小斷面、大坡度隧洞順坡開挖施工技術(shù)研究

劉 乙 宏

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

馬來西亞胡魯水電站位于馬來西亞登嘉樓州境內(nèi)的丁加奴河上游河段，發(fā)電廠房位于大壩右岸的火山巖體內(nèi)，安裝兩臺發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為25萬kW。主變室與開關(guān)站相連接的應(yīng)急-電纜-通風(fēng)隧洞(圖1)總長度為299.17 m，坡度為50%，仰角26.57°，最高高程為288.2 m，最低高程為156 m，隧洞開挖斷面型式原設(shè)計為馬蹄型，后經(jīng)設(shè)計變更為城門洞型，頂拱半徑為2.3 m，底寬4.6 m，邊墻高度為2.3 m，開挖斷面面積為18.89 m2。該隧洞屬于大坡度、小斷面隧洞。此類隧洞的開挖鉆孔、爆破、出渣和支護(hù)施工與常見平洞相比，存在相當(dāng)大的困難。

2 斜井施工方案的調(diào)研及優(yōu)選

地下斜井施工常采用的開挖方法主要有：反井鉆機(jī)導(dǎo)井法、吊罐法、爬罐法和自上而下鉆爆法。

(1)反井鉆機(jī)導(dǎo)井法。采用反井鉆導(dǎo)井、擴(kuò)井，然后進(jìn)行人工鉆孔爆破開挖，通過溜渣井出渣，其開挖難度主要集中在導(dǎo)井開挖階段。由于鉆井方向和重力方向不在同一直線上，鉆機(jī)如果控制不好，偏斜度過大，導(dǎo)井很容易超出結(jié)構(gòu)邊界線，且在開挖前期，斜井底部需提前形成臨空面。

(2)吊罐法。吊罐法適用于中等硬度以上的巖石，對于松軟、破碎的巖石不宜采用；不適宜打盲豎井和傾角小于65°的斜井。

(3)爬罐法。采用爬罐開挖方式，斜井的開挖由下至上進(jìn)行施工。由于開挖是自下而上的，在開挖掌子面形成了封閉空間，因此施工中產(chǎn)生的通風(fēng)、排煙成為比較難處理的問題，需安設(shè)專門的排煙除塵系統(tǒng)以保證施工人員的安全。同樣，其也需提前在斜井底部形成臨空面。

(4)自上而下鉆爆法。鉆爆開挖采用人工鉆孔、裝藥進(jìn)行爆破開挖。對于坡度較大，不便于設(shè)備通行的斜井，出渣主要采用耙渣機(jī)裝渣、礦車結(jié)合卷揚(yáng)機(jī)出渣。該法的施工工序與平洞的開挖類似。

綜合以上幾種開挖方式，根據(jù)該隧洞傾角為26.57°、無法自行溜渣且斜井底部無臨空面，故最終確定的開挖方式為自上而下鉆孔爆破開挖。

3 施工方法

3.1 鉆孔施工

由于該隧洞的特殊性——小斷面、大坡度，鉆孔較一般隧洞施工難度大，鉆孔準(zhǔn)確度不易控制。為施工方便，提高鉆孔效率及鉆孔質(zhì)量，需專門設(shè)計用于斜井鉆孔的施工鋼平臺，該平臺在斜井中移動簡便。臺車在移動過程中，洞內(nèi)的人員需進(jìn)到避險洞內(nèi)，待臺車移動到位后，將臺車用限位卡固定在軌道上，鉆孔人員方能進(jìn)行鉆孔施工。鉆孔方向需和洞軸線方向一致，以保證爆破效果。

3.2 斜井出渣

斜井中的出渣考慮到應(yīng)急-電纜-通風(fēng)隧洞斷面小，坡度大，傳統(tǒng)的大型施工機(jī)械設(shè)備，如裝載機(jī)、反鏟、卡車等均無法在隧洞中發(fā)揮作用。經(jīng)過在現(xiàn)場實際進(jìn)行試驗、對比，總結(jié)出了兩種較為實用的方案。

