小断面长距离软岩隧洞施工技术探索

小断面长距离软岩隧洞施工技术探索

朱晓轲

中国水利水电第十一工程局有限公司， 河南郑州

【摘要】水工隧洞作为一种特殊的引水输水建筑物，20世纪以来在我国农业灌溉工程、城乡供水工程、发电引水工程等工程建设得到广泛应用，21世纪以来我国成功建设了南水北调中线穿黄、大伙房引水、锦屏二级发电引水等极具挑战性的水工隧洞工程，积累了丰富的经验，但随着滇中引水、引汉济渭、珠三角水资源配套、新疆引水、武都引水等工程的开工兴建，水工隧洞的建设将面临深埋、超长、高压突水、软岩大变形等多方面的巨大困难。中国水利水电第十一工程局有限公司在承建的四川省蓬溪船山灌区工程西梓干渠延长段土建及安装工程中，隧洞施工过程中对长距离、小断面软岩隧洞技术研究与实施，通过优化隧洞开挖、出渣、支护、通风、排烟、排水、衬砌等工序的施工方案提高了隧洞进尺，取得了较好的经济及社会效益，为推广该技术的应用，特总结了长距离、小断面软岩隧洞快速开挖技术、隧洞通风排烟、除尘技术、隧洞初期支护技术、隧洞二衬施工技术。

【关键词】小端面 长距离 软岩 施工工艺 效益

一、工程概况

四川省蓬溪船山灌区工程西梓干渠延长段隧洞岩石为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和新鲜砂岩，饱和抗压强度低，属软岩、极软岩类。地下水呈层状分布，常有地下水溢出。隧洞开挖净断面4.2m*4.55m。

二、工艺原理

根据岩层特性及强度、巷道的断面尺寸、长度选择了集切削、装载、转运、降尘等于一体的高效悬臂式掘进机设备与常规钻爆法相比，具有破岩、出渣、支护一条龙连续化作业，开挖速度快、效率高、施工质量好、超挖量小，较少支护工程量、节约施工成本等特点，较传统爆破速度可提高2~3倍。

采用洞内掘进机自带喷淋系统降尘+洞内混合式通风及中部增设通风中继站、柴油机净化装置加大排烟风机的风量；洞外增加降尘室改善洞内、外作业环境保证了作业人员的职业健康，减少对周边居民和环境的影响、满足地区水保环保要求。

采用红外线激光导向仪技术，替代每循环的全站仪放样，定期检查校核确保放样的准确性、保证隧洞的准确贯通。

采用改装支护车辆和改装小型罐车进行洞内混凝土运输加快了隧洞初期支护和二次衬砌速度，施工方便、高效。

在本工程中，结合长距离软岩隧洞的岩层特性及强度，选择地下洞室开挖的方式及设备并结合长距离软岩隧洞开挖后的变形观测，确定了软岩、极软岩地质条件下开挖与初期支护之间合理的循环长度及保证安全的支护方式。通过采用混合式通风和中部增设通风中继站、柴油机净化装置，加大排烟风机的风量，喷雾洒水，缩短出渣时间，合理调度，及时进行边、拱顶喷浆封闭，减少未喷面受污染的持续时间，喷浆前采取高压风、水冲洗等措施，保证开挖出渣、初期支护、二衬的混凝土运输等各工序交叉作业互不干扰，连续施工，实现了该引水隧洞中施工效益、质量、安全的目标。

三、施工工艺流程及操作要点

3.1隧洞开挖的施工工艺流程及操作要点

3.1.1软岩隧洞开挖采用悬臂式掘进机开挖，悬臂式掘进机的主切割运动是通过截割头旋转和截割臂水平或垂直摆动合成的运动。截割头的截齿克服与岩体的摩擦阻力 ，通过旋转产生切削力进行岩石切割，达到切削岩石、完成隧洞开挖的目的。工艺流程如下：施工准备→激光指向仪安装→激光指向测量定位→风机安装、调试→悬臂式掘进机及第二运输机就位、调试→首次掘进开挖（同时进行农用车出渣）→开挖至开挖设计线（同时进行农用车出渣）→钢尺量测→开挖面修整。

3.1.2 隧洞开挖操作要点

1.施工准备：认真开展图纸会审、并给参加施工人员做好培训交底，对涉及到的机械设备做好检测验收，对悬臂式掘进机、第二运输机、激光指向仪、通风机、场地进行表面清理，做好场平工作，保证激光指向仪定位准确、悬臂式掘进机掘进有良好的施工环境。

