淺述小斷面中長水工隧洞快速開挖的優化施工方案

(中國水利水電第七工程局有限公司一分局，四川 彭山，620860)

1 引言

國內現有水電站的輸水隧洞、泄洪隧洞、導流隧洞、灌漿廊道、排水洞或多用途隧洞的橫斷面尺寸，設計時均進行了經濟斷面的論證?！端に矶丛O計規范》第4.3.6條明確規定：水工隧洞橫斷面的最小尺寸除應滿足運行要求外，還應符合施工要求。圓形斷面的內徑不宜小于1.8m；非圓形斷面的高度不宜小于1.8m，寬度不宜小于1.5m。結合國內現有在建水電站的實際情況，水工隧洞在滿足運行要求的情況下，通過技術經濟比較確定的開挖斷面為3.5m×3.5m(長×寬)的城門型小斷面水工隧洞比比皆是。

長期以來，由于小斷面水工隧洞斷面小，施工難以實現開挖與襯砌平行作業，長隧洞方案難以實施，故小斷面中長水工隧洞常成為項目方案比選的重點，也是項目施工的控制點。如何投入配套的機械設備組成開挖、混凝土襯砌作業線，提高單項工序的生產能力和設備利用率，大幅壓縮工期、降低成本，實現預期的質量、安全和工期目標是小斷面中長水工隧洞施工所面臨的巨大挑戰。然而，小斷面中長水工隧洞爆破施工后的出渣環節是制約進度的主要因素之一。

2 小斷面水工隧洞的開挖施工設計

小斷面中長水工隧洞開挖主要采用全斷面一次爆破成型，簡易臺車配YT-28氣腿鉆造孔，孔徑φ42mm；直孔或斜孔掏槽，光面爆破；一般情況下：頂拱光爆孔間距為0.50m～0.52m，邊墻光爆孔間距為0.55m，底板光爆孔間距為0.50m；Ⅴ類圍巖掏槽孔孔深為2.2m，其余孔孔深為2.0m，每循環進尺約2.0m，月進尺約80m；Ⅵ類圍巖掏槽孔孔深為1.8m，其余孔孔深為1.6m，每循環進尺約1.5m，月進尺約50m；火工品選用2號巖石乳化炸藥，掏槽孔選用藥卷直徑φ32mm，周邊孔選用藥卷直徑φ25mm，非電毫秒微差爆破，電雷管起爆。洞內出渣采用ZL30裝載機配合5t小型汽車或農用拖拉機出渣，并可根據實際情況的需要配置電動或油電混動的履帶式扒渣機出渣。

由于小斷面中長水工隧洞的開挖斷面較小，為了方便施工和提高施工效率，扒渣機出渣段一般每400m設置一錯車道，裝載機出渣則采用100m設置一個錯車道，以便于出渣和錯車使用。錯車道斷面為：長6.0m，寬3.0m，高3.4m。

圖1 典型斷面鉆孔布置示意(單位：mm)

3 問題的提出

小斷面中長水工隧洞橫斷面凈空小，不利于大型鉆爆、出渣設備施工，施工進度緩慢。

若采用開挖與襯砌逐段順序作業，則工效低，工作面轉換時間長，且難以選配機械設備；僅靠小型機具操作，進度慢，隨著洞身的延伸，運輸困難，施工難度更大。針對這種狀況，小斷面中長水工隧洞難以組織開挖與襯砌實施平行作業，常常確定的基本施工順序為：洞身開挖完成后再進行混凝土襯砌。

隧洞開挖期間組織開挖及初期支護兩條作業線，兩工作面平行向縱深掘進，以保證在隧洞未襯砌之前的洞身穩定。為此，小斷面中長水工隧洞如何快速開挖成為制約整體工期的主要因素之一。

在小斷面中長水工隧洞內采用機械設備配套技術組成隧洞開挖作業線，要求運輸設備橫截面小、機動性強，減小與洞內其它設施之間的干擾，且要求洞內運輸設備容量大、運輸能力大，如此方可減少工序銜接施工。

