烏斯通溝小斷面城門型隧洞快速掘進施工技術

王曉平

（中國水電基礎局有限公司，天津 301700）

引水灌溉洞本身具有隧洞洞徑較小、隧洞內部的地質構成復雜、隧洞施工安全風險性較高等特征，隧洞施工單位在全面掘進與處理斷面較小的城門型水工隧洞過程中，通常應當重點考慮選擇快速掘進的施工處理手段方法。烏斯通溝水庫引水灌溉洞的掘進施工過程在較大程度上將會受到施工機械設施、工程地質地形因素、施工操作的進程安排因素等影響。為了達到最佳的隧道斷面掘進施工處理效果，那么施工人員應當綜合考慮各個不同層面的水庫地質環境、作業環境等因素，嚴格控制隧道斷面測量、爆破施工以及支護施工等環節。

1 烏斯通溝小斷面城門型隧洞的工程地質特征

烏斯通溝小斷面城門型隧洞主要由瀝青混凝土心墻砂礫石壩、右岸導流放空沖砂隧洞和溢洪洞、左岸引水灌溉隧洞組成，其中引水灌溉洞全長為340.90m，由進口段、上游有壓隧洞段、閘井段、下游無壓隧洞段、出口消能段組成，洞身段總長313.32m，錨噴支護形式，采用鉆爆法施工，斷面形式為城門洞形隧洞尺寸為2.8m×2.8m（有壓洞段）、2.8m×2.8m（無壓洞段），有壓段縱坡i=7.8%，無壓段i=7.05%。

小斷面的城門型隧洞洞身段樁號為0+000.00~0+322.90，總長322.90m，縱坡7.8%、7.05%。

小斷面城門型的引水灌溉洞布置于左岸山體內，隧洞進口位于壩址上游山坡，出口位于下游沖溝。隧洞沿線除出口段外，地表一般基巖裸露，洞頂上覆巖體厚30m~80m，圍巖為華力西晚期第二次侵入的紅色花崗巖（γ42c）。主要有5條斷層F30、F37、F38、F39、F36集中分布于斜彎洞段至下平洞段，斷層走向與洞線交角均較大、傾角陡，斷層破碎帶寬度在1m～3m。隧洞沿線節理裂隙較發育，其中順坡向的卸荷裂隙走向與洞向交角較小，主要發育于強風化帶內，微風化至新鮮巖體內節理多呈閉合狀。

2 烏斯通溝小斷面城門型隧洞快速掘進施工中的問題

首先是隧洞的地質條件較為復雜。城門型隧洞表現為較小的斷面組成結構特征，隧洞內部的整體地質構造相對較為復雜。在該情況下，隧洞施工技術人員很難將隧洞襯砌體系完整布置于隧洞斷面部位，而是僅限于循環完成隧洞支護以及隧洞開挖的2個工序環節。隧洞內部的某些特殊部位包括軟弱圍巖以及地下涌水的惡劣地質條件，隧洞作業人員因此面臨人身安全的潛在威脅性，隧洞施工人員對職業健康及生命安全應當引發更多重視[1]。Ⅳ類圍巖施工時，每循環鉆孔平均進尺1.6m，系統支護占用循環施工時間，由于開挖進尺短，鉆孔和出渣量減少，每循環時間標準時間為18h，每月能完成30個循環，Ⅳ類圍巖每月開挖完成進尺為48m左右。

其次是隧洞掘進的施工工期緊迫。隧洞工程的勘測技術人員通過展開隧洞地質勘查，能夠確定為較小斷面的隧洞體系結構包括多種類型的復雜地質因素，并且設計為緊迫的項目施工工期[2]。具有狹窄斷面體系結構特征的隧洞掘進工程應當增設隧洞加寬段，但是施工人員如果設定了較大間隔距離的隧洞加寬處理段，則會明顯影響到隧洞掘進的總體進度。但是與之相反，如果設計為過小間隔距離的隧洞加寬段，那么將會增加支護與開挖隧洞的施工總量，客觀上消耗了更多的隧洞施工成本與資源。由于受到緊迫的隧洞掘進工期影響，因此隧洞施工的工作人員在隧洞掘進施工中存在某些誤區。