2.激光指向仪安装：掘进前依据设计图纸要求的隧洞开挖设计线先计算出激光中心线的位置来确定激光指向仪的安装位置。

3.激光指向测量定位：激光指向仪安装固定牢固后，利用全站仪测量激光指向仪激光中心线的位置和方向。

4.风机安装、调试：打开风机，确保掘进过程中风机能正常工作。

5.悬臂式掘进机及第二运输机就位、调试：向上搬动电器电控箱右侧电源开关手柄至“接通”的位置，此时前后照明灯同时点亮。检查显示屏、电压表和机器周围，如果没有异常情况，即可按如下顺序进行开机操作。

6.首次掘进开挖（同时进行农用车出渣）：利用截割头向前截割出一个探洞，作为扩挖至设计线的凌空面；掘进机在掘进过程中，截割部截割岩石后，由星形铲板通过第一运输机把石渣运至掘进机尾部，由第一运输机进入第二运输机，第二运输机直接卸于5t农用车车厢里，然后5t农用车将渣运出洞外。

7.开挖至开挖设计线（同时进行农用车出渣）：利用截割头自下而上、左右移动截割，截割至开挖设计线位置，掘进机在掘进过程中，出渣过程同第（6）条。

8.钢尺量测与开挖面修整：用钢尺量测激光指向仪中心线与开挖设计线之间的距离是否为25cm，若截割断面与开挖设计线的形状和尺寸有一定的差别，则进行二次修整，直到达到断面尺寸的要求。

9.喷雾：在掘进时如何控制粉尘是非常重要的。截割头外喷雾控制阀位于司机的右后侧，在操作台与电控箱之间，当开始掘进时应开此阀，使截割头处喷雾，其水量可控制。其外喷雾喷嘴位于截割头后部和机器两侧。另外，当欲进行截割头内喷雾时，打开控制阀，即实现截割头的内喷雾。但应注意不能单一的只使用内喷雾，而必须内、外喷雾同时使用。

10.出渣：掘进机在掘进过程中，截割部截割岩石后，由星形铲板通过第一运输机和第二运输机把石渣运至掘进机尾部，5t农用车在此等候和跟进，洞渣直接卸于车厢里，然后5t农用车将渣运出洞外。

3.2洞外降尘流程及要点

3.2.1 隧洞内掌子面开挖未得到完全控制的粉尘则由抽风机通过风管直接送入降尘室，风管出口处则由两层过滤网进行过滤，其烟尘、粉尘则通过风管传送至降尘室内，进行除尘。隧洞外设置简易降尘室，其材料由彩钢房拼装，内部设置若干雾化喷头，由施工现场水管接入，当隧洞内进行开挖时则降尘室内雾化喷头进行间歇性喷雾降尘，待隧洞掌子面开挖完成进行支护时则由适当降低喷雾频率。

3.3软岩隧洞初期支护工艺流程及要点

3.3.1 工艺流程

Ⅴ类围岩隧洞支护类型主要包括：Φ22，L＝2m@1.0m砂浆锚杆，挂钢筋网Φ6.5， 20×20cm喷C20 混凝土(δ=15cm)，钢支撑@80cm的安装。Ⅳ类围岩隧洞支护类型主要包括：Φ22，L＝2m@1.2m砂浆锚杆，挂钢筋网Φ6.5， 20×20cm喷C20 混凝土(δ=8cm)。

3.3.2操作要点

系统砂浆锚杆采用YT-28手风钻造孔，人工站在简易支护台车上施钻。钻孔完毕后人工站在支护台车上进行插杆、注浆、挂网。喷混凝土采用TK-961湿喷机，人工手持喷头湿喷作业；钢筋网、钢支撑等在钢筋加工厂加工制作，利用15t自卸汽车运至现场。安装时按照先顶拱后边墙的顺序安装。利用装载机起吊配合人工将钢支撑固定就位。在钢支撑拱底部打设锁脚锚杆，将钢支撑与锁脚锚杆、系统锚杆焊接牢固。喷混凝土料由拌和系统集中拌制，15t自卸汽车运输。

3.4软岩隧洞二次衬砌工艺流程及要点

3.4.1工艺流程

Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段全断面衬砌，分底板、边顶拱两次施工，边顶拱采用钢模台车和小钢模拼装、架子管作为支撑施工，施工工艺流程如下：

1.底板衬砌：基面清理→测量放线→钢筋制安→止水安装→模板支立→清仓验收→入仓浇筑→拆模→底面抹面→养护。

边顶拱衬砌：缝面处理→测量放线→钢筋制安→止水安装→预埋件安装→模板拼装及支撑就位→堵头模板支立→混凝土入仓浇筑→拆模→养护。

3.4.2基础面施工要点

1.底板欠挖的部位采用小反铲、风镐和人工清撬配合的方法进行处理。IV、V类围岩洞段每次清理长度96m，先清理边顶拱，采用高压风水冲洗支护面，清除浮渣、松散体。底板清理先用手风钻进行粗清，自远端后退扒拢堆渣，集中后装车外运。之后人工用铁锹或耙锄、撬棍等将活动残留碎石、浮渣、淤泥、杂物等人工集中后配合装载机进行整体清理运送到洞内自卸车上，在用洞内自卸车运送到洞外弃渣场。

