小断面隧洞综合开挖支护方案与措施

刘宜锋

(中国水利水电第八工程局有限公司,湖南 长沙 410000)

开挖与支施工是小断面隧洞工程建设施工的两个关键环节,其不仅关系着工程项目的建设效益,而且对于施工作业人员的人身安全具有深刻严格影响。在项目施工中,结合施工现场实际情况,规范选择隧洞开挖技术方案,并合理使用隧洞支护方法,能有效地提升工程项目建设综合效益,但是结合项目实际可知,小断面隧洞开挖支护施工的环境较为复杂,施工过程中容易出现多种病害,如隧洞坍塌、涌水等,对此有必要规范小断面隧洞综合开挖支护施工,以此来提升工程项目的综合建设效果。

1 小断面隧洞综合开挖支护施工重要性

小断面隧洞本质上属于我国水利体系建设的重要组成部分,其建设施工环境较为复杂,且施工表现形式多样。在小断面隧洞工程建设中,开挖支护施工对于工程项目整体建设质量具有积极作用。一方面,小断面隧洞本身具有施工环境负载的特征,在工程项目建设中,除地质、水文因素外,施工工艺的选择和应用也会对项目施工质量、效率和安全造成影响,尤其是当施工中出现隧洞岩土脱落、塌陷或管涌问题时,会给施工人员的人身安全造成较大影响,积极采用隧道开挖支护施工技术,能有效避免这些问题发生,保证施工人员人身安全。另一方面,开挖与支护本身就是小断面隧洞施工的重要内容,积极开展小断面隧洞开挖支护方案设计和具体施工技术应用,能有效保证小断面隧洞开挖支护的规范性,提升工程建设综合效益,继而推动工程建设企业效益增长,助力水利工程的持续、稳定发展[1]。

2 小断面隧洞综合开挖方案措施

2.1 开挖流程方式

小断面隧洞综合开挖方式对于工程整体建设效益具有较大影响,在项目建设初期阶段,需要结合施工实际,做好开挖方式的系统管理。首先在小断面隧洞开挖之前,施工人员需要规范开展施工区域勘察工作,做好最大开挖断面开挖尺寸的测量和设计分析,从源头上保证小断面隧洞开挖施工的科学性、准确性[2]。其次在隧洞开挖施工过程中,需要做好开挖施工时具体技术要点的把控,在具体开挖技术操作中,需严格控制开挖坡降,一般需将坡降控制在0.1%的标准,避免小断面隧洞开挖出现坡降幅度过大或过小等问题。最后项目开挖中应做好支护施工处理,尤其是在一些不良地质区域,需按照短进尺、弱爆破、强支护的原则和要求进行施工,保证项目施工安全性。

2.2 开挖技术类型

要提升小断面隧洞开挖施工效率,在具体开挖施工还需要做好开挖技术的科学选择与应用。一般在小断面隧洞开挖施工中,全断面开挖技术的应用较多,该技术不仅具有一次成型、出渣方便的特征,而且开挖掘进的速度较快。在全断面开挖掘进具体施工中,先进性全断面一次钻孔,在装药连线后退钻孔台车到50 m以往的安全区域,然后一次爆破成型,在出渣后再将钻孔台车推移至开挖面前,开始下一个钻爆作业循环。另外在一些地层环境较差的区域,还可通过环形开挖技术施工实施小断面隧洞开挖,一般环形开挖进尺为0.5～1.0 m,在环形开挖中,不仅要注重喷锚支护的合理应用,还应实现钢架支撑的有效安装,这样才能实现开挖技术与支护技术的协同统一,消除洞身开挖收敛和下沉问题,保证工程建设整体质量[3]。

2.3 供电通风施工

规范开展供电通风工作,能为小断面隧洞开挖施工创造良好的作业环境,确保小断面隧洞开挖施工的高效性与安全性。在小断面隧洞开挖供电过程中,若隧洞的洞室较长,这需要采用低压电进洞的方式完成供电,该环节中,随着小断面长隧洞的延长,供电系统还会出现一定的电压损失问题,并且这种电压损失会不断增加;为有效解决这种问题,在供电过程中,还需要注重电容补偿方式的合理使用,在减少电压损失的基础上,保证供电的稳定性、可靠性。另外在小断面隧洞开挖施工中,还需要做好隧洞通风管理。一般压入式通风是小断面隧洞通风的主要方式,在该通风技术应用的基础上,系统考虑施工设备、施工人员、爆破规模等因素,然后配合使用一定的混合式通风技术,能满足工程项目建设需要,保证项目施工的安全性。

