小断面长隧洞开挖支护施工技术

2022-08-22毛凤旗

河南科技 2022年15期

毛凤旗

（甘肃水利机械化工程有限责任公司，甘肃兰州 730014）

0 引言

在水利体系建设施工中，小断面长隧洞施工是其主要组成部分，在一些待开发区域会有较为多样的小断面长隧洞，通常小断面长隧道施工难度较高，施工过程中会受到外界因素影响从而出现安全问题，很难保证施工质量。为了保证水利工程的小断面长隧道施工效果，在开工时需要制定合理的施工方案，并采取科学的施工方式，从不同角度分析施工技术的可行性和可靠性。同时，还需要在施工时做好监理工作，保证支护开挖施工质量，确保工程施工顺利。

1 工程概况

引洮二期庄浪应急供水工程，将引洮供水二期工程作为水源，延伸七干渠供水管线，直至庄浪县进行供水，以此解决整个县城乡39.86万人生产及生活用水紧张问题。年饮水量1 459万m3，将九甸峡取水口断面作为单位折算为1 700万m3，可达到95%的供水保证率，输水管道的整体设计流量为0.55 m3∕s，其中北洛河预留分水口0.23 m3∕s，南洛河的供水干管为0.32 m3∕s。该工程等级为Ⅲ等，工程规模为中型，主建筑级别是三级、次建筑物级别是四级、一些临时建筑物级别是五级。该工程建设的主要内容有输水管道工程以及调蓄水池工程，其中输水管道工程是工程起点到南洛河以及北洛河的汇合口总干管，长度57.967 km，而南北洛河汇合口到南洛河南坪的调蓄水池干管长度7.734 km，该蓄水池的容积为15万m3，其施工内容有调蓄水池工程土建、隧洞土建、管道安装、退水管施工、进水池施工、阀门及附件安装、工程永久管理设施、水保环保工程和工程所需临时工程等。

2 小断面长隧洞施工现状与特点

隧道是一种根据地质特点与实用功能建造的地下建筑物，通常隧道有多种类型，并且长度不同。小断面长隧洞一般指的是断面面积小于20 m2或者跨度小于4.5 m的隧洞，独头开挖长度1 200～2 000 m［1］。表1为按照洞室断面划分的隧洞分类表，表2为按照开挖长度的隧洞分类表。

表1 按照洞室断面划分的隧洞分类表

表2 按照开挖长度的隧洞分类表

现阶段，我国各项基础设施越来越完善，水利设施工程项目增多，例如大规模的引水工程、水电站工程以及排污工程等。在这些水利工程，中小型长隧洞施工是其重要组成部分，也是比较常见的施工类型。中小型长隧洞在其施工时会受到断面尺寸限制，从而会存在施工干扰大、工序交叉多、施工空间小等问题；同一工作面中，钻孔、出碴、通风、爆破等施工工序只可采用周期循环施工方法；施工中很难使用大型、高效的机械设备；设备会在不同程度上影响洞内管线的布设。除此之外，距离也会对小断面长隧洞施工产生限制，在布设施工设施时，难度较大，施工环境也较差。综上所述，小断面长隧洞施工难度大、出碴量和单位开挖量少，施工很少受到地质环境的影响，可以采取便捷安全的支护施工方案。

3 小断面长隧洞施工技术要点

3.1 开挖施工

3.1.1 开挖作业。

①开挖方式。对小断面长隧洞来说，开挖作业作为比较常见的一种作业形式，对工程建设及其未来发展中会产生较大的影响。为了在小断面长隧洞施工中获得良好施工效果，需要做好开挖工作，合理选择开挖方式，防止开挖作业出现问题。在开挖工作开展前，需要进行相应的测量分析，有效测量分析最大开挖断面的尺寸，确保可根据合理化模式实施开挖操作，避免使用错误方法与手段，否则会影响施工可行性、可靠性。另外，在开挖过程中，需要合理把控坡降，按照0.1%的标准控制坡降，使其符合小断面长隧洞特征［4］。对于地质不良的位置来说，操作时应选择弱爆破、短进尺和强支护等手段，以此提升开挖有效性，避免产生严重安全隐患。

