水利管線工程地下暗挖施工特點(diǎn)及工藝方法

高 昂，焦方龍

（濟(jì)南市清源水務(wù)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250011）

水利工程涉及農(nóng)業(yè)興利、城市用水、水資源管理配置、水生態(tài)建設(shè)等各個(gè)方面，隨著社會(huì)的發(fā)展，從單一保障農(nóng)業(yè)用水，逐漸延伸到各個(gè)行業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域。水利管線工程中地下暗挖施工是新興的施工方法，主要用于水利管線、涵洞等項(xiàng)目中，是避免因大量遷占征地或受地貌、地形、地況影響，而造成的無(wú)法進(jìn)行作業(yè)面大型開(kāi)挖作業(yè)而采取的施工方法。

1 水利管線地下暗挖施工工藝

水利管線地下暗挖是近年來(lái)水利施工中常用的工藝工法，采用在不破壞或少擾動(dòng)原有地表物或淺層物的基礎(chǔ)上，利用地面以下空間，通過(guò)人工或機(jī)械的手段，創(chuàng)建作業(yè)面，形成地下管線施工作業(yè)空間，完成建設(shè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)工程目的。常見(jiàn)的交通水利隧洞、地下綜合管廊等均屬于該施工范疇，又稱(chēng)為“礦山法”，通用于淺、中、深層地下作業(yè)。該方法分為人工掘進(jìn)和機(jī)械掘進(jìn)兩大類(lèi)，人工掘進(jìn)包括人工輔助小型機(jī)械施工和爆破施工等；機(jī)械掘進(jìn)包括掘進(jìn)機(jī)施工和盾構(gòu)機(jī)施工（泥水平衡法）等。

而與之相對(duì)的管線明挖施工，則是采用人工或機(jī)械，清除地表附屬物，按照設(shè)計(jì)要求對(duì)施工段進(jìn)行取土、破石作業(yè)，形成地表施工作業(yè)空間，進(jìn)行工程建設(shè)，常用于地表、淺地層施工。施工中常見(jiàn)的管線溝壕等均屬該類(lèi)工法。

1.1 管線地下暗挖施工工序

根據(jù)不同管線設(shè)計(jì)要求，結(jié)合施工地點(diǎn)地貌、地質(zhì)、地形及周?chē)h(huán)境因素，首先管線埋深一般在地下3~5 m，在綜合考慮工程具體造價(jià)的基礎(chǔ)上，均可地下暗挖施工。管線埋深確定后，設(shè)計(jì)單位通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查探明作業(yè)區(qū)域基礎(chǔ)地質(zhì)條件，第四紀(jì)壤土條件，明確暗挖過(guò)程中可能存在的地質(zhì)困難，以便施工單位對(duì)掘進(jìn)工法的選擇。

在具體施工中，施工單位先根據(jù)設(shè)計(jì)文件，開(kāi)挖暗挖工作井（含接受井），設(shè)置頂進(jìn)（接受）作業(yè)面，根據(jù)施工條件確定支護(hù)方式，常用工作井可采用混凝土、鋼板樁等方式進(jìn)行圍護(hù)，在條件允許的淺層地下施工中，為降低工程造價(jià)，縮短施工工期，可采用局部明挖，無(wú)支護(hù)或少支護(hù)的簡(jiǎn)化工作井進(jìn)行施工。

工作井施工完成后，施工單位根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，進(jìn)行地下暗挖作業(yè)，連通管線完成工程內(nèi)容。

1.2 管線地下暗挖施工特點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)。地下暗挖施工因其工藝過(guò)程原因，優(yōu)點(diǎn)明顯。因在施工中主要作業(yè)面均在地面以下，僅需要少量土地征遷（工作井），便可進(jìn)行工程作業(yè)，在水利管線軸徑比較長(zhǎng)的線路施工中，優(yōu)勢(shì)特別明顯。在大大降低遷占費(fèi)用、時(shí)間的同時(shí)，減少對(duì)沿線城鎮(zhèn)、居民的影響。暗挖作業(yè)面（掌子面）環(huán)境穩(wěn)定，受季節(jié)影響小，在冬、雨季施工期施工質(zhì)量控制難度小、投入少。

