水工隧洞施工工艺改进分析

匡 虎

（广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340）

0 引言

水工隧洞是指在山体或地下岩体处开凿出的“供水流通过的洞”。此“过水洞”的主要作用在于：①为地下水的通过规划出特定路线，用于农业灌溉、不同规模的水电站发电等。②在一般情况下只供少量水流经，但在发生地方缺水、山洪暴发等情况时，通过引流的方式，使一定量的水流从洞中流通。根据水流在洞内流经时的特性，水工隧洞可分为无压隧洞（水流不会充满隧洞，存在自由水面）和有压隧洞（水流充满隧洞整个断面，洞壁会承受一定的水压力）。近年来，施工人员对水工隧洞的应用性能提出了更高的要求，故开挖施工工艺也需随之改进。

1 水工隧洞施工的类型、特点

1.1 水工隧洞的类型

（1）按照用途进行分类，水工隧洞可分为：①泄洪洞。该隧洞主要用于配合溢洪道，完成洪水的排泄，防止农田、村庄遭受洪水侵袭。②引水洞。江河湖泊的水资源通过引水洞流入目标区域，提供发电、灌溉等用水。③排沙洞。包括水库在内的很多水工设施在经过长时间的使用后，水面下方会积累大量的泥沙，如果不能及时排除，就会导致这些水工设施的性能及使用寿命下降。因此，经由排沙洞，通过适量放水，有计划地将泥沙排出水库，保证水工设施正常运行[1]。④放空洞。在特定情况下，放空洞迅速将水库中存水排出的专用水工隧洞。例如，洪涝灾害出现之后，当水库内积水达到危险临界高度时，放空洞可根据指令启动。⑤导流洞。该隧洞是在水利枢纽施工期间用于施工导流的隧洞。现阶段对水工隧洞的设计以及施工要求为应该尽量结合水利枢纽的相关规划任务，尽量实现“一洞多用”。

（2）按照水流经过时的状态进行分类，水工隧洞可分为：①有压洞。工作闸门一般需要布置在隧洞的出口位置，且洞身全断面几乎都会被水流填满，洞壁四周均承受一定的内水压力。②无压洞。工作闸门需要布置在隧洞的进口位置，水从其中流过时，并不会充满全断面，存在自由水面。隧洞究竟设计成有压类型还是无压类型，应根据当地水利工作的具体需要而定，也可以设定成一段有压、一段无压的状态（最普遍的情况是设计成前段有压、后段无压），但绝不能设计建造成统一区段时而有压、时而无压的情况，否则有可能导致出现震动、空蚀等现象。

1.2 水工隧洞的特点

根据水工隧洞开挖施工经验可知，水工隧洞主要具备两个方面的特点：①力学方面的特点。水工隧洞一般在岩层中开挖，此种操作必定会导致洞孔附近原本的应力平衡被打破，造成应力重新分布。因此，在开挖期间，应该做好岩层变形防护工作，否则一旦岩石崩塌，会对施工现场造成严重威胁。围岩产生的压力作用除了作用于衬砌之外，本身还具备一定的承载能力，因此，可以与衬砌共同承受水内的压力荷载。综合分析水工隧洞施工的力学特点之后，得出的结论为，在水工隧洞设计及开挖施工时，应尽量选择岩层坚硬等对施工有利的地质构造处作为隧洞开挖地，尽量避免选择软弱岩层[2]。②水工隧洞施工方面的特点。隧洞动身的断面整体较小，施工场地呈现狭小、洞线长的特性。因此，开挖施工作业期间，面临工序多、干扰大、工期较长的问题。此外，在一些兼有导流任务的隧洞开挖工程项目中，施工进度的快慢一般会对整个工期起决定性的作用。因此，现代水工隧洞施工工艺改进主要围绕“缩短施工周期”而展开。