第三是交叉性的施工工序較多，施工流程比較煩瑣。隧洞圍巖的整體性相對較差，小斷面結構的隧洞襯砌體系統無法及時予以布置[3]。各個工序的作業人員頻繁表現為施工干擾的狀態，并且必須要應對頻繁銜接的施工工序轉換過程。隧洞掘進施工由于受到交叉性的施工工序影響，則將會明顯減緩隧洞掘進的操作處理速度。例如在爆破開挖、布置超前支護、出渣、噴錨以及布置支撐支架等關鍵性的工序范圍內，缺乏規范性與嚴謹性的隧洞施工作業將會阻礙后續的施工環節順利開展。

3 隧洞快速掘進施工中的技術運用要點

3.1 開挖隧洞本體結構

小斷面的隧洞體系結構具有作業空間狹窄、受限等特性，隧洞開挖的一線作業人員必須做到嚴格確保隧洞開挖的施工機械設備，達到勻速前行狀態，同時還需要設置適當的隧洞開挖強度，防止由于頻繁完成隧洞開挖操作進而導致隧洞失穩等嚴重地質災害后果[4]。隧洞開挖的重要施工環節不能缺少施工機械作為支撐，隧洞開挖施工至少需要配備2臺自動化的隧洞作業臺車，并且確保牢固連接于水管、風管以及風槍。隧洞施工人員必須要保證供水管道以及供風管道的主體線路之間緊密銜接。

3.2 出渣與排險

隧洞施工的工程技術人員務必保證控制循環進尺設計。隧洞施工的爆破人員應當嚴格按照隧洞爆破的正確操作步驟來進行爆破施工處理，以免給隧洞支護的作業人員增加人身傷害率。隧洞出渣工序在全過程的隧洞掘進施工中占有重要的地位，因為出渣施工工序直接關系到隧洞掘進場地的平整性。隧洞施工技術人員需要嚴格檢查隧洞范圍內的排險過程，切實增強隧洞排險操作過程的實效性。工程負責人員需要保證全面測試與檢查隧洞爆破區域，徹底清理隧洞區域內的危險石塊，保障隧洞掘進的操作人員安全。在鉆爆開挖的基礎上，應當保證達到40眼的爆破鉆孔數目，確保周邊孔控制在50cm左右的孔間隔距離。隧洞開挖爆破的掏槽施工步驟應當置于首要地位，工程技術人員對此需要準備機械化的施工輔助設施，確保掏槽孔能夠達到環狀布置的標準，運用垂直設計的技術手段來布設掏槽孔洞。工程技術人員應當準確計算掏槽施工區域的炸藥裝載總量，否則如果出現了錯誤計算的情況，則隧洞爆破操作的預期良好成效就不能充分展現。

3.3 鋼筋網與錨桿安裝

布設鋼筋網以及安裝錨桿均屬于隧洞支護體系中的核心施工環節，隧洞施工單位的具體負責人員必須檢查錨桿安裝的隧洞支護過程。在初期支護的環節中，重點在于布置電焊機與作業行走臺車，確保安排專業施工人員分別用于完成焊接拼裝操作、噴錨循環操作、鋼筋網片的運送與連接操作等。在全面完成噴錨操作的情況下，隧洞錨桿安裝人員應當立即進入安裝系統錨桿的階段中，進而優化隧洞掘進資源、減少隧洞掘進人工操作成本、保證隧洞支護體系堅固性的效果。隧洞施工人員應該合理改變預先設計的加寬段長度，確保運送渣土以及運送錨桿設施的車輛能夠順利進入支護洞段。

圖1 臺階法用于隧洞開挖的結構圖

3.4 噴漿施工

在混凝土的噴射施工中，主要應當配備1臺規格為0.5m3的自動化漿液攪拌機，同時還需要配備2臺空壓機以及2臺噴混凝土專用機械。對空壓機應當限定為15m3/min的體積規格，確保達到均勻噴漿處理的效果。施工人員通過循環式的噴漿作業處理過程，有效確保了噴漿操作的均勻性與完整性，對于鉆孔操作的搭接時間長度也能合理縮短。隧洞支護體系應當達到結構承載強度的最大限度要求，避免并且預防隧洞體系的失穩坍塌后果產生。施工人員需要控制隧洞混凝土的噴射施工層噴層厚度，結合錨桿支護的工程技術手段來保障隧洞圍巖的穩定安全。

