程牧春
(广东水电二局股份有限公司,广州 511340)
湖北恩施车坝河水库引水工程主要为恩施城区提供水源,引水隧洞为城门洞型无压引水隧洞,宽约3.8m,高约4.1m,衬砌后内净空断面为3.0m×3.234m,总长约11.84km,纵坡为-0.1%。隧洞Ⅵ类、V类、Ⅲ类围岩占比分别为20%、65%、15%,节理裂隙发育,岩性变化大,并具有断层破碎带、泥夹层、溶洞溶孔、涌水及滑坡等地质缺陷,岩石硬度在15~60MPa之间,且隧洞沿线民居较多。
传统水工隧洞施工多采用钻爆法,工序复杂繁琐,且安全风险极高,对岩层扰动大,超欠挖难以控制[1-2]。为防止爆破施工对施工范围内居民和建(构)筑物产生不良影响,降低施工风险,保证施工质量,项目人员在充分调研的基础上,采用悬臂式掘进机进行水工隧洞开挖,应用过程中主要存在3个方面的困难:①由于项目地质和周边环境复杂,施工危险性高;②局部洞段围岩硬度高,截齿效率大幅度降低,截齿消耗大;③隧洞单向进尺约2800m,通风排烟困难。
悬臂式掘进机在作业前,利用地质调查、地质素描、TSP探测、地质雷达、超前水平钻探等地质预报技术探测掌子面前方地质情况,确保掘进施工安全。
悬臂式掘进机隧洞开挖工艺流程图,见图1;地质预报计划,见表1;探测方法及频率,见表2。
图1 悬臂式掘进机隧洞开挖工艺流程图
表1 地质预报计划
表2 探测方法及频率
2.2.1 施工用电
根据掘进设备的生产工况要求,采用高压(10kV)电缆进洞,洞内设置移动式变电站供电。洞口处设置高压配电室,高压接入点从系统电接入。
XTR4-230型掘进机运行工作电压为1.14kV,上机电缆采用矿用移动电缆,型号为MYP-0.6/1.14kV-3×70+1×25,为了保证用电质量低压供电半径定为300m内。洞内掘进施工,每个工作面附近配置矿用移动变电站1套,受电设备为掘进机1台。掘进机供电系统示意图,见图2。
图2 掘进机供电系统示意图
2.2.2 通风设备安装
悬臂式掘进机开挖快速、高效,但施工过程中会产生大量粉尘,尤其是在掘进超过600m后。本项目采用常规正压与竖向通风孔联合通风,有效改善了掘进机作业环境。
2×55kW双极对旋式轴流式通风机布置在隧洞工作面入口附近,通风管采用φ800柔性风管向工作面供风。
以加快隧洞内部通风速度,减少有毒有害气体产生的影响,采用型号为XSL7/360的水井钻机在隧洞顶部施打直径为30cm的通风孔(每1.3~1.5km施打一个通风孔)。
2.2.3 施工排水、供水
岩体在潮湿且不稳定状况下,会导致岩体或泥渣料附在切割头上造成切割力的损失、掘进困难,机器自身难以行走,从而导致效率低下,因此要做好施工排水措施。
在隧洞口附近修建高位水池,水池容量20m3,可满足掘进机施工过程中润滑和降尘用水,在掘进机后侧设置了临时集水井,将水抽排到排水沟再集中排放到洞外。
2.2.4 掘进机组装与调试
设备到位后,由厂家人员到隧洞外进行安装后进行整机调试,试运转正常后入洞掘进。
采用全站仪配水准仪进行施工测量。定期检查、复测洞轴线,为后期施工质量提供保障。每开挖、支护20m在洞壁及洞顶进行标记。保证检测点位稳固、隐蔽。将激光导向仪放置于拱顶、拱脚、边壁等处,在使用过程中每隔三天对设备进行检测、校准,避免设备振动及损伤,以保证放样精度,从而保障隧洞的准确贯通。
