引水隧洞工程中的小斷面快速掘進(jìn)施工工藝

杜貴正 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司

引水隧洞指的是從水源地引水的一種水工隧洞，是水利工程的一項重要輔助建筑。加強(qiáng)對其小斷面快速掘進(jìn)施工工藝的探索，對于引水隧道工程的整體發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用，施工團(tuán)隊?wèi)?yīng)選擇合理的施工設(shè)備、布設(shè)方式以及對應(yīng)的施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小斷面的快速掘進(jìn)。

1.工程概況

以樟嫩梓水庫及供水工程中的樟嶺隧洞、導(dǎo)流洞和上壩交通洞為例，探究引水隧洞工程中的小斷面快速掘進(jìn)施工工藝。樟嶺隧洞進(jìn)水口位于大壩右岸上游，在壩軸線下游隧洞軸線上設(shè)豎井式進(jìn)水口及事故檢修閘門，豎井中心線位于隧洞樁號引0+149.65m位置，豎井采用異形結(jié)構(gòu)布置，雙層取水，最大開挖尺寸9.55m×9.30m×64.20m。隧洞進(jìn)口處設(shè)固定式混凝土攔污柵，進(jìn)口底高程524.00m，豎井上部檢修平臺高程587.00m，隧洞全長約5.05km，開挖斷面為城門洞型，底寬2.70m，高2.70 m，襯后斷面為圓形，洞徑1.80m。在引0+753m樁號設(shè)有1#施工支洞，支洞長298m，開挖段面5.5m×5.5m。

2.施工準(zhǔn)備工作

根據(jù)上述工程概況，應(yīng)引進(jìn)先進(jìn)的掘進(jìn)施工技術(shù)，并結(jié)合新材料、新工藝為小斷面快速掘進(jìn)奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1 合理選擇施工設(shè)備

由于小斷面寬度、跨徑以及面積較小，大件設(shè)備難以進(jìn)入，因此很多時候會選擇人工出渣以及小型拖拉機(jī)運(yùn)輸?shù)男问?，掘進(jìn)設(shè)備應(yīng)選擇一些中小型設(shè)備，以下細(xì)致描述：

2.1.1 空壓機(jī)的布置以及供風(fēng)方式

在樟嶺隧洞進(jìn)口、出口、1#支洞、2#支洞口各布置1臺20m3空壓機(jī)，在導(dǎo)流洞和上壩交通洞施工工作面附近各布置1臺20m3空壓機(jī)，并將1臺移動式空壓機(jī)布置在2#支洞用于應(yīng)急。

隧洞內(nèi)進(jìn)行供風(fēng)時選擇DN3寸風(fēng)管，從干管分支管通向用風(fēng)機(jī)具。在引水隧洞的施工過程中使其各個壓風(fēng)站有著不同的供風(fēng)強(qiáng)度，隨著開挖強(qiáng)度的變化而轉(zhuǎn)移。引水隧洞單頭掘進(jìn)在2.5km左右，風(fēng)壓在距供風(fēng)站1.5km時降壓較嚴(yán)重，所以當(dāng)隧洞掘進(jìn)至1.2km時增設(shè)一避車道，其空間尺寸高2.7m、長3m、寬2m。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，空壓機(jī)在布設(shè)時預(yù)留不低于200m的爆破距離。

2.1.2 通風(fēng)設(shè)備的選擇

按照施工中減少管內(nèi)風(fēng)速與風(fēng)壓損失的要求，通風(fēng)管選擇高強(qiáng)度聚酯合成材料的風(fēng)管，其百米漏風(fēng)率控制在1%以內(nèi)，磨阻系數(shù)控制在0.018，由風(fēng)管送風(fēng)。

（1）交通洞與導(dǎo)流洞設(shè)備選型與通風(fēng)布置。導(dǎo)流洞通風(fēng)設(shè)備參數(shù)為1000m3/min的風(fēng)量、2300Pa的風(fēng)壓、1×55kW的功率。在導(dǎo)流洞洞口布置軸流風(fēng)機(jī)，把φ1000mm軟風(fēng)管用于正壓供風(fēng)。交通洞通風(fēng)設(shè)備參數(shù)為1000m3/min的風(fēng)量、4200Pa的風(fēng)壓、2×55kW的功率。在導(dǎo)流洞洞口布置軸流風(fēng)機(jī)，把φ1000mm軟風(fēng)管用于正壓供風(fēng)。

（2）樟嶺隧洞上游段及1#支洞設(shè)備選型與通風(fēng)布置。樟嶺隧洞1#支洞上游段1062 m設(shè)備參數(shù)為260m3/min的風(fēng)量、1800Pa的風(fēng)壓、2×11kW的功率，在1#支洞洞口右側(cè)布置軸流風(fēng)機(jī)，把φ600mm軟風(fēng)管用于正壓供風(fēng)。樟嶺隧洞1#支洞上游段2107m設(shè)備參數(shù)為260m3/min風(fēng)量，3900Pa的風(fēng)壓，3×11kW的功率，在1#支洞洞口左側(cè)布置軸流風(fēng)機(jī)，把φ600mm軟風(fēng)管用于正壓供風(fēng)。樟嶺隧洞出口段上游側(cè)2500m設(shè)備參數(shù)為260m3/min的風(fēng)量、4750Pa的風(fēng)壓、3×11kW的功率。樟嶺隧洞出口布置軸流風(fēng)機(jī)，φ600mm軟風(fēng)管用于正壓供風(fēng)。

