高原嚴寒缺氧地區(qū)的小斷面長隧洞快速施工技術研究

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摘 要：文章以西藏芒康縣登曲河覺巴水電站為例，介紹小斷面長隧洞在高原嚴寒缺氧地區(qū)、地質條件較差、單向掘進距離長等的不利情況下，如何解決通風排煙、開挖出渣、一次支護、設備故障率高等問題，從而在確保安全質量前提下加快隧洞施工進度的施工技術。

關鍵詞：高原；小斷面長隧洞；快速；施工技術

1 概述

1.1 工程概況

覺巴水電站位于西藏昌都市芒康縣境內的瀾滄江右岸一級支流登曲河中下游河段，采用混合式開發(fā)，正常蓄水位3228.00m，裝機容量30MW，年均發(fā)電量1.47 億kW·h，工程任務為發(fā)電。本工程屬四等?。?）型工程。

引水隧洞采用有壓引水方式，總長為4191.813m，高程為3213～3187m，斷面為城門洞型，開挖斷面尺寸為3m×3.5m（寬×高），開挖斷面面積為9.735m2，凈斷面尺寸為2.1m×2.7m～2.8m×3.1m（寬×高）。整條隧洞共布置2條施工支洞和1條通風洞，1#支洞位于Y0+053.13m，2#支洞位于Y3+418.36m，1、2#支洞間隧洞施工為工程控制性工程，長3365m，坡降為0.424%，單工作面掘進長度約1.8km，調壓井施工洞（兼調壓井通風洞）位于Y3+940m。

1.2 水文地質條件

樁號引1+704.000m 前隧洞段圍巖為陡傾角的大理巖、片巖和變質砂巖，從樁號引1+704.000m 至調壓井之間隧洞段圍巖為流紋巖，自身承載力高，且穿越覺巴山斷裂帶。引水隧洞沿線穿過圍巖類別主要為Ⅲ、Ⅳ類為主，部分Ⅱ、Ⅴ類，Ⅱ類圍巖共計178m，Ⅲ類圍巖共計2288m，Ⅳ類圍巖共計1368m，Ⅴ類圍巖共計357.813m。其中引2+193～2+330共137m為覺巴山斷裂，斷裂帶構造角礫巖、揉皺發(fā)育，易產生塑性變形，該區(qū)域為地下水富集。

2 引水隧洞開挖斷面選擇

隧洞采用有壓引水，電站總引用流量為6.15m3/s，流量較小。隧洞斷面尺寸主要由施工要求的最小斷面確定，隧洞斷面為城門洞型，開挖斷面均采用3.0m×3.5m（寬×高）。

從圖1中可看出，隧洞的高度受隧洞出渣時扒渣機裝渣高度控制（距離地面2.5m），3.5m高度較為合適。隧洞寬度具有一定優(yōu)化空間，但隧洞采用農用車出渣，隧洞寬度有一定安全余量，便于農用車快速通行，同時隧洞中經常有工作人員通行，隧洞也有一定寬度，減少了發(fā)生安全事故的概率，對快速施工較為有利。因此引水隧洞開挖斷面選擇3m×3.5m（寬×高）便于快速施工，斷面選擇較合適。

3 隧洞快速開挖施工方法

本電站控制性線路為1#～2#施工支洞間主洞開挖支護施工，長3365m，1#施工支洞長99.5m，2#施工支洞長125m，支洞及主洞全長3589.5m，最大獨頭工作面約1800m。為實現(xiàn)快速施工，與常規(guī)隧洞施工方法相比，主要從管理模式、資源配置和如何提高在高原建設環(huán)境下的施工工效等方面采取了相關措施。

3.1 管理模式

3.1.1 建設單位的管理模式

為探索西藏水電項目管理模式，電站主體工程采取設計施工總承包模式建設，為加強質量管控，同時設置工程建設監(jiān)理。建設單位將“抓關鍵項目，控制重點工序，全面促進工程進展”作為進度管理的指導原則，實行層層目標負責制。重點督促承包人的保障措施及資源落實情況，嚴格把關承包人的“架子隊”隊員及隧洞施工管理人員，對不合格隊伍及人員予以清退；制定進度“紅、黃牌”考核制度，同時配套制定獎罰措施并嚴格執(zhí)行，直接獎罰至作業(yè)班組及作業(yè)人員，充分調動作業(yè)人員的積極性。

