高寒地區(qū)特小斷面隧洞洞挖施工技術(shù)

董成波，杜保庫，吳 勇

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

登棚二級水電站位于四川省阿壩州黑水縣境內(nèi)，裝機(jī)容量為18萬MW。引水隧洞為2.4m×2.9m城門洞形，全長3 587.874 m，洞軸線平均高程約為2 984m。開挖揭示的圍巖多為花崗巖，地下水總體較少，開挖中出現(xiàn)的強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶、擠壓錯(cuò)動帶及小斷層圍巖自穩(wěn)時(shí)間極短，開挖后洞體易出現(xiàn)變形或失穩(wěn);在地下水較為發(fā)育的洞段，若開挖中出現(xiàn)的軟弱夾層或不利結(jié)構(gòu)面，遇水后易出現(xiàn)滑塌。據(jù)黑水縣氣象站氣象資料統(tǒng)計(jì)，施工區(qū)域多年平均氣溫9.0℃，極端最高氣溫32.8℃，極端最低氣溫－18℃。

2 隧洞洞挖施工的特點(diǎn)和難點(diǎn)

結(jié)合登棚二級水電站的工程實(shí)際，對高寒地區(qū)特小斷面隧洞工程洞挖施工的特點(diǎn)和難點(diǎn)分析如下:

(1)隧洞斷面小，投入較高，產(chǎn)出較低。大型機(jī)械利用率極低，掌子面鉆爆僅能投入兩臺手風(fēng)鉆，利用耙渣機(jī)配合自卸三輪車出渣的效率較低，出渣時(shí)間過長，隨著運(yùn)距增長，將制約洞挖循環(huán)施工進(jìn)度;支洞長度較長，隨著洞挖長度加深，通風(fēng)散煙的難度增大。

(2)前期地勘資料不足，施工期間地質(zhì)預(yù)報(bào)等工作未有效地開展。

(3)地下工程不確定因素多，如遇斷層及破碎帶、涌水帶等不良地質(zhì)洞段，需做好對巖性的認(rèn)識，制定合理的開挖及支護(hù)方案;局部段掌子面出現(xiàn)淋雨?duì)畹叵滤绊戙@爆及出渣作業(yè)。

(4)洞挖工程施工受季節(jié)氣候影響，夏季降雨較多，對施工便道邊坡沖刷易引起坍塌斷道;冬季施工便道結(jié)冰，影響材料的運(yùn)輸，同時(shí)生產(chǎn)和生活用水等也存在一定的問題。

(5)工程處于高海拔、低氣溫地區(qū)，工作條件艱苦，作業(yè)人員的工效較低，施工人員更換頻繁，作業(yè)隊(duì)伍不易穩(wěn)定。

3 洞挖及初期安全支護(hù)施工技術(shù)

登棚二級水電站引水隧洞工程的戰(zhàn)線相對較長、斷面太小、機(jī)械化施工程度低、冬季施工時(shí)段長，在遭遇“5.12”汶川大地震影響后，施工難度加大，工期拖延，直接制約電站的發(fā)電工期。在此，結(jié)合多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對引水隧洞的洞挖及初期安全支護(hù)，從施工技術(shù)、組織和管理等方面進(jìn)行了總結(jié)和探討，提出應(yīng)對措施。

3.1 工程的應(yīng)對措施

3.1.1 減少或防止隧洞坍塌措施

坍塌事故直接影響隧洞洞挖的施工進(jìn)度，還有可能造成傷人毀機(jī)等事故，增加工程的投資，因此隧洞施工中減少或防止隧洞坍塌事故是首要的。電站前期施工1號主洞下游面K1+513～1+538m段遭遇斷層帶和軟弱夾層，出現(xiàn)坍塌事故，雖然未造成人員和設(shè)備的安全事故，但嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度，強(qiáng)支護(hù)增加了工程費(fèi)用。監(jiān)理組織召開專題會議，提出做好“認(rèn)識圍巖、保護(hù)圍巖、支護(hù)圍巖、監(jiān)測圍巖”四個(gè)環(huán)節(jié)，減少或防止隧洞坍塌。在施工過程中，設(shè)計(jì)單位及時(shí)提供各掌子面的地質(zhì)預(yù)報(bào)，承包人根據(jù)巖石條件不斷地調(diào)整爆破參數(shù)，使圍巖較好的洞段取得良好的光面爆破效果，圍巖較差的洞段應(yīng)減少爆破振動影響，有效地控制超挖并抑制塌方。對于不良地質(zhì)洞段，要采取“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤觀測”的綜合治理方案。在地下洞室開挖過程中，應(yīng)根據(jù)地下洞室的工程規(guī)模、地質(zhì)條件、施工方法等開展安全監(jiān)測工作，以指導(dǎo)開挖施工和確定加固方案及支護(hù)參數(shù)，同時(shí)反饋設(shè)計(jì)，指導(dǎo)永久支護(hù)的參數(shù)確定。

