浅述小断面中长水工隧洞快速开挖的优化施工方案

(中国水利水电第七工程局有限公司一分局，四川 彭山，620860)

1 引言

国内现有水电站的输水隧洞、泄洪隧洞、导流隧洞、灌浆廊道、排水洞或多用途隧洞的横断面尺寸，设计时均进行了经济断面的论证。《水工隧洞设计规范》第4.3.6条明确规定：水工隧洞横断面的最小尺寸除应满足运行要求外，还应符合施工要求。圆形断面的内径不宜小于1.8m；非圆形断面的高度不宜小于1.8m，宽度不宜小于1.5m。结合国内现有在建水电站的实际情况，水工隧洞在满足运行要求的情况下，通过技术经济比较确定的开挖断面为3.5m×3.5m(长×宽)的城门型小断面水工隧洞比比皆是。

长期以来，由于小断面水工隧洞断面小，施工难以实现开挖与衬砌平行作业，长隧洞方案难以实施，故小断面中长水工隧洞常成为项目方案比选的重点，也是项目施工的控制点。如何投入配套的机械设备组成开挖、混凝土衬砌作业线，提高单项工序的生产能力和设备利用率，大幅压缩工期、降低成本，实现预期的质量、安全和工期目标是小断面中长水工隧洞施工所面临的巨大挑战。然而，小断面中长水工隧洞爆破施工后的出渣环节是制约进度的主要因素之一。

2 小断面水工隧洞的开挖施工设计

小断面中长水工隧洞开挖主要采用全断面一次爆破成型，简易台车配YT-28气腿钻造孔，孔径φ42mm；直孔或斜孔掏槽，光面爆破；一般情况下：顶拱光爆孔间距为0.50m～0.52m，边墙光爆孔间距为0.55m，底板光爆孔间距为0.50m；Ⅴ类围岩掏槽孔孔深为2.2m，其余孔孔深为2.0m，每循环进尺约2.0m，月进尺约80m；Ⅵ类围岩掏槽孔孔深为1.8m，其余孔孔深为1.6m，每循环进尺约1.5m，月进尺约50m；火工品选用2号岩石乳化炸药，掏槽孔选用药卷直径φ32mm，周边孔选用药卷直径φ25mm，非电毫秒微差爆破，电雷管起爆。洞内出渣采用ZL30装载机配合5t小型汽车或农用拖拉机出渣，并可根据实际情况的需要配置电动或油电混动的履带式扒渣机出渣。

由于小断面中长水工隧洞的开挖断面较小，为了方便施工和提高施工效率，扒渣机出渣段一般每400m设置一错车道，装载机出渣则采用100m设置一个错车道，以便于出渣和错车使用。错车道断面为：长6.0m，宽3.0m，高3.4m。

图1 典型断面钻孔布置示意(单位：mm)

3 问题的提出

小断面中长水工隧洞横断面净空小，不利于大型钻爆、出渣设备施工，施工进度缓慢。

若采用开挖与衬砌逐段顺序作业，则工效低，工作面转换时间长，且难以选配机械设备；仅靠小型机具操作，进度慢，随着洞身的延伸，运输困难，施工难度更大。针对这种状况，小断面中长水工隧洞难以组织开挖与衬砌实施平行作业，常常确定的基本施工顺序为：洞身开挖完成后再进行混凝土衬砌。

隧洞开挖期间组织开挖及初期支护两条作业线，两工作面平行向纵深掘进，以保证在隧洞未衬砌之前的洞身稳定。为此，小断面中长水工隧洞如何快速开挖成为制约整体工期的主要因素之一。

在小断面中长水工隧洞内采用机械设备配套技术组成隧洞开挖作业线，要求运输设备横截面小、机动性强，减小与洞内其它设施之间的干扰，且要求洞内运输设备容量大、运输能力大，如此方可减少工序衔接施工。

