水利水电工程建筑中隧洞开挖施工技术要点

引言

隧洞作为水利水电工程中泄洪、引水、导流的核心结构，其施工面临地质条件复杂、断面形式多样、水流状态差异大等挑战。据统计，我国已建水利水电工程中，隧洞工程占比超 40% ，而施工期塌方事故率高达 12% ，凸显技术管控的重要性。本文基于工程实践，系统梳理隧洞开挖的技术要点，旨在提升施工标准化水平，降低安全风险。

1、隧洞开挖技术特点与施工难点

1.1 技术特点

隧洞开挖具有以下核心特征：

地质依赖性强：围岩类别直接影响施工方法选择。例如，Ⅲ类围岩可采用全断面开挖，而Ⅳ类围岩需分部开挖并加强支护。

水流状态复杂：无压隧洞需控制自由水面坡度，有压隧洞则需保证全断面过水能力。南水北调中线工程中，输水隧洞采用马蹄形断面，通过优化体型设计减少气蚀风险。

施工空间受限：断面高度大于 8m 时需采用台阶法开挖，以解决出渣与通风矛盾。引黄入晋工程中，通过设置导洞改善通风条件，使单工作面日进尺提升 30% 。

1.2 施工难点

地质突变应对：长隧洞施工中，探孔间距通常控制在 20-30m ，但断层破碎带仍可能导致塌方。汾河水库泄洪洞施工中，通过超前锚杆支护与短进尺循环，成功穿越宽度达 5m 的断层带。

爆破振动控制：周边孔间距需根据岩性动态调整，硬岩中采用 0.5m 间距，软岩中缩小至 0.3m. 。灵石石膏山水电站引水隧洞通过光面爆破技术，将超挖量控制在 5% 以内。

支护时效性要求：Ⅳ类围岩段支护滞后开挖不得超过 5m ，Ⅴ类围岩需紧跟掌子面。西苗坝隧洞施工中，采用钢拱架 + 喷混凝土联合支护，使围岩变形速率降低 75% 。

2、隧洞开挖核心技术要点

2.1 开挖方法选择

根据围岩条件与断面尺寸，主要采用以下方法：

全断面法：适用于Ⅲ类及以上围岩，断面面积小于 100m² 时效率最高。西苗坝隧洞采用全断面开挖，月进尺达 120m ，较导洞法提升 40% 。

台阶法：将断面分为上下台阶，上台阶高度控制在 3-4m₀ 。南水北调穿黄隧洞施工中，通过设置1:0.75 的台阶坡度，实现爆破与出渣平行作业。

导洞法：包括上导洞、下导洞及双导洞等形式。横泉水库泄洪洞采用上导洞法，通过导洞探明前方地质，使塌方处理成本降低 60% 。

2.2 爆破技术优化

光面爆破设计：周边孔采用不耦合装药结构，药卷直径控制在 25-32mm 。加设钢筋网时，爆破振动速度需低于 10cm/s ，以避免支护结构损坏。

预裂爆破应用：在隧洞与边坡交界处设置预裂孔，孔距缩小至 0.4m ，装药量减少 30% 。三峡工程永久船闸施工中，预裂爆破使边坡平整度误差控制在 ±5 cm 以内。

数码电子雷管使用：通过精确延时控制，将单段最大药量降低至传统雷管的60% 。引江济淮工程中，数码雷管使爆破飞石距离缩短至 50m 以内。

2.3 支护体系构建

在隧道及地下工程等施工中，科学合理的支护体系构建是保障工程安全与稳定的关键环节，其涵盖锚杆支护、喷混凝土施工以及钢拱架安装等多个重要方面。

锚杆支护作为主动支护形式，能有效调动围岩自身承载能力。系统锚杆的间距需依据围岩类别精准确定，对于稳定性相对较好的Ⅲ类围岩，采用 1.5m×1 5m 的布置方式，既能保证支护效果，又能兼顾经济性；而对于稳定性较差的Ⅳ类围岩，则需加密至 1.0m×1.0m ，以增强对围岩的约束作用。锚杆长度方面，必须达到开挖轮廓线外 1.5 倍洞径，如此可确保锚杆深入稳定岩层，形成有效的承载拱，阻止围岩变形与松动。

