小斷面長隧洞開挖支護(hù)施工技術(shù)

毛鳳旗

（甘肅水利機(jī)械化工程有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730014）

0 引言

在水利體系建設(shè)施工中，小斷面長隧洞施工是其主要組成部分，在一些待開發(fā)區(qū)域會(huì)有較為多樣的小斷面長隧洞，通常小斷面長隧道施工難度較高，施工過程中會(huì)受到外界因素影響從而出現(xiàn)安全問題，很難保證施工質(zhì)量。為了保證水利工程的小斷面長隧道施工效果，在開工時(shí)需要制定合理的施工方案，并采取科學(xué)的施工方式，從不同角度分析施工技術(shù)的可行性和可靠性。同時(shí)，還需要在施工時(shí)做好監(jiān)理工作，保證支護(hù)開挖施工質(zhì)量，確保工程施工順利。

1 工程概況

引洮二期莊浪應(yīng)急供水工程，將引洮供水二期工程作為水源，延伸七干渠供水管線，直至莊浪縣進(jìn)行供水，以此解決整個(gè)縣城鄉(xiāng)39.86萬人生產(chǎn)及生活用水緊張問題。年飲水量1 459萬m3，將九甸峽取水口斷面作為單位折算為1 700萬m3，可達(dá)到95%的供水保證率，輸水管道的整體設(shè)計(jì)流量為0.55 m3∕s，其中北洛河預(yù)留分水口0.23 m3∕s，南洛河的供水干管為0.32 m3∕s。該工程等級(jí)為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，主建筑級(jí)別是三級(jí)、次建筑物級(jí)別是四級(jí)、一些臨時(shí)建筑物級(jí)別是五級(jí)。該工程建設(shè)的主要內(nèi)容有輸水管道工程以及調(diào)蓄水池工程，其中輸水管道工程是工程起點(diǎn)到南洛河以及北洛河的匯合口總干管，長度57.967 km，而南北洛河匯合口到南洛河南坪的調(diào)蓄水池干管長度7.734 km，該蓄水池的容積為15萬m3，其施工內(nèi)容有調(diào)蓄水池工程土建、隧洞土建、管道安裝、退水管施工、進(jìn)水池施工、閥門及附件安裝、工程永久管理設(shè)施、水保環(huán)保工程和工程所需臨時(shí)工程等。

2 小斷面長隧洞施工現(xiàn)狀與特點(diǎn)

隧道是一種根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)與實(shí)用功能建造的地下建筑物，通常隧道有多種類型，并且長度不同。小斷面長隧洞一般指的是斷面面積小于20 m2或者跨度小于4.5 m的隧洞，獨(dú)頭開挖長度1 200～2 000 m［1］。表1為按照洞室斷面劃分的隧洞分類表，表2為按照開挖長度的隧洞分類表。

表1 按照洞室斷面劃分的隧洞分類表

表2 按照開挖長度的隧洞分類表

現(xiàn)階段，我國各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施越來越完善，水利設(shè)施工程項(xiàng)目增多，例如大規(guī)模的引水工程、水電站工程以及排污工程等。在這些水利工程，中小型長隧洞施工是其重要組成部分，也是比較常見的施工類型。中小型長隧洞在其施工時(shí)會(huì)受到斷面尺寸限制，從而會(huì)存在施工干擾大、工序交叉多、施工空間小等問題；同一工作面中，鉆孔、出碴、通風(fēng)、爆破等施工工序只可采用周期循環(huán)施工方法；施工中很難使用大型、高效的機(jī)械設(shè)備；設(shè)備會(huì)在不同程度上影響洞內(nèi)管線的布設(shè)。除此之外，距離也會(huì)對(duì)小斷面長隧洞施工產(chǎn)生限制，在布設(shè)施工設(shè)施時(shí)，難度較大，施工環(huán)境也較差。綜上所述，小斷面長隧洞施工難度大、出碴量和單位開挖量少，施工很少受到地質(zhì)環(huán)境的影響，可以采取便捷安全的支護(hù)施工方案。

