關(guān)于輸水隧洞施工支護(hù)技術(shù)的探索分析

紀(jì) 鵬

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110166）

關(guān)于輸水隧洞施工支護(hù)技術(shù)的探索分析

紀(jì) 鵬

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110166）

輸水隧洞的質(zhì)量受到施工支護(hù)的結(jié)構(gòu)、圍巖等穩(wěn)定性的影響，如果沒(méi)有穩(wěn)固的施工支護(hù)則隧洞的使用性存在著安全隱患，因此，在進(jìn)行隧洞施工時(shí)，最重要的是選擇適合該工程且高穩(wěn)定性的施工支護(hù)投入使用。文章首先分析了隧洞工程以及隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)理論，其次對(duì)隧洞施工設(shè)計(jì)理論進(jìn)行綜合闡述，這些都是施工支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論，并且提出幾個(gè)新型施工支護(hù)結(jié)構(gòu)，最后選用適合本施工工程的支護(hù)機(jī)構(gòu)完成隧洞施工過(guò)程。

輸水隧洞；施工支護(hù)技術(shù)；支護(hù)結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；發(fā)展

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，人們對(duì)水需求越來(lái)越高，而我國(guó)是一個(gè)水資源較少的國(guó)家，因此，需要建設(shè)更多的水庫(kù)以及在山體中開(kāi)鑿隧洞，從而使得水資源供應(yīng)于全國(guó)各地以滿足廣大百姓的需求。然而在進(jìn)行地下隧洞開(kāi)挖的時(shí)候面臨著很多的問(wèn)題，需要依靠高新科技以及施工技術(shù)對(duì)其進(jìn)行開(kāi)挖，不僅如此，隧洞的開(kāi)挖需要相應(yīng)的施工支護(hù)技術(shù)，采用合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮出輸水隧洞的真正能力。輸水隧洞具有灌溉、泄水、供水等作用，對(duì)人們的生活意義重大。

1 我國(guó)目前隧洞工程發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)目前隧洞工程在各種地質(zhì)條件下都可以進(jìn)行，根據(jù)當(dāng)前建立完成的隧洞（隧道）以及總延長(zhǎng)都居世界之首，其進(jìn)行隧洞施工的技術(shù)也居于世界前列，例如：多臂鉆、裝載機(jī)、自卸汽車(chē)等聯(lián)合作業(yè)的技術(shù)，以及爆破和錨噴相結(jié)合的施工技術(shù)。

2 隧洞掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展歷程以及現(xiàn)狀

2.1 我國(guó)掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展歷程

隨著我國(guó)的改革開(kāi)放，進(jìn)行隧洞施工時(shí)廣泛應(yīng)用到西方先進(jìn)國(guó)家的隧洞掘進(jìn)機(jī)這一重要施工設(shè)備。到20世紀(jì)50年代開(kāi)始我國(guó)也逐漸進(jìn)入對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行研究的階段，并且在70年代先后制造了50多臺(tái)掘進(jìn)，在施工工程中發(fā)揮著重要的作用，但是掘進(jìn)機(jī)的整體使用壽命較短，相較于西方先進(jìn)國(guó)家來(lái)說(shuō)，其生產(chǎn)效率大大落后于西方國(guó)家，通過(guò)一系列整改、更進(jìn)，終于在80年代得到了飛速的發(fā)展，我國(guó)的掘進(jìn)機(jī)施工從此進(jìn)入一個(gè)新的階段，不僅提高了開(kāi)發(fā)隧道施工效率，而且促進(jìn)了我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展。