4 小断面隧洞的快速开挖优化施工

4.1 改进简易钻爆台车提速

利用小断面洞室开挖阶段配置的现有出渣汽车改装成钻爆台车。

小断面水工隧洞出渣车辆配置为东风天锦5t自卸汽车，利用后部的车斗改装，车厢具体的尺寸：长2.96m、宽1.78m、高1.25m。具体改装的形式如下：在车厢斗的两侧用外径φ102mm的焊接钢管做立柱，车厢的两侧各焊接3根，每根钢管的长度为1.5m，间距为1.26m；在车斗底部向上0.9m的部位沿车斗宽度方向布置3根外径φ102mm的焊接钢管分别和两侧的焊接钢管焊接成为一个整体，每根焊接钢管的长度为1.95m；再在横向两侧的钢管顶部分别沿车斗长度方向各焊接布置一根外径φ102mm的焊接钢管，每根长度4.4m。在整个框架焊接好后的顶部铺设直径16mm@15cm×15cm的钢筋网片，与顶部两侧的钢管焊接成一个整体，使上部形成为一个整体平台，此部分即为隧洞拱角以上的部位施工时所用的施工平台。两侧立柱顶部向下0.6m的部位向外延伸0.2m，作为第二层施工平台的支撑点，施工时在此处搭设平台。车厢与框架中间的空间部位设置一个移动水箱，移动水箱采用钢板制作，移动水箱的尺寸为：长2.36m、宽1.4m、高0.85m，移动水箱可以装水2.8m3左右，移动水箱的作用是在钻爆作业时提供钻机的供水，能够满足钻爆的施工用水。

改进后的钻爆台车具有以下明显的优点：

(1)移动灵活方便

因为此台车是汽车改装，移动灵活方便。在钻爆时，台车可以直接开到开挖掌子面实施钻爆作业；等钻爆及装药完成后，汽车开到安全地带，待出渣测量完毕后再进行下次的开挖作业。在隧洞支护时利用此台车可以做喷锚、挂网、支格栅等工序，不需要再另行搭设施工平台。

(2)节省材料的消耗

因为改进后的台车为固定模式，周期使用率高，在各种施工工序中不需要重新搭设施工平台，降低了材料的消耗。

(3)缩短开挖及支护工序的净工作时间

此台车灵活方便，一次性转移到位，避免了传统台车多次转运的次数而耽误时间，大大缩短了各工序的衔接时间，提高了工作效率。

(4)改进后的钻爆台车多种用途

除用做钻孔，装药，还可以用做支护。

(5)改进后的钻爆台车可节省钻孔供水系统的费用

改进后的钻爆台车配备有自制水箱，可以节省钻爆钻孔时的水管铺设。传统的施工是由洞外铺设一趟供水管路到施工面，而改进后的台车自带水箱并设置分水包，能够满足各种作业所需的水量，节省了水管的铺设，经济上可以节约一笔费用。

4.2 优化为锥形掌子面提速

全断面开挖炮孔分掏槽孔、辅助孔、光爆孔，即中间掏槽，周边光面爆破。根据隧洞的岩石地质条件和爆破参数的设计进行炮孔布置。按照爆破设计布孔图，采用卷尺将各钻孔孔位逐一放样，并用红油漆实地标识。YT-28气腿钻造孔时，严格钻孔精度，确保角度准确，以达到锥形掌子面的效果。

图2 锥形掌子面形状示意

锥体深度h1的确定与洞径大小、循环进尺、掏槽方式、岩石等级、岩石节理等均有关系。锥形掌子面形状示意图中H为隧洞高度，h为掏槽孔超深，h1为锥体深度，h2为掏槽区距地面的最大高度，h3为掏槽区距地面的最小高度，L为循环长度，L′为崩落孔、周边孔孔深。

洞径大小直接影响到h1值的大小，孔深L与洞径D的比值大小，直接反映了围岩对爆破区约束力的大小。比值越大，约束力越大；比值越小，约束力越小。在孔深L与洞径D的比值大小已确定的情况下，引入锥形掌子面，可通过改变掌子面的形状，进而改变爆破区周围介质的边界条件，达到降低围岩对爆破区约束力的目的。

人民长江文献《小洞径洞室开挖的施工优化》中已明确：小断面隧洞锥形掌子面的优化，进度可加快10%，爆落量可增加11%，钻孔利用率可达99.2%。

另外，隧洞开挖中，每一循环钻孔时，保持周边孔、崩落孔钻孔长度一致，掏槽孔根据掏槽效果超深钻孔，在掏槽孔爆破后形成突出的掌子面，可使崩落孔、周边孔的残孔长度大幅降低。

4.3 优化光爆孔装药时段提速

小断面水工隧洞光爆孔装药为间隔装药结构。为加快光爆孔的装药进度，在小断面水工隧洞钻爆孔钻孔完毕的洗孔过程中，专职爆破员方可于安全地带提前用竹片将光爆孔的炸药药卷按设计的间距提前绑扎备好；待洗孔验收完毕后立即运输至施工现场进行光爆孔的装药，以此加快整体装药进度。

同时，可提前于安全地带储备一定量的堵孔用粘土卷，粘土卷用保鲜膜包裹防护后集中堆放。

4.4 优化出渣设备提速

小断面中长水工隧洞开挖阶段的出渣工序是制约进度的主要因素之一。然而，皮带扒渣机非常适合小断面洞室等生产作业空间狭窄、生产规模小等非爆炸危险性矿山的碎石料采集及输送装车施工，以及露天散碎物料装车作业。它是由机械手与输送机相结合，扒渣和输送装车功能合二为一，采用电动全液压控制系统的生产装置，具有安全环保、能耗小、效率高的特点。扒渣机是小断面洞室出渣工序必不可少的先进设备，替代人工作业，将爆破后的各种石料扒装到运输车辆上，是人工和其它机械的替代产品，填补了在狭小空间内无机械作业的空白。