②施工要点。在小断面长隧洞开挖过程中，需要按照施工工序及要求来施工。第一，施工准备阶段，做好洞内风、水、电的准备，施工人员与设备也应准备到位。做好爆破设计以及试验等工作，确定合理的爆破参数，施工过程中应按照生产性爆破试验结果来优化调整爆破参数，以获得良好爆破效果。第二，测量放线阶段，使用激光全站仪来测量洞内导线控制网，按照设计图纸对开挖轮廓线进行测放，并对导线以及隧洞轴线进行定期检查测量。开挖后成型断面也应及时测量，并纠正存在的偏差，专业人员进行测量需要在每排炮后测放开挖轮廓线，校核测量断面。结合隧洞布置实际情况，需要每个月对直线隧洞进行超过两次的坡度及洞轴线检查及复测。对于转弯隧洞来说，需结合情况，每一轮爆破初查和支护后需开展一次轴线测放，保证控制测量的工序以及质量。另外，根据洞挖与支护进度，需要在两侧洞臂设置桩号标志。第三，钻孔阶段，主要使用手持气腿风钻钻孔，为确保隧洞成型质量、减少轮廓线超挖情况，需要按照设计钻爆图施钻爆破孔，特别是周边光爆孔应根据“平直齐”要领操作。结合隧洞地质实际情况，当洞室围岩有完整结构且没有地下水时，控制钻孔深度在50～60 cm，其一次循环进尺为2.2～2.5 m。通常隧洞段的钻孔深度在2.5～3.0 m，如果是洞口段以及不良地质段，需将一次循环进尺长度减少，使用多循环、少约量、强支护短进尺的方式来施工，控制掏槽孔和周边孔偏差在5 cm内，其他炮孔的孔位偏差也不应超过10 cm［2］。第四，爆破阶段，需要结合地质条件以及环境差异，合理制定爆破方案，进而达到理想爆破效果。实际施工中，需开展爆破试验，根据工程与地质实际情况对爆破参数进行调整，应注意进尺以及炮眼数目，避免其影响循环效率，也应注重循环时节，保证循环进尺效果，具体爆破孔布设如图1所示。

图1 爆破孔布设（单位：m）

③支洞优化。小断面长隧洞在施工过程中，采用施工支洞方式具有以下优势。一是实际设置施工支洞时，需要充分考虑地形特点，并开辟多个工作面，确保长洞短打，可将周期缩短。二是便于隧洞排烟、通风、出碴，并且需要避开重要建筑物，以便优先进洞，防止影响施工进行。在施工支洞设置时，需要采取均衡施工和快速施工方式控制施工成本。通常情况下，施工支洞越多，主洞工作面也就越多，其会严重影响施工进度，也会增加工作量，不具备良好经济性。

3.1.2 供电与通风作业。

①通风、除尘、散烟。按照施工需求采取通风、除尘、散烟相关措施，确保施工人员人身安全。通常情况下，每一支洞应配备相应数量的通风机，确保工作面有新鲜风流。在洞外平台安装风机，与洞口距离在10 m以上，防止炮烟形成循环风，风筒需沿工作面延伸，形成正压供风。结合隧洞轴线地形实际情况，在条件允许的情况下，隧洞应在洞顶合适位置设置垂直通风孔，由此将排烟供风距离缩短，获得良好排烟通风效果。在爆破后，使用压入式通风机进行正压通风，确保工作面中流入新鲜风流，并吹出炮烟。爆堆出渣前，以人工洒水方式除尘，也可在施工燃料中掺加添加剂，减少灰尘和机械废气排放［3］。

②供电与通风施工。在小断面长隧洞开挖中，通风与供电等操作会对施工产生较大的影响，因此应不断改善，保证施工工作顺利开展。在实际供电中，长洞室一般使用低压电进洞方式来完成。通常情况下，小断面长隧洞挖进深度增加，会使电压损失增加，并呈现持续增加状态。针对这一情况，在实际施工中，可采用电容补偿方式来减少电压损失，并且提升供电的可靠性与稳定性。在小断面长隧洞中，可采用压入式通风结合混合式通风的方式，使小断面长隧洞获得良好的通风，并且能够准确把控风量。此外，施工中需要合理安排施工人员、设备以及控制爆破规模，详细计算通风量，以获得良好的开发效果。