4 小斷面隧洞的快速開挖優化施工

4.1 改進簡易鉆爆臺車提速

利用小斷面洞室開挖階段配置的現有出渣汽車改裝成鉆爆臺車。

小斷面水工隧洞出渣車輛配置為東風天錦5t自卸汽車，利用后部的車斗改裝，車廂具體的尺寸：長2.96m、寬1.78m、高1.25m。具體改裝的形式如下：在車廂斗的兩側用外徑φ102mm的焊接鋼管做立柱，車廂的兩側各焊接3根，每根鋼管的長度為1.5m，間距為1.26m；在車斗底部向上0.9m的部位沿車斗寬度方向布置3根外徑φ102mm的焊接鋼管分別和兩側的焊接鋼管焊接成為一個整體，每根焊接鋼管的長度為1.95m；再在橫向兩側的鋼管頂部分別沿車斗長度方向各焊接布置一根外徑φ102mm的焊接鋼管，每根長度4.4m。在整個框架焊接好后的頂部鋪設直徑16mm@15cm×15cm的鋼筋網片，與頂部兩側的鋼管焊接成一個整體，使上部形成為一個整體平臺，此部分即為隧洞拱角以上的部位施工時所用的施工平臺。兩側立柱頂部向下0.6m的部位向外延伸0.2m，作為第二層施工平臺的支撐點，施工時在此處搭設平臺。車廂與框架中間的空間部位設置一個移動水箱，移動水箱采用鋼板制作，移動水箱的尺寸為：長2.36m、寬1.4m、高0.85m，移動水箱可以裝水2.8m3左右，移動水箱的作用是在鉆爆作業時提供鉆機的供水，能夠滿足鉆爆的施工用水。

改進后的鉆爆臺車具有以下明顯的優點：

(1)移動靈活方便

因為此臺車是汽車改裝，移動靈活方便。在鉆爆時，臺車可以直接開到開挖掌子面實施鉆爆作業；等鉆爆及裝藥完成后，汽車開到安全地帶，待出渣測量完畢后再進行下次的開挖作業。在隧洞支護時利用此臺車可以做噴錨、掛網、支格柵等工序，不需要再另行搭設施工平臺。

(2)節省材料的消耗

因為改進后的臺車為固定模式，周期使用率高，在各種施工工序中不需要重新搭設施工平臺，降低了材料的消耗。

(3)縮短開挖及支護工序的凈工作時間

此臺車靈活方便，一次性轉移到位，避免了傳統臺車多次轉運的次數而耽誤時間，大大縮短了各工序的銜接時間，提高了工作效率。

(4)改進后的鉆爆臺車多種用途

除用做鉆孔，裝藥，還可以用做支護。

(5)改進后的鉆爆臺車可節省鉆孔供水系統的費用

改進后的鉆爆臺車配備有自制水箱，可以節省鉆爆鉆孔時的水管鋪設。傳統的施工是由洞外鋪設一趟供水管路到施工面，而改進后的臺車自帶水箱并設置分水包，能夠滿足各種作業所需的水量，節省了水管的鋪設，經濟上可以節約一筆費用。

4.2 優化為錐形掌子面提速

全斷面開挖炮孔分掏槽孔、輔助孔、光爆孔，即中間掏槽，周邊光面爆破。根據隧洞的巖石地質條件和爆破參數的設計進行炮孔布置。按照爆破設計布孔圖，采用卷尺將各鉆孔孔位逐一放樣，并用紅油漆實地標識。YT-28氣腿鉆造孔時，嚴格鉆孔精度，確保角度準確，以達到錐形掌子面的效果。

圖2 錐形掌子面形狀示意

錐體深度h1的確定與洞徑大小、循環進尺、掏槽方式、巖石等級、巖石節理等均有關系。錐形掌子面形狀示意圖中H為隧洞高度，h為掏槽孔超深，h1為錐體深度，h2為掏槽區距地面的最大高度，h3為掏槽區距地面的最小高度，L為循環長度，L′為崩落孔、周邊孔孔深。

洞徑大小直接影響到h1值的大小，孔深L與洞徑D的比值大小，直接反映了圍巖對爆破區約束力的大小。比值越大，約束力越大；比值越小，約束力越小。在孔深L與洞徑D的比值大小已確定的情況下，引入錐形掌子面，可通過改變掌子面的形狀，進而改變爆破區周圍介質的邊界條件，達到降低圍巖對爆破區約束力的目的。

人民長江文獻《小洞徑洞室開挖的施工優化》中已明確：小斷面隧洞錐形掌子面的優化，進度可加快10%，爆落量可增加11%，鉆孔利用率可達99.2%。

另外，隧洞開挖中，每一循環鉆孔時，保持周邊孔、崩落孔鉆孔長度一致，掏槽孔根據掏槽效果超深鉆孔，在掏槽孔爆破后形成突出的掌子面，可使崩落孔、周邊孔的殘孔長度大幅降低。

4.3 優化光爆孔裝藥時段提速

小斷面水工隧洞光爆孔裝藥為間隔裝藥結構。為加快光爆孔的裝藥進度，在小斷面水工隧洞鉆爆孔鉆孔完畢的洗孔過程中，專職爆破員方可于安全地帶提前用竹片將光爆孔的炸藥藥卷按設計的間距提前綁扎備好；待洗孔驗收完畢后立即運輸至施工現場進行光爆孔的裝藥，以此加快整體裝藥進度。

同時，可提前于安全地帶儲備一定量的堵孔用粘土卷，粘土卷用保鮮膜包裹防護后集中堆放。

4.4 優化出渣設備提速

小斷面中長水工隧洞開挖階段的出渣工序是制約進度的主要因素之一。然而，皮帶扒渣機非常適合小斷面洞室等生產作業空間狹窄、生產規模小等非爆炸危險性礦山的碎石料采集及輸送裝車施工，以及露天散碎物料裝車作業。它是由機械手與輸送機相結合，扒渣和輸送裝車功能合二為一，采用電動全液壓控制系統的生產裝置，具有安全環保、能耗小、效率高的特點。扒渣機是小斷面洞室出渣工序必不可少的先進設備，替代人工作業，將爆破后的各種石料扒裝到運輸車輛上，是人工和其它機械的替代產品，填補了在狹小空間內無機械作業的空白。

