水工隧洞洞室工程施工技術(shù)研究

喬瑞森

（山西省水利建筑工程局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

以小斷面輸水隧洞施工為研究對(duì)象，結(jié)合輸水隧洞工程建設(shè)，對(duì)小斷面隧洞施工中可能出現(xiàn)的困難，以及施工中可能出現(xiàn)的其它意外情況，進(jìn)行針對(duì)性的分析論證，并對(duì)本隧洞工程建設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最好的效果。

1 工程概況

本工程段地下洞室工程，全長8.88 km,1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)施工支洞均采用城門洞型,其中主洞Ⅲ類圍巖段洞寬3.76 m、高4.68 m，Ⅳ類圍巖段洞寬3.9 m、高4.8 m，Ⅴ類圍巖段洞寬4.04 m、高4.92 m，側(cè)墻高均為2.5 m。成型的標(biāo)準(zhǔn)橫截面為3.65 m×3.20 m，詳見圖1—4。

圖1 主洞Ⅲ類圍巖標(biāo)準(zhǔn)橫斷圖

圖2 主洞 Ⅳ類圍巖標(biāo)準(zhǔn)橫斷圖

該隧洞工程施工線路長，隧洞開挖分為兩個(gè)階段，一是土洞開挖，二是巖洞開挖，開挖段圍巖類別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，主洞、支洞斷面均較小，且各支洞均為斜井，坡度較大，圍巖較為破碎，故在有效施工工期內(nèi)合理地組織施工是本工程的關(guān)鍵。開挖、出渣、支護(hù)等是控制難點(diǎn)的主要因素。

對(duì)于小斷面輸水水工隧洞來說，施工斷面狹窄、工作空間狹小、工作面不大、送風(fēng)排水困難、地質(zhì)情況復(fù)雜多變、施工難度大，往往不能采用全斷面隧洞掘進(jìn)技術(shù)。應(yīng)根據(jù)工程區(qū)的基本情況、施工工序、施工工藝等，提出水工輸水隧洞的施工工藝。

圖3 主洞Ⅴ類圍巖標(biāo)準(zhǔn)橫斷圖

圖4 主洞土洞段標(biāo)準(zhǔn)橫斷圖

2 隧洞開挖方法

2.1 爆破法

鉆爆法是最常用的爆破法，鉆爆法掘進(jìn)主要分為以下幾種開挖工藝：

（1）全面掘進(jìn)法。在挖掘工作面（掌子面）進(jìn)行全斷面鉆孔、爆破和成形，對(duì)棄方進(jìn)行挖掘、裝載、運(yùn)輸、棄渣后，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)工序。當(dāng)隧道高度較大時(shí)，可將施工分為上下兩部分，形成階梯同步爆破和鉆孔；在地質(zhì)條件較好和施工環(huán)境適合的情況下，首選全斷面開挖工藝。

（2）導(dǎo)孔法。將掘進(jìn)段的一部分用作引導(dǎo)孔，引導(dǎo)孔開挖后，再連續(xù)擴(kuò)展挖掘隧道的其他部分，直至所有部分開挖后，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。導(dǎo)孔法施工中，當(dāng)隧道截面較大，地質(zhì)條件或施工環(huán)境不能實(shí)現(xiàn)全截面挖掘時(shí)，應(yīng)主要使用中小型機(jī)械，導(dǎo)孔段開挖不宜過大，以適應(yīng)設(shè)備的正常安裝，車輛的便捷運(yùn)輸，風(fēng)水等管道的安裝和施工安全。導(dǎo)孔可以在挖掘和爆破過程中增加工作面，以利于勘探隧道的地質(zhì)和水文地質(zhì)環(huán)境，為洞內(nèi)供氣和排水創(chuàng)造條件。根據(jù)隧道長度和施工環(huán)境，定義上導(dǎo)向孔、中導(dǎo)向孔或下導(dǎo)向孔。隧道開挖后，完全挖掘?qū)Э?，然后加寬隧道?/p>