3.1.2 承包人的管理模式

承包人實行“一級管理、二級核算、隊為基礎”的管理模式。項目部成立專業(yè)洞挖架子隊，架子隊分設專業(yè)班組。架子隊隊長為項目部隧洞施工經驗豐富管理人員擔任，同時項目部各級管理人員全程跟蹤監(jiān)督管理，并進行技術指導。對隧洞開挖支護進度進行日跟蹤，實現(xiàn)周考核并進行獎懲，以充分調動各級人員的積極性。

3.2 資源配置情況

3.2.1 高原嚴寒缺氧地區(qū)降效情況

在高原缺氧條件下，人員、機械設備降效嚴重，不能充分發(fā)揮應有的效率，且機械設備完好率下降嚴重，施工中為保證工程建設的正常開展需引進或儲備足夠數(shù)量的勞動力、機械設備和備品配件等，相比內地完成同類型項目工程量要投入更多的人力、物力和財力，致使投入成本大大增加。查閱水電建筑工程概算定額（2007），在海拔3200m地區(qū)人工、機械效率理論降低系數(shù)分別為1.2、1.45。

芒康縣地處藏東，交通不便給設備運輸、維修帶來很大的影響。即使常用備品、備件備足，設備維護到位，高原地區(qū)對設備的影響也還是非常大，一些偶發(fā)的設備故障需要等專業(yè)的維修人員或零件從內地進入，直接影響工程建設進度。

3.2.2 資源配置情況

隧洞作業(yè)人員、設備及備品、備件的數(shù)量按內地常規(guī)配置的1.5～2倍配置，并注重質量選擇。引水隧洞施工各工作面風、水、電及排煙設備專線敷設，確保關鍵線路不因設備問題影響施工進度。冬雨季期間提前儲備足夠的物資材料等資源，確保了現(xiàn)場施工連續(xù)性。

3.3 隧洞開挖

隧洞開挖分為測量放線、鉆孔爆破、通風散煙、安全處理、出渣、一次支護等工序。為實現(xiàn)快速施工縮短工序銜接時間，除特殊原因外，對各工序脫節(jié)超過1小時的給予經濟處罰，有效促進了工序銜接。

3.3.1 測量

引水隧洞采用Leica TCA2003全站儀配合激光指向儀測量。激光指向儀有效指向，便于鉆爆工控制鉆孔方向，同時可減輕測量工作量。安裝指向儀后，間隔一排炮用全站儀檢查指向儀指向是否正確，并檢查開挖斷面。

3.3.2 鉆孔爆破

覺巴山以西（隧洞上游）巖石為片巖、變質砂巖互層，片巖硬度為5～6度，變質砂巖硬度為5～7度；以東（隧洞下游）為流紋巖，硬度為6度。采用YT28氣腿式手風鉆鉆孔，全斷面開挖。爆破參數(shù)見表1～表2。

說明：Ⅱ類圍巖采用隨機錨桿支護，不占直線工期；Ⅲ類圍巖采用隨機錨桿+素噴支護，約8排炮支護一次約12小時，平均每排炮一次支護時間為1.5小時。Ⅳ類圍巖采用系統(tǒng)錨桿+素噴支護，每排炮支護一次約4小時。Ⅴ類圍巖采用超前錨桿（根據(jù)需要進行超前灌漿）+鋼拱架+網噴支護，每排炮支護一次約7小時。

3.3.3 安全處理

隧洞開挖過程中，安全工作尤其重要。安全處理分為出渣前安全處理及日常安全處理兩個環(huán)節(jié)。

具體措施為：

出渣前安全處理：在出渣前，由有經驗的安全處理人員對爆破區(qū)影響范圍內的邊頂拱圍巖進行清撬處理。清撬時，采用長撬錕，工人距離清撬處的距離不得少于2m，工人不得站在清撬部位的下方。如清撬困難又有大塊體掉落的危險，可采取扒炮的方式將危險大塊體炸落。