3 小断面隧洞综合支护措施要点

3.1 做好勘察分析

小断面隧洞支护方案的选择和应用具有较强的专业性、综合性和复杂性,当隧洞开挖支护不合理时,容易引起一定的安全问题,威胁施工人员的生命安全;对此应结合隧洞勘察结果,做好开挖支护技术的合理选择与应用[4]。在小断面隧洞开挖勘察中,为掌握小断面隧洞的特殊情况,先应对隧洞的自然情况进行有效勘察,考虑小断面隧洞开挖施工是否会产生工程或自然灾害,然后结合实际设计相应的支护方案。其次勘察过程中,应重视现代化勘察手段的应用,这样能确保勘察结果的细致性,为支护方案的设计与支护技术应用奠定良好基础。最后完成小断面隧洞勘察后,需在现代工程技术的作用,实施小断面隧洞勘查结果的模拟分析,掌握影响隧洞开挖的重要因素,针对性地实施防控处理,提升隧道综合支护的科学性、合理性。

3.2 支护技术应用

结合开挖施工内容使用支护技术是小断面隧洞支护施工的内在要求。现阶段,用于小断面隧洞开挖支护的技术较多,除锚杆支护、混凝土喷射防护外,钢架支护、小导管支护等都是较为常见的支护技术。在不同类型的支护技术应用中,应结合工程实际重视其施工技术要点的系统控制。锚杆支护中,做好锚杆安装有助于提升小断面隧洞整体的稳定性。一般小断面隧洞支护锚杆按照梅花型的样式布置,在锚杆安装中,要求两边锚杆距巷顶轮廓线保持在200～300 mm,而锚杆的间距需保持在0.5～1.2 m,中间锚杆与水平面角度需保持在90°。锚杆支护施工中,还应重视中间锚杆、两边锚杆与碛头的距离控制,一般中间锚杆与碛头距离不超过1 m,而两边锚杆与碛头的距离需保持在2 m以内。通过混凝土喷射技术进行小断面隧洞防护时,施工人员需要按照分层喷射的原则进行施工,一般要求喷头与碰面的距离控制在1.5～2.0 m,喷料的速度应保持在4～30 m3/h,此外应保证混凝土喷射施工的回弹率不超过15%。值得注意的是,钢架支护在小断面隧洞支护中也有广泛应用,一般在钢架支护中,应重视钢支架的规范制作与安装。现阶段,小断面隧洞工程中常用的钢支撑材料为Q235工字钢,要求施工人员在专业的平台架上完成加工制作,在实际制作中,要求按照1∶1的比例放样,然后通过型钢液压型弯曲机完成拱部加工,最后使用垫片、螺杆连接顶拱与立杆,进行钢支架结构件的连接固定,实现小断面隧洞的有效支护。小导管支护施工中,施工人员多会选择使用管径40 mm、长度3.0～4.5 m的无缝钢管,然后沿拱部开挖轮廓线周边布置小导管,要求小导管的间距保持在30～40 mm。在小导管支护施工中,若施工区域破碎明确,并且有大量地下水,则还应通过小导管注浆,这样才能使得小导管和周围的岩石共同承担压力,起到堵水的作用[5]。

3.3 支护效果监测

为提升小断面隧洞开挖支护质量,在积极使用支护技术的铜焊丝,还应做好支护效果的有效监测。一方面,完成开挖支护后,施工人员需要对不同类型的支护技术体系进行监督检查,确保其与岩石结合紧密,保证整体支撑效果发挥。另外在支护技术应用的同时,需对支护体系变形、小断面隧洞变形情况进行监督检查,这样能确保支护结构的整体稳定,促进工程建设效益的有效获得。

