的重要连接纽带。隧洞工程的施工难度较大，我国很多水利项目所在的地区地质条件复杂，存在软弱岩层、突水、坍塌等问题，给隧道的开挖施工带来极大的挑战。因此，做好隧洞的开挖施工和塌方处理，能够提高施工的安全性，还能确保项目按期完工，减少不必要的资源浪费。

一、水利隧洞工程开挖施工方法

水利隧洞开挖作业工程量大且地质条件复杂，施工时需穿越不同的岩层、土层，并要处理不稳定的地质问题，下文主要分析上下台阶预留核心土法开挖、悬臂掘进机施工工艺以及爆破作业技术这三种开挖方式。

（一）上下台阶预留核心土法开挖

1.拱顶超前支护

在隧洞的上下台阶之间留出一定的核心土层用于支撑周围岩体，防止开挖过程中出现塌方或大规模的岩石脱落，在隧洞拱顶区域设置钢拱架、喷射混凝土或锚杆等支护结构，提前支撑尚未开挖的部分岩层，防止隧洞因开挖导致的变形过大或突发事故。施工前必须详细勘察隧道穿越的地质条件，严格控制开挖的进度并分段逐步进行开挖，每完成一段就进行一次支护，并及时进行支护结构的加固。

2.上部弧形导坑开挖

该导坑的形状通常是一个弯曲的区域，能起到分流压力的作用，根据设计要求按照台阶法逐步开挖，将开挖分成上、下两个台阶，上部的导坑先行开挖，在软弱地层或地下水丰富的区域，要加强支护措施，使用喷射混凝土、锚杆、钢拱架等进行临时支护。待上部导坑开挖和初期支护完成一定距离后，再采用分段跳槽开挖的方式进行下部台阶开挖，并及时施作仰拱，形成封闭的衬砌结构，然后根据施工进度和设计要求，进行二次衬砌施工。

3.核心土开挖

核心土其本身是为了支撑周围岩体而设计的，开挖过程中一旦处理不当，极易导致围岩应力重新分布，引发变形甚至塌方。因此，开挖时要严格控制进尺，避免一次开挖范围过大，同时密切监测围岩的变形情况，发现异常及时采取措施。测量人员精确确定核心土的开挖边界和高程，采用小型挖掘机或人工风镐等方式遵循 “从上至下、分层分段” 的原则，分层开挖，每层厚度一般不超过1.5 m。当核心土开挖至接近底部时，预留一定厚度的保护层，采用人工清理，防止超挖破坏基底围岩。核心土全部开挖完成后，迅速进行底部初期支护施工，尽快封闭基底，减少围岩暴露时间。上下台阶预留核心土法开挖法可见下图。

（二）悬臂掘进机施工

1.开挖

悬臂掘进机主要由切割装置、装运装置、液压系统、电气系统等部分组成，其工作原理是利用旋转的切割头破碎岩石，并通过输送机将石渣运出洞外（如图2）。施工前要详细分析隧洞的地质条件、断面尺寸、长度等条件，根据实际情况选择合适型号的悬臂掘进机。测量人员根据设计图纸，精确测放出隧洞的中心线和开挖轮廓线，并用明显的标志标识出来，

将悬臂掘进机吊运至隧洞洞口，通过履带行走机构将其移动至开挖位置，并进行调试和检查。

确认没问题后启动悬臂掘进机，切割头缓慢靠近掌子面，开始进行切割作业，掘进机按照预定的开挖路线，逐步向前推进。

2.出渣

悬臂掘进机排渣能力相对有限，只能在掘进机工作范围内，也就是其输送机能够覆盖到的区域进行排渣，施工时需要配合其他设备。在悬臂掘进机切割岩石的过程中，破碎后的石渣会被切割头旋转带入掘进机的输送机上，输送机将石渣向后输送至掘进机尾部。如果采用矿车排渣，在掘进机尾部设置转载装置，将石渣转载到矿车上，装满石渣的矿车由电机车牵引，通过隧洞内的轨道运输至洞外弃渣场。在排渣过程中，要安排专人负责设备的操作和维护，对隧洞内的道路和轨道进行定期检查和维护，保证矿车行驶安全和皮带输送机的稳定输送，提高排渣效率。

3.支护

当开挖施工结束后，遵循 “少扰动、强支护、早封闭” 的原则进行支护作业，注意要先检查开挖面围岩状况，根据评估结果准备锚杆、钢筋网、喷射混凝土设备、钢拱架等支护材料和设备。按设计确定锚杆孔位置并钻孔，之后插入锚杆并注入水泥砂浆，使不稳定岩体与稳定岩体相连增强整体性。随后铺设钢筋网，将其与锚杆牢固连接，起到分散应力、防止喷射混凝土开裂的作用。当围岩条件差时，还需安装钢拱架，将其准确安装在开挖面并与锚杆、钢筋网固定，提供较强支撑力控制围岩变形。利用喷射机将混凝土均匀喷射到开挖面和支护结构上，注意控制压力、角度和厚度，使其与围岩及支护结构紧密结合形成防护层。支护完成后，对支护质量进行检测，检查锚杆锚固力、喷射混凝土强度等，同时在隧洞内布置监测点，实时监测围岩变形、应力等情况。