（3）通風(fēng)管安裝。風(fēng)管間通過拉鏈連接，借助鎖扣固定風(fēng)管。風(fēng)管上每隔3.0m有1道加固索和1個鎖扣，有助于順直風(fēng)管，減少風(fēng)流阻力。對于壓入式通風(fēng)，主風(fēng)機(jī)原則上安裝在距離洞口＞10m、并有一定凈空高度的支架位置上。風(fēng)機(jī)前后5m范圍內(nèi)不得堆放雜物，風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口設(shè)置鐵箅，并裝有保險裝置，當(dāng)發(fā)生故障時能自動停機(jī)。

2.2 施工供水與排水安排

2.2.1 施工供水

工作面附近均有豐富的水源，經(jīng)水泵抽至水池即可。

2.2.2 施工排水

（1）洞外明排：各個工作面皆沿隧洞進(jìn)出口邊坡挖截水溝，堵截引排洞臉地表水。截水溝斷面呈倒梯形，底寬50cm、上寬70cm、深50cm。

（2）洞內(nèi)排水：洞內(nèi)反坡掘進(jìn)時，在隧洞一側(cè)設(shè)置排水坑，間隔300 m 左右設(shè)置深80 cm、長150cm、寬80cm的水坑，可通過水泵將水排出，由在主支洞交叉處挖掘集水坑集中處理各個水泵排出的水。隧道正坡掘進(jìn)時在隧洞一側(cè)設(shè)置排水坑，排出的水會自動進(jìn)入集水坑中，再排出洞外。

（3）支洞與主洞間排水：主洞與支洞間設(shè)置集水坑，考慮電機(jī)維護(hù)、漏電保護(hù)、水泵更換、滲水量等各種狀況，收集主洞滲漏水。集水坑內(nèi)安排4臺7.5kW的離心潛水泵，其中一臺用于排出積水，一臺用于備用，在水泵頭部安裝止回閥，防治水倒流。排水管路應(yīng)用φ108鋼管，接頭處通過法蘭連接，在主洞與支洞管路中間區(qū)域增設(shè)一臺增壓泵用于提升水流壓力。

3.小斷面快速掘進(jìn)施工工藝的應(yīng)用

施工設(shè)備選擇和施工供水與排水安排的合理性是保證施工順利的基礎(chǔ)，而施工技術(shù)方面，可選擇新奧法實(shí)現(xiàn)小斷面的快速掘進(jìn)。

圍巖的類型不同，所采取的施工工序有著較大不同，比如Ⅱ類、Ⅲ類圍巖洞，其需遵循“測量放線與布孔→鉆爆→出碴→臨時支護(hù)→下一循環(huán)開挖、支護(hù)→永久支護(hù)”的施工工藝；而對于Ⅳ類、Ⅴ類圍巖洞，遵循“超前支護(hù)→測量放線、布孔→鉆爆→一次臨時支護(hù)→出碴→二次支護(hù)→下一循環(huán)開挖、支護(hù)”的施工工序。

4.引水隧洞開挖方法

首先在支洞邊坡土石方進(jìn)行明挖、支護(hù)以及支洞口的鎖口，其后在施工支洞與引水隧洞交叉段開挖與支護(hù)，最后在引水隧洞上下游位置開挖。

引水隧洞形狀如城門洞型，開挖時高度與寬度皆可設(shè)定為2.7m，應(yīng)用全斷面光面的形式實(shí)施爆破，在開挖Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段時，遵循設(shè)計方案來布錨桿→鋼筋網(wǎng)→鋼拱架→噴射混凝土。開挖按照光面爆破要求進(jìn)行，鉆孔時選擇YT-28氣腿鉆，以直線掏槽的形式掏槽孔，且在槽孔中心鉆出42mm裝藥孔，在藥孔周邊10cm內(nèi)再打5只直徑為2mm孔，但不需要裝藥，達(dá)到改善掏槽效果的目的即可。

4.1 施工控制

在隧道開挖過程中控制好施工方法，以此保障引水隧洞順利開挖，使得爆破、布孔、鉆孔、裝藥、填塞、聯(lián)線起爆、爆后檢查、開挖面排險有序進(jìn)行。

4.2 引水隧洞鉆孔與爆破設(shè)計

首先明確斷面參數(shù)，如斷面面積為6.5m2，開挖寬度和高度皆為2.7m，以此為基礎(chǔ)確定合理的爆破參數(shù)。參數(shù)主要包含炮孔直徑、掏槽孔深度、輔助孔深度、周邊以及底板孔深度、光面參數(shù)、單位炸藥單耗量、炮孔數(shù)目；其后根據(jù)斷面的實(shí)際狀況制定引水隧洞斷面掘進(jìn)爆破參數(shù)表，明確掏槽眼、輔助眼、周邊眼、底眼的炮眼以及粉狀乳化、粉狀乳化、小藥卷、粉狀乳化的裝藥量、裝藥長度等。

4.3 布置炮孔與爆破網(wǎng)絡(luò)

在設(shè)計隧道爆破網(wǎng)絡(luò)時主要應(yīng)用孔內(nèi)延的方式，孔外主要應(yīng)用瞬發(fā)非電雷管分區(qū)簇聯(lián)，每簇控制在20發(fā)內(nèi)。隧道口段網(wǎng)路聯(lián)接過程中由于與其他建筑物的距離有著一定差異，因此通過科學(xué)的計算來控制最大單響藥量，使爆破震動在規(guī)定范圍內(nèi)，必要時進(jìn)行試點(diǎn)爆破以確保安全。

5.結(jié)語

綜上所述，探索以及實(shí)施引水隧洞工程中的小斷面快速掘進(jìn)施工工藝，對于提升整體的引水隧洞施工效率有著積極的意義，建筑單位需給予足夠的重視，從而實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的合理應(yīng)用。