小斷面隧洞綜合開挖支護方案與措施

劉宜鋒

(中國水利水電第八工程局有限公司,湖南 長沙 410000)

開挖與支施工是小斷面隧洞工程建設(shè)施工的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié),其不僅關(guān)系著工程項目的建設(shè)效益,而且對于施工作業(yè)人員的人身安全具有深刻嚴(yán)格影響。在項目施工中,結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況,規(guī)范選擇隧洞開挖技術(shù)方案,并合理使用隧洞支護方法,能有效地提升工程項目建設(shè)綜合效益,但是結(jié)合項目實際可知,小斷面隧洞開挖支護施工的環(huán)境較為復(fù)雜,施工過程中容易出現(xiàn)多種病害,如隧洞坍塌、涌水等,對此有必要規(guī)范小斷面隧洞綜合開挖支護施工,以此來提升工程項目的綜合建設(shè)效果。

1 小斷面隧洞綜合開挖支護施工重要性

小斷面隧洞本質(zhì)上屬于我國水利體系建設(shè)的重要組成部分,其建設(shè)施工環(huán)境較為復(fù)雜,且施工表現(xiàn)形式多樣。在小斷面隧洞工程建設(shè)中,開挖支護施工對于工程項目整體建設(shè)質(zhì)量具有積極作用。一方面,小斷面隧洞本身具有施工環(huán)境負(fù)載的特征,在工程項目建設(shè)中,除地質(zhì)、水文因素外,施工工藝的選擇和應(yīng)用也會對項目施工質(zhì)量、效率和安全造成影響,尤其是當(dāng)施工中出現(xiàn)隧洞巖土脫落、塌陷或管涌問題時,會給施工人員的人身安全造成較大影響,積極采用隧道開挖支護施工技術(shù),能有效避免這些問題發(fā)生,保證施工人員人身安全。另一方面,開挖與支護本身就是小斷面隧洞施工的重要內(nèi)容,積極開展小斷面隧洞開挖支護方案設(shè)計和具體施工技術(shù)應(yīng)用,能有效保證小斷面隧洞開挖支護的規(guī)范性,提升工程建設(shè)綜合效益,繼而推動工程建設(shè)企業(yè)效益增長,助力水利工程的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展[1]。

2 小斷面隧洞綜合開挖方案措施

2.1 開挖流程方式

小斷面隧洞綜合開挖方式對于工程整體建設(shè)效益具有較大影響,在項目建設(shè)初期階段,需要結(jié)合施工實際,做好開挖方式的系統(tǒng)管理。首先在小斷面隧洞開挖之前,施工人員需要規(guī)范開展施工區(qū)域勘察工作,做好最大開挖斷面開挖尺寸的測量和設(shè)計分析,從源頭上保證小斷面隧洞開挖施工的科學(xué)性、準(zhǔn)確性[2]。其次在隧洞開挖施工過程中,需要做好開挖施工時具體技術(shù)要點的把控,在具體開挖技術(shù)操作中,需嚴(yán)格控制開挖坡降,一般需將坡降控制在0.1%的標(biāo)準(zhǔn),避免小斷面隧洞開挖出現(xiàn)坡降幅度過大或過小等問題。最后項目開挖中應(yīng)做好支護施工處理,尤其是在一些不良地質(zhì)區(qū)域,需按照短進尺、弱爆破、強支護的原則和要求進行施工,保證項目施工安全性。