2）缺點(diǎn)。地下暗挖施工受地質(zhì)環(huán)境制約影響大，若作業(yè)區(qū)域地下第四紀(jì)壤土分布均勻，無(wú)溶巖發(fā)育，僅為條件較好的單一介質(zhì)，其施工工藝單一、成熟，且施工速度較快；若地下地質(zhì)條件變化復(fù)雜，則其施工困難驟增，安全投入及相關(guān)措施費(fèi)用也發(fā)生重大變化，造成支護(hù)費(fèi)用增加，施工進(jìn)度緩慢等情況。因此，不確定的地質(zhì)條件是影響管線地下暗挖施工的最大因素。

2 管線地下暗挖常用掘進(jìn)方法

2.1 人工輔助小型機(jī)械掘進(jìn)方法

該方法是頂管施工中常用的方法，即采用人力在暗挖工作面（掌子面）挖去壤土或較軟巖層，完成掘進(jìn)工作，常常在人工頂管工程中廣泛采用。一般來(lái)說(shuō)，掘進(jìn)輔助機(jī)械常采用懸臂臺(tái)鉆、風(fēng)鎬、劈裂機(jī)、水磨鉆等，施工單位通常采用簡(jiǎn)單專(zhuān)用定制設(shè)備，減輕人力工作強(qiáng)度，增加單位產(chǎn)出；出渣輔助機(jī)械多為普通小車(chē)配合小型卷?yè)P(yáng)機(jī)，近年來(lái)隨著小型電動(dòng)驅(qū)動(dòng)車(chē)的發(fā)展，逐漸過(guò)渡為更加安全、節(jié)能使用方便的電動(dòng)軌道礦車(chē)出渣。該類(lèi)方法在掘進(jìn)斷面小于3.2 m2的管線頂進(jìn)中應(yīng)用較多，但受掌子面空間影響，掘進(jìn)速度、出渣速度提升空間不大，地質(zhì)條件較好，掘進(jìn)斷面2 m2的水工管線，掘進(jìn)速度約為6 m/d。

2.2 爆破施工掘進(jìn)方法

在施工斷面較大或者地質(zhì)條件為巖石的地下暗挖施工中，人工輔助機(jī)械的施工方法無(wú)法掘進(jìn)或者掘進(jìn)速度緩慢，因而采用工程爆破的方法進(jìn)行施工。爆破施工在掌子面采用梅花樁布點(diǎn)方式，適當(dāng)布置裝藥鉆孔，填注爆破炸藥，爆破完成后，根據(jù)掌子面爆破效果，進(jìn)行圍巖支護(hù)，然后進(jìn)行出渣清運(yùn)。以16 m2掘進(jìn)斷面，完整石灰?guī)r圍巖，三類(lèi)支護(hù)方式水工隧洞為例，每日爆破2個(gè)循環(huán)，掘進(jìn)速度不大于4 m/d。

2.3 掘進(jìn)機(jī)施工掘進(jìn)方法

針對(duì)地下大斷面暗挖工程的特點(diǎn)，爆破施工方式因能量控制不可靠造成對(duì)周邊的擾動(dòng)及破壞，在城市施工中考慮到安全因素，不可作為長(zhǎng)期、主要的施工方法。隨著重型機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品的發(fā)展，硬質(zhì)合金刀具的批量大規(guī)模的使用，專(zhuān)用地下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備成為可能，該類(lèi)設(shè)備使用油、電作為驅(qū)動(dòng)力，集掘進(jìn)部分（硬質(zhì)旋轉(zhuǎn)刀頭）、破渣收渣部分（機(jī)械齒盤(pán)）和輸渣部分（鏈帶運(yùn)輸）為一體，將大部分掘進(jìn)工作集合在一臺(tái)重型掘進(jìn)機(jī)中，實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖機(jī)械自動(dòng)化。經(jīng)實(shí)踐對(duì)比，以16 m2掘進(jìn)斷面、完整石灰?guī)r圍巖、三類(lèi)支護(hù)方式水工隧洞為例，采用掘進(jìn)機(jī)施工進(jìn)度穩(wěn)定保持在6 m/d，較同樣條件下的爆破施工提升速度30%以上。

