水利工程大斷面輸水隧洞機(jī)械化鉆爆工藝應(yīng)用

胡其林,張 萍,羅 臣

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

0 引言

隧洞施工主要以鉆爆法為主,并由早期生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境惡劣的人工鉆爆向機(jī)械化程度比較高的鑿巖臺(tái)車(chē)鉆爆轉(zhuǎn)型,大體上可以劃分成三個(gè)時(shí)期:人力開(kāi)挖、小型機(jī)械輔助施工、自動(dòng)化與智能化施工。法沃羅公路隧洞、萊明肯勒公路隧洞、韋塔斯特隆隧洞等國(guó)外鉆爆法施工中通過(guò)采用鑿巖臺(tái)車(chē)在節(jié)約成本方面取得了比較好的成績(jī)。隨著我國(guó)隧洞施工技術(shù)、施工機(jī)械設(shè)備和施工管理水平的提高,隧洞施工速度和復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)能力也不斷提高。

諸多學(xué)者對(duì)機(jī)械化鉆爆施工方法和工藝展開(kāi)了研究。王孝賢等[1]從速度、質(zhì)量、安全、環(huán)保和能耗方面,對(duì)比了機(jī)械化鉆爆施工和大量人工半機(jī)械化鉆爆施工的區(qū)別,總結(jié)了隧道機(jī)械化鉆爆法施工的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和推廣應(yīng)用難點(diǎn);徐穩(wěn)超等[2]以貴廣鐵路雙線隧道機(jī)械化配套的施工資源配置情況為例,從進(jìn)度、安全、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等要素入手,采用定量與定性相結(jié)合的方式,對(duì)雙線隧道機(jī)械化配套適用性進(jìn)行了系統(tǒng)地分析;穆雪野等[3]對(duì)比總結(jié)了公路隧道人工鉆爆法施工和機(jī)械化鉆爆法施工的工藝流程區(qū)別與經(jīng)濟(jì)性差異;楊年華[4]分析了隧道施工鉆爆作業(yè)的難點(diǎn),闡述了隧道鉆爆作業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的必要性及面臨的挑戰(zhàn),提出了提升隧道機(jī)械化鉆爆作業(yè)的途徑。

本文以引江補(bǔ)漢工程輸水總干線出口段輸水隧洞及檢修交通洞工程為依托,介紹隧洞機(jī)械化施工情況,通過(guò)分析該隧洞施工工藝特征,提出了適應(yīng)該隧洞工程的機(jī)械化鉆爆施工工藝方法,并嘗試總結(jié)隧洞機(jī)械化鉆爆施工的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 工程概況

1.1 輸水隧洞概況

引江補(bǔ)漢出口段輸水隧洞長(zhǎng)5 085 m,為圓形斷面,過(guò)水洞徑10 m,縱坡-1/2 300,最大埋深209 m,最小埋深僅34 m(兩鄖斷裂)。Ⅲ類(lèi)圍巖洞段長(zhǎng)約3 94 0m,Ⅳ類(lèi)圍巖洞段長(zhǎng)581 m,Ⅴ類(lèi)圍巖洞段長(zhǎng)564 m。輸水隧洞典型斷面如圖1所示。

圖1 輸水隧洞典型斷面

1.2 檢修交通洞概況

檢修交通洞施工期作為出口段輸水洞隧洞的施工通道;運(yùn)行期作為輸水隧洞的檢修交通洞。檢修交通洞長(zhǎng)約865 m,為馬蹄形,最大凈斷面8.5 m×7.0m(寬×高),最大縱坡13 %。埋深一般9～200m,穿越地層巖性主要為輝綠巖。隧洞Ⅲ類(lèi)圍巖段長(zhǎng)728.9 m,Ⅳ類(lèi)圍巖段長(zhǎng)73.0m,Ⅴ類(lèi)圍巖段長(zhǎng)56.0m。檢修交通洞典型斷面如圖2所示。

圖2 檢修交通洞典型斷面

2 隧洞機(jī)械化施工應(yīng)用情況

2.1 輸水隧洞

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)