2.2 掘進(jìn)機(jī)的較落后于西方國(guó)家的原因

從總體意義上來(lái)說(shuō)，我國(guó)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)與西方有些國(guó)家?guī)缀跬瑫r(shí)起步發(fā)展的，但是其發(fā)展仍較落后于他們，本文將落后于西方國(guó)家發(fā)展的原因進(jìn)行分析陳述：①研制過(guò)程不是一氣呵成的、持續(xù)的，而是間歇性的對(duì)其研制；②對(duì)掘進(jìn)機(jī)的研制、生產(chǎn)資金不足；③掘進(jìn)機(jī)的原材料質(zhì)量較差，從而影響掘進(jìn)機(jī)的使用性能與縮短其使用壽命；④較多企業(yè)對(duì)掘進(jìn)機(jī)以及施工技術(shù)缺乏了解；⑤掘進(jìn)機(jī)不能適應(yīng)于任何施工地質(zhì)、條件。

2.3 分析鉆爆法與掘進(jìn)機(jī)的比較

鉆爆法能夠適應(yīng)于各種施工地質(zhì)、條件中，只需要調(diào)整爆破參數(shù)以及采取預(yù)裂措施就可以進(jìn)行施工開(kāi)挖，另外，鉆爆法施工準(zhǔn)備工作相對(duì)簡(jiǎn)單且無(wú)較高要求，因此，在隧洞開(kāi)發(fā)施工中被廣泛應(yīng)用到。但是鉆爆法也存在著缺點(diǎn)，例如：工序多、開(kāi)挖量大、安全性能差、施工環(huán)境差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等等。

掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度較快、安全性能高、作業(yè)人員少、施工環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)，這些都是鉆爆法無(wú)法與之比擬的。但是掘進(jìn)機(jī)也有著缺點(diǎn)，即對(duì)施工地質(zhì)、施工環(huán)境等有著較高的要求，而且對(duì)隧洞斷面形狀以及尺寸有著較嚴(yán)格的要求。另外，掘進(jìn)機(jī)的相關(guān)設(shè)備以及部件安裝對(duì)施工場(chǎng)地都有著較高的要求，因此，不能適用于較偏僻且地形復(fù)雜的山區(qū)［1］。

綜上所述，以上兩種方法在隧洞施工中發(fā)揮著重要的作用，其自身都存在著優(yōu)缺點(diǎn)，因此，在進(jìn)行隧洞施工時(shí)根據(jù)兩張方法的優(yōu)勢(shì)選擇適合的施工方法，并且發(fā)揮出他們各自的優(yōu)勢(shì)，從而推動(dòng)隧洞施工工程的發(fā)展。

3 隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展以及現(xiàn)狀

隧洞一般屬于地下工程，其施工環(huán)境以及施工條件與地面上施工是截然不同的，且比地面施工要復(fù)雜的多。然而很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)一直借鑒地面施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)研究隧洞施工方法，其不但不能正確闡明隧洞的各種力學(xué)現(xiàn)象以及過(guò)程，而且不利于地下工程的發(fā)展，因此，需要繼續(xù)探索隧洞設(shè)計(jì)、施工等理論和方法。

隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖土力學(xué)有著密切的聯(lián)系，隨著巖土力學(xué)的發(fā)展則隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)理論也有著巨大的發(fā)展。如此一來(lái)，隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)新型的支護(hù)結(jié)構(gòu)，加上巖土力學(xué)的發(fā)展以及測(cè)試儀器分析方法的更新等，從而完善了隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)學(xué)，逐漸成為了一種新的學(xué)科。

在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)理論中有個(gè)重要的問(wèn)題，則是要考慮要支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載該如何確定。而隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)理論是隨著巖土力學(xué)理論發(fā)展而來(lái)的，那么支護(hù)結(jié)構(gòu)理論離不開(kāi)巖土力學(xué)理論，隨著一系列的研究，逐漸探討出了一種新型的支護(hù)技術(shù)并應(yīng)用到隧洞施工工程中。

4 輸水隧洞巖石掘進(jìn)機(jī)施工設(shè)計(jì)