2.2 開挖技術(shù)類型

要提升小斷面隧洞開挖施工效率,在具體開挖施工還需要做好開挖技術(shù)的科學(xué)選擇與應(yīng)用。一般在小斷面隧洞開挖施工中,全斷面開挖技術(shù)的應(yīng)用較多,該技術(shù)不僅具有一次成型、出渣方便的特征,而且開挖掘進的速度較快。在全斷面開挖掘進具體施工中,先進性全斷面一次鉆孔,在裝藥連線后退鉆孔臺車到50 m以往的安全區(qū)域,然后一次爆破成型,在出渣后再將鉆孔臺車推移至開挖面前,開始下一個鉆爆作業(yè)循環(huán)。另外在一些地層環(huán)境較差的區(qū)域,還可通過環(huán)形開挖技術(shù)施工實施小斷面隧洞開挖,一般環(huán)形開挖進尺為0.5～1.0 m,在環(huán)形開挖中,不僅要注重噴錨支護的合理應(yīng)用,還應(yīng)實現(xiàn)鋼架支撐的有效安裝,這樣才能實現(xiàn)開挖技術(shù)與支護技術(shù)的協(xié)同統(tǒng)一,消除洞身開挖收斂和下沉問題,保證工程建設(shè)整體質(zhì)量[3]。

2.3 供電通風(fēng)施工

規(guī)范開展供電通風(fēng)工作,能為小斷面隧洞開挖施工創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境,確保小斷面隧洞開挖施工的高效性與安全性。在小斷面隧洞開挖供電過程中,若隧洞的洞室較長,這需要采用低壓電進洞的方式完成供電,該環(huán)節(jié)中,隨著小斷面長隧洞的延長,供電系統(tǒng)還會出現(xiàn)一定的電壓損失問題,并且這種電壓損失會不斷增加;為有效解決這種問題,在供電過程中,還需要注重電容補償方式的合理使用,在減少電壓損失的基礎(chǔ)上,保證供電的穩(wěn)定性、可靠性。另外在小斷面隧洞開挖施工中,還需要做好隧洞通風(fēng)管理。一般壓入式通風(fēng)是小斷面隧洞通風(fēng)的主要方式,在該通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)考慮施工設(shè)備、施工人員、爆破規(guī)模等因素,然后配合使用一定的混合式通風(fēng)技術(shù),能滿足工程項目建設(shè)需要,保證項目施工的安全性。

3 小斷面隧洞綜合支護措施要點

3.1 做好勘察分析

小斷面隧洞支護方案的選擇和應(yīng)用具有較強的專業(yè)性、綜合性和復(fù)雜性,當(dāng)隧洞開挖支護不合理時,容易引起一定的安全問題,威脅施工人員的生命安全;對此應(yīng)結(jié)合隧洞勘察結(jié)果,做好開挖支護技術(shù)的合理選擇與應(yīng)用[4]。在小斷面隧洞開挖勘察中,為掌握小斷面隧洞的特殊情況,先應(yīng)對隧洞的自然情況進行有效勘察,考慮小斷面隧洞開挖施工是否會產(chǎn)生工程或自然災(zāi)害,然后結(jié)合實際設(shè)計相應(yīng)的支護方案。其次勘察過程中,應(yīng)重視現(xiàn)代化勘察手段的應(yīng)用,這樣能確保勘察結(jié)果的細(xì)致性,為支護方案的設(shè)計與支護技術(shù)應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。最后完成小斷面隧洞勘察后,需在現(xiàn)代工程技術(shù)的作用,實施小斷面隧洞勘查結(jié)果的模擬分析,掌握影響隧洞開挖的重要因素,針對性地實施防控處理,提升隧道綜合支護的科學(xué)性、合理性。