3 小斷面長隧洞施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 開挖施工

3.1.1 開挖作業(yè)。

①開挖方式。對(duì)小斷面長隧洞來說，開挖作業(yè)作為比較常見的一種作業(yè)形式，對(duì)工程建設(shè)及其未來發(fā)展中會(huì)產(chǎn)生較大的影響。為了在小斷面長隧洞施工中獲得良好施工效果，需要做好開挖工作，合理選擇開挖方式，防止開挖作業(yè)出現(xiàn)問題。在開挖工作開展前，需要進(jìn)行相應(yīng)的測量分析，有效測量分析最大開挖斷面的尺寸，確?？筛鶕?jù)合理化模式實(shí)施開挖操作，避免使用錯(cuò)誤方法與手段，否則會(huì)影響施工可行性、可靠性。另外，在開挖過程中，需要合理把控坡降，按照0.1%的標(biāo)準(zhǔn)控制坡降，使其符合小斷面長隧洞特征［4］。對(duì)于地質(zhì)不良的位置來說，操作時(shí)應(yīng)選擇弱爆破、短進(jìn)尺和強(qiáng)支護(hù)等手段，以此提升開挖有效性，避免產(chǎn)生嚴(yán)重安全隱患。

②施工要點(diǎn)。在小斷面長隧洞開挖過程中，需要按照施工工序及要求來施工。第一，施工準(zhǔn)備階段，做好洞內(nèi)風(fēng)、水、電的準(zhǔn)備，施工人員與設(shè)備也應(yīng)準(zhǔn)備到位。做好爆破設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)等工作，確定合理的爆破參數(shù)，施工過程中應(yīng)按照生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)結(jié)果來優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)，以獲得良好爆破效果。第二，測量放線階段，使用激光全站儀來測量洞內(nèi)導(dǎo)線控制網(wǎng)，按照設(shè)計(jì)圖紙對(duì)開挖輪廓線進(jìn)行測放，并對(duì)導(dǎo)線以及隧洞軸線進(jìn)行定期檢查測量。開挖后成型斷面也應(yīng)及時(shí)測量，并糾正存在的偏差，專業(yè)人員進(jìn)行測量需要在每排炮后測放開挖輪廓線，校核測量斷面。結(jié)合隧洞布置實(shí)際情況，需要每個(gè)月對(duì)直線隧洞進(jìn)行超過兩次的坡度及洞軸線檢查及復(fù)測。對(duì)于轉(zhuǎn)彎隧洞來說，需結(jié)合情況，每一輪爆破初查和支護(hù)后需開展一次軸線測放，保證控制測量的工序以及質(zhì)量。另外，根據(jù)洞挖與支護(hù)進(jìn)度，需要在兩側(cè)洞臂設(shè)置樁號(hào)標(biāo)志。第三，鉆孔階段，主要使用手持氣腿風(fēng)鉆鉆孔，為確保隧洞成型質(zhì)量、減少輪廓線超挖情況，需要按照設(shè)計(jì)鉆爆圖施鉆爆破孔，特別是周邊光爆孔應(yīng)根據(jù)“平直齊”要領(lǐng)操作。結(jié)合隧洞地質(zhì)實(shí)際情況，當(dāng)洞室圍巖有完整結(jié)構(gòu)且沒有地下水時(shí)，控制鉆孔深度在50～60 cm，其一次循環(huán)進(jìn)尺為2.2～2.5 m。通常隧洞段的鉆孔深度在2.5～3.0 m，如果是洞口段以及不良地質(zhì)段，需將一次循環(huán)進(jìn)尺長度減少，使用多循環(huán)、少約量、強(qiáng)支護(hù)短進(jìn)尺的方式來施工，控制掏槽孔和周邊孔偏差在5 cm內(nèi)，其他炮孔的孔位偏差也不應(yīng)超過10 cm［2］。第四，爆破階段，需要結(jié)合地質(zhì)條件以及環(huán)境差異，合理制定爆破方案，進(jìn)而達(dá)到理想爆破效果。實(shí)際施工中，需開展爆破試驗(yàn)，根據(jù)工程與地質(zhì)實(shí)際情況對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)注意進(jìn)尺以及炮眼數(shù)目，避免其影響循環(huán)效率，也應(yīng)注重循環(huán)時(shí)節(jié)，保證循環(huán)進(jìn)尺效果，具體爆破孔布設(shè)如圖1所示。