2.基岩渗水用堵、引、排的方法进行处理。对无压或压力较小的裂隙水，用棉纱及水泥砂浆封堵；有一定压力的集中渗水时，在渗水处打风钻孔埋管引出仓外；渗水点较密集，采用钻孔方法不能有效地排除渗水，在仓位浇筑前，先将渗水引至基岩较低处形成临时的集水坑，砼浇筑至集水坑处时，及时抽排积水，并快速覆盖混凝土。

3.4.3钢筋安装施工要点

钢筋现场安装分底板安装和边顶拱安装，底板直接采用人工在仓内进行安装，边顶拱则借用钢筋台车做台架进行安装。底板钢筋绑扎：在底板、岩壁上用手风钻造孔，造孔从距离分缝线50cm开始，间、排距不大于3m，边墙可以根据竖向钢筋高低打1~2排孔，每排孔基本上应成一条直线，以便于焊接架力筋，孔打好后先用锚固剂注装插筋，再在插筋上焊接好横向架力筋，然后在横向架力筋上焊纵向架力筋。架立筋焊好后将底板高程、结构边线及分缝线标示于架力筋、底板或岩壁上。

3.4.4止水带安装施工要点

橡胶止水带按设计图纸要求位置安装，将止水带牢靠地夹在模板中每隔lm左右用铅丝将止水带固定拉结在钢筋上，同时采用Φ6mm钢筋加工的止水带卡子固定止水带。

3.4.5模板安装施工要点

1.IV、V类围岩洞段二衬底板采用30cm厚混凝土衬砌，仅需堵头模板，采用组合钢模板，背面用Φ48钢管找直，采用插筋加固，插筋直径25mm，锚入基岩30cm；

2.直线段边墙顶拱采用定型液压钢模台车一次安装固定，转弯段边墙顶拱采用简易钢模台车支撑系统，按照设计线性采用P1015和P3015小钢模现场拼装固定；

3.边顶拱堵头模板采用木模板，异形部位采用木模拼装，堵头模板内面与橡胶止水中心对齐。堵头模板采用内拉加固，拉杆直径12mm，拉杆焊接固定在锚杆根部。

3.4.5混凝土浇筑施工要点

1.底板混凝土浇筑采用从内至外一次浇筑成型的方法（单次浇筑长度84米），平行运输采用4m³混凝土罐车运至作业面附近，入仓则运用皮带机输送入仓，人工配合振捣，用刮板沿样架对底板进行找平，浇筑至边墙30cm处。

2.混凝土水平运输采用3m³混凝土运输搅拌车从拌和站运至混凝土泵，垂直运输采用混凝土泵泵送入仓。泵管从小钢模预留的工作窗接入，每层工作窗3个，边墙布置2层。混凝土泵尽量布置在施工作业面附近，减少泵管铺设长度，减少堵管几率和拆装泵管的工作量。从低向高依次浇筑，先铺2~3cm厚水泥砂浆，混凝土铺料厚度控制在50cm，边墙两侧对称铺料浇筑，以免模板发生偏移。每铺筑一层先通过工作窗采用插入式振捣器（φ50棒）振捣工作窗附近，主要振捣方式为附着式振捣，开动附着式振捣器，振捣时间30~60s，通过工作窗观察，以砼不再显著下沉并开始泛浆、无明显气泡溢出为准。

四、质量控制

4.1软岩隧洞开挖质量标准

施工质量控制执行《水利水电工程锚喷支护技术规范》（SL377-2007） 、《水利水电工程单元工程施工质量验收评定标准-混凝土工程》（SL 632-2012）及设计文件等相关规定。

隧洞不应欠挖。当围岩完整、石质坚硬，方允许岩石个别突出部分（每1m2 不大于0.1m2）侵入衬砌，复合式衬砌不应大于5cm。拱脚和墙脚以上1m内断面严禁欠挖，超挖值应符合下表中允许超挖值的要求。

4.2质量控制措施

4.2.1 施工前对管理人员和作业人员组织进行技术交底和培训；

4.2.2 严格执行“三检制”的验收制度，并做好质控记录；

4.2.3 投入使用的原材必须经检验合格后方能投入使用；

五、安全措施

5.1对所有人员进行入场三级安全教育，对于存在高危施工的所有参与人员组织全员培训，安全教育及培训必须保留安全教育及培训书面或影像资料。

5.2建立项目安全培训制度，落实“三级”安全教育，开展“预知危险活动”。新上岗人员必须进行安全教育培训，经考核合格才能上岗。每班作业时，作到持证上岗，且必须进行班前5分钟安全训示。