(1)前期地勘資料不足，施工期間由于引水隧洞施工戰(zhàn)線長、工作面多、設(shè)計(jì)地質(zhì)人員偏少，地質(zhì)預(yù)報(bào)工作始終沒能及時(shí)跟上。這就要求承包人項(xiàng)目部加強(qiáng)技術(shù)和安全管理，利用施工第一線鉆爆工人掌握的圍巖情況，及時(shí)跟進(jìn)錨網(wǎng)噴支護(hù)，如遇斷層或破碎帶等不良地質(zhì)洞段，需組織有關(guān)方現(xiàn)場確定合理的強(qiáng)支護(hù)措施，杜絕外協(xié)隊(duì)伍野蠻施工，冒進(jìn)作業(yè)引起坍塌，造成安全事故，影響工程進(jìn)度。對于引水隧洞過沖溝或淺埋的洞段，需提前做好開挖及支護(hù)的施工方案，做好超前安全支護(hù)等，預(yù)見性地做好防止隧洞坍塌的工作。

(2)加強(qiáng)對初期安全支護(hù)質(zhì)量的檢查和管控。現(xiàn)場施工單位技術(shù)人員和監(jiān)理人員須深入施工作業(yè)第一線，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷提高發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的水平和能力，適應(yīng)艱苦的現(xiàn)場工作環(huán)境，強(qiáng)化工作的責(zé)任心。針對前一階段1號隧洞下游面初期安全支護(hù)不及時(shí)或不按照會簽單確認(rèn)的支護(hù)參數(shù)施工，使塌方處理段的支護(hù)效果不佳，存在支護(hù)變形或二次坍塌的安全隱患，監(jiān)理工程師和業(yè)主現(xiàn)場代表逐一檢查，督促承包人整改，并在今后施工中持續(xù)改進(jìn)，對不滿足質(zhì)量要求的支護(hù)工程量不予計(jì)量。

3.1.2 涌水洞段洞挖的施工措施

(1)對于引水隧洞洞挖掌子面出現(xiàn)涌水的現(xiàn)象，首先檢查巖石情況，如有坍塌、掉塊的可能，應(yīng)先進(jìn)行安全支護(hù)，再進(jìn)行引排水;若塌方段有涌水，應(yīng)先治水、后治坍。針對2號引水隧洞上游部分洞段掌子面涌水較大的情況，承包人調(diào)整了鉆爆參數(shù)，包括采取的使用防水炸藥、短進(jìn)尺、分區(qū)爆破等措施，有效地杜絕了放大炮引起隧洞的坍塌，并及時(shí)跟進(jìn)初期安全支護(hù)。在鉆爆作業(yè)時(shí)，配備移動式的防水作業(yè)臺架，工人身穿防水衣等，改善作業(yè)環(huán)境。

(2)對于隧洞下游倒坡工作面，采用強(qiáng)抽排水措施，如利用避車洞設(shè)置集水井、多級水泵抽水等，杜絕掌子面積水，影響鉆爆正常作業(yè);已開挖洞段頂拱仍有淋雨?duì)顫B水的，采用防水板進(jìn)行引排，保障正常的工作環(huán)境。根據(jù)本工程實(shí)際情況，引水隧洞個(gè)別涌水段多為承壓水，隨著時(shí)間推移，涌水基本上變小(不排除地下滲漏通道存在，在雨季滲水可能有所變大)，不會長時(shí)間影響工程施工。

3.1.3 隧洞施工組織和管理措施

3.1.3.1 隧洞出渣作業(yè)

