小斷面、大坡度隧洞順坡開挖施工技術研究

劉 乙 宏

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

馬來西亞胡魯水電站位于馬來西亞登嘉樓州境內的丁加奴河上游河段，發電廠房位于大壩右岸的火山巖體內，安裝兩臺發電機組，總裝機容量為25萬kW。主變室與開關站相連接的應急-電纜-通風隧洞(圖1)總長度為299.17 m，坡度為50%，仰角26.57°，最高高程為288.2 m，最低高程為156 m，隧洞開挖斷面型式原設計為馬蹄型，后經設計變更為城門洞型，頂拱半徑為2.3 m，底寬4.6 m，邊墻高度為2.3 m，開挖斷面面積為18.89 m2。該隧洞屬于大坡度、小斷面隧洞。此類隧洞的開挖鉆孔、爆破、出渣和支護施工與常見平洞相比，存在相當大的困難。

2 斜井施工方案的調研及優選

地下斜井施工常采用的開挖方法主要有：反井鉆機導井法、吊罐法、爬罐法和自上而下鉆爆法。

(1)反井鉆機導井法。采用反井鉆導井、擴井，然后進行人工鉆孔爆破開挖，通過溜渣井出渣，其開挖難度主要集中在導井開挖階段。由于鉆井方向和重力方向不在同一直線上，鉆機如果控制不好，偏斜度過大，導井很容易超出結構邊界線，且在開挖前期，斜井底部需提前形成臨空面。

(2)吊罐法。吊罐法適用于中等硬度以上的巖石，對于松軟、破碎的巖石不宜采用；不適宜打盲豎井和傾角小于65°的斜井。

(3)爬罐法。采用爬罐開挖方式，斜井的開挖由下至上進行施工。由于開挖是自下而上的，在開挖掌子面形成了封閉空間，因此施工中產生的通風、排煙成為比較難處理的問題，需安設專門的排煙除塵系統以保證施工人員的安全。同樣，其也需提前在斜井底部形成臨空面。

(4)自上而下鉆爆法。鉆爆開挖采用人工鉆孔、裝藥進行爆破開挖。對于坡度較大，不便于設備通行的斜井，出渣主要采用耙渣機裝渣、礦車結合卷揚機出渣。該法的施工工序與平洞的開挖類似。

綜合以上幾種開挖方式，根據該隧洞傾角為26.57°、無法自行溜渣且斜井底部無臨空面，故最終確定的開挖方式為自上而下鉆孔爆破開挖。

3 施工方法

3.1 鉆孔施工

由于該隧洞的特殊性——小斷面、大坡度，鉆孔較一般隧洞施工難度大，鉆孔準確度不易控制。為施工方便，提高鉆孔效率及鉆孔質量，需專門設計用于斜井鉆孔的施工鋼平臺，該平臺在斜井中移動簡便。臺車在移動過程中，洞內的人員需進到避險洞內，待臺車移動到位后，將臺車用限位卡固定在軌道上，鉆孔人員方能進行鉆孔施工。鉆孔方向需和洞軸線方向一致，以保證爆破效果。

3.2 斜井出渣

斜井中的出渣考慮到應急-電纜-通風隧洞斷面小，坡度大，傳統的大型施工機械設備，如裝載機、反鏟、卡車等均無法在隧洞中發揮作用。經過在現場實際進行試驗、對比，總結出了兩種較為實用的方案。

方案一：結合現場實際條件及施工要求以及隧洞的開挖方式，采用扒渣機配合礦車進行出渣。出渣方式如圖1所示。

圖1 扒渣機結合自卸礦車出渣示意圖

在應急-電纜-通風隧洞開挖初期，采用這種辦法效果良好，出渣速度較快。但在隧洞進尺到20 m后，采用這種出渣方式遇到了很大困難。究其原因是因為在開挖過程中底板不平整而導致坡度不一致，石渣不能被扒到傳送帶上面。由于坡度太陡，時常會出現石渣自動下滑的情況，出渣速度緩慢，效率低下。

方案二：在扒渣機無法保證開挖效率的情況下，經調查研究，采用兩臺斗容為0.1 m3的小型反鏟向礦車內裝渣。出渣方式如圖2所示。

圖2 小反鏟結合自卸礦車出渣示意圖

排煙結束后，在卷揚機的配合下，反鏟下行到出渣工作面，自卸礦車停靠在小反鏟回轉半徑內，通過反鏟向礦車內裝渣。經實踐，雖然反鏟每次裝渣量較少，但通過有效利用反鏟的機動、靈活性解決裝渣問題，從而提高了裝渣效率，節省了出渣時間。同時，反鏟還可以兼做洞內排險用，出渣和排險施工工序可同時進行，取得了良好的效果。此方案每次出渣時間為3 h左右，能滿足進度要求。

