山西中部引黃工程小斷面隧洞快速掘進施工方法

張 大 牛

(中鐵十二局第二工程有限公司，山西 太原 030032)

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山西中部引黃工程小斷面隧洞快速掘進施工方法

張 大 牛

(中鐵十二局第二工程有限公司，山西 太原 030032)

結(jié)合山西中部引黃工程的水文地質(zhì)條件，分析了小斷面隧洞快速掘進的施工難點及關(guān)鍵因素，并從施工部署、加寬段距離、工序銜接等方面，闡述了具體的施工方法，總結(jié)了施工安全、質(zhì)量保障措施，實現(xiàn)了小斷面隧洞的快速施工。

小斷面隧洞，開挖掘進，超前支護，掌子面

1 概述

1.1 工程概況

山西中部引黃工程某標段，位于山西省呂梁市以北約6 km處，工程以上小斷面隧洞為主，全標段長、中、短隧洞共有7座，其中包含3.915 km小斷面分水洞退水洞隧洞1座，開挖斷面僅15.7 m2。合同工期共計38個月。

1.2 工程地質(zhì)水文

1)水文氣象。工程區(qū)內(nèi)各氣候要素分述如下：

a.氣溫：山西省呂梁市多年平均氣溫7 ℃～10.9 ℃。b.降水：區(qū)內(nèi)降水量分布不均，多年平均降水量為438.4 mm～569.9 mm，汛期降水量占全年的70%，最大月降水量多發(fā)生在7月、8月兩個月。c.蒸發(fā)：區(qū)內(nèi)20 cm蒸發(fā)皿年蒸發(fā)量1 537 mm～2 195.6 mm。d.其他：初霜期10月上旬～11月上旬，終霜期3月下旬～4月上旬，無霜期130 d～190 d左右，最大風速10 m/s～27 m/s，最大凍土深79 cm～131 cm。

2)工程地質(zhì)條件。山西中部引黃工程某標段小斷面隧洞分水退水洞主要穿過寒武系上統(tǒng)長山組薄板狀灰?guī)r、夾竹葉狀灰?guī)r及上統(tǒng)崮山組薄板狀灰?guī)r、夾竹葉狀灰?guī)r、頁巖；穿越奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組下段泥灰?guī)r夾灰?guī)r，該段巖溶地下水位位于洞底以下；多為軟～較軟巖。巖溶地下水位于洞底以下，局部洞段存在層間水的可能，基巖洞巖溶較發(fā)育，可能遇溶洞。地質(zhì)條件較為復(fù)雜，施工難度較大。

施工支洞埋深為60 m～230 m，局部地段埋深僅4 m。

2 工程特點

山西中部引黃工程某標段隧洞開挖掘進斷面小，襯砌后隧洞寬度為2.8 m，高度為3.735 m，導(dǎo)致開挖與襯砌工作不能形成流水作業(yè)，必須完成全部隧洞開挖支護后，方可進行隧洞二次襯砌施工；受前期征地影響，小斷面開工時間為2014年7月1日，為保證工程于2016年5月31日竣工，隧洞掘進必須于2015年7月31日完成，其中考慮冬休1個月。單洞掘進1 617 m，日平均掘進量4.06 m，工期緊；圍巖較差，隧洞開挖過程中發(fā)現(xiàn)，隧洞所處圍巖較差，以泥灰?guī)r、泥巖為主，隧洞圍巖多為水平薄層布置，圍巖自穩(wěn)性差，多為Ⅴ類圍巖。且隧洞多次穿越溝壑，圍巖變化頻繁；洞內(nèi)通風除塵難度大，斷面小導(dǎo)致無法布置大管徑通風管，供風量有限；洞口受地形制約，無法集中布設(shè)施工場地。

2.1 小斷面隧洞

1)小斷面隧洞斷面圖見圖1。

2)隧洞進度指標表見表1。

表1 隧洞進度指標表

2.2 工程難點

隧洞斷面小，無法通過增加施工人員和機械設(shè)備提高工作效率、加快施工進度，各種大型設(shè)備也無法進洞作業(yè)。另外，由于斷面小，無法及時施工隧洞襯砌，為保證隧洞結(jié)構(gòu)及洞內(nèi)作業(yè)人員安全，對初期支護工程質(zhì)量要求高。

洞內(nèi)風水管道較多，影響隧洞出渣設(shè)備運行。隧洞獨頭掘進長度大，斷面小，洞內(nèi)通風效果差。

3 影響該隧洞快速掘進的關(guān)鍵因素

1)必須確定合理的加寬段距離。由于隧洞斷面小，無論采用裝載機或耙渣機進行裝渣，都必須設(shè)置加寬段，加寬段設(shè)置的間距過大，導(dǎo)致裝渣時間長，影響工程進度。加寬段設(shè)置的間距小，增加了加寬段數(shù)量，隧洞開挖支護量大，不經(jīng)濟，另外加寬段斷面較大，施工難度大，導(dǎo)致進度較慢。因此必須合理的確定加寬段距離。