(1)根據(jù)SL 378－2007《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》的規(guī)定，特小斷面是指面積小于10m2或跨度小于3.0m。本工程引水隧洞為2.4m×2.9m城門洞形，設(shè)計(jì)斷面面積為6.34m2，屬于特小斷面。掌子面鉆爆時(shí)僅能投入兩臺手風(fēng)鉆，無法使用挖掘機(jī)、裝載機(jī)配合自卸汽車出渣，機(jī)械化施工效率很低。目前隧洞采用小型耙渣機(jī)+三輪車出渣和人工+三輪車出渣兩種型式。經(jīng)比較，前者出渣方式的效率更高。由于不可能在各工作面均投入1臺耙渣機(jī)，且無法實(shí)現(xiàn)上、下游面共用1臺耙渣機(jī)(因隧洞斷面小，耙渣機(jī)上、下行駛速度很慢，在距離長的時(shí)候更不現(xiàn)實(shí))，承包人只是在關(guān)鍵線路使用耙渣機(jī)，其它工作面均采用人工出渣方式。

(2)因施工區(qū)域高寒低氧致耙渣機(jī)、空壓機(jī)和三輪車等機(jī)械故障偏多，配件購買對外交通困難等，于是承包人進(jìn)行資源的集合與共享，各洞口機(jī)修人員組合成隊(duì)伍，定期對各種設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，對于易損零件加強(qiáng)更換頻率。

(3)隨著工作面洞挖長度加深，出渣三輪車由2臺增至3～4臺;在海拔近3 000m的高原地區(qū)長時(shí)間工作后，出渣作業(yè)人員的身體機(jī)能下降較為明顯，甚至有出渣工人在洞內(nèi)作業(yè)時(shí)出現(xiàn)暈倒。后改為4小時(shí)換班制度，同時(shí)更換身體素質(zhì)差的人員。

3.1.3.2 隧洞通風(fēng)散煙作業(yè)

(1)在隧洞洞挖作業(yè)一個(gè)循環(huán)的時(shí)間里，通風(fēng)散煙所占時(shí)間通常為3～4h。對于隧洞24h作業(yè)來說，特別是遇到夜間通風(fēng)，與工人的作息時(shí)間發(fā)生沖突，需做好現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)度，銜接好出渣作業(yè)。

(2)目前電站控制工期的1號洞下游與2號洞上游洞挖還剩余約900延米，隨著洞挖長度加深，洞內(nèi)必須采取足夠功率的風(fēng)機(jī)接力，使用大風(fēng)袋，抽壓結(jié)合，才能滿足洞內(nèi)散煙的要求，提供良好的作業(yè)環(huán)境。在無地下滲水的洞段，可試驗(yàn)采取灑水措施降煙、降塵。

3.1.3.3 隧洞洞挖循環(huán)作業(yè)組織

(1)洞挖施工循環(huán)進(jìn)尺的主要工序有:測量放樣→鉆爆→通風(fēng)排煙→出渣→支護(hù)。對于由施工支洞進(jìn)入的引水隧洞主洞上、下游兩個(gè)工作面的洞挖作業(yè)，要求均衡生產(chǎn)，嚴(yán)禁單一工作面作業(yè)。在對洞挖出渣及通風(fēng)散煙等工序施工技術(shù)探討的基礎(chǔ)上，承包人整合了現(xiàn)有施工資源，統(tǒng)籌安排上、下游工作面各道工序平行、交叉作業(yè)，緊密銜接各道工序，做到均衡生產(chǎn)，效率最大化。通過一系列整改措施，隧洞洞挖月進(jìn)尺的平均水平由原來的30～40延米/月提高到50～60延米/月。

(2)調(diào)整作業(yè)隊(duì)伍，配備經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)較為全面的熟練工，在遇到不良地質(zhì)條件后，能及時(shí)實(shí)施有效的強(qiáng)支護(hù)措施，杜絕坍塌事故。在鋼支撐、格柵拱架、錨桿和藥卷等支護(hù)材料方面，有一定的儲備和供給保障，以利及時(shí)進(jìn)行支護(hù)施工。

(3)在冬、雨季施工時(shí)，隧洞施工材料運(yùn)輸存在一定問題。承包人在雨、雪季節(jié)施工前，做好施工便道的維護(hù)，在洞口附近平整場地，提前進(jìn)行材料的儲備，包括冬季對水管包裹保暖材料，在洞內(nèi)儲備施工用水等，以滿足正常施工的需求。