統(tǒng)計(jì)周期內(nèi),輸水隧洞正在進(jìn)行洞口段開(kāi)挖支護(hù)。洞口段長(zhǎng)15 m,按照Ⅲ1-OSF1-DB型開(kāi)挖支護(hù),城門(mén)洞形,開(kāi)挖寬度11.9 m,開(kāi)挖高度11.65 m。施工期間分臺(tái)階開(kāi)挖,其中上臺(tái)階高6.9 m,下臺(tái)階高4.2 m。支護(hù)類(lèi)型為C25錨桿@1.2 m×1.2 m,L=6 m;噴混凝土25 cm,鋼拱架間距50 cm,施工超前小導(dǎo)管20#43φ42×3.5 mm@30 cm,L=4.5 m。支護(hù)如圖3所示。

圖3 Ⅲ1-OSF1-DB型開(kāi)挖支護(hù)

(2)施工方法

開(kāi)挖爆破和支護(hù)造孔:1臺(tái)2臂鉆機(jī)。

噴混凝土:1臺(tái)機(jī)械臂濕噴臺(tái)車(chē)。

錨桿安裝和注漿:人工+砂漿注漿機(jī)。

循環(huán)進(jìn)尺:采用光面爆破,造孔孔深1.5 m,單循環(huán)進(jìn)尺1.2～1.3 m。

火工材料:32 mm乳化炸藥,單卷200g;數(shù)碼電子雷管起爆。

渣料運(yùn)輸:采用反鏟扒渣,裝載機(jī)裝車(chē),20m3自卸汽車(chē)運(yùn)輸。

(3)資源配置

輸水隧洞主要機(jī)械設(shè)備及人員投入詳見(jiàn)表1和表2。

表1 主要機(jī)械投入

表2 主要人員投入

(4)工效分析

統(tǒng)計(jì)周期內(nèi),上臺(tái)階進(jìn)洞共計(jì)15 m(上臺(tái)階斷面67.5 m2),共計(jì)歷時(shí)13個(gè)日歷天,每循環(huán)進(jìn)尺1.2 m;日均進(jìn)尺1.15 m,日均開(kāi)挖量78 m3。各工序時(shí)間見(jiàn)表3。

表3 輸水隧洞上臺(tái)階開(kāi)挖工效

2.2 檢修交通洞

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)

檢修交通洞全斷面開(kāi)挖為Ⅲ1-AT-DB,馬蹄形斷面,寬8.2 m,高7.25 m,斷面開(kāi)挖方量62 m3/延米。支護(hù)類(lèi)型為C25錨桿@2 m×2 m,L=4.5 m;噴混凝土10 cm。支護(hù)如圖4所示。

圖4 檢修交通洞Ⅲ1-AT-DB開(kāi)挖支護(hù)

檢修洞洞口23 m為Ⅳ2-ATF2-DB類(lèi)圍巖,馬蹄形斷面,寬10.8 m,高11.2 m,斷面開(kāi)挖方量112.6 m3/延米。支護(hù)類(lèi)型為C25錨桿@1.2 m×1.2 m,L=6 m;噴混凝土25 cm。支護(hù)如圖5所示。

圖5 檢修交通洞Ⅳ2-ATF2-DB開(kāi)挖支護(hù)

(2)施工方法

爆破和支護(hù)造孔:2臺(tái)3臂鉆機(jī),其中1臺(tái)為備用,輔助打錨桿使用。

噴混凝土:1臺(tái)機(jī)械臂濕噴臺(tái)車(chē)。

錨桿安裝和注漿:砂漿注漿機(jī)+人工。

循環(huán)進(jìn)尺:光面爆破,造孔孔深4.0m,單循環(huán)進(jìn)尺3.5 m。

火工材料:32 mm乳化炸藥,單卷200g;數(shù)碼電子雷管。

渣料運(yùn)輸:采用反鏟扒渣,裝載機(jī)裝車(chē),20m3自卸汽車(chē)運(yùn)輸。

(3)資源配置

檢修交通洞主要機(jī)械設(shè)備及人員投入詳見(jiàn)表4和表5。

表4 主要機(jī)械投入

表5 主要人員投入

(4)工效分析

①洞口擴(kuò)大段類(lèi)Ⅳ類(lèi)圍巖

洞口為Ⅳ類(lèi)圍巖,分上下臺(tái)階開(kāi)挖。日均進(jìn)尺0.8 m,開(kāi)挖方量90m3。由于該部位施工對(duì)工效分析不具有代表性,故不作分析。