4.1 工程概述

本文就遼寧省大伙房水庫(kù)進(jìn)行分析介紹輸水隧洞工程以及施工支護(hù)技術(shù)。大伙房水庫(kù)是一條超長(zhǎng)輸水隧道，并且屬于地下工程，足以借鑒討論本文隧洞工程施工支護(hù)技術(shù)研究，接下來(lái)將本水庫(kù)工程進(jìn)行簡(jiǎn)單的概述介紹。

輸水隧洞全長(zhǎng)85.31km，此次工程主要采用掘進(jìn)機(jī)與新奧法結(jié)合施工，前24.58km是采用新奧法施工，剩下的有其中兩米進(jìn)行鉆爆法施工以外全程采用掘進(jìn)機(jī)施工，該隧洞一共設(shè)置了16條施工支洞，目的不僅是為了保證施工工作的順序進(jìn)行，而且為日后進(jìn)行檢修、測(cè)試工作時(shí)提供方便。工程所在地主要?dú)夂驗(yàn)榇箨懶詺夂颍募径嘤?，冬季?yán)寒干燥，在進(jìn)行此次施工時(shí)主要漏出以下巖組，例如：混合巖、混合花崗巖、白云石大理巖、石英砂巖、熔巖、斑巖等等。

4.2 巖體隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理以及方法

4.2.1 隧洞的受力特點(diǎn)

4.2.1.1 隧洞在巖土地質(zhì)內(nèi)的開(kāi)挖

由于隧洞在巖土地質(zhì)中進(jìn)行施工開(kāi)挖的，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到隧洞地質(zhì)環(huán)境的影響。隧洞地質(zhì)環(huán)境是指地質(zhì)體的形成、地質(zhì)狀況、原巖力學(xué)特性等，與地面結(jié)構(gòu)不同，地下隧洞的荷載受到當(dāng)?shù)毓こ讨械牡貞?yīng)力的影響其計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜且難以計(jì)算。在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要對(duì)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行全面勘測(cè)了解，從而保證隧洞工程的順利進(jìn)行以及為以后的使用提供保障。

4.2.1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載

隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)受到各種各樣的荷載，例如隧洞周?chē)牡刭|(zhì)、其本身也是一種承載體等等。支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力與原巖應(yīng)力以及地質(zhì)強(qiáng)度等有關(guān)，在地下工程中隧洞支護(hù)發(fā)揮著重要的作用，例如支護(hù)結(jié)構(gòu)還要承載著荷載。

4.2.1.3 隧洞結(jié)構(gòu)受施工方法影響

在隧洞工程施工中其結(jié)構(gòu)的多少以及質(zhì)量都受到施工方法的影響，因此，需要考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及承受力，如果施工方法不當(dāng)，則會(huì)大大降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，甚至容易被破壞。

4.2.1.4 隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力

隧洞工程屬于地下工程，與地上其他工程有著本質(zhì)的區(qū)別，隧洞支護(hù)從而發(fā)揮圍巖的自承力。

4.2.2 隧洞支護(hù)類型

4.2.2.1 剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)

這種支護(hù)結(jié)構(gòu)需要足夠的剛性以及斷面尺寸，通常采用現(xiàn)澆混凝土。剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)構(gòu)造上看，分為貼壁式結(jié)構(gòu)和離壁式結(jié)構(gòu)。其中貼壁式結(jié)構(gòu)是指圍巖與襯砌緊密接觸，中間需要有回填層，但是這種結(jié)構(gòu)防水效果差，一般不采用這種支護(hù)結(jié)構(gòu)用于輸水隧洞施工工程中。而離壁式結(jié)構(gòu)一般依附著其他結(jié)構(gòu)，然而在輸水隧洞施工工程中沒(méi)有可依附的其他結(jié)構(gòu)，因此，缺少保護(hù)和承載的結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)安全事故。

4.2.2.2 柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)受到各種各樣的力，因此在進(jìn)行隧洞水工的過(guò)程中需要考慮到隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)是否安全、是否能夠承載，另外還要考慮到隧洞圍巖的穩(wěn)定性。如果支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度由支護(hù)材料來(lái)評(píng)定，而圍巖的穩(wěn)定性只能憑借以往的經(jīng)營(yíng)來(lái)確定。