根据洞内同时作业人数、洞口爆破后稀释一氧化碳至允许最高浓度、洞内最小风速允许量计算通风风量，计算公式分别如式（1）（2）（3）所示。

式中：Q为理论通风风量，m³∕min；M为同时工作人数；K为风量系数；A为同时爆破炸药消耗量，kg；K为风量备用数；t为通风时间，min；S为隧洞横断面积,m2；V为最小允许风速,m∕s。

在此基础上计算得到的最大值即为理论风量，但是本工程在施工时，需要考虑风筒漏风情况，经过计算可以得到本工程的实际通风量不小于583 m³∕min。同理，本工程的供风量为32.6 m³∕min时，隧洞单工作面需要设置两台20 m³∕min的电动空压机，才能够满足工程施工需要。

3.2 支护施工

3.2.1 合理勘查分析。对于小断面长隧洞来说，支护施工十分重要。根据工作经验以及相关标准，开展支护施工前需要进行勘查研究。勘查工作中，需要有效掌握和应对小断面长隧洞中存在的特殊情况［5］。当前工程建设不只是根据简单模式进行操作，在实际施工中也要注重对自然环境产生的影响，明确其是否会产生安全问题或诱发自然灾害。在开展勘查工作时，需坚持全面分析长隧洞的支护体系，采用模拟分析等技术手段进行隧洞建模，观察其可能存在的安全隐患。

3.2.2 制作和安装钢支撑。小断面长隧洞支护施工过程中，需要合理制作与安装钢支撑，其是支撑体系中的重要组成部分。钢支撑可应用Q235工字钢，在隧洞口附近的加工车间，由工人在平台架上自行制作。在加工厂，按照1∶1的比例放样使用型钢液压型弯曲机对拱部进行加工，使用垫片以及螺杆来连接顶拱和立杆，根据单榀试拼装，并进行编号。运输到现场后测量定位，并焊接固定锚杆，使用YT-28型风钻成孔，其直径根据超过锚杆杆体直径的15～20 mm范围进行确定，因此直径为35～40 mm，钻孔深度需要超过杆体入岩长度，在20～30 mm范围内，孔位平偏差为±15 mm，孔深偏差为±50 mm。使用电镐和风镐来处理局部欠挖部分。在安装钢支撑后，利用石块来回填较大的超挖部分，并喷射混凝土进行覆盖，接着可开展下一道工序。

3.2.3 小导管施工。小导管施工是支护施工的重要组成部分。实际施工中，需要根据相关标准按部就班操作，不断提升施工可行性与可靠性，灵活调整，避免后续工作中出现问题。小导管属于无缝钢管，其管径为40 mm，长度为3 m或4.5 m，沿着拱部开挖轮廓线来布置小导管，导管距离为30～40 mm，结合现场具体要求加固长度与厚度来明确小导管角度，大约是3°［6］。如果遇到有地下水、规模较大的破碎带时，利用小导管注浆加固方式，小导管即可和周围岩石一同承担压力，达到良好的堵水效果。完成钻孔工作后，需及时吹孔，在吹洗干净后安装钢管，在孔口段分段推进，直到孔底。实际钻孔时，对钻孔地段地质情况加以预判，为下步施工做好准备。

3.3 施工监理

小断面长隧洞具有较长工程期限，对于质量以及安全有较高要求，也需合理控制成本，因此在该项工程施工中，应注重施工工期、质量以及成本，具体要注意以下4个方面。第一，小断面长隧洞施工质量会受到雨水的影响，在雨季，洞口内部会存积雨水，不利于施工工作开展，也会影响后续施工。第二，小断面长隧道经常处于不良地质洞段施工，该阶段如果操作不当，会有塌方等问题出现。第三，如果没有合理控制初期支护施工，容易在后期应用中出现塌方问题，这将影响工程后期质量、投资与工期，是小断面长隧洞初期支护施工的重难点。第四，在支护施工过程中，施工单位需落实测量控制工作，保证隧洞贯通性，减少塌方出现的概率。