圖1 爆破孔布設(shè)（單位：m）

③支洞優(yōu)化。小斷面長隧洞在施工過程中，采用施工支洞方式具有以下優(yōu)勢。一是實(shí)際設(shè)置施工支洞時(shí)，需要充分考慮地形特點(diǎn)，并開辟多個(gè)工作面，確保長洞短打，可將周期縮短。二是便于隧洞排煙、通風(fēng)、出碴，并且需要避開重要建筑物，以便優(yōu)先進(jìn)洞，防止影響施工進(jìn)行。在施工支洞設(shè)置時(shí)，需要采取均衡施工和快速施工方式控制施工成本。通常情況下，施工支洞越多，主洞工作面也就越多，其會(huì)嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，也會(huì)增加工作量，不具備良好經(jīng)濟(jì)性。

3.1.2 供電與通風(fēng)作業(yè)。

①通風(fēng)、除塵、散煙。按照施工需求采取通風(fēng)、除塵、散煙相關(guān)措施，確保施工人員人身安全。通常情況下，每一支洞應(yīng)配備相應(yīng)數(shù)量的通風(fēng)機(jī)，確保工作面有新鮮風(fēng)流。在洞外平臺(tái)安裝風(fēng)機(jī)，與洞口距離在10 m以上，防止炮煙形成循環(huán)風(fēng)，風(fēng)筒需沿工作面延伸，形成正壓供風(fēng)。結(jié)合隧洞軸線地形實(shí)際情況，在條件允許的情況下，隧洞應(yīng)在洞頂合適位置設(shè)置垂直通風(fēng)孔，由此將排煙供風(fēng)距離縮短，獲得良好排煙通風(fēng)效果。在爆破后，使用壓入式通風(fēng)機(jī)進(jìn)行正壓通風(fēng)，確保工作面中流入新鮮風(fēng)流，并吹出炮煙。爆堆出渣前，以人工灑水方式除塵，也可在施工燃料中摻加添加劑，減少灰塵和機(jī)械廢氣排放［3］。

②供電與通風(fēng)施工。在小斷面長隧洞開挖中，通風(fēng)與供電等操作會(huì)對(duì)施工產(chǎn)生較大的影響，因此應(yīng)不斷改善，保證施工工作順利開展。在實(shí)際供電中，長洞室一般使用低壓電進(jìn)洞方式來完成。通常情況下，小斷面長隧洞挖進(jìn)深度增加，會(huì)使電壓損失增加，并呈現(xiàn)持續(xù)增加狀態(tài)。針對(duì)這一情況，在實(shí)際施工中，可采用電容補(bǔ)償方式來減少電壓損失，并且提升供電的可靠性與穩(wěn)定性。在小斷面長隧洞中，可采用壓入式通風(fēng)結(jié)合混合式通風(fēng)的方式，使小斷面長隧洞獲得良好的通風(fēng)，并且能夠準(zhǔn)確把控風(fēng)量。此外，施工中需要合理安排施工人員、設(shè)備以及控制爆破規(guī)模，詳細(xì)計(jì)算通風(fēng)量，以獲得良好的開發(fā)效果。

根據(jù)洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)人數(shù)、洞口爆破后稀釋一氧化碳至允許最高濃度、洞內(nèi)最小風(fēng)速允許量計(jì)算通風(fēng)風(fēng)量，計(jì)算公式分別如式（1）（2）（3）所示。

式中：Q為理論通風(fēng)風(fēng)量，m3∕min；M為同時(shí)工作人數(shù)；K為風(fēng)量系數(shù)；A為同時(shí)爆破炸藥消耗量，kg；K為風(fēng)量備用數(shù)；t為通風(fēng)時(shí)間，min；S為隧洞橫斷面積,m2；V為最小允許風(fēng)速,m∕s。

在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到的最大值即為理論風(fēng)量，但是本工程在施工時(shí)，需要考慮風(fēng)筒漏風(fēng)情況，經(jīng)過計(jì)算可以得到本工程的實(shí)際通風(fēng)量不小于583 m3∕min。同理，本工程的供風(fēng)量為32.6 m3∕min時(shí)，隧洞單工作面需要設(shè)置兩臺(tái)20 m3∕min的電動(dòng)空壓機(jī)，才能夠滿足工程施工需要。

3.2 支護(hù)施工

3.2.1 合理勘查分析。對(duì)于小斷面長隧洞來說，支護(hù)施工十分重要。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，開展支護(hù)施工前需要進(jìn)行勘查研究?？辈楣ぷ髦?，需要有效掌握和應(yīng)對(duì)小斷面長隧洞中存在的特殊情況［5］。當(dāng)前工程建設(shè)不只是根據(jù)簡單模式進(jìn)行操作，在實(shí)際施工中也要注重對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生的影響，明確其是否會(huì)產(chǎn)生安全問題或誘發(fā)自然災(zāi)害。在開展勘查工作時(shí)，需堅(jiān)持全面分析長隧洞的支護(hù)體系，采用模擬分析等技術(shù)手段進(jìn)行隧洞建模，觀察其可能存在的安全隱患。