2)工序多、銜接頻繁、相互干擾大。由于隧洞斷面小，不能及時進行襯砌施工，隧洞圍巖差，為確保安全，必須按照開挖一循環(huán)，支護一循環(huán)，從而導(dǎo)致超前支護、鉆爆開挖、裝渣出渣、立架、噴錨等工序交替作業(yè)頻繁，準備工作多、時間長，任何一道工序的不及時、不規(guī)范，都將影響下道工序施工，最終影響整體工程進度目標的實現(xiàn)。

4 小斷面隧洞快速施工措施

本標段采用技術(shù)成熟的鉆爆法施工，確定的施工工序為：洞身開挖→排險和出渣→安裝鋼拱架、錨桿及鋼筋網(wǎng)→噴漿→下一循環(huán)施工。

4.1 合理配置施工要素

1)超前支護、開挖、立架班施工要素配置。山西中部引黃工程某標段，施工現(xiàn)場小斷面隧洞，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，每掌子面設(shè)置兩個隧洞施工班，每班配備4名工人，為減少超前支護、開挖與立架作業(yè)之間的相互干擾，超前支護、開挖、立架等工序均由隧洞施工班負責施工，從而做到誰開挖誰支護，如此，可有效的杜絕開挖班和立架班之間的相互推諉、扯皮。另外為保證立架工作能快速完成，開挖班會自覺提高光面爆破質(zhì)量，減少超欠挖，變相的提高了工程質(zhì)量。

為減少每次施工前的準備工作和完工后的收尾工作，壓縮開挖、立架工序的作業(yè)時間，項目部為每個作業(yè)面配備1臺自行式作業(yè)臺車，由農(nóng)用汽車改裝而成(如圖2,圖3所示)，臺車上布置好風管、水管，分別與風槍連接牢固，僅預(yù)留一組風管、水管的主接口與供風、供水管道連接，施工完成后，只需拆除風管、水管的主接口處接頭即可。風槍直接放置在臺車上一并撤出作業(yè)區(qū)。臺車上布置3臺風槍，1臺置于臺車上部，主要施工上部輔助眼及周邊眼。2臺置于臺車兩側(cè)，主要施工掏槽眼及下部輔助眼、周邊眼及底板眼。分別由3名工人操作，1名工人配合施工。

2)出渣作業(yè)施工要素配置。山西中部引黃工程某標段，由施工支洞掘進至分水退水洞較長點后，分別向上下游兩個方向掘進，為保證機械設(shè)備合理搭配，項目部對每個掘進掌子面配備了1臺40裝載機裝渣，4輛載重為15 t的農(nóng)用汽車運渣。

3)噴混凝土作業(yè)施工要素配置。由于分水退水洞斷面小，噴層厚度僅為12 cm，每延米噴射混凝土數(shù)量為1.2 m3，項目部根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對上下游分別安排了一個噴錨作業(yè)班，每班由5人組成，1名噴射手，4名上料工。噴射混凝土由洞外攪拌機集中拌合，由自卸汽車運至作業(yè)面。

噴混凝土作業(yè)，項目部配備了0.5 m3攪拌機1臺，30裝載機1臺，10 t農(nóng)用汽車2臺，噴混凝土機2臺，20 m3空壓機3臺。

4.2 合理確定加寬段距離

山西中部引黃工程隧洞內(nèi)項目限速為5 km/h，假定裝載機裝渣過程中行駛速度為3.6 km/h(1 m/s)，輕重車同速，分水退水洞每延米開挖量為15.7 m3，需40裝渣機裝渣20鏟，即為裝渣機裝渣約20趟，每趟鏟渣需固定時間為8 s，裝車需固定時間為12 s。根據(jù)現(xiàn)場的施工能力，每循環(huán)開挖時間為3.5 h，每循環(huán)立即支護時間為3 h，其中包含了施工準備時間。假定加寬段至掌子面距離為L，在L位置出渣時間為t1，每次開挖進尺為2 m，由加寬段施工至掌子面距離為L時出渣所用的時間總計為t，則有：

t1=L×2×20+20×(8+12)=40L+400。

t=20L2+400L。

山西中部引黃工程分水退水洞加寬段為保證出渣需要，合理的加寬段長度為16 m，根據(jù)設(shè)計要求，加寬段必須安裝拱架，噴錨支護，結(jié)合現(xiàn)場的施工能力，加寬段施工需8 d完成，總時間t2為:

t2=8×24×3 600=691 200 s。

現(xiàn)場規(guī)定，當t1=t2時，應(yīng)再次施工加寬道，由此有t1-t2=0時，得出的L為每個加寬道施工后，可控制的正洞長度。

20L2+400L-691 200→L=176.17 m。

通過上述計算，則分水退水洞加寬段間距應(yīng)為176.17 m，兩個加寬段中心距離應(yīng)為：176.17+16=192.17 m。項目部最終確定的兩個加寬段中心距離間距為200 m。兩個加寬段中心距離直接的施工時間為：