日常安全處理：對于未及時封閉的圍巖，隨著爆破震動或風化影響，有局部掉落的可能。在每間隔50m設置圍巖收斂變形監(jiān)測的基礎上，由專業(yè)的安全處理人員每天進行檢查，遇有松動巖塊及時清除。對于進行噴錨支護的圍巖，也需經常檢查，如有開裂現(xiàn)象，需分析原因，及時處理。

總之，避免出現(xiàn)安全事故，是隧洞實現(xiàn)快速施工的基礎條件，不得因盲目搶工期忽略安全工作。對巖石較差地段，采取“短進尺、弱爆破、勤觀測、強支護”的隧洞快速施工方式；同時對進入斷裂帶等特殊洞段采用數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)進行物探檢測成像分析巖性及裂隙分布情況進行超前地質預報，提前采取應對措施避免了因盲目掘進出現(xiàn)不必要的塌方現(xiàn)象。

3.3.4 通風散煙

在高海拔寒冷氣候條件下，隧洞施工通風是制約隧洞能否實現(xiàn)快速施工的關鍵因素。為實現(xiàn)快速施工，本工程采取的隧洞通風方式為正壓壓入式送風；另外，洞內出渣設備增加煙塵凈化裝置，可大大改善洞內出渣過程中的工作環(huán)境。

在洞口配置軸流風機供風。軸流風機選型與隧洞長度、風壓、風量等因素有關。計算公式為：

（1）洞內施工人員及爆破散煙需要的風量計算

一是施工人員需要的用風量：Vp=vpmK。

式中：Vp-施工人員所需風量，m3/min；vp-洞內每人需要的新鮮空氣，一般按3m3/min計算；m-洞內同時工作的最多人數(shù)，本隧洞按10人計算；K-風量備用系數(shù)，一般為1-1.15，本處選1.15。

（2）通風機工作風量的計算

通風機的工作風量應為施工所需風量與風筒漏風量之和。依據(jù)公式：Vm=（1+PL/100）·V。

式中：Vm-風機工作風量，m3/min；V-洞內施工需要的有效風量，本工程為759.25m3/min；L-風管長度，本工程為1912m；P-每100m風管漏風量，本工程為高強絲風管，取2%。

（3）通風機電機容量的選擇

式中：N-通風機電動機容量，kW；Vm-通風機工作容量，m3/s；hm-通風機工作風壓，mmH2O，本工程取50；r-空氣重率，海平面為1.2，本工程取1.0；B-電動機容量儲備系數(shù)，本工程取1.5；η1-靜壓效率，取0.5；η2-機械傳動效率，取0.5。

（4）風機與風管的布置

根據(jù)以上計算及施工中風量的損耗及相關施工經驗，通過選型，風機型號為SFD-Ⅱ-8.7A型對旋軸流風機，風機功率為2×55kW，風壓4000～8000Pa，流量1140～1900m3/min，風量、風壓及功率均滿足計算并有一定富裕（當選用1×55kW時風量、風壓只能滿足約1000m的通風要求）。

受隧洞斷面限制，本隧洞風管選用直徑60cm的高強絲風筒，掛在隧洞頂部，以便設備出渣時不受通風影響。

當選用2×55kW通風機時，最大通風距離為1912m，滿足本工程最大獨頭工作面距離1800的要求。為節(jié)約供電，根據(jù)隧洞的進尺，選擇合適的通風機（11kW、37kW、1×55kW、2×55kW逐級遞增）。

3.3.5 出渣

隧洞出渣方式可選擇無軌運輸及有軌運輸。無軌出渣方式采用WZL-100型履帶式扒渣機裝渣，配置2t農用車運渣；有軌出渣方式；采用WZL-100型履帶式扒渣機裝渣，鋪設24kg/m的軌道，配置8T軌道電車及6m3梭車運渣。兩種出渣方式的技術、經濟比選見表3。

