水利工程隧洞開挖施工探析

吳曙輝

（廣東恒廣源投資有限公司，廣東 汕頭 515041）

在水利工程的施工建設(shè)過程中，隧道開挖是非常關(guān)鍵的一個施工步驟，隧道施工線路一定要與水利工程的施工建設(shè)需求相符合，可以在水利工程施工現(xiàn)場的地質(zhì)、水文環(huán)境及地形、地貌等特征的基礎(chǔ)上，對隧道進行細化和確定[1]。隧道開挖受地質(zhì)條件、水文環(huán)境及地形地貌特點等因素的影響，成為隧道工程施工作業(yè)中的一個重大難點。因此，應(yīng)重視運用現(xiàn)代施工技術(shù)，以此來保證水利工程項目的整體施工質(zhì)量[2]。

1 施工方法

非爆破法施工包括懸臂掘進機開挖施工，挖掘機、單鉤和破碎錘機械開挖施工等，下面針對圍巖特性，對各開挖施工方法的適用性情況進行分析。圍巖狀況是影響洞室能否使用懸臂挖掘的重要因素，要明確洞室整體的地質(zhì)情況，如圍巖穩(wěn)定性、巖石組成等，從而判斷能否使用懸臂挖掘。隧洞將按新奧法原理組織施工，始終堅持“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測、速反饋、控沉陷”的原則。隧洞淺埋暗挖段200 m 地質(zhì)主要以Ⅴ級和Ⅳ類圍巖為主，洞口段Ⅴ類圍巖（GZ0+012—GZ0+032、全、強風化）采用上下臺階預留核心土法開挖，較好Ⅴ類圍巖（GZ0+032—GZ0+105、弱風化）、Ⅳ類圍巖（GZ0+105—GZ0+380）采用上下臺階法開挖。

1.1 上下臺階預留核心土法開挖

1）拱頂超前支護。是在進行土法開挖時的一種常用方法，首先進行超前小導管支護，即在開挖的前方一定距離處，安裝一系列由鋼管或者其他堅固材料制成的小型導管來支撐土層，以防止土體塌方。接下來是注漿，即通過導管將漿液注入土層中，以增加土體的穩(wěn)定性和強度。注漿材料通常是水泥漿或其他適合的漿液。這種超前支護措施可以有效地保護開挖面的安全，并確保施工過程的順利進行。

2）上部弧形導坑開挖。在拱部提前支護后，環(huán)形開挖上方圓弧導向洞，保留芯巖，上部高6.0 m；芯土體長3.0～5.0 m，其斷面為隧道斷面的1/3～1/2。上梯級掘進的周期不超過1.0 m（或0.5 m），根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況，Ⅴ類圍巖上臺階開挖循環(huán)進尺最大不超過2 榀（即1.0 m）；開挖后根據(jù)拱頂、掌子面穩(wěn)定情況，對邊墻、拱頂初噴3～5 cm 混凝土，必要時對掌子面進行初噴封閉。上臺階開挖的矢跨比應(yīng)該超過0.3，開挖完畢后要馬上展開架設(shè)鋼拱架、錨桿、網(wǎng)系統(tǒng)支護工作，在鋼架拱腳之上30 cm 的高度、緊貼近鋼架的兩邊邊緣，按下傾角45°來搭設(shè)鎖腳錨桿，將拱腳錨桿與鋼架進行緊密的焊接，并重新噴射到設(shè)計厚度。

3）核心土開挖。上臺階弧形導洞長5.0～35.0 m，上部核心土需保留的厚度為3.0～5.0 m。在完成上部導坑支護穩(wěn)定后，及時開挖多余核心土。

4）左右側(cè)下臺階開挖。開挖進尺為2 榀（即1.0 m），正常情況下，挖掘的高度應(yīng)為2.5～3.5 m，左右階梯之間的距離為3.0～5.0 m，在挖掘完成之后要立刻初噴3～5 cm 的混凝土，并且及時對其進行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，將鋼架接長，在鋼架拱腳之上30 cm 的高度、鋼架的兩邊邊緣、下傾角為45°的位置進行固定，并將接長部分與鋼架進行緊密的焊接，重新噴射到設(shè)計厚度。