T=8+t1/(24×3 600)+L/2×(3.5+3)/24=8+8.7+24.2≈41 d。

4.3 縮短工序銜接，減少搭接時間

為縮短工序銜接，減少搭接時間，山西中部引黃工程某標段，對每工作面安排1名現(xiàn)場管理人員，主要負責炸藥申領(lǐng)和上下班通知。為減少職工就餐等待時間，項目部職工餐廳實施24 h供餐，無固定就餐時間，確保上下班工人任何時候都有飯吃。

根據(jù)工作內(nèi)容，上道工序施工完成前，下道施工人員提前進場，提前準備材料、機具，檢修機械，確保本工序結(jié)束后下道工序能夠迅速展開。例如隧洞開挖爆破完成后，爆破人員進行排險時，出渣人員、車輛必須到位，交接班在施工現(xiàn)場進行；出渣完畢前，立架班做好準備，拱架、鋼筋網(wǎng)片以及連接筋、鎖腳錨桿等全部裝車，運至施工現(xiàn)場等待，確保出渣完成后，立即進行拱架安裝，工作面不等待；立架工作完畢前，噴錨作業(yè)人員已經(jīng)攪拌好噴錨料，噴錨機等已經(jīng)就位，待立架完成后，立即進行噴混凝土支護。

為減少進場施工現(xiàn)場搭建作業(yè)臺架時間，項目部給各個掌子面分別配備1臺自行式作業(yè)臺架。

4.4 合理壓縮各工序作業(yè)時間

1)鉆爆開挖。根據(jù)分水退水洞隧洞斷面形狀，山西中部引黃工程某標段，在開挖的過程中應(yīng)遵循“石變我變”的原則，對爆破鉆孔進行了詳細設(shè)計，通過設(shè)計，分水退水洞隧洞每循環(huán)爆破鉆孔40眼～43眼。其中：周邊眼間距為55 cm～65 cm，17眼～20眼；采用斜眼掏槽，掏槽眼間距40 cm，8眼，輔助眼間距40 cm～90 cm，10眼；底板眼間距為65 cm，5眼。由3臺28型高壓風鉆機鉆孔，每鉆機施工13個～14個眼。按照爆破設(shè)計進行鉆爆施工，減少了鉆孔數(shù)量，提高了鉆爆效果，嚴格控制循環(huán)進尺和隧洞超欠挖，減少了出渣和噴錨回填量，縮短了循環(huán)作業(yè)時間。

為減少施工干擾，項目部采用激光導(dǎo)向儀導(dǎo)向，取消了鉆孔作業(yè)前測量放樣作業(yè)，對激光的調(diào)整復(fù)核安排在隧洞鉆孔作業(yè)期間進行，減少了測量放樣時間。

2)排險及出渣作業(yè)。山西中部引黃工程某標段，排險工作由開挖班負責，鉆孔爆破開挖后，爆破人員待通風排煙后，對爆破區(qū)進行檢查，消除啞炮后，鉆孔作業(yè)人員進行找頂、找?guī)臀Ｊ謇?，消除安全隱患。

隧洞出渣由出渣班組負責，采用40型裝載機裝渣、農(nóng)用載重汽車運渣，根據(jù)掌子面距裝渣加寬段距離，靈活調(diào)整運渣車輛，在保證出渣連續(xù)的情況下，減少等待時間和人員設(shè)備浪費。

3)初期支護。分水退水洞初期支護立架、安裝錨桿等作業(yè)采用自行式作業(yè)臺架進行施工，在自行臺車上固定安放2臺電焊機，臺車就位后，只需對電焊機接線后，即可開始施工。為減少立架班與鉆爆開挖班因隧洞欠挖等原因造成的相互扯皮，立架作業(yè)由鉆爆開挖班一并完成。分水退水洞拱架較輕，立架作業(yè)定員4人，拱架拼裝后，2名工人負責焊接，2名工人負責運送、傳遞連接筋、鋼筋網(wǎng)片、錨桿等材料物資。

為連續(xù)施工，項目部將系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿安裝時間調(diào)整至噴錨完成之后，與隧洞開挖鉆孔作業(yè)一道進行，如此，可節(jié)省鉆孔作業(yè)班組上下班次數(shù)，減少搭接時間。在下一循環(huán)噴錨作業(yè)時，僅需要對上一循環(huán)錨桿位置進行補噴處理。