2.4.1 悬臂式掘进机开挖
启动掘进机后,呈“S”字形从下向上挖掘。掘进时一人操纵掘进机,另一人则作为观察员,保证掘进机,电缆和出渣车的作业。完成底部至顶部切割后对掌子面进行二次修整,以满足所设计截面的要求。
运用多种超前地质预报技术探测掌子面前方隧洞围岩地质情况,根据岩石硬度的变化选择掘进机截齿类型。采购了两种型号的截齿,分别适用于单轴抗压强度15~30MPa(较软岩),30~60MPa(较硬岩)的围岩。
围岩单轴抗压强度超过60MPa后,截齿开挖能力就迅速下降,截齿的消耗也会迅速增大[3]。悬臂挖掘法施工过程中,当碰到较硬岩石时(岩石单轴抗压强度>>60MPa),,用爆破法辅助施工,降低悬臂掘进机施工的难度及减少截齿的消耗量。把每次爆发药量分为多段微差爆破,使震动爆发峰值降低从而达到减震的目的。钻爆法主要包括掏槽爆破,辅助爆破和周边爆破,掏槽爆破产生的震动是最大的,为控制钻爆法对周边岩层的影响,同时不影响施工进度,具体做法为:在中心核心区域采用悬臂式掘进机掏槽,形成大的临空面,余下的采用控制爆破开挖,有效降低隧洞爆破开挖施工震动,经监测,震动速度(震速<0.1 cm/s)、隧道内拱顶下沉、净空收敛等数据都在规定允许范围内,对周边民居无影响。悬臂式掘进机掏槽示意图,见图3。
图3 悬臂式掘进机掏槽示意图
2.4.2 通风降尘
开挖过程中全程开启柔性风管,使洞室内有害气体的含量降低至安全区域,同时,掘进机还利用自身高压喷射装置实现降尘。如采用局部钻爆法辅助施工,在放炮时停止通风排烟,放炮完毕恢复通风排烟。
2.4.3 出渣运输
自卸车运渣工作与掘进机挖掘施工同步进行。本工程隧洞单个工作面的掘进长度>2km,为保证自卸车通行,每隔150~200m设置1个长20m,宽8.5m的错车洞。
在各项条件正常的情况下,掘进机工作效率为0.8m/h,每天按8h计算,则可达到6.4m/d。
清除危石及碎块,岩面破碎洞段在进行安全处置后,先喷一层3cm厚混凝土后再次进行安全检查及处置。清理已开挖洞段松动岩块。
隧洞开挖过程中做初期支护,贯通后进行永久衬砌;如遇到特殊洞段,支护措施不利于继续洞挖进尺,则考虑施工局部洞段的永久衬砌。
喷锚支护与掘进施工交替进行作业,Ⅳ、Ⅴ类围岩除喷锚挂网支护外还应配合钢拱架加强支护,必要时还要进行超前支护,确保工作面安全。
在下一个循环开始前,项目人员提前对风、水、电等临时设施运行情况进行检查,确保正常运行后,进行开挖作业。还应特别注意近期供电单位供电情况是否正常,若供电单位有通知停电的情况,及时作出调整,必要时可提前进行发电施工(因多次停电、送电会影响供电配套设施的正常运行)。
1)针对水利工程地质条件复杂,岩性变化大等特点,采用“悬臂式掘进机法为主,钻爆法为辅”的施工技术,避免了隧洞开挖对沿线居民和建筑物的不利影响,提高了施工效率,为隧道施工的质量和安全提供了保障。
2)结合隧洞实际情况,运用多种地质预报技术探测掌子面前方地质情况,根据地质变化选择掘进机截齿类型,为隧洞施工安全提供保障,降低截齿损耗,提高掘进效率。
3)针对特长隧道开挖,提出常规正压与竖向通风孔联合通风,改善悬臂式掘进机作业环境,有利于洞内作业人员职业健康安全。