皮带扒渣机包含液压行走、挖掘采集、输送、装车、清底五种功能。其中液压行走功能是通过液压马达、减速机、传动轴、再到减速机输送驱动车轮，液压马达具有前行、后退、自动刹车三种功能；挖掘采集功能由机械手完成，机械手具有挖掘、伸臂、装料、卸料功能，大臂可上升、下降、左右回转，挖掘采集的操纵由全液压控制，由两个手柄操作，操作方式与挖掘机类似，此技术综合采用大型挖掘机操作流程改进而成，使用方便，易操作；输送、装车功能由输送机系统完成，其输送架由液压缸控制升降，输送架下降时可将前轮支起，同时输送架前接料口与矿石接触面更加紧密，工作时稳定性更强，同时可以接合散料，平整场地，传送带宽度为650mm～700mm，传送速度为800mm/s～900mm/s，传送带有一台2.2kW电机带动减速机驱动主动滚筒，此方式传动性能更稳定，使用寿命更长，维修更方便。

图3 小断面洞室开挖阶段配置的履带式扒渣机

小断面水工隧洞的出渣工序使用扒渣机，它是装运机械设备代替人工和间歇式机械的替代新科技产品，是安全快速的地下工程施工的保障。扒渣机改变了原来施工的半机械化、间断出渣装运并需大量人工协同的低速度高安全风险、高成本的状态。扒渣机集扒、挖、耙、装、运、卸、行走于一体，具有行走、挖掘、采集、输送、装车、清理场地六种功能，连续高效生产。它是场地狭小空间狭矮作业施工时高产、高效、低安全风险、低成本的保证；具有增强市场竞争力，提高产量进度、快速占领市场，提前超额完成工期任务等显著成效。

4.5 加强工序安全控制提速

由于爆破施工具有一定的危险性，对工作的技术性要求很高，因此要求所有参与施工的工作人员都必须有相应的资质，严禁无证人员上岗。

严格爆破物品的管理工作，从物品的储存、分发、领取以及使用，必须要责任到人或专人负责，同时还应做到随取随用，当天没有使用的必须退回库房。

装药时需由值班人员核对装药数量并做好记录，如果装药孔内潮湿或积水，则需采取防潮处理。

在装药完毕的堵孔过程中，需先将塑料导爆管引出洞外，这一过程必须要保护好导爆管的安全。在其引出洞外后，再由专业技术人员根据预先设计的“起爆网络图”进行网路联接。

爆破作业现场属于高危地区，因此，严禁火种入内，特别是照明必须是低压电照明，严禁使用蜡烛等有明火的照明方式；点炮前，要进行人数清点，确保人员安全后方可点炮。

爆破后，要及时进行通风工作，只有烟雾等污染物全部排出干净后，安全员方可进入，并进行通风和洞顶的情况检查，特别是洞顶的危石，一定要及时处理，方可进行出渣作业。

操作扒渣机是一项技术活，未经培训，非专业人员不允许操作，经培训的工作人员在非工作时间一定要把挖斗落地，防止意外发生。

扒渣机操作手在上、下岗前必须检查涉及安全的部件部位，实现安全运转，保障设备处于完好工作状态。

扒渣机操作手务必牢记每一项手柄对应的工作，扳动手柄时要稳。

扒渣机工作时，禁止安全距离内有人，出现故障或有异常杂音，应立即停车检查，并切断总电源。

4.6 加强调度站的管控提速

由于洞内空间狭小，给作业工作带来极大的不便。在施工过程中出于达到安全施工，缩短施工工期的目的，应在隧洞洞口设立施工调度站，统一安排施工作业工作。调度站值班人员实行“三班制”、现场交接班的作业制度，紧抓工序衔接，避免洞室施工过程中出现工序衔接侵占直线工期的现象出现。

5 结语

传统的小断面中长水工隧洞施工主要依赖小型机具施工，工效低、工期长，受狭小工作面、劳动生产效率低的制约，一直以来小断面中长水工隧洞施工都是制约项目成败的关键，而小断面隧洞施工中的开挖阶段是进度制约的关键阶段。为此，在小断面隧洞的开挖施工中，为实现较高的、稳定的生产能力，合理配置机械设备、优化施工方案、紧抓工序衔接，形成小断面隧洞开挖专项机械化作业线是十分必要的。