（三）爆破作业技术

根据隧洞地质条件、断面尺寸和开挖要求等确定炮孔深度、间距、角度以及炸药类型、装药量等参数，并设计合理起爆顺序，然后用测量仪器精确确定炮孔位置和方向并做好标记。随后采用凿岩机等设备钻孔并装药连线，按设计装药量装炸药、安雷管并连接起爆网络。爆破前开展安全警戒，全面检查爆破区域及周边，设置警戒标志并疏散无关人员。确认安全后按规定程序起爆，爆破后立即启动通风设备排出有害气体和烟尘。通风完成后检查爆破效果，评估岩石破碎程度和隧洞成型情况，如有问题及时调整爆破参数，为下次作业积累经验。

二、水利隧洞塌方问题的处理施工技术

（一）坍塌体顶部处理

将坍塌体顶部松散的土石料清除干净，移除会引发二次塌方或影响稳定性的碎石和土块，按照1∶1的坡比进行下挖，以相同的坡度逐步清除坍塌体下面的土石料。清除的土石料会按照现场管理要求进行分类堆放，填充和夯实坍塌造成的凹坑，使用与周围土壤性质接近的材料进行平整。填充和修整完成后，要安装新的支护结构，常见的支护有钢拱架、喷射混凝土以及锚杆系统，先对修整后的坍塌体顶部进行锚杆施工，根据设计要求钻孔并安装锚杆，然后挂设钢筋网，钢筋网与锚杆进行牢固连接，形成一个整体的防护结构，再喷射混凝土作业，利用喷射设备将混凝土均匀喷射在坍塌体顶部及周边，封闭岩体表面。

（二）洞顶拱上部坍塌体加固处理

1.小导管灌浆

坍塌体的岩土体一般是比较松散破碎的且自稳能力较差，小导管可以插入坍塌体中，起到超前支护的作用，限制坍塌体的进一步变形和坍塌。要根据坍塌体的地质条件和工程要求，确定合适的水泥、水、外加剂等的比例，并控制好灌浆压力、灌浆速度和灌浆量。按照设计要求，在隧洞顶拱上部坍塌体区域钻孔，然后将小导管插入孔中，将制备好的浆液通过注浆泵压入小导管中。灌浆时，从一端开始，逐步向另一端推进，采用分段、分层灌浆的方式，注意要密切观察灌浆压力、灌浆量和坍塌体的变化情况，及时调整灌浆参数。灌浆完成后，对灌浆效果进行检查，可采用钻孔取芯、物探等方法，检测坍塌体的强度和密实度。

2.加固锚杆

详细勘察坍塌体的地质状况、范围和程度，根据实际情况设计锚杆的规格、长度、间距和布置方式，运用测量仪器精确确定锚杆孔的位置，在隧洞顶拱上做好标记，然后开始钻孔作业。将加工好的锚杆缓慢插入钻孔中，要保证锚杆插入深度达到设计要求，可在锚杆上设置定位器，使锚杆处于钻孔中心位置。配制好的水泥浆通过注浆管注入钻孔中，从孔底开始向上填充，直至浆液溢出孔口。在注浆完成一定时间后，对锚杆的锚固力进行检测，可采用拉拔试验等方法，如果检测结果不符合设计要求，需分析原因并采取补打锚杆、重新注浆等措施进行处理。

结束语：

总而言之，想要满足我国水利工程建设对高效、稳定、长效工程设施的需求，就必须要做好隧洞工程的开挖施工和塌方处理作业。只有在施工过程选择合适的开挖施工方法，根据实时情况动态调整施工方案，并及时处理好塌方问题，这样才能保证隧道工程在预定时间内按质量完成。

参考文献：

[1]李建俊. 水利工程隧洞开挖技术施工工艺[J]. 水上安全， 2023， （02）： 190-192.

[2]沈爱锋. 水利工程隧洞开挖施工技术的探讨[J]. 建材发展导向， 2023， 21 （04）： 175-177.

[3]李龙. 小断面水工隧洞工程塌方分析及处理措施[J]. 农业科技与信息， 2021， （09）： 119-120.

[4]胡惠珍， 孔买群， 王桂芳， 杨雪， 魏惊蛰. 软弱地质条件下隧洞塌方处理施工技术[J]. 云南水力发电， 2021， 37 （04）： 153-156.

[5]唐经华. 隧洞钻孔爆破技术在水利水电工程施工中的应用分析[J]. 四川水泥， 2020， （11）： 135-136.