②全斷面Ⅲ類(lèi)圍巖

結(jié)合實(shí)際情況,對(duì)樁號(hào)為K0+047～K0+174,圍巖為Ⅲ類(lèi)圍巖的全斷面開(kāi)挖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)全斷面開(kāi)挖進(jìn)尺127 m,日均進(jìn)尺4.23 m。各工序時(shí)間見(jiàn)表6。

表6 檢修交通洞全斷面開(kāi)挖工效

3 洞身開(kāi)挖超欠挖情況及原因分析

3.1 超欠挖情況

(1)輸水隧洞

通過(guò)對(duì)開(kāi)挖完成的施工部位的超欠挖情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,最大超挖61.5 cm,無(wú)欠挖,實(shí)際平均超挖40.4 cm,規(guī)范允許超挖20 cm,實(shí)際超挖量考慮后期用襯砌混凝土回填。具體詳見(jiàn)表7。

表7 輸水隧洞開(kāi)挖超欠挖情況統(tǒng)計(jì)(不含底板)

(2)檢修交通洞

通過(guò)對(duì)開(kāi)挖完成的施工部位的超欠挖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,最大超挖41.8 cm,最大欠挖14 cm,實(shí)際平均超挖13.28 cm,規(guī)范允許超挖20 cm,實(shí)際超挖未超規(guī)范允許值。實(shí)際超挖量考慮后期用襯砌混凝土回填具體詳見(jiàn)表8。

表8 桐木溝檢修交通洞開(kāi)挖超欠挖情況統(tǒng)計(jì)(不含底板)

3.2 超欠挖原因分析

通過(guò)以上測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知,現(xiàn)階段隧洞開(kāi)挖整體存在超挖過(guò)大現(xiàn)象,導(dǎo)致超挖的原因有:

(1)在施工過(guò)程中采用多臂鉆造孔時(shí),由于鉆機(jī)臂不能緊貼巖壁,采用挑桿方式鉆孔。

(2)鉆機(jī)操作手熟練程度存在差異。

(3)隧道開(kāi)挖方向?yàn)橄缕?縱坡最大坡降為13 %,在造孔過(guò)程中角度控制不到位。

(4)未根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整爆破裝藥,造成超挖。

4 結(jié)論

本文依托引江補(bǔ)漢工程輸水總干線出口段輸水隧洞和桐木溝檢修交通洞,對(duì)大斷面輸水隧洞機(jī)械化鉆爆施工的工效、超欠挖、成本等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析,主要結(jié)論如下:

(1)機(jī)械化鉆爆工藝大幅度縮短了隧洞開(kāi)挖的循環(huán)時(shí)間,有利于工程工期的提前;減少了隧洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)的人員數(shù)量,特別是掌子面作業(yè)人員,顯著增強(qiáng)了施工安全性。

(2)采用多臂鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行機(jī)械化鉆爆施工,較人工鉆爆施工的成孔效率更高、角度控制更加精準(zhǔn),尤其在堅(jiān)硬圍巖情況,鉆孔效率更加驚人。同時(shí)產(chǎn)生污染較小,有利于改善洞內(nèi)惡劣施工條件。

(3)從現(xiàn)階段成本測(cè)算分析,本項(xiàng)目處于虧損狀態(tài),主要原因是機(jī)械化鉆爆施工配套設(shè)備的成本和維修價(jià)格高。但在人工成本上得到了節(jié)約,并且隨著工作面的鋪開(kāi)和大范圍應(yīng)用,機(jī)械攤銷(xiāo)費(fèi)用有望進(jìn)一步降低。

(4)由于多臂鉆鉆機(jī)臂不能緊貼巖壁,采用挑桿方式鉆孔,其開(kāi)挖質(zhì)量極大程度取決于操作人員的技術(shù)水平,因此周邊輪廓線存在不同程度的超挖現(xiàn)象。

目前水利工程中隧洞全機(jī)械化施工尚未大規(guī)模應(yīng)用,針對(duì)水利工程隧洞機(jī)械化鉆爆施工相關(guān)設(shè)計(jì)及施工規(guī)范指標(biāo)、配套定額等均需要進(jìn)一步完善。同時(shí)從人員培訓(xùn)和設(shè)備改裝上提出針對(duì)性方案,控制隧洞超欠挖。