3.3 洞內排水

應急-電纜-通風隧洞所在位置地下水豐富，特別是在雨季，有大量的地下水滲入洞內。為了保證洞內的正常施工，需要對洞內進行排水。由于隧洞高差為140 m左右，故采購了三臺高揚程水泵進行排水，并在洞內每隔30 m設置一個集水坑，從而保證了掌子面施工的正常進行。

4 隧洞支護

根據設計要求，在洞口10 m范圍內，對于強風化巖石甚至土質段采用管棚+工字鋼+噴混凝土支護；對于Ⅰ～Ⅱ類圍巖，則采用錨桿+噴混凝土支護。

4.1 管棚工字鋼支護

(1)管棚施工：管棚采用鐵管加工成型。鉆孔之前，由測量工程師確定鉆進位置、間距及鉆孔方向，完成后進行安裝，再進行灌漿施工。管棚在隧洞周圍形成一個棚狀結構，可對周圍的土體進行支撐，防止土體發生塌陷。

(2)工字鋼施工：管棚安裝結束、開挖一定距離空間后需進行工字鋼的安裝。工字鋼支護采用預先加工成型，然后采用螺栓和連接桿分段拼接安裝。工字鋼安裝前，預先由測量放線確定安裝位置及洞軸線方向，以保證工字鋼安裝準確。

4.2 錨 桿

錨桿采用手風鉆打孔，鉆孔工人借助鋼平臺對錨桿進行造孔、安裝及灌漿等施工工序。錨桿安裝結束后，再進行噴射混凝土的施工，對圍巖表面進行支護。

4.3 噴射混凝土

噴射混凝土支護是隧洞工程中一種非常常見的支護形式。普通的隧洞可以借助噴漿臺車進行噴護施工，但在斜井中，尤其是像應急-電纜-通風隧洞等坡度很大的斜井，無法使用高效率的噴漿臺車進行施工，噴漿料的進料也非常不容易。經過研究，設計了一個混凝土料斗用于噴漿料的運送，在料斗底部設置一個出料口，將料斗放在礦車里面，通過礦車運送至工作面，混凝土通過料斗的出料口直接注入濕噴機料口，噴射手在鋼平臺上對圍巖進行噴護施工，完成洞內的噴護施工。施工情況見圖3。

圖 3 噴射混凝土施工示意圖

5 安全措施

5.1 卷揚機系統

卷揚機是應急-電纜-通風隧洞內物料運輸的重要設備，必須安全、可靠。根據荷載計算，采用一臺15 t負荷的卷揚機。卷揚機支座用高強螺栓同錨桿連接在一起，錨桿為T32的鍍鋅錨桿，共9根，孔深6 m。完成之后，再將基礎部分用混凝土回填。為了更進一步確保安全，在卷揚機后面澆筑體積為1.5 m×1.5 m×1.5 m的混凝土錨固墩，通過鋼索將卷揚機與錨固墩連接在一起，從而保證了卷揚機的固定。

卷揚機的操作必需由專業技術人員操作，操作手需取得相關資格證書后方能上崗。嚴禁非專業人員操作卷揚機。操作手在操作過程中需遵守卷揚機操作安全規范。

5.2 礦車系統

洞內出渣采用有軌礦車。礦車軌道安裝之前，需由測量人員確定軌道的安裝位置及方向。在隧洞底板預埋插筋，插筋采用T25的螺紋鋼，長度為1 m，間距2 m，左右軌道交錯布置。然后再在隧洞底板澆筑一層墊層混凝土，使軌道安裝平順，以確保礦車運行過程中的穩定。

礦車運行過程中，洞內的所有施工人員必須到隧洞內設置的避險洞內避險。待礦車到達指定位置、停靠穩定后方能出洞進行施工作業。礦車停靠時，需用限位卡鎖住，防止在裝渣過程中礦車發生移動。在裝渣完成后，所有施工人員需到避險洞內，礦車才能啟動，直到下一次礦車停靠過后再出避險洞作業。如此循環，完成洞內的出渣，保證施工作業的安全。卷揚機-礦車系統在使用過程中須由專人負責指揮。

5.3 避險洞的設置

應急-電纜-通風隧洞坡度陡，施工人員避險時不便上下。為保證洞內施工人員及施工機械設備的安全，在洞內設置了避險洞，避險洞設在隧洞左側，每隔30 m設置一個避險洞。避險洞設計尺寸為長×寬×高為5.2 m×3 m×3.5 m，可提供小型機械設備及施工人員避險。

6 結 語

小斷面、大坡度隧洞的開挖支護施工一直以來都是工程施工的難點。相對于平洞施工，工期長，安全隱患大，單位進尺消耗的人力、機械等資源大。因此，尋找一種既快捷、方便，又節儉的施工方法是工程施工人員一直追求的目標。通過在本工程應急-電纜-通風隧洞中采用自上而下的開挖方法、卷揚機礦車出渣，保證了工程的施工進度和施工安全，可為類似工程借鑒。