(4)本工程處于高海拔、低氣溫地區(qū)，工作條件艱苦，項(xiàng)目部為施工作業(yè)人員配備了必需的勞動防護(hù)用品，改善洞內(nèi)、外施工環(huán)境，適當(dāng)提高熟練工的薪酬待遇，優(yōu)勝劣汰，以穩(wěn)定作業(yè)隊(duì)伍，增強(qiáng)戰(zhàn)斗力。

3.2 強(qiáng)化參建各方的工程管理

(1)建設(shè)單位根據(jù)專題會議確定的引水隧洞工程年度(剩余工程)施工進(jìn)度計(jì)劃，實(shí)施關(guān)鍵部位節(jié)點(diǎn)目標(biāo)考核制度，以推動工程進(jìn)度。業(yè)主組織召開了“特小斷面隧洞工程洞挖及初期安全支護(hù)技術(shù)交流會”，對于大塌方事故，必須分析事故原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，明確責(zé)任;對坍塌事故責(zé)任方，根據(jù)合同的有關(guān)規(guī)定和情況承擔(dān)相應(yīng)比例的損失費(fèi)用。順利通過有重大地質(zhì)問題的特殊地段，對作出貢獻(xiàn)的有關(guān)各方，給予表彰和獎(jiǎng)勵(lì)。

在工程建設(shè)過程中，建設(shè)單位應(yīng)提供穩(wěn)定的系統(tǒng)施工用電，保障對外交通順暢，協(xié)調(diào)施工外部各種干擾等工作，營造一個(gè)和諧的施工氛圍。

(2)設(shè)計(jì)單位改進(jìn)地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)工作，做好圍巖類別的劃分，把預(yù)防大塌方、涌水作為預(yù)報(bào)的重點(diǎn)，作好圍巖穩(wěn)定性評價(jià);參與不良地質(zhì)洞段的支護(hù)參數(shù)確定，提出初期安全支護(hù)建議;階段性地進(jìn)行地質(zhì)復(fù)查和不良洞段地質(zhì)編錄總結(jié)。

(3)監(jiān)理單位對照年度、季度和月計(jì)劃，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握引水隧洞工程施工中存在的各種問題，做好技術(shù)指導(dǎo)和現(xiàn)場檢查監(jiān)督，在工程安全、質(zhì)量、進(jìn)度和投資等方面實(shí)施動態(tài)管理，及時(shí)糾偏，使工程處于受控狀態(tài)。

在“5.12”地震后，受火工產(chǎn)品、人工和材料漲價(jià)，以及對外交通困難等因素影響，引水隧洞建設(shè)期延長，投標(biāo)時(shí)的合同單價(jià)顯得較低，后期必然涉及洞挖等合同單價(jià)的調(diào)整。在保證發(fā)包人和承包人各自的合法權(quán)益的基礎(chǔ)上，監(jiān)理促使業(yè)主與承包人協(xié)商，達(dá)成原則性意見，以便承包人合理調(diào)整資源配置和進(jìn)度計(jì)劃，力爭最大限度減少對目標(biāo)進(jìn)度計(jì)劃的影響。

定期向建設(shè)單位提交專題報(bào)告，反饋施工信息，對于監(jiān)理單位無法解決的問題提請業(yè)主出面協(xié)調(diào)。

(4)施工單位項(xiàng)目部的管理體制需健全，組織機(jī)構(gòu)應(yīng)合理。結(jié)合本工程的特點(diǎn)，督促承包人做好施工組織和管理，調(diào)整并引進(jìn)有經(jīng)驗(yàn)、資質(zhì)符合的外協(xié)隊(duì)伍，合理配置施工資源，項(xiàng)目部提供有力的技術(shù)保障，針對重大、關(guān)鍵的問題要采取切實(shí)有效的管控措施，力保工程持續(xù)、均衡地生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

在登棚二級水電站引水隧洞施工過程中，通過參建各方總結(jié)前期施工中存在的問題和不足，運(yùn)用“認(rèn)識圍巖、保護(hù)圍巖、支護(hù)圍巖、監(jiān)測圍巖”指導(dǎo)施工，積極采取各種有效的應(yīng)對措施，隧洞工程的坍塌現(xiàn)象明顯減少，洞挖進(jìn)尺穩(wěn)定，在進(jìn)度、質(zhì)量和安全方面的管控工作得到較大的改進(jìn)，投資也處于良好的受控狀態(tài)。