5）底板墊層開挖、閉合成環(huán)。為保證隧洞施工的安全，下臺階施工完畢后針對Ⅴ類圍巖底板墊層及時進行初支封閉成環(huán)，安裝鋼拱架底部橫向型鋼并澆筑底板墊層C25 混凝土封閉，底板墊層分段澆筑長度為3.0～6.0 m。上下臺階預留核心土開挖法見圖1。

1.2 上下臺階法開挖

1）上臺階開挖。在拱部超前支護后進行上臺階開挖，上臺階高度為6.0 m。根據(jù)超前鉆探及地質(zhì)素描反映的圍巖穩(wěn)定情況，上臺階開挖循環(huán)進尺的設(shè)計原則：應(yīng)按Ⅴ類圍巖穩(wěn)定較差的每次開挖進程不大0.5 m，穩(wěn)定性較好的每次開挖進尺最大不超過1.0 m；Ⅳ類圍巖每次開挖進尺為2.0 m。開挖后，根據(jù)拱頂、掌子面穩(wěn)定情況，初期噴封掌子面對邊墻、拱頂初噴3～5 cm 混凝土。上臺階開挖矢跨比不小于0.3，開挖后及時架設(shè)鋼拱架、錨桿，并設(shè)置網(wǎng)系統(tǒng)，在鋼架拱腳30 cm 高度處搭設(shè)鎖腳錨桿，搭設(shè)角度為45°，并緊貼鋼架兩側(cè)，焊接牢固后復噴混凝土。

2）左右側(cè)下臺階開挖。采用短臺階法，上臺階長度控制在5.0～35.0 m，即在上臺階不超35.0 m 的前提下開挖下臺階。開挖進尺為2 榀（Ⅴ類圍巖為1.0 m 或Ⅳ類圍巖為2.0 m），選擇2.5～3.5 m 作為開挖高度，左側(cè)臺階、右側(cè)臺階錯開，間距保持3.0～5.0 m，開挖后使用早強混凝土噴護，一般噴3.0～5.0 cm 即可。待混凝土初凝立刻進行鋼拱架支護，同時布設(shè)噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)，使用長鋼梁與之前拱架焊接固定，環(huán)拱架水平布置，在拱腳30 cm高度位置、緊貼鋼架兩側(cè)邊，按照45°傾角搭設(shè)鎖腳錨桿，焊接牢固相應(yīng)的部件，再噴護混凝土至設(shè)計厚度。

3）底板墊層開挖、閉合成環(huán)。為保證隧洞施工的安全，下臺階施工完畢后及時進行初支封閉成環(huán)，安裝鋼拱架底部橫向型鋼（Ⅴ類圍巖）并澆筑底板墊層C25 混凝土封閉，分段澆筑長度為3.0～6.0 m。Ⅳ類、Ⅴ類圍巖初支封閉位置（即底板墊層）距掌子面不得超過35.0 m。Ⅴ類圍巖底板墊層開挖長度為3.0 m，開挖之后實施初期支護，形成封閉環(huán)。

1.3 懸臂掘進機施工工藝

1）開挖。采用階梯法，使用懸臂掘進機開挖巷道，開挖工序如圖2 所示。在挖掘時懸臂掘進機需要確保履帶距離掌子面至少6.0 m，掘進機的落腳至少5.0 m。在挖掘工作中，由于受場地的約束，梯級基坑的長度、高度及芯土的剖面大小要視具體的工程情況而定。在使用全斷面掘進時，通常應(yīng)遵循自下而上，先軟后硬的原則。對于拱底、側(cè)壁等部分，不能用挖掘機直接銑削，必須用風鎬手工打磨。因銑削是一種對小型巖石（或圍巖）進行逐級切割的掘進方法，因此，在銑削過程中，掘進器的截割頭僅對巖石進行切割，通過轉(zhuǎn)動切割來完成對工作面的部分挖掘。在整個（或部分）區(qū)間內(nèi)，按照切割剖面內(nèi)巖石塊體的順序及循環(huán)線進行巷道整體（或部分）的施工。懸臂掘進機的銑削工作主要是磨削和切割，在其截割頭上布置的截齒類似于鎬，就是機器設(shè)備與巖石體之間的最大接觸點，通過轉(zhuǎn)動截割頭朝著各個方位擺動，可將機械裁割力傳遞到巖石表面，以此剝離巖石[3]。