方案一：結(jié)合現(xiàn)場實際條件及施工要求以及隧洞的開挖方式，采用扒渣機(jī)配合礦車進(jìn)行出渣。出渣方式如圖1所示。

圖1 扒渣機(jī)結(jié)合自卸礦車出渣示意圖

在應(yīng)急-電纜-通風(fēng)隧洞開挖初期，采用這種辦法效果良好，出渣速度較快。但在隧洞進(jìn)尺到20 m后，采用這種出渣方式遇到了很大困難。究其原因是因為在開挖過程中底板不平整而導(dǎo)致坡度不一致，石渣不能被扒到傳送帶上面。由于坡度太陡，時常會出現(xiàn)石渣自動下滑的情況，出渣速度緩慢，效率低下。

方案二：在扒渣機(jī)無法保證開挖效率的情況下，經(jīng)調(diào)查研究，采用兩臺斗容為0.1 m3的小型反鏟向礦車內(nèi)裝渣。出渣方式如圖2所示。

圖2 小反鏟結(jié)合自卸礦車出渣示意圖

排煙結(jié)束后，在卷揚(yáng)機(jī)的配合下，反鏟下行到出渣工作面，自卸礦車?？吭谛》寸P回轉(zhuǎn)半徑內(nèi)，通過反鏟向礦車內(nèi)裝渣。經(jīng)實踐，雖然反鏟每次裝渣量較少，但通過有效利用反鏟的機(jī)動、靈活性解決裝渣問題，從而提高了裝渣效率，節(jié)省了出渣時間。同時，反鏟還可以兼做洞內(nèi)排險用，出渣和排險施工工序可同時進(jìn)行，取得了良好的效果。此方案每次出渣時間為3 h左右，能滿足進(jìn)度要求。

3.3 洞內(nèi)排水

應(yīng)急-電纜-通風(fēng)隧洞所在位置地下水豐富，特別是在雨季，有大量的地下水滲入洞內(nèi)。為了保證洞內(nèi)的正常施工，需要對洞內(nèi)進(jìn)行排水。由于隧洞高差為140 m左右，故采購了三臺高揚(yáng)程水泵進(jìn)行排水，并在洞內(nèi)每隔30 m設(shè)置一個集水坑，從而保證了掌子面施工的正常進(jìn)行。

4 隧洞支護(hù)

根據(jù)設(shè)計要求，在洞口10 m范圍內(nèi)，對于強(qiáng)風(fēng)化巖石甚至土質(zhì)段采用管棚+工字鋼+噴混凝土支護(hù)；對于Ⅰ～Ⅱ類圍巖，則采用錨桿+噴混凝土支護(hù)。

4.1 管棚工字鋼支護(hù)

(1)管棚施工：管棚采用鐵管加工成型。鉆孔之前，由測量工程師確定鉆進(jìn)位置、間距及鉆孔方向，完成后進(jìn)行安裝，再進(jìn)行灌漿施工。管棚在隧洞周圍形成一個棚狀結(jié)構(gòu)，可對周圍的土體進(jìn)行支撐，防止土體發(fā)生塌陷。

(2)工字鋼施工：管棚安裝結(jié)束、開挖一定距離空間后需進(jìn)行工字鋼的安裝。工字鋼支護(hù)采用預(yù)先加工成型，然后采用螺栓和連接桿分段拼接安裝。工字鋼安裝前，預(yù)先由測量放線確定安裝位置及洞軸線方向，以保證工字鋼安裝準(zhǔn)確。

4.2 錨 桿

錨桿采用手風(fēng)鉆打孔，鉆孔工人借助鋼平臺對錨桿進(jìn)行造孔、安裝及灌漿等施工工序。錨桿安裝結(jié)束后，再進(jìn)行噴射混凝土的施工，對圍巖表面進(jìn)行支護(hù)。