通過比選，無軌出渣方式在經濟上、出渣時間及故障率等方面占優(yōu)勢，缺點是農用車尾氣排放對工人身體的危害，本工程采用無軌方式出渣。

對農用車尾氣排放采取的措施如下：一是在農用車尾氣排放管上安裝MINE-X 柴油機尾氣過濾器（芯體原裝進口），對廢氣有害物質CO、HC臭味、DPM黑煙轉化為H2O和CO2，轉化率分別達99%、90%、30%，且該裝置安裝較為方便，只需將產品直接安裝在排氣歧管出口的波紋管后，排氣管接口尺寸根據(jù)不同的發(fā)動機定制；二是根據(jù)隧洞進尺深度逐步加大通風機功率；三是加強勞動保護用品的正確佩戴。采取以上幾點措施有效提高了洞內空氣質量，提高了洞內設備及人員的功效。

3.4 一次支護

為實現(xiàn)隧洞的快速施工，需解決好開挖與一次支護之間的關系，采取的主要措施有：一是采取光面爆破，嚴格控制開挖質量，使爆破對周邊圍巖的影響降到最低，降低開挖支護量；二是采取“新奧法”施工，及時進行支護，開挖后地質工程師及時進行地質編錄并確定適當?shù)闹ёo方式；三是有效利用巖石變形時間：每排炮開挖后噴錨支護，準備工作及收尾工作將占用2～3小時，必將影響到開挖進尺，根據(jù)有效的安全監(jiān)測提供科學的巖石變形數(shù)據(jù)，充分利用巖石自穩(wěn)時間，Ⅱ類圍巖采取隨機錨桿支護，Ⅲ類圍巖開挖20m后噴錨支護，Ⅳ、Ⅴ類圍巖每排炮及時支護，有效的節(jié)約了支護時間。

3.5 冬季隧洞施工技術措施

冬季施工主要的影響有施工用水、用油問題，覺巴電站氣溫資料見表4。從表4中可看出，每年的11月～次年3月，尤其是12月～次年2月夜間氣溫較低。

3.5.1 冬季施工用水

冬季隧洞開挖主要涉及用水問題，水管易結冰，風鉆無法使用，嚴重影響隧洞的快速施工。采取的主要措施有：一是將蓄水箱及供水管路埋入地下；二是為防止管路內結冰，每次用水完畢，將管內、水箱內積水放空，用水時從河中抽水，由于水在流動時不易結冰，解決了水管凍結對施工的影響；三是如前述措施均不能解決水管結冰問題，則在洞內適當位置設立集水箱，用水泵抽水，利用洞內溫度高的特點解決水管結冰。

本工程采取上述措施后，有效解決了水管結冰問題，為快速施工創(chuàng)造了有利條件。

3.5.2 冬季施工用油

由于氣溫低，常用的0#柴油冬季無法滿足施工需要，夜間施工設備無法啟動，嚴重制約了隧洞的快速施工，本工程在冬季改用-20#柴油，有效解決了該問題。

4 實施效果比較

引水隧洞1#、2#施工支洞分別于2013年10月3日、12月26日正式進入主洞開挖施工，通過一年多的實踐，摸索出了一套高海拔、高寒缺氧、小斷面長隧洞快速施工技術，主洞于2015年1月29日順利貫通，較合同工期提前10個多月貫通。主關鍵線路1#、2#施工支洞間主洞月平均進尺116m/月，1#施工支洞下游月平均進尺128m/月，最高月進尺達168m/月。與類似工程相比，在施工進度上有明顯提高，詳見表5。

5 結束語

開挖施工中，合理配置資源及設備完好率是快速施工的關鍵，合理組織安排施工程序及調動參建人員的積極性是保障快速施工的重要因素。對不良地質洞段采取及時支護或超前支護是確保隧洞安全施工的前提，從而保障隧洞順利施工。高原高寒缺氧、小斷面長隧洞快速施工技術在本工程的成功實踐，可為類似工程提供借鑒參考作用。

參考文獻

[1]水利電力部水利水電建設總局.水利水電工程施工組織設計手冊 第二卷 施工技術[M].中國水利水電出版社，2008.

[2]郭進平，聶興信.新編爆破工程實用技術大全[M].光明日報出版社，2002.

作者簡介：席隆海（1982-），男，四川廣安人，華能瀾滄江水電股份有限公司，工程師，主要從事水電工程項目管理工作。