（3）分區(qū)掘進(jìn)方法。在圍巖穩(wěn)定性差，掘進(jìn)段必須進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)的情況下，大斷面隧道挖掘，要先對(duì)斷面的一部分進(jìn)行開挖，加強(qiáng)支撐后，再依次逐漸拓展挖掘面。鉆爆挖掘，從第一序鉆孔、裝藥、爆破、吹氣、排氣和出渣完成后，進(jìn)行第二順序施工，應(yīng)盡可能壓縮工藝循環(huán)周期，加快循環(huán)頻率。

2.2 非爆破法

非爆破法主要包括：掘進(jìn)機(jī)開挖、盾構(gòu)法。

（1）全截面隧道掘進(jìn)機(jī)TBM。硬基巖TBM適用于山區(qū)硬巖隧道的開挖，可取代傳統(tǒng)的鉆爆方法。在相同的圍巖地質(zhì)構(gòu)造下，開挖率是一般鉆爆方法的4～10倍，每日最快進(jìn)尺可達(dá)40 m；具有優(yōu)質(zhì)、快速、經(jīng)濟(jì)、安全的優(yōu)勢(shì)，有利于減少生態(tài)環(huán)境破壞，節(jié)省勞動(dòng)力，改善施工人員工作環(huán)境，提高安全施工效率等優(yōu)點(diǎn)。

（2）盾構(gòu)法，是一種采用自動(dòng)盾構(gòu)機(jī)械開挖隧洞的施工方法。它將盾構(gòu)裝置推入施工斷面，用盾殼和管片段支撐圍巖，避免坍塌體進(jìn)入隧道；通過盾前切割設(shè)備，切割挖掘巖土，從挖掘設(shè)備孔出渣，并運(yùn)往洞外；盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)前移后，后部千斤頂加壓頂住裸露圍巖，并迅速組裝預(yù)制混凝土襯砌管件，構(gòu)筑好第一道襯砌，并從灌漿孔灌漿，使隧道襯砌一次成形。

（3）兩種非爆破法在城市軌道交通施工中的比較。軟基巖TBM適用于山區(qū)軟巖隧道的開挖及城市軌道交通建設(shè)，具有掘進(jìn)穩(wěn)定、高速，性能安全，施工質(zhì)量保證等優(yōu)點(diǎn)。采用盾構(gòu)法進(jìn)行城市軌道交通建設(shè)，可以減少土壤干擾，保持地面建筑物的穩(wěn)定，避免阻斷交通運(yùn)行，減少沿線地上地下建筑物和管道的拆除。兩種隧洞掘進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用前景非常廣闊。

2.3 土洞開挖

土方掘進(jìn)采取全斷面機(jī)械開挖，本工程土洞開挖段主要是指位于隧洞進(jìn)口段的土方掘進(jìn)。計(jì)劃在隧洞進(jìn)口處安排一個(gè)全斷面機(jī)械開挖工作面，風(fēng)、水、電等設(shè)施，隨開挖工作面推進(jìn)而及時(shí)跟進(jìn)鋪設(shè)。

隧洞掘進(jìn)使用“土洞開挖裝渣一體機(jī)”開挖，利用傳送帶將渣土直接裝至棄渣車，然后由棄渣車運(yùn)至指定的棄渣場(chǎng)。如有欠挖，視欠挖的實(shí)際尺寸，由人工或“土洞開挖裝渣一體機(jī)”重新進(jìn)行處理，工作面底部采用積渣將底部整平，預(yù)留20 cm保護(hù)層，再用混凝土襯砌前人工挖除，清渣完成后及時(shí)進(jìn)行驗(yàn)收、襯砌。在土方掘進(jìn)中，如遇大的石塊，可進(jìn)行小范圍爆破?！巴炼撮_挖裝渣一體機(jī)”工作示意圖見圖5。

圖5 土洞開挖裝渣一體機(jī)工作示意圖

2.4 出渣

由于坡度較大，根據(jù)各支洞洞段情況，出渣均選取四驅(qū)汽車，由四驅(qū)汽車將渣土棄運(yùn)至棄渣場(chǎng)。結(jié)合隧洞的開挖掘進(jìn)，為加快洞內(nèi)出渣進(jìn)度，在洞內(nèi)每間隔200延米設(shè)置一個(gè)避車洞，每個(gè)避車洞長度10 m，寬度6 m，當(dāng)車道失去功能后，用60 cm厚的漿砌石密封，內(nèi)部用砂礫和水泥漿回填。