3 建議

3.1 提高勘察設(shè)計(jì)精度

水利工程管線地下暗挖施工的使用，對(duì)工程勘察的設(shè)計(jì)精度要求高，尤其是地下地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，將對(duì)整個(gè)施工項(xiàng)目產(chǎn)生影響。比如，原設(shè)計(jì)地層中均勻分布的第四紀(jì)壤土，因地質(zhì)發(fā)生變化而導(dǎo)致出現(xiàn)變化層，由預(yù)期的軟土漸變?yōu)槿躏L(fēng)化巖（含變化帶），將對(duì)施工工藝帶來(lái)翻天覆地的變化，從工期、造價(jià)、質(zhì)量及安全多方面產(chǎn)生影響。

3.2 完善施工組織設(shè)計(jì)

對(duì)于施工企業(yè)，施工組織設(shè)計(jì)是貫穿施工過(guò)程的重要依據(jù)和綱領(lǐng)性文件。在選擇地下暗挖施工工藝時(shí)，應(yīng)提前判斷可能存在的不利影響及解決思路。以山東省某水利工程隧洞項(xiàng)目為例，原投標(biāo)施工組織設(shè)計(jì)中采用爆破法施工進(jìn)行地下暗挖作業(yè)，由于施工區(qū)域地處城市新發(fā)展中心，爆破許可及危險(xiǎn)品運(yùn)輸成為瓶頸，對(duì)施工產(chǎn)生不可控影響，中標(biāo)施工企業(yè)在充分進(jìn)行工期、投入分析后，變更施工方法，采用新型巷道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)替代原有施工方法，雖然在施工過(guò)程中增加了新設(shè)備投資，但在該工程完成效果上，獲得了比原預(yù)期更大的收益，同時(shí)還開(kāi)創(chuàng)了水利隧洞掘進(jìn)機(jī)施工的省內(nèi)先河，為施工企業(yè)提前積累了該類(lèi)施工經(jīng)驗(yàn)，給施工單位后續(xù)的該類(lèi)項(xiàng)目招投標(biāo)贏得先機(jī)。

3.3 加強(qiáng)項(xiàng)目管理及監(jiān)管

作為地下暗挖施工項(xiàng)目的管理單位和監(jiān)管單位，在工程建設(shè)前期，一定要統(tǒng)籌做好地質(zhì)勘查單位的現(xiàn)場(chǎng)勘查及成果匯總，在可行性研究報(bào)告階段，反復(fù)論證工法的可行性，協(xié)同工程設(shè)計(jì)單位根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告提出可行的工法選擇，對(duì)可能出現(xiàn)的地質(zhì)條件客觀、詳細(xì)的予以描述，為后續(xù)施工招投標(biāo)提供可靠的設(shè)計(jì)、技術(shù)依據(jù)。在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，根據(jù)隨時(shí)出現(xiàn)的地質(zhì)變化嚴(yán)格判斷、及時(shí)分析，必要時(shí)應(yīng)配備地質(zhì)專(zhuān)業(yè)人員或聘請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家技術(shù)人員進(jìn)行討論，提出建議，結(jié)合現(xiàn)有可靠的地質(zhì)技術(shù)手段，如地質(zhì)雷達(dá)、水平定向鉆預(yù)探等方法，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)判定，為暗挖工程項(xiàng)目提供現(xiàn)場(chǎng)處置支持。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，近年來(lái)，地下暗挖施工技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于水利工程建設(shè)中，作為工程勘查設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、項(xiàng)目法人的任何一方，都需要在水利工程實(shí)踐中發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，為水利工程建設(shè)保駕護(hù)航。