水利管線工程地下暗挖施工特點及工藝方法

高 昂，焦方龍

（濟南市清源水務集團有限公司，山東 濟南250011）

水利工程涉及農業興利、城市用水、水資源管理配置、水生態建設等各個方面，隨著社會的發展，從單一保障農業用水，逐漸延伸到各個行業、各個領域。水利管線工程中地下暗挖施工是新興的施工方法，主要用于水利管線、涵洞等項目中，是避免因大量遷占征地或受地貌、地形、地況影響，而造成的無法進行作業面大型開挖作業而采取的施工方法。

1 水利管線地下暗挖施工工藝

水利管線地下暗挖是近年來水利施工中常用的工藝工法，采用在不破壞或少擾動原有地表物或淺層物的基礎上，利用地面以下空間，通過人工或機械的手段，創建作業面，形成地下管線施工作業空間，完成建設任務，實現工程目的。常見的交通水利隧洞、地下綜合管廊等均屬于該施工范疇，又稱為“礦山法”，通用于淺、中、深層地下作業。該方法分為人工掘進和機械掘進兩大類，人工掘進包括人工輔助小型機械施工和爆破施工等；機械掘進包括掘進機施工和盾構機施工（泥水平衡法）等。

而與之相對的管線明挖施工，則是采用人工或機械，清除地表附屬物，按照設計要求對施工段進行取土、破石作業，形成地表施工作業空間，進行工程建設，常用于地表、淺地層施工。施工中常見的管線溝壕等均屬該類工法。

1.1 管線地下暗挖施工工序

根據不同管線設計要求，結合施工地點地貌、地質、地形及周圍環境因素，首先管線埋深一般在地下3~5 m，在綜合考慮工程具體造價的基礎上，均可地下暗挖施工。管線埋深確定后，設計單位通過現場勘查探明作業區域基礎地質條件，第四紀壤土條件，明確暗挖過程中可能存在的地質困難，以便施工單位對掘進工法的選擇。

在具體施工中，施工單位先根據設計文件，開挖暗挖工作井（含接受井），設置頂進（接受）作業面，根據施工條件確定支護方式，常用工作井可采用混凝土、鋼板樁等方式進行圍護，在條件允許的淺層地下施工中，為降低工程造價，縮短施工工期，可采用局部明挖，無支護或少支護的簡化工作井進行施工。

工作井施工完成后，施工單位根據施工組織設計，進行地下暗挖作業，連通管線完成工程內容。

1.2 管線地下暗挖施工特點

1）優點。地下暗挖施工因其工藝過程原因，優點明顯。因在施工中主要作業面均在地面以下，僅需要少量土地征遷（工作井），便可進行工程作業，在水利管線軸徑比較長的線路施工中，優勢特別明顯。在大大降低遷占費用、時間的同時，減少對沿線城鎮、居民的影響。暗挖作業面（掌子面）環境穩定，受季節影響小，在冬、雨季施工期施工質量控制難度小、投入少。

2）缺點。地下暗挖施工受地質環境制約影響大，若作業區域地下第四紀壤土分布均勻，無溶巖發育，僅為條件較好的單一介質，其施工工藝單一、成熟，且施工速度較快；若地下地質條件變化復雜，則其施工困難驟增，安全投入及相關措施費用也發生重大變化，造成支護費用增加，施工進度緩慢等情況。因此，不確定的地質條件是影響管線地下暗挖施工的最大因素。

2 管線地下暗挖常用掘進方法

2.1 人工輔助小型機械掘進方法

該方法是頂管施工中常用的方法，即采用人力在暗挖工作面（掌子面）挖去壤土或較軟巖層，完成掘進工作，常常在人工頂管工程中廣泛采用。一般來說，掘進輔助機械常采用懸臂臺鉆、風鎬、劈裂機、水磨鉆等，施工單位通常采用簡單專用定制設備，減輕人力工作強度，增加單位產出；出渣輔助機械多為普通小車配合小型卷揚機，近年來隨著小型電動驅動車的發展，逐漸過渡為更加安全、節能使用方便的電動軌道礦車出渣。該類方法在掘進斷面小于3.2 m2的管線頂進中應用較多，但受掌子面空間影響，掘進速度、出渣速度提升空間不大，地質條件較好，掘進斷面2 m2的水工管線，掘進速度約為6 m/d。