主洞部分采用小斷面挖掘，應(yīng)選擇小型挖掘式裝渣機(jī)與5 t四輪驅(qū)動(dòng)車配合，將渣土運(yùn)至主洞入口處，再用自卸卡車將渣運(yùn)到廢渣場(chǎng)。

3 不良地質(zhì)段與超欠挖措施

3.1 不良地質(zhì)洞段支護(hù)處理措施

地下洞室穿越不良地質(zhì)段時(shí)，增強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)警，做好超前支護(hù)，開挖以“錨噴支護(hù)”為重點(diǎn)，最大限度掌控圍巖變形。選擇“提前檢測(cè)，短進(jìn)頭，強(qiáng)支撐，早期關(guān)閉”的過程，以確保隧道開挖過程中圍巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

通過預(yù)測(cè)，在洞內(nèi)土體松散以及局部不良地質(zhì)構(gòu)造段掘進(jìn)時(shí)，選取鋼拱架支護(hù)工藝進(jìn)行加固。鋼拱架使用型鋼、工字鋼、鋼板等制成。鋼拱架之間的連接方法使用連接板焊接固牢，在洞外鋼結(jié)構(gòu)加工場(chǎng)依照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行分段加工，輸送到洞內(nèi)工作面施工。鋼拱架與洞壁設(shè)8根直徑25 mm鎖腳錨桿，錨桿布設(shè)為水平向下傾斜，相鄰鋼拱架使用直徑20 mm縱向聯(lián)系筋連接，沿?cái)嗝嫫骄荚O(shè)，間距1 m。拼裝后鋼拱架具有整體連續(xù)性，每榀鋼拱架控制在同一平面上，而且要與洞軸線互相垂直。土洞鋼拱架底墊板下放置C25混凝土墊墩確?；A(chǔ)穩(wěn)定，墊墩尺寸選用0.3 m×0.3 m×0.2 m。鋼拱架架設(shè)應(yīng)延長至圍巖結(jié)構(gòu)較好部位，延伸長度在2 m以上。

3.2 超欠挖控制措施

3.2.1 提高中線、高程、輪廓線放樣精度

增強(qiáng)隧道照明設(shè)備，激光指示器定向隧道軸向線路?？紤]到隧洞內(nèi)有較多的運(yùn)輸車輛，為避免損壞隧洞內(nèi)導(dǎo)線控制點(diǎn)及中線控制點(diǎn)，將控制點(diǎn)依據(jù)施工相關(guān)要求進(jìn)行埋設(shè)，并標(biāo)志明顯警示及設(shè)置相關(guān)保護(hù)措施裝置，按固定時(shí)間段對(duì)洞內(nèi)控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核檢查。

3.2.2 勤放樣，減少人為因素超挖

掘進(jìn)過程當(dāng)中應(yīng)該隨時(shí)測(cè)繪開挖輪廓線，對(duì)導(dǎo)線控制點(diǎn)復(fù)核，對(duì)各次施工周期工序經(jīng)常性進(jìn)行測(cè)量檢測(cè)工作，并對(duì)上一次施工工序開挖輪廓線進(jìn)行規(guī)格檢測(cè)，同時(shí)將超欠挖檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,并對(duì)其及時(shí)調(diào)整，將超挖尺度降至最低，對(duì)局部欠挖地段及時(shí)進(jìn)行精修，確保隧洞洞挖輪廓線和規(guī)格，滿足施工圖紙和有關(guān)規(guī)范要求。

3.2.3 采用超前支護(hù)

超前支護(hù)可以使較軟弱圍巖得以超前加固，防止因不利地質(zhì)情況引起的局部坍塌、掉塊等現(xiàn)象，從而造成大面積超挖。及時(shí)在小范圍松散部位，選用鋼拱架配合超前錨桿加強(qiáng)超前支護(hù)，減小坍塌、掉塊等現(xiàn)象。

4 結(jié)論

針對(duì)本輸水隧洞工程的施工支洞傾角較大，出渣及材料運(yùn)輸難度大，再加上主洞隧洞施工斷面較小、干擾較大等施工難點(diǎn)、重點(diǎn)。為確保施工工期，建議合理安排施工工序，以消減施工干擾。