5.3按规定配备一定数量的专职安全员，每个施工班组指定兼职安全员，以负责本班组的施工安全工作。

5.4在使用挖、装等机械设备时，必须遵守相应的操作安全规程，严禁违章操作。

5.5进入隧洞施工人员必须戴安全帽、防尘口罩及反光背心等防护用品。

5.6施工现场高压变压器及开工箱应防护到位。

5.7所有电器设备及金属外壳均应按规定设置可靠的接零及接地保护。

5.8施工现场所有用电设备，必须按规定设施漏电保护装置，并定期检查发现问题及时处理解决。

六、环保措施

6.1认真贯彻落实国家有关环境保护法律、法规，做好施工区域的环境保护工作。工程开工前编制环境保护措施计划，在施工中严格执行。

6.2严格遵守“工完、料尽、场地清”的原则，完成一处，清理一处，不留垃圾。

6.3对洞内施工道路及时进行维护，减少道路扬尘。

6.4机械设备使用过程中加强保养，防止油料泄漏污染环境。

6.5施工作业现场随时清理，现场配置垃圾箱，场地干净平整，无积水，无杂物，无垃圾。

6.6施工现场按要求布设排水设施，并保证排水设施的正常工作，及时排除施工用水及地下水，严禁施工用水随意排放。

七．效益分析

7.1长距离软岩隧洞施工技术的应用不仅保证了长度在2km以上的隧洞开挖进度，降低了软岩隧洞开挖过程中的安全风险，洞外的喷淋降尘室的应用有效的降低了隧洞开挖过程中对周边环境的影响，取得了较好经济效。

7.2该施工技术于2019年1月~2019年12月应用于四川省蓬溪船山灌区工程西梓干渠延长段土建及安装施工项目中，本工程共布置了14座隧洞，长度大于3km有木头垭、大平山、忠义山4座隧洞，隧洞开挖断面尺寸最小为3.76×4.23m。该施工技术的应用不仅保证了长度在2km以上的隧洞开挖进度，降低了软岩隧洞开挖过程中的安全风险，有效的降低了隧洞开挖过程中对周边环境的影响，取得了较好经济效。

采用悬臂式掘进机开挖代替传统的爆破开挖，有效的降低了隧洞的超挖。根据已洞挖完成的忠义山隧洞、钟台山、大平山，边墙及顶拱平均超挖8cm；爆破开挖的边墙及顶拱平均超挖15cm；隧洞开挖断面为4.2×4.3米城门洞形式，超挖8cm，每延米超挖量为0.89m³，超挖15cm，每延米超挖量为1.72m³

悬臂式掘进机开挖超挖量=0.89×19562=17410.18m³

爆破开挖掘进机开挖超挖量=1.72×19562=33646.64m³

石方超挖节约成本：（33646.64-17410.18）×150.68元/m³=244.65万元；

超挖部分需用回填C15混凝土，可节约成本：（33646.64-17410.18）×371=602.37万元

合计节约成本：847.02万元，经济效益可观。

7.3在隧洞施工过程中对软岩隧洞施工关键技术进行研究，通过优化隧洞开挖方式，采用悬臂式掘进机进行洞室开挖，有限的空间内施工，在同一个工作面上开挖、出渣等工作只能周期性循环技术难题加快了洞室开挖进度，从而创造了高台阶隧洞月进尺达280m，忠义山隧洞月进尺达276m的较好进度，完成了当月单工作面进度计划的155%、153%有效的保证了长距离软岩隧洞的开挖进度。

采用洞内除尘方式（掘进机钻头喷雾、室外降尘室），通过在掘进机截齿上设置多个喷头进行喷雾降尘，改善了洞内烟尘、粉尘的情况，创造了良好的作业环境，保证了洞内开挖的质量及操作人员的健康，洞外由抽风机排放出来的烟尘，通过在洞外设置降尘室、降尘室内设置淋雾喷头对洞外环境进行了改善，减少了对周边居民和环境的污染，满足了该地区水保环保相关要求，创造了良好的除尘效果，树立了企业形象，促进了企业长期发展。

结合软岩隧洞特点对Ⅴ类Ⅳ类围岩采用经济合理的初期支护方式，保证了长距离软岩隧洞施工安全，隧洞开挖施工中未发生任何安全事故。有效的降低了隧洞开挖护过程中软岩自稳性差的安全隐患。