3.2 支護技術(shù)應(yīng)用

結(jié)合開挖施工內(nèi)容使用支護技術(shù)是小斷面隧洞支護施工的內(nèi)在要求。現(xiàn)階段,用于小斷面隧洞開挖支護的技術(shù)較多,除錨桿支護、混凝土噴射防護外,鋼架支護、小導(dǎo)管支護等都是較為常見的支護技術(shù)。在不同類型的支護技術(shù)應(yīng)用中,應(yīng)結(jié)合工程實際重視其施工技術(shù)要點的系統(tǒng)控制。錨桿支護中,做好錨桿安裝有助于提升小斷面隧洞整體的穩(wěn)定性。一般小斷面隧洞支護錨桿按照梅花型的樣式布置,在錨桿安裝中,要求兩邊錨桿距巷頂輪廓線保持在200～300 mm,而錨桿的間距需保持在0.5～1.2 m,中間錨桿與水平面角度需保持在90°。錨桿支護施工中,還應(yīng)重視中間錨桿、兩邊錨桿與磧頭的距離控制,一般中間錨桿與磧頭距離不超過1 m,而兩邊錨桿與磧頭的距離需保持在2 m以內(nèi)。通過混凝土噴射技術(shù)進行小斷面隧洞防護時,施工人員需要按照分層噴射的原則進行施工,一般要求噴頭與碰面的距離控制在1.5～2.0 m,噴料的速度應(yīng)保持在4～30 m3/h,此外應(yīng)保證混凝土噴射施工的回彈率不超過15%。值得注意的是,鋼架支護在小斷面隧洞支護中也有廣泛應(yīng)用,一般在鋼架支護中,應(yīng)重視鋼支架的規(guī)范制作與安裝?，F(xiàn)階段,小斷面隧洞工程中常用的鋼支撐材料為Q235工字鋼,要求施工人員在專業(yè)的平臺架上完成加工制作,在實際制作中,要求按照1∶1的比例放樣,然后通過型鋼液壓型彎曲機完成拱部加工,最后使用墊片、螺桿連接頂拱與立桿,進行鋼支架結(jié)構(gòu)件的連接固定,實現(xiàn)小斷面隧洞的有效支護。小導(dǎo)管支護施工中,施工人員多會選擇使用管徑40 mm、長度3.0～4.5 m的無縫鋼管,然后沿拱部開挖輪廓線周邊布置小導(dǎo)管,要求小導(dǎo)管的間距保持在30～40 mm。在小導(dǎo)管支護施工中,若施工區(qū)域破碎明確,并且有大量地下水,則還應(yīng)通過小導(dǎo)管注漿,這樣才能使得小導(dǎo)管和周圍的巖石共同承擔(dān)壓力,起到堵水的作用[5]。

3.3 支護效果監(jiān)測

為提升小斷面隧洞開挖支護質(zhì)量,在積極使用支護技術(shù)的銅焊絲,還應(yīng)做好支護效果的有效監(jiān)測。一方面,完成開挖支護后,施工人員需要對不同類型的支護技術(shù)體系進行監(jiān)督檢查,確保其與巖石結(jié)合緊密,保證整體支撐效果發(fā)揮。另外在支護技術(shù)應(yīng)用的同時,需對支護體系變形、小斷面隧洞變形情況進行監(jiān)督檢查,這樣能確保支護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定,促進工程建設(shè)效益的有效獲得。

4 小斷面隧洞綜合開挖支護實例研究

4.1 項目概況

某水利工程建設(shè)中需要進行小斷面隧洞開挖支護施工,結(jié)合工程勘察設(shè)計結(jié)果可知,小斷面隧洞位于河流左岸區(qū)域,隧洞長為6.5 km,包含了引水上平段、斜井段和下平段三個部分;隧洞沿途存在3個平面轉(zhuǎn)彎和2個立面轉(zhuǎn)彎。在項目建設(shè)中,引水隧洞開挖斷面為平底馬蹄形,開挖斷面為26.5 m2,在建設(shè)中,規(guī)范化的選擇具有較高效率與安全性的開挖及圍護,并通過鋼筋混凝土進行襯砌支護施工,有效保證了項目開挖、支護施工的標(biāo)準(zhǔn)性,安全性,提升了項目建設(shè)的綜合效益[3]。