皮帶扒渣機包含液壓行走、挖掘采集、輸送、裝車、清底五種功能。其中液壓行走功能是通過液壓馬達、減速機、傳動軸、再到減速機輸送驅動車輪，液壓馬達具有前行、后退、自動剎車三種功能；挖掘采集功能由機械手完成，機械手具有挖掘、伸臂、裝料、卸料功能，大臂可上升、下降、左右回轉，挖掘采集的操縱由全液壓控制，由兩個手柄操作，操作方式與挖掘機類似，此技術綜合采用大型挖掘機操作流程改進而成，使用方便，易操作；輸送、裝車功能由輸送機系統完成，其輸送架由液壓缸控制升降，輸送架下降時可將前輪支起，同時輸送架前接料口與礦石接觸面更加緊密，工作時穩定性更強，同時可以接合散料，平整場地，傳送帶寬度為650mm～700mm，傳送速度為800mm/s～900mm/s，傳送帶有一臺2.2kW電機帶動減速機驅動主動滾筒，此方式傳動性能更穩定，使用壽命更長，維修更方便。

圖3 小斷面洞室開挖階段配置的履帶式扒渣機

小斷面水工隧洞的出渣工序使用扒渣機，它是裝運機械設備代替人工和間歇式機械的替代新科技產品，是安全快速的地下工程施工的保障。扒渣機改變了原來施工的半機械化、間斷出渣裝運并需大量人工協同的低速度高安全風險、高成本的狀態。扒渣機集扒、挖、耙、裝、運、卸、行走于一體，具有行走、挖掘、采集、輸送、裝車、清理場地六種功能，連續高效生產。它是場地狹小空間狹矮作業施工時高產、高效、低安全風險、低成本的保證；具有增強市場競爭力，提高產量進度、快速占領市場，提前超額完成工期任務等顯著成效。

4.5 加強工序安全控制提速

由于爆破施工具有一定的危險性，對工作的技術性要求很高，因此要求所有參與施工的工作人員都必須有相應的資質，嚴禁無證人員上崗。

嚴格爆破物品的管理工作，從物品的儲存、分發、領取以及使用，必須要責任到人或專人負責，同時還應做到隨取隨用，當天沒有使用的必須退回庫房。

裝藥時需由值班人員核對裝藥數量并做好記錄，如果裝藥孔內潮濕或積水，則需采取防潮處理。

在裝藥完畢的堵孔過程中，需先將塑料導爆管引出洞外，這一過程必須要保護好導爆管的安全。在其引出洞外后，再由專業技術人員根據預先設計的“起爆網絡圖”進行網路聯接。

爆破作業現場屬于高危地區，因此，嚴禁火種入內，特別是照明必須是低壓電照明，嚴禁使用蠟燭等有明火的照明方式；點炮前，要進行人數清點，確保人員安全后方可點炮。

爆破后，要及時進行通風工作，只有煙霧等污染物全部排出干凈后，安全員方可進入，并進行通風和洞頂的情況檢查，特別是洞頂的危石，一定要及時處理，方可進行出渣作業。

操作扒渣機是一項技術活，未經培訓，非專業人員不允許操作，經培訓的工作人員在非工作時間一定要把挖斗落地，防止意外發生。

扒渣機操作手在上、下崗前必須檢查涉及安全的部件部位，實現安全運轉，保障設備處于完好工作狀態。

扒渣機操作手務必牢記每一項手柄對應的工作，扳動手柄時要穩。

扒渣機工作時，禁止安全距離內有人，出現故障或有異常雜音，應立即停車檢查，并切斷總電源。

4.6 加強調度站的管控提速

由于洞內空間狹小，給作業工作帶來極大的不便。在施工過程中出于達到安全施工，縮短施工工期的目的，應在隧洞洞口設立施工調度站，統一安排施工作業工作。調度站值班人員實行“三班制”、現場交接班的作業制度，緊抓工序銜接，避免洞室施工過程中出現工序銜接侵占直線工期的現象出現。

5 結語

傳統的小斷面中長水工隧洞施工主要依賴小型機具施工，工效低、工期長，受狹小工作面、勞動生產效率低的制約，一直以來小斷面中長水工隧洞施工都是制約項目成敗的關鍵，而小斷面隧洞施工中的開挖階段是進度制約的關鍵階段。為此，在小斷面隧洞的開挖施工中，為實現較高的、穩定的生產能力，合理配置機械設備、優化施工方案、緊抓工序銜接，形成小斷面隧洞開挖專項機械化作業線是十分必要的。