4 小断面隧洞综合开挖支护实例研究

4.1 项目概况

某水利工程建设中需要进行小断面隧洞开挖支护施工,结合工程勘察设计结果可知,小断面隧洞位于河流左岸区域,隧洞长为6.5 km,包含了引水上平段、斜井段和下平段三个部分;隧洞沿途存在3个平面转弯和2个立面转弯。在项目建设中,引水隧洞开挖断面为平底马蹄形,开挖断面为26.5 m2,在建设中,规范化的选择具有较高效率与安全性的开挖及围护,并通过钢筋混凝土进行衬砌支护施工,有效保证了项目开挖、支护施工的标准性,安全性,提升了项目建设的综合效益[3]。

4.2 工程地质及施工难度

本项目本身属于小断面隧洞工程,隧洞水平埋深为100～500 m,而垂直埋深为20～250 m。在工程项目建设初期阶段,采用现代技术对该区域进行勘察,发现本项目沿穿越线不仅存在细砂岩、钙质胶结砾岩、砂质泥灰岩夹钙质砂岩,而且存在泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩,此外施工区域还存在岩脉侵入式的石英正长斑岩,工程岩体破碎明显,岩体稳定性较差。从水文状况来看,工程建设区域的水体较为丰富,存在较多渗、涌水部位,这给项目的开挖支护施工带来较大难度,有必要重视工程开挖支护技术选择,提升项目建设的整体效益。

4.3 小断面隧洞综合开挖支护技术应用

考虑到施工环境对小断面隧洞综合开挖支护施工的影响,在项目开挖、支护施工技术初期阶段,先规范化对施工区域的勘察工作,在具体勘察中,系统使用现代勘察技术,掌握施工区域地质结构破碎、稳定性较差,地下水丰富、施工渗水较多等问题。然后结合勘查结果进行隧洞开挖、支护技术设计。

本项目开挖施工中,采用掏槽爆破的小断面隧洞开挖施工方式。在具体施工中,施工人员在引水隧洞布置5条施工支洞,每条施工支洞往上下游各布置一个作业工作面进行施工。在施工初期阶段,要求在每个工作面布置台可移动式钻爆台,随后配置气腿式凿岩机进行钻孔爆破作业。具体作业中控制以下要点:一是在掏槽方式及断面大小确定中,系统考虑本工程建设中所使用的工程机械设备,并对隧洞开挖断面大小进行系统分析,结合实际选择掏槽开挖方式。经分析,本项目在引水隧洞开挖断面较小的区域使用直孔掏槽方式,随后隧洞中央孔布置环状直孔掏槽孔,在掏槽区中央部位布置1个空孔。二是设置好孔位后,需考虑孔长、装填系数、线装药密度、掏槽区装药孔数等参数,进行掏槽区装药计算,有效地满足了小断面隧洞快速开挖施工的需要。三是在掏槽爆破开挖中,还应重视周边孔布置及钻爆参数选择,本项目周边孔布置中,沿隧洞开挖轮廓线布置周边孔;该作业环节中,要求按照密孔距、均匀布置的要求布置周边控,周边孔钻孔角度往外偏1°,有效地满足了施工需要。

在隧洞开挖过程中,采用钢筋混凝土进行衬砌支护施工。本项目建设中,系统考虑隧洞围岩的类型选择支护方式。如对于Ⅱ类围岩,本项目控制喷射混凝土技术进行支护,确保喷射混凝土厚度为5 cm,而当项目施工中遇到Ⅲ类围岩时,施工人员则会改用挂网锚喷的方式进行施工,这种支护方式不仅保证了小断面隧洞结构的稳定性,而且有效地避免了渗水等问题对项目施工的影响,另外本项目在支护中考虑一些特殊围岩的支护,如对于松散、破碎岩体,施工人员采取超前锚杆、超前小导管以及超前管棚法进行超前支护,减少了破碎岩层对项目开挖施工的负面影响,提升了隧道施工的稳定性、安全性。

值得注意的是,为助力项目开挖、支护工作的有序开展,在小断面隧洞综合开挖支护核心技术应用的基础上,项目施工人员还规范化进行施工区域供电和通风施工,有效地满足了项目施工需要,提升了项目建设的综合效益。