4.2.2.3 發(fā)揮圍巖的自承力

在進(jìn)行隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮到圍巖的自承力，在圍巖內(nèi)進(jìn)入塑性，柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)是現(xiàn)在最新的一種結(jié)構(gòu)形式，它具有及時(shí)進(jìn)行支護(hù)的特點(diǎn)，對(duì)圍巖的變形進(jìn)行限制同時(shí)又允許，因此，被廣泛運(yùn)用到輸水隧洞施工工程中。錨噴支護(hù)是襯砌結(jié)構(gòu)的一種主要柔性支護(hù)類型，其適應(yīng)于輸水隧洞施工工程中，且使得圍巖與其結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)共同承載的目的。另外柔性支護(hù)還包括：預(yù)制的薄型混凝土支護(hù)、硬塑性材料支護(hù)、鋼支撐支護(hù)等等。

4.2.2.4 復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)

復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)是將剛性支護(hù)與柔性支護(hù)二者組合，復(fù)合支護(hù)一般適用于軟弱地層，是一種新興的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。這種支護(hù)首先采用柔性支護(hù)讓圍巖釋放大部分變形和地壓，然后余下的圍巖變形再采用剛性支護(hù)進(jìn)行對(duì)其承受，從而保證圍巖的穩(wěn)定性。

5 隧洞開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)

目前對(duì)輸水隧洞洞口施工措施有：噴錨支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨索、鋼筋混凝土地下連續(xù)墻等。隧洞開(kāi)挖施工方法有幾種：全斷面、短臺(tái)階、長(zhǎng)臺(tái)階等。進(jìn)行隧洞開(kāi)挖施工過(guò)程中綜合考慮當(dāng)?shù)毓こ烫攸c(diǎn)以及地質(zhì)、地貌等條件選擇最適合的施工設(shè)備以及施工支護(hù)結(jié)構(gòu)，從而保障施工工程的質(zhì)量以及保證其使用性能、壽命，為以后的使用。首先進(jìn)行地面開(kāi)挖作業(yè)，開(kāi)挖程序?yàn)闇y(cè)量放線—審核—開(kāi)挖——驗(yàn)收。其次進(jìn)行隧洞開(kāi)挖，開(kāi)挖程序?yàn)槎纯陂_(kāi)挖—洞身開(kāi)挖—設(shè)置隧洞內(nèi)通風(fēng)散煙—裝碴運(yùn)輸。隧洞臺(tái)階法施工工藝流程圖見(jiàn)圖1，隧洞全斷面開(kāi)挖施工工藝流程圖見(jiàn)圖2。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)輸水隧洞施工支護(hù)以及技術(shù)進(jìn)行了綜合闡述，并結(jié)合遼寧大伙房水庫(kù)輸水工程進(jìn)行探討，由于隧洞工程屬于地下工程，其施工技術(shù)受到很多應(yīng)力的影響，是一個(gè)極其復(fù)雜的工程。本文對(duì)輸水隧洞施工支護(hù)技術(shù)進(jìn)行探討，是為了輸水隧洞工程更好的進(jìn)行，為以后隧洞施工技術(shù)方面、施工設(shè)備方面更進(jìn)一步的探討而提供相關(guān)參考資料。

圖1 隧洞臺(tái)階法施工工藝流程圖

圖2 隧洞全斷面開(kāi)挖施工工藝流程圖

［1］吉?jiǎng)偅牯?，李?guó)亮，范向輝，郝飛鵬.大直徑薄覆蓋層輸水隧洞施工支護(hù)技術(shù)［J］.人民長(zhǎng)江，2013（16）：71－73，80.

TV554

B

1007－7596（2014）08－0097－03

2014－03－09

紀(jì)鵬（1985－），男，遼寧撫順人，助理工程師。