5 小斷面隧洞快速施工安全、質(zhì)量保障措施

5.1 安全保證措施

1)組織保證措施。成立項目經(jīng)理領(lǐng)導(dǎo)的安全生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)小組，全面負責本項目的安全生產(chǎn)工作，主管安全生產(chǎn)的副經(jīng)理為安全生產(chǎn)的直接責任人，總工程師為安全生產(chǎn)的技術(shù)負責人。未經(jīng)安全教育培訓(xùn)，并經(jīng)考試合格的管理人員及生產(chǎn)人員不準上崗。通過組織保證，杜絕安全事故發(fā)生。

2)制度保存措施。項目部為保證施工安全，加強現(xiàn)場控制，編制一系列的安全管理制度，具體包括：安全巡查制度；安全責任制度；特種作業(yè)持證上崗制度；爆破器材安全運輸、使用管理制度等各種安全管理制度，通過制度的落實，確保施工作業(yè)安全受控。

3)技術(shù)保證措施。首先，項目部為確保施工安全，編制了詳細的安全技術(shù)交底、應(yīng)急預(yù)案、安全管理辦法等安全質(zhì)量管理文件，通過技術(shù)資料的編制、學習，使得施工人員對作業(yè)環(huán)境具備詳盡的了解，在正式施工前已經(jīng)具備了應(yīng)對各種突發(fā)事件的能力。其次，項目在施工過程中，盡量選用技術(shù)成熟的施工方案，降低安全風險。最后，加強人員技能培訓(xùn)，提高全員的安全意識和操作水平，杜絕冒險作業(yè)、違章施工。

5.2 質(zhì)量保障措施

1)測量放樣控制措施。項目部為施工現(xiàn)場安排專門的測量班，負責測量導(dǎo)向任務(wù)，及時對成型的洞段進行復(fù)測，分析數(shù)據(jù)，確定超欠挖值，用以指導(dǎo)施工，調(diào)整開挖參數(shù)，控制開挖質(zhì)量，減少隧洞超欠挖，確保后期襯砌厚度符合設(shè)計要求。

2)試驗控制措施。對每批進場材料進行進場試驗檢查，確保用到結(jié)構(gòu)物上的所有材料合格。定期對施工現(xiàn)場錨桿、噴射混凝土等進行取樣檢測，控制工程實體質(zhì)量。

3)技術(shù)控制措施?，F(xiàn)場技術(shù)主管編制詳細的技術(shù)交底，對作業(yè)人員進行交底?，F(xiàn)場技術(shù)人員跟班作業(yè)，開挖前親自畫輪廓線、布置鉆孔位置，根據(jù)圍巖類別，及時調(diào)整爆破參數(shù)，盡最大可能減少超欠挖。

6 總結(jié)

山西中部引黃工程某標段，通過加強對施工現(xiàn)場加寬道的合理布置，對各工序之間的有效銜接，對各工序作業(yè)時的最大壓縮，經(jīng)過12個月完成小斷面隧洞獨頭掘進1 617 m。平均月進尺134.75 m，日掘進量達到4.42 m，實現(xiàn)了小斷面隧洞快速掘進，按期完成了隧洞開挖任務(wù)，為后續(xù)二次襯砌施工贏得了時間，也保證了總體目標任務(wù)的完成。

7 結(jié)語

引水工程小斷面隧洞快速施工不僅僅取決于機械配置，還與施工模式、管理有關(guān)，但我們應(yīng)當認識到施工管理是整個隧洞施工的基礎(chǔ)，施工中盡量壓縮各工序的銜接時間，在大斷面隧洞的施工中，出渣車輛、裝渣車輛等均可以在掌子面附近裝渣，出渣作業(yè)可壓縮的作業(yè)時間有限，而針對引水工程等小斷面隧洞，裝渣、出渣制約工程進度，可挖掘的潛力較大，因此，合理的確定加寬道施工間距是影響隧洞施工的重中之重，保證各工序施工平行作業(yè)，竭力避免流水作業(yè)的發(fā)生，再配以合理適當?shù)臋C械配置，我們就能取得較為快速的小斷面隧洞的施工，大大的保證了工期。

Discussion on small-section tunnel excavation digging construction methods of Yellow River diversion project in middle part of Shanxi province

Zhang Daniu

(ChinaRailway12thBureau2ndEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030032,China)

Combining with hydrological conditions of Yellow River diversion project in middle part of Shanxi province, the paper analyzes small-section tunnel excavation digging construction difficulties and critical factors, describes specific construction methods from aspects of construction arrangement, widening section distance and construction procedure coherence, and finally summarizes construction safety and quality guarantee measures. As a result, it realizes fast small-section tunnel construction.

small-sectional tunnel, excavation digging, advanced support, tunnel face

1009-6825(2016)05-0182-03

2015-12-09

張大牛(1979- )，男，工程師

U455.42

A