4 烏斯通溝小斷面城門型隧洞快速掘進施工問題對策

4.1 保證隧洞地質勘測數據的準確性

隧洞快速掘進的工程前期勘測數據具有非常重要的影響，隧洞地質勘測的具體負責人員應當保證現有勘測數據能夠完整覆蓋于隧洞施工的各個區域部位，切實保證隧洞勘測的各項數據都能精確。隧洞地質勘測人員對測繪工程技術應當正確加以利用。測繪工程技術的關鍵就是測繪技術人員運用專門測繪儀器來測量判斷地物特征，據此給出特定區域的地形地貌原始測繪數據。測繪技術人員還需要運用網絡智能化的軟件來轉換原始測繪信息，形成可供決策參考的完整測繪結論圖。

例如在上述的隧洞地質勘測環節中，技術人員根據位移變化速率判斷圍巖穩定狀況，變形基本穩定應符合下列條件：隧洞周邊變形速率有明顯減緩趨勢；拱腳水平相對凈空變化速度小于0.2mm/d，拱頂相對下沉速度小于0.15mm/d。工程地質監測的具體負責實施人員針對現有的監測業務手段應當致力于優化創新，嚴格確保地質監測的前期數據信息可以有力支撐隧洞快速掘進施工進程，有效地避免隧洞地質勘測的數據誤差現象。

在隧洞地質勘測的領域中，測繪工程技術包括了統計測繪基礎數據、測量地物特征、匯總與收集處理地物數據特征等關鍵環節流程。遙感攝影測量手段重點著眼于自動化輔助完成測量全過程，因此對隧洞測量環境區域具有較好的適用性。此外，數字化的攝影測量儀器可以幫助工程測繪操作技術人員完整分辨地物信息數據，結合遙感監測圖的各個層面顏色分布狀態來給出精確結論。測繪測量的業務實施人員針應當準確掌握隧洞地形圖的生成過程，避免由于多個層面的外界自然環境因素干擾從而造成遙感攝影測量的最終數值結論缺乏準確性。數字化的攝影測量處理儀器可以保證排除外界自然條件引發的測繪操作過程干擾，因此體現為優良的工程勘測過程適用性。

4.2 嚴格避免隧洞掘進作業安全風險

隧洞掘進施工本身包括了較大的人身傷害風險，小斷面的城門型隧洞比較容易產生整體失穩或者局部塌陷現象，因此嚴重威脅到隧洞施工人員的安全。隧洞施工人員在斷面掘進的各個環節中都要保持警惕，密切關注隧洞失穩的潛在隱患因素。隧洞施工人員一旦遇到了突發性的隧道施工事故，必須要保持冷靜的應對情緒，盡快尋找到正確的人員逃生路徑。

隧洞施工的技術人員針對立體化模型手段應當全面運用于隧洞掘進過程，結合BIM等立體化模型手段來展現隧洞體系結構，靈活節約隧洞掘進的工程操作成本。例如BIM5D技術的本質在于將成本維度與時間維度因素融入BIM智能化模型中，然后通過實施模型封裝的技術手段方法來構建五維度的立體化建筑空間模型。BIM5D的智能化立體建模技術手段突破了BIM的原有模型空間維度，確保將多元化的立體模型維度因素融入模型中。BIM5D的立體化空間模型已經可以完整包括工程節點數據、空間幾何數據、合同預算數據、項目工期數據等，對BIM原有的模型覆蓋領域范圍進行了合理拓展延伸，增設了更多的立體化模型構件屬性元素。BIM5D技術作為建模智能化與信息化的關鍵技術手段來講，基本技術特性應當體現在多維度、立體化以及自動化等。隧洞掘進的操作人員可以將上述的立體化建模技術完整運用于隧洞施工過程，準確判斷隧洞掘進中的人身風險因素分布狀態。