圖2 懸臂掘進機施工工藝

2）出渣。由于懸空掘進排渣能力比較受限，只能在刀尖作用區(qū)域才能達到排渣效果，所以在施工過程中，需要配套1 臺鏟運機來協(xié)助排渣。在懸臂式掘進機作業(yè)中，由于卸碴的作用，在局部地區(qū)只能使用切割滾筒將卸碴卸到其他地區(qū)，所以，在支護作業(yè)時，必須采用挖土機與支護作業(yè)相結(jié)合的方法。在進行作業(yè)之前，用挖掘機把采煤面上的棄碴扒出，這樣便于吊桿掘進機的定位和挖掘。

3）支護。在挖方結(jié)束后，應(yīng)立即對其進行支護，支護中應(yīng)遵守“少擾動，強支護，早封閉”的原則；“嚴密”的設(shè)計理念，旨在避免裸露在外的巖石因風化而導致不穩(wěn)定。

4）開挖循環(huán)。在挖完一個工區(qū)之后，要將吊車從工作面上拉下來，停在巷道的一邊，并對吊車進行檢修；然后進行排渣和支護等工作[4]。隧道在這個過程結(jié)束后再進入下一個周期。

2 水利工程隧洞開挖施工質(zhì)控措施

2.1 洞挖質(zhì)量控制措施

隧道幕墻的選擇和施工方案應(yīng)當根據(jù)具體的地質(zhì)條件、覆蓋層厚度及襯砌斷面等因素進行決策。由于隧道的長度和特征各異，需要通過對工程成本和技術(shù)方案的比較來做出決策[5]。隧道開挖的輪廓線應(yīng)以早期測量放樣的輪廓線為基準，并結(jié)合具體情況，在滿足設(shè)計要求的前提下，可適度增加施工和測量的貫穿誤差，但不能超過或低于規(guī)定的挖掘標準。每次完成隧洞工程后，應(yīng)根據(jù)施工圖觀察涌水量和巖體的松軟程度及堅硬程度，以判斷周邊巖體的穩(wěn)定狀況。在挖掘完成后，應(yīng)按照設(shè)計標準要求的施工項目和頻率對周邊巖石進行測量，并將測量結(jié)果及時反饋，以便對施工方式進行調(diào)整[7]。

2.2 爆破質(zhì)量控制

工程施工過程中，必須精確定位并仔細控制鉆孔的裝藥量，以防止多裝或少裝。在進行爆炸前，務(wù)必認真檢查雷管的連接等問題，以及對爆炸實驗進行調(diào)整和確認并確保爆炸區(qū)域周圍300 m內(nèi)無人。

2.3 鉆孔、灌漿施工技術(shù)質(zhì)量控制

鉆孔位置、泥漿質(zhì)量狀況及注漿量都對鉆孔注漿質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。注漿速率等參數(shù)與隧道結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，對隧道的施工質(zhì)量至關(guān)重要。在進行混凝土灌漿輸送時，應(yīng)先輸送少量水泥砂漿，以增強泵送管的潤濕性，從而確?；炷敛牧系馁|(zhì)量。為避免泵送管道阻塞，還需要定期敲打管道的彎曲部位[7]。

2.4 隧洞支護質(zhì)量控制

隧道支撐是防止隧道坍塌的重要技術(shù)，確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定對于加快建設(shè)進度和保障安全至關(guān)重要。不同類型的崩塌需要采取相應(yīng)的方法，有時還需要綜合采取多項措施進行處理[8]。地下工程一旦發(fā)生坍塌，其后果異常復雜。因此，針對具體施工條件，需要進行詳細分析來確定處理方法。盡管針對某些坍塌類型已經(jīng)有應(yīng)對方案，但處理方法仍需根據(jù)實際情況靈活調(diào)整[9]。

3 結(jié)語

在水利水電工程中，隧道的開挖是一個復雜而繁重的過程，受多種因素影響，一絲疏忽都可能導致發(fā)生嚴重的安全問題。因此，在隧道工程施工之前，必須做好各項準備工作，并結(jié)合工程實際情況，制定合理的施工計劃，以確保隧道工程的質(zhì)量和數(shù)量，降低安全事故發(fā)生的可能性，從而提升水利工程施工的安全性和穩(wěn)定性。