2.2 爆破施工掘進方法

在施工斷面較大或者地質條件為巖石的地下暗挖施工中，人工輔助機械的施工方法無法掘進或者掘進速度緩慢，因而采用工程爆破的方法進行施工。爆破施工在掌子面采用梅花樁布點方式，適當布置裝藥鉆孔，填注爆破炸藥，爆破完成后，根據掌子面爆破效果，進行圍巖支護，然后進行出渣清運。以16 m2掘進斷面，完整石灰巖圍巖，三類支護方式水工隧洞為例，每日爆破2個循環，掘進速度不大于4 m/d。

2.3 掘進機施工掘進方法

針對地下大斷面暗挖工程的特點，爆破施工方式因能量控制不可靠造成對周邊的擾動及破壞，在城市施工中考慮到安全因素，不可作為長期、主要的施工方法。隨著重型機械設備產品的發展，硬質合金刀具的批量大規模的使用，專用地下掘進機設備成為可能，該類設備使用油、電作為驅動力，集掘進部分（硬質旋轉刀頭）、破渣收渣部分（機械齒盤）和輸渣部分（鏈帶運輸）為一體，將大部分掘進工作集合在一臺重型掘進機中，實現開挖機械自動化。經實踐對比，以16 m2掘進斷面、完整石灰巖圍巖、三類支護方式水工隧洞為例，采用掘進機施工進度穩定保持在6 m/d，較同樣條件下的爆破施工提升速度30%以上。

3 建議

3.1 提高勘察設計精度

水利工程管線地下暗挖施工的使用，對工程勘察的設計精度要求高，尤其是地下地質條件的復雜性和不確定性，將對整個施工項目產生影響。比如，原設計地層中均勻分布的第四紀壤土，因地質發生變化而導致出現變化層，由預期的軟土漸變為弱風化巖（含變化帶），將對施工工藝帶來翻天覆地的變化，從工期、造價、質量及安全多方面產生影響。

3.2 完善施工組織設計

對于施工企業，施工組織設計是貫穿施工過程的重要依據和綱領性文件。在選擇地下暗挖施工工藝時，應提前判斷可能存在的不利影響及解決思路。以山東省某水利工程隧洞項目為例，原投標施工組織設計中采用爆破法施工進行地下暗挖作業，由于施工區域地處城市新發展中心，爆破許可及危險品運輸成為瓶頸，對施工產生不可控影響，中標施工企業在充分進行工期、投入分析后，變更施工方法，采用新型巷道掘進機技術替代原有施工方法，雖然在施工過程中增加了新設備投資，但在該工程完成效果上，獲得了比原預期更大的收益，同時還開創了水利隧洞掘進機施工的省內先河，為施工企業提前積累了該類施工經驗，給施工單位后續的該類項目招投標贏得先機。

3.3 加強項目管理及監管

作為地下暗挖施工項目的管理單位和監管單位，在工程建設前期，一定要統籌做好地質勘查單位的現場勘查及成果匯總，在可行性研究報告階段，反復論證工法的可行性，協同工程設計單位根據地質勘查報告提出可行的工法選擇，對可能出現的地質條件客觀、詳細的予以描述，為后續施工招投標提供可靠的設計、技術依據。在項目建設過程中，根據隨時出現的地質變化嚴格判斷、及時分析，必要時應配備地質專業人員或聘請有經驗的專家技術人員進行討論，提出建議，結合現有可靠的地質技術手段，如地質雷達、水平定向鉆預探等方法，進行現場判定，為暗挖工程項目提供現場處置支持。

4 結語

綜上所述，近年來，地下暗挖施工技術越來越多的應用于水利工程建設中，作為工程勘查設計、施工、監理、項目法人的任何一方，都需要在水利工程實踐中發揮其優點，為水利工程建設保駕護航。