一、工程概况

驷马山灌区续建四级站干渠工程跨越安徽省肥东和定远两县，工程内容主要包括四级站扩容改造、进口拦污闸及进水池、输水暗涵以及提水泵站等。输水暗涵/渠道续建长度为20.34km，其中肥东县境内约16.92km，定远县境内3.42km，设计输水流量24m3/s，衬砌后隧洞内径为4.2m钢筋混凝土现浇有压圆涵。

二、地形地质条件

工程区位于江淮丘陵中部，地貌为岗坳相间堆积、剥蚀的波状平原，岗地的地面高程在60m左右，坳谷地面高程一般在40m以下，岗坳以缓坡相连，发育有受降水控制明显的下切“V”字形河流，河间滩地狭窄且不发育。

根据全部明开、盾构、部分明开部分洞挖等多种经济技术方案比选，以及考虑工程建设征地难度（约83.2%长度位于肥东县境内），拟建渠线全部采用地下涵，总长20.34km，其中开挖回填段长7.14km，洞挖段长13.2km。

根据地勘资料，洞身沿线位于不同岩层：桩号3+250～4+100洞顶覆盖层厚度为6～15m，以重粉质壤土、全～弱风化粉砂岩、泥质砂岩为主；洞身位于弱风化粉砂岩、泥质砂岩层中。4+750～5+850段洞顶覆盖层重粉质壤土层厚6～13m；洞身位于重粉质壤土、强风化粉砂岩、泥质砂岩层中，绝大部分位于重粉质壤土层中，本段基本为土洞。6+350～17+600段洞顶覆盖层厚度差别较大，最薄处6m左右，最厚处近32m，以重粉质壤土、全～微风化粉砂岩、泥质砂岩为主；洞身位于弱～微风化粉砂岩、泥质砂岩层中。洞挖段围岩级别均为V类，稳定性均非常差。

二、隧洞开挖及临时支护

1.隧洞断面开挖方案

设计输水洞线二衬后断面为直径4.2m的圆形隧洞，衬砌厚度50cm，根据《水利水电工程锚喷支护技术规范》（SL377-2007），初次支护喷混凝土厚度取250mm，则隧洞开挖直径至少为5.7m。

根据工程地质条件及相关工程开挖经验，当开挖断面为较小的圆洞时，出渣困难，可考虑先开挖成马蹄形或城门洞型或垫渣方式解决，在围岩条件很差情况下，城门洞型由于自身稳定性差，极少采用。该工程在设计阶段通过圆形开挖和先开挖成马蹄形再二衬为圆形两种开挖断面方案进行经济技术比较，从围岩稳定、施工方便，造价等方面综合考虑，选用马蹄形开挖断面方案。马蹄形断面的拟定以底部仰拱段圆弧弦长不小于4.0m，两端与侧墙圆弧平顺相接，初步拟定断面见图1。

根据各隧洞段地质情况，泥质粉砂岩为贫水地层，地下水位位于结构顶板之上，但出现涌水的可能性不大。根据地质资料，该工程洞身岩石单轴饱和抗压强度均在10MPa以下，如采用钻爆开挖，对周边V类围岩稳定影响大，且造价高，考虑到该工程围岩稳定性极差，采用矿用悬臂式掘进机进行强～微风化粉砂岩、泥质砂岩开挖，在壤土层和全风化岩层采用0.6m3挖掘机或履带式扒渣机直接进行开挖，尽可能减少对围岩的扰动。

图1 开挖断面图

2.临时支护方案

由于洞挖段围岩均为V类，围岩不能自稳，极易变形失稳。洞顶覆盖层厚度为6～32m，覆盖层厚度和开挖洞径比值为1.05～5.61，根据我国当前土隧洞开挖技术水平和经验，针对该工程中小断面的V类围岩隧洞（围岩极不稳定，不能自稳，极易坍塌，覆盖层薄的可能塌至地表），可采用新奥法与超前支护等辅助方法相结合的临时支护方案，初次支护拟采用挂网（钢筋网）喷混凝土、系统锚杆、型钢钢架，并采取必要的管棚、超前小导管等超前支护措施。参照类似工程经验，初拟支护参数如下：

对于土质洞，开挖前在掌子面150°范围内打设φ108×8m管棚，斜插角3°，在180°范围内斜插小导管注浆超前支护，斜插角10°；对于V类围岩的岩质洞，开挖前在掌子面在180°范围内斜插小导管注浆超前支护。开挖后均采用型钢钢架和钢筋网并喷射250mm厚混凝土支护，洞周梅花形布置φ32、长3.5m药卷锚杆。临时支护结构见图2。

3.支护稳定计算分析

图2 支护结构图

隧洞开挖后至支护起作用前，对隧洞来说是最危险时段，需加强位移和变形观测，发现位移和变形超过允许值时要及时采取措施，加强支护。考虑二衬施工对施工交通的影响，计划在每段洞通后再进行二衬混凝土浇筑，因此初期支护后到二衬混凝土浇筑尚需间隔较长时间，初期支护的结构稳定关系到工程安全、进度，也是控制投资的关键因素，初期支护要确保围岩长期稳定，根据理正隧道衬砌计算软件和初衬标准断面（同时考虑地下水作用）对支护结构进行内力分析计算，选取底拱、侧拱、顶拱各等分10个点位进行弯矩、切向位移、法向位移、转角、围岩抗力等计算，均满足稳定要求，计算结果见表1。同时用midas GTS NX有限元程序进行了复核，结果也满足要求。

4.施工期安全监测

为了确保洞挖施工安全，初衬稳定，除采用安全、可靠的设计及先进的施工工法外，另一个必不可少的工作就是要进行严密的现场监测，通过对测量得到的数据进行分析，将信息反馈到施工中，与工程安全标准及允许变形对比得到分析结果，最终达到使工程安全、稳步推进的目的。因此，施工期安全监测是洞挖工程施工过程中的重要环节。

根据相关规范，洞内应主要监测以下内容：洞室内空间收敛变形、顶拱沉降、底拱上抬、围岩对支护结构的压力、围岩应力、支护结构应力变形等。洞外应监测下列内容：地面沉降、地下水位、地面建筑物倾斜及开裂等。洞内监测以埋设的监测仪器为主，洞外监测以人工观测监测为主，重点为洞内监测。

表1 支护稳定计算结果表

根据洞身穿过不同地质地层条件（根据地勘资料主要有4种地质地层条件），每种地层条件根据长度不同设置2～8个观测断面，每个观测断面不少于4个测点，通过埋设应变计、位移计、无应力计、钢筋计等，观测顶拱沉降、侧墙位移变形、喷护混凝土应力应变、钢筋（钢结构）应力等，同时还要进行外水压力、围岩与支护结构接触压力监测等。在工程实施阶段，应根据开挖支护试验，提出明确的监测要求、监测方法、报警指标等，确保洞挖和支护结构安全。

四、结语

上述开挖支护方案均为设计阶段初步拟定方案，是在参照类似工程施工经验的基础上采用工程类比法与监测量测相结合的基础上进行设计的，在工程正式实施前须进行开挖支护试验，根据试验结果对支护参数进行优化调整，找出适合该工程开挖支护参数，为工程顺利实施，提供技术支撑■