2 水工隧洞常规开挖施工的特点以及改进之处

在水工隧洞开挖实际施工中发现的具体问题有：由于隧洞断面尺寸较小，导致内部施工的发挥极其有限；由于工序存在诸多交叉情况、相互之间特别容易产生干扰。因此，同一个工作面中的孔洞布置、岩层爆破、渣土外运等作业环节必须按一定的周期进行。受施工场地地形地势等因素的影响，大中型高效率的开挖机械设备无法运抵隧洞之中，不仅导致施工效率偏低，有时候甚至连最基本的供电、通风、排水、排烟等需求都无法满足。对此类小断面水工隧洞进行开挖作业时，一般采取的常规开挖方法共两种：①使用架管和调班，互相结合后完成掌子面开挖平台的搭设。在钻孔开挖作业以及起爆炸药安装工序全部完成后，先将该平台拆除，待渣土全部运出、放线测量全部完毕之后，对平台进行重新搭设。②使用工字钢或者槽钢，在使用之前进行焊接处理，形成框架结构。之后在其上进行钻孔作业。根据需要，可在钻出的孔中安放支护结构或爆破炸药，之后运抵合适的水工隧洞位置，进行支撑体系搭建或开展爆破作业。上述水工隧洞施工工艺的改进之处为将出渣车改装成组装钻爆台车。选用的除渣车最大运输量达到8 t，对后方的车厢进行直接改装，并在两侧焊接甲状φ125 mm钢管，形成立柱（两侧各焊接3根）。以此为基础，在车斗底部向上选择合适位置，沿着水平的方向再次焊接3根钢管，由此便形成一个整体结构，可作为水工隧洞施工平台。水工隧洞施工台车如图1所示（模板、托架和门架，模板安装在托架上，托架通过竖向油缸连接支撑于小车上，小车可在门架上作水平横向运动，门架安装在行走装置上；模板由拱顶模板、拱边模板、上边模板、下边模板和小边模板组成曲率隧洞的衬砌轮廓曲面。拱顶模板与拱边模板之间使用螺栓连接，共边模板与上边模板、上边模板与下边木板的连接方式均为铰接）。综上所述，水工隧洞施工工艺的改进重点是开挖作业平台，无须反复搭建、拆卸，只需利用出渣车，预先完成平台焊接后，根据施工具体需要，开到合适位置即可。

图1 水工隧洞施工台车

3 水工隧洞施工工艺改进具体案例分析

3.1 工况简析

两岔河水电站中的引水隧洞部分工程开始时，引水隧洞引0+000—引0+194段接首部沉砂池，该段隧洞长194 m，断面尺寸为1.0 m×2.0 m，边墙和底板均已衬砌，隧洞处于微风化至弱风化花岗岩体中，裂隙较为发育，裂隙间多夹有黄泥，局部洞段出现少量掉块现象。引0+290—引0+293 m作为引水明渠，大部分渠道被崩坡积物堆积封堵，堆积体方量约5 m3，渠道断面尺寸为1.0 m×1.8 m，该段渠道已衬砌。此外，部分无压引水隧洞的断面尺寸为1.25 m×1.9 m，城门洞型，边墙和底板均已衬砌，隧洞处于微风化岩体，裂隙不甚发育。总体而言，本工程水工隧洞由于情况复杂，施工难度较大，若工艺选择不佳，很难如期完成。