例如在上述的隧洞施工全過程中，施工人員針對鋼拱架及導向管檢查合格后，方可進行模板安裝。套拱邊墻模板采用鋼模拼裝，φ48mm鋼管做背楞，內置φ20mm拉筋，拉筋嚴禁與鋼管焊接，可加工螺紋用螺帽固定在模板外側，外側支撐用φ48mm無縫鋼與鋼墊板結合支撐。兩側起拱線往下設置進人孔，用于工人進入邊墻振搗，頂拱設置振搗孔，間排距不大于50cm。隧洞施工的操作人員針對隧洞土層結構的塌陷安全風險必須要準確展開全面排查工作，確保施工人員能夠及時處理存在土層塌陷風險的隧洞區域部位。施工人員禁止在隧洞的空間區域內從事危險活動，并且不得站立在大型起重設施以及隧洞支撐結構體系的下方，以免墜落物砸傷施工人員。

4.3 及時調整隧洞掘進施工參數

某些情況下的隧洞掘進操作施工參數與真實的施工進程之間存在差異性，那么就會涉及調整與改變原有隧洞施工參數的做法。施工技術人員針對原有的隧洞掘進各項參數指標應當靈活加以改變，尤其是針對爆破參數、鉆孔布置參數以及輪廓線的延伸長度參數等，有效防止表現為欠挖與超挖后果。隧洞體系結構中的特殊區域部位比較容易發生失穩安全事故，因此決定了隧洞施工的技術操作人員應當謹慎處理特殊的隧洞地質區域，尤其是對引水隧洞部位、洞口交叉部位以及隧洞貫通部位來講。

例如混凝土運輸采用6m3混凝土攪拌運輸車運輸至工作面，泵送入倉，人工持φ50mm軟抽式振搗器振搗。混凝土澆筑至起拱位置后保證兩側混凝土高差不大于50cm，振搗時振搗棒插入下層混凝土5cm~10cm。隧洞施工人員針對隧洞掘進的操作實施速度參數應當合理進行控制，全面加強對隧洞施工速度的管控，保證隧洞掘進的全過程順利完成。

隧洞工程的施工技術人員務必嚴格確保隧洞交叉部位達到堅固程度以及安全程度標準，通過運用實時檢測的儀器技術手段來控制隧洞施工質量。隧洞進口段比較容易頻繁出現隧洞巖層破碎與失穩后果，因此必須要充分確保隧洞施工的操作實施人員準確掌握隧洞進口段的施工處理要點。隧洞施工人員目前需要重點針對進口段的鎖口體系結構進行開挖施工處理，然后將鎖口錨桿均勻布置在兩側的隧洞輪廓線區域部位。隧洞交叉口的重點區域部位必須要保證滿足隧洞安全施工的基本條件標準，充分保證隧道施工的操作技術人員能做到正確處理隧洞的交叉口特殊地質結構。隧洞施工人員應當保證主洞與支洞的連接交叉區域部位滿足承載性能良好的技術要求，并且合理選擇布置密集孔洞等技術手段來應對隧洞施工技術難題。隧洞結構設計人員應當視情況選擇錨噴加強以及鋼拱架的雙重支護體系，確保達到全面增強隧洞支護力度的目的。表1為隧洞快速掘進施工的工程參數指標。

表1 隧洞快速掘進施工的工程參數指標

5 結語

經過分析可見，隧洞斷面部位的掘進施工全過程中將會受到緊迫的工期局限影響，并且施工人員容易遇到較為復雜的工程地形因素。具體針對小斷面的城門型水工隧洞在進行快速掘進與開挖處理中，不同專業領域的隧洞施工人員需要進行緊密的互動協作，準確把握隧洞斷面部位的掘進施工各項基本指標要求。對破碎與松散的隧洞圍巖應當防止出現頻繁擾動的情況，正確采用超前支護的施工技術措施。隧洞快速掘進的施工操作人員必須要重視施工安全風險因素，在隧洞快速掘進的工程中采取安全防護措施，嚴格避免出現人身傷害后果。