4.3 噴射混凝土

噴射混凝土支護(hù)是隧洞工程中一種非常常見的支護(hù)形式。普通的隧洞可以借助噴漿臺車進(jìn)行噴護(hù)施工，但在斜井中，尤其是像應(yīng)急-電纜-通風(fēng)隧洞等坡度很大的斜井，無法使用高效率的噴漿臺車進(jìn)行施工，噴漿料的進(jìn)料也非常不容易。經(jīng)過研究，設(shè)計了一個混凝土料斗用于噴漿料的運(yùn)送，在料斗底部設(shè)置一個出料口，將料斗放在礦車?yán)锩?，通過礦車運(yùn)送至工作面，混凝土通過料斗的出料口直接注入濕噴機(jī)料口，噴射手在鋼平臺上對圍巖進(jìn)行噴護(hù)施工，完成洞內(nèi)的噴護(hù)施工。施工情況見圖3。

圖 3 噴射混凝土施工示意圖

5 安全措施

5.1 卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)

卷揚(yáng)機(jī)是應(yīng)急-電纜-通風(fēng)隧洞內(nèi)物料運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，必須安全、可靠。根據(jù)荷載計算，采用一臺15 t負(fù)荷的卷揚(yáng)機(jī)。卷揚(yáng)機(jī)支座用高強(qiáng)螺栓同錨桿連接在一起，錨桿為T32的鍍鋅錨桿，共9根，孔深6 m。完成之后，再將基礎(chǔ)部分用混凝土回填。為了更進(jìn)一步確保安全，在卷揚(yáng)機(jī)后面澆筑體積為1.5 m×1.5 m×1.5 m的混凝土錨固墩，通過鋼索將卷揚(yáng)機(jī)與錨固墩連接在一起，從而保證了卷揚(yáng)機(jī)的固定。

卷揚(yáng)機(jī)的操作必需由專業(yè)技術(shù)人員操作，操作手需取得相關(guān)資格證書后方能上崗。嚴(yán)禁非專業(yè)人員操作卷揚(yáng)機(jī)。操作手在操作過程中需遵守卷揚(yáng)機(jī)操作安全規(guī)范。

5.2 礦車系統(tǒng)

洞內(nèi)出渣采用有軌礦車。礦車軌道安裝之前，需由測量人員確定軌道的安裝位置及方向。在隧洞底板預(yù)埋插筋，插筋采用T25的螺紋鋼，長度為1 m，間距2 m，左右軌道交錯布置。然后再在隧洞底板澆筑一層墊層混凝土，使軌道安裝平順，以確保礦車運(yùn)行過程中的穩(wěn)定。

礦車運(yùn)行過程中，洞內(nèi)的所有施工人員必須到隧洞內(nèi)設(shè)置的避險洞內(nèi)避險。待礦車到達(dá)指定位置、?？糠€(wěn)定后方能出洞進(jìn)行施工作業(yè)。礦車?？繒r，需用限位卡鎖住，防止在裝渣過程中礦車發(fā)生移動。在裝渣完成后，所有施工人員需到避險洞內(nèi)，礦車才能啟動，直到下一次礦車?？窟^后再出避險洞作業(yè)。如此循環(huán)，完成洞內(nèi)的出渣，保證施工作業(yè)的安全。卷揚(yáng)機(jī)-礦車系統(tǒng)在使用過程中須由專人負(fù)責(zé)指揮。

5.3 避險洞的設(shè)置

應(yīng)急-電纜-通風(fēng)隧洞坡度陡，施工人員避險時不便上下。為保證洞內(nèi)施工人員及施工機(jī)械設(shè)備的安全，在洞內(nèi)設(shè)置了避險洞，避險洞設(shè)在隧洞左側(cè)，每隔30 m設(shè)置一個避險洞。避險洞設(shè)計尺寸為長×寬×高為5.2 m×3 m×3.5 m，可提供小型機(jī)械設(shè)備及施工人員避險。

6 結(jié) 語

小斷面、大坡度隧洞的開挖支護(hù)施工一直以來都是工程施工的難點。相對于平洞施工，工期長，安全隱患大，單位進(jìn)尺消耗的人力、機(jī)械等資源大。因此，尋找一種既快捷、方便，又節(jié)儉的施工方法是工程施工人員一直追求的目標(biāo)。通過在本工程應(yīng)急-電纜-通風(fēng)隧洞中采用自上而下的開挖方法、卷揚(yáng)機(jī)礦車出渣，保證了工程的施工進(jìn)度和施工安全，可為類似工程借鑒。