4.2 工程地質(zhì)及施工難度

本項目本身屬于小斷面隧洞工程,隧洞水平埋深為100～500 m,而垂直埋深為20～250 m。在工程項目建設(shè)初期階段,采用現(xiàn)代技術(shù)對該區(qū)域進行勘察,發(fā)現(xiàn)本項目沿穿越線不僅存在細(xì)砂巖、鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖、砂質(zhì)泥灰?guī)r夾鈣質(zhì)砂巖,而且存在泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖,此外施工區(qū)域還存在巖脈侵入式的石英正長斑巖,工程巖體破碎明顯,巖體穩(wěn)定性較差。從水文狀況來看,工程建設(shè)區(qū)域的水體較為豐富,存在較多滲、涌水部位,這給項目的開挖支護施工帶來較大難度,有必要重視工程開挖支護技術(shù)選擇,提升項目建設(shè)的整體效益。

4.3 小斷面隧洞綜合開挖支護技術(shù)應(yīng)用

考慮到施工環(huán)境對小斷面隧洞綜合開挖支護施工的影響,在項目開挖、支護施工技術(shù)初期階段,先規(guī)范化對施工區(qū)域的勘察工作,在具體勘察中,系統(tǒng)使用現(xiàn)代勘察技術(shù),掌握施工區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)破碎、穩(wěn)定性較差,地下水豐富、施工滲水較多等問題。然后結(jié)合勘查結(jié)果進行隧洞開挖、支護技術(shù)設(shè)計。

本項目開挖施工中,采用掏槽爆破的小斷面隧洞開挖施工方式。在具體施工中,施工人員在引水隧洞布置5條施工支洞,每條施工支洞往上下游各布置一個作業(yè)工作面進行施工。在施工初期階段,要求在每個工作面布置臺可移動式鉆爆臺,隨后配置氣腿式鑿巖機進行鉆孔爆破作業(yè)。具體作業(yè)中控制以下要點:一是在掏槽方式及斷面大小確定中,系統(tǒng)考慮本工程建設(shè)中所使用的工程機械設(shè)備,并對隧洞開挖斷面大小進行系統(tǒng)分析,結(jié)合實際選擇掏槽開挖方式。經(jīng)分析,本項目在引水隧洞開挖斷面較小的區(qū)域使用直孔掏槽方式,隨后隧洞中央孔布置環(huán)狀直孔掏槽孔,在掏槽區(qū)中央部位布置1個空孔。二是設(shè)置好孔位后,需考慮孔長、裝填系數(shù)、線裝藥密度、掏槽區(qū)裝藥孔數(shù)等參數(shù),進行掏槽區(qū)裝藥計算,有效地滿足了小斷面隧洞快速開挖施工的需要。三是在掏槽爆破開挖中,還應(yīng)重視周邊孔布置及鉆爆參數(shù)選擇,本項目周邊孔布置中,沿隧洞開挖輪廓線布置周邊孔;該作業(yè)環(huán)節(jié)中,要求按照密孔距、均勻布置的要求布置周邊控,周邊孔鉆孔角度往外偏1°,有效地滿足了施工需要。

在隧洞開挖過程中,采用鋼筋混凝土進行襯砌支護施工。本項目建設(shè)中,系統(tǒng)考慮隧洞圍巖的類型選擇支護方式。如對于Ⅱ類圍巖,本項目控制噴射混凝土技術(shù)進行支護,確保噴射混凝土厚度為5 cm,而當(dāng)項目施工中遇到Ⅲ類圍巖時,施工人員則會改用掛網(wǎng)錨噴的方式進行施工,這種支護方式不僅保證了小斷面隧洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,而且有效地避免了滲水等問題對項目施工的影響,另外本項目在支護中考慮一些特殊圍巖的支護,如對于松散、破碎巖體,施工人員采取超前錨桿、超前小導(dǎo)管以及超前管棚法進行超前支護,減少了破碎巖層對項目開挖施工的負(fù)面影響,提升了隧道施工的穩(wěn)定性、安全性。

值得注意的是,為助力項目開挖、支護工作的有序開展,在小斷面隧洞綜合開挖支護核心技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上,項目施工人員還規(guī)范化進行施工區(qū)域供電和通風(fēng)施工,有效地滿足了項目施工需要,提升了項目建設(shè)的綜合效益。