3.2 施工工艺选择及改进

施工条件相对良好的水工隧洞区段不在本文讨论范围内，只针对施工条件不佳的区域进行阐述。图2为水工隧洞爆破开挖工程作业程序工况，在爆破作业之前，需进行常规石方开挖施工。除了上文所述的施工平台改进之外，其他改进在于：地表覆盖层、黏土层开挖结束后，进行基岩面地形测量，其成果作为竣工资料的一部分和石方开挖计量的依据。岩石开挖由上而下分层进行，梯段爆破，考虑对基坑岩体的保护，梯段厚度按照具体建基各平台高差（约3 m分层）[3]。建基平台、基底面预留0.7 m厚的保护层，保护层开挖采用手风钻钻孔，少药量弱爆破，局部采用人工撬挖到设计高程。爆破相关设计为梯段爆破参数设计。初步拟定的爆破参数如下：钻孔直径为φ45 mm；钻孔间距为1 m；钻孔排距为1 m；梯段高度为3 m；钻孔深度为3 m；钻孔角度为600°～900°；超钻深度为0.3～1 m；装药结构为不耦合连续装药；堵塞长度为1 m；起爆网络布置为孔间顺序微差起爆网络。炮孔平面及立面布置分别如图3和图4所示。

图2 水工隧洞爆破开挖工程作业程序工况

图3 炮孔平面布置

图4 炮孔立面布置

钻孔施工相关改进工艺为：首先，由钻孔人员严格按照测量放样结果，完成孔位的选定以及孔斜的计算，之后按照对应数据，完成钻孔深度的施工。在此期间，要求主爆孔孔位的平面挪动误差不得超过10 cm，孔深的误差不得超过20 cm，预裂孔孔位在轮廓方向上左右挪动范围不得超过5 cm，孔深不得超过10 cm。预裂孔的开挖作业需采用手风钻造孔工艺，具体的施工流程为：对钻机进行调整，使其契合施工条件。完成定位之后，施工人员应使用架尺、自制的量角器等工具，对钻杆角度进行测量。开孔深度达到0.3 m、0.5 m、1.0 m时，应分别对钻孔角度进行校正。在钻进深度达到1 m后，可持续正常钻进。钻孔过程中跟踪作好钻孔记录，掌握岩石地质情况，每钻完一孔后，进行孔口保护，卸下钻杆、钻头，量测实际孔深并记录后才能进行下一孔的施工[4]。若当班未钻完一个孔，将钻孔参数如实记录并交接。建基边坡梯段预裂造孔立面布置如图5所示。

图5 建基边坡梯段预裂造孔立面布置

3.3 效果评估

（1）将出渣车改装为移动施工平台车之后，由于平台的移动方便程度大幅提高，因此可以根据工程整体进度，随时将施工平台车开到爆破作业面进行施工。而在钻爆以及装药作业完成之后，可以节省大量原本拆卸施工平台的时间，只需将车辆迅速开到安全地区即可。在爆破作业结束之后，在清除渣土的同时，还可以完成渣土量的测量，之后迅速进行下一阶段的爆破及开挖作业。

（2）工程相关环节经济性的对比。由于改进后的移动作业平台无须反复拆卸，故能够大幅降低因焊接作业而造成的物料损毁，平台的使用寿命会大幅延长。此外，经过改良处理后的钻爆台车由于是在后方车厢处进行改装，其前方车厢尚有大量空余空间，故可在此处设置一定当量的水箱，能够有效缩短常规钻孔作业时需要铺设的供水体系的搭设时间。因此，作业期间的用水十分方便，还能够有效节省水管铺设产生的成本。

（3）除了节省物料成本之外，也一定程度上降低了时间成本。相较于常规的施工平台搭建—拆除—搭建—拆除的过程，在本工程中，仅仅对施工环境相对良好区域进行常规开挖（无须进行爆破作业，只需直接开挖即可），每一个循环开挖过程（上文提到，由于水工隧洞整体地形狭长，开挖至一定阶段段之后，必须将产生的渣土等全部运出，多次重复方可完成作业）可节省至少2 h的时间。累计之下，工期可以提前数天甚至十几天。

4 结语

综上所述，针对水工隧洞施工工艺的改进之处集中在施工支架的搭建和拆除方面，可通过出渣车改装，形成可移动平台。此外，在钻孔、爆破等作业阶段，需对相关参数进行反复多次计算，确保数据的精准程度。通过这两个方面的工艺改进可全面提高水工隧洞施工效率。