3.2.2 制作和安裝鋼支撐。小斷面長隧洞支護(hù)施工過程中，需要合理制作與安裝鋼支撐，其是支撐體系中的重要組成部分。鋼支撐可應(yīng)用Q235工字鋼，在隧洞口附近的加工車間，由工人在平臺(tái)架上自行制作。在加工廠，按照1∶1的比例放樣使用型鋼液壓型彎曲機(jī)對(duì)拱部進(jìn)行加工，使用墊片以及螺桿來連接頂拱和立桿，根據(jù)單榀試拼裝，并進(jìn)行編號(hào)。運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后測量定位，并焊接固定錨桿，使用YT-28型風(fēng)鉆成孔，其直徑根據(jù)超過錨桿桿體直徑的15～20 mm范圍進(jìn)行確定，因此直徑為35～40 mm，鉆孔深度需要超過桿體入巖長度，在20～30 mm范圍內(nèi)，孔位平偏差為±15 mm，孔深偏差為±50 mm。使用電鎬和風(fēng)鎬來處理局部欠挖部分。在安裝鋼支撐后，利用石塊來回填較大的超挖部分，并噴射混凝土進(jìn)行覆蓋，接著可開展下一道工序。

3.2.3 小導(dǎo)管施工。小導(dǎo)管施工是支護(hù)施工的重要組成部分。實(shí)際施工中，需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)按部就班操作，不斷提升施工可行性與可靠性，靈活調(diào)整，避免后續(xù)工作中出現(xiàn)問題。小導(dǎo)管屬于無縫鋼管，其管徑為40 mm，長度為3 m或4.5 m，沿著拱部開挖輪廓線來布置小導(dǎo)管，導(dǎo)管距離為30～40 mm，結(jié)合現(xiàn)場具體要求加固長度與厚度來明確小導(dǎo)管角度，大約是3°［6］。如果遇到有地下水、規(guī)模較大的破碎帶時(shí)，利用小導(dǎo)管注漿加固方式，小導(dǎo)管即可和周圍巖石一同承擔(dān)壓力，達(dá)到良好的堵水效果。完成鉆孔工作后，需及時(shí)吹孔，在吹洗干凈后安裝鋼管，在孔口段分段推進(jìn)，直到孔底。實(shí)際鉆孔時(shí)，對(duì)鉆孔地段地質(zhì)情況加以預(yù)判，為下步施工做好準(zhǔn)備。

3.3 施工監(jiān)理

小斷面長隧洞具有較長工程期限，對(duì)于質(zhì)量以及安全有較高要求，也需合理控制成本，因此在該項(xiàng)工程施工中，應(yīng)注重施工工期、質(zhì)量以及成本，具體要注意以下4個(gè)方面。第一，小斷面長隧洞施工質(zhì)量會(huì)受到雨水的影響，在雨季，洞口內(nèi)部會(huì)存積雨水，不利于施工工作開展，也會(huì)影響后續(xù)施工。第二，小斷面長隧道經(jīng)常處于不良地質(zhì)洞段施工，該階段如果操作不當(dāng)，會(huì)有塌方等問題出現(xiàn)。第三，如果沒有合理控制初期支護(hù)施工，容易在后期應(yīng)用中出現(xiàn)塌方問題，這將影響工程后期質(zhì)量、投資與工期，是小斷面長隧洞初期支護(hù)施工的重難點(diǎn)。第四，在支護(hù)施工過程中，施工單位需落實(shí)測量控制工作，保證隧洞貫通性，減少塌方出現(xiàn)的概率。

4 結(jié)語

小斷面長隧洞施工由于受到進(jìn)度、質(zhì)量以及成本等各種因素影響，難以保證后期運(yùn)行效果。因此，需要采用合理的施工技術(shù)，尤其是開挖施工與支護(hù)施工階段，其作為整體施工重要組成部分需要保證良好施工效果。在實(shí)際施工中，注意掌握技術(shù)要點(diǎn)，合理安排開挖施工與支護(hù)技術(shù)各項(xiàng)工作，進(jìn)而提升小斷面長隧洞整體質(zhì)量。