喷混凝土施工是快速封闭围岩、防止其风化和剥落的重要手段。采用湿喷工艺时，水泥用量需严格控制在 400-450kg/m³ ，速凝剂掺量保持在 4%-6% ，以此保证混凝土的早期强度和快速凝结。喷射作业需分 3 次进行，每次喷射厚度不超过 5cm，避免因一次喷射过厚导致混凝土下坠、开裂等质量问题，最终总厚度不得小于 15cm ，以满足支护强度要求。

钢拱架安装能为围岩提供强大的支护抗力。工字钢拱架间距控制在 0.8- 1 2m ，根据围岩实际情况灵活调整。连接板螺栓扭矩需达到设计值的 90% 以上，确保拱架各部件连接牢固，形成整体受力结构。格栅钢架适用于软岩隧道，其加工偏差不得超过 ±3cm ，精确的加工尺寸能保证钢架与围岩紧密贴合，充分发挥支护作用，保障施工安全与工程质量。

2.4 施工安全控制

通风系统设计：独头掘进超过 300m 时，必须采用机械通风。轴流风机风量需满足 3m³/(L⋅min) )的最低要求，风管百米漏风率控制在 2% 以内。

排水措施实施：洞内设置纵向排水沟与横向截水沟，坡度不小于 2% 。突涌水地段采用“排堵结合”方案，注浆压力控制在 0.5-1.0MPa_⨀ 。

监测预警系统：收敛计布设间距根据围岩级别调整，Ⅲ类围岩每 20m 设一组，Ⅳ类围岩加密至 10m 。当日收敛量超过 3mm 时，需立即暂停施工并加固支护。

3、工程实例分析

3.1 引黄入晋工程南干线 7 号隧洞

该隧洞全长 12.3km ，穿越砂页岩互层地带。施工中采用以下技术措施：

混合开挖法：前 5km 采用上导洞法探明地质，后 7.3km 改用全断面法。通过动态调整，使月平均进尺从 45m 提升至 82m_⨀ 。

复合支护体系：在断层破碎带采用“超前小导管+钢拱架 + 喷混凝土”联合支护，使塌方处理时间缩短至 72 小时内。

智能监测系统：部署光纤光栅传感器，实时监测围岩应力变化。系统成功预警3 次局部塌方，避免人员伤亡。

3.2 南水北调中线穿黄隧洞

该工程需穿越黄河河床，面临高水压、强渗透等挑战：

双层衬砌结构：内层采用钢筋混凝土，外层为预应力混凝土，两层间设置排水盲管。通过压力注浆填充空隙，使渗流量控制在 0.1L/(min⋅10m) )以内。

泥水平衡盾构法：在河床段采用盾构机开挖，通过调整泥浆比重控制开挖面稳定。盾构直径 9.03m ，月掘进速度达 420m 。

三维激光扫描技术：每 50m 进行一次断面扫描，生成高精度三维模型。通过比对设计数据，将超欠挖控制精度提升至 ±2cm 。

4、展望

未来研究应聚焦于以下方向：

开发适用于复杂地质的智能掘进装备，提升施工效率与安全性。

建立隧洞施工风险评估模型，实现事故预警的精准化。

研究碳捕获与封存技术在隧洞工程中的应用，推动行业低碳转型。

结语

隧洞开挖施工技术需综合考虑地质、水文、机械等多重因素，其核心在于

动态调整策略：根据围岩暴露时间与变形监测数据，实时优化支护参数与开挖进度。

智能化技术应用：推广 BIM 技术进行施工模拟，利用无人机进行洞外地质勘查，提升决策科学性。

绿色施工理念：采用水力钻机减少粉尘排放，应用再生骨料混凝土降低环境影响。

通过技术创新与管理优化，隧洞开挖施工将向“安全、高效、绿色”方向持续演进，为水利水电工程建设提供更强支撑。

参考文献

[1]水利工程隧洞开挖技术施工工艺.李建俊.水上安全,2023(02)

[2]水利工程隧洞开挖施工技术与质量控制.李军怀.建材发展导向,2022(20)

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[4]国内悬臂式掘进机隧洞开挖的成本分析.付进;刘欣意.四川水利,2016(01)

[5]谈水利工程隧洞开挖中辅助施工措施.褚彦霞.黑龙江科技信息,2012(28)

[6]高原昔格达地质隧洞开挖施工中的安全及质量控制.卓亚鹰.四川水利,2024(06)