水利工程大断面输水隧洞机械化钻爆工艺应用

胡其林,张 萍,罗 臣

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都 610066)

0 引言

隧洞施工主要以钻爆法为主,并由早期生产效率低、劳动强度大、作业环境恶劣的人工钻爆向机械化程度比较高的凿岩台车钻爆转型,大体上可以划分成三个时期:人力开挖、小型机械辅助施工、自动化与智能化施工。法沃罗公路隧洞、莱明肯勒公路隧洞、韦塔斯特隆隧洞等国外钻爆法施工中通过采用凿岩台车在节约成本方面取得了比较好的成绩。随着我国隧洞施工技术、施工机械设备和施工管理水平的提高,隧洞施工速度和复杂地质条件适应能力也不断提高。

诸多学者对机械化钻爆施工方法和工艺展开了研究。王孝贤等[1]从速度、质量、安全、环保和能耗方面,对比了机械化钻爆施工和大量人工半机械化钻爆施工的区别,总结了隧道机械化钻爆法施工的技术优势和推广应用难点;徐稳超等[2]以贵广铁路双线隧道机械化配套的施工资源配置情况为例,从进度、安全、质量和经济指标等要素入手,采用定量与定性相结合的方式,对双线隧道机械化配套适用性进行了系统地分析;穆雪野等[3]对比总结了公路隧道人工钻爆法施工和机械化钻爆法施工的工艺流程区别与经济性差异;杨年华[4]分析了隧道施工钻爆作业的难点,阐述了隧道钻爆作业实现机械化的必要性及面临的挑战,提出了提升隧道机械化钻爆作业的途径。

本文以引江补汉工程输水总干线出口段输水隧洞及检修交通洞工程为依托,介绍隧洞机械化施工情况,通过分析该隧洞施工工艺特征,提出了适应该隧洞工程的机械化钻爆施工工艺方法,并尝试总结隧洞机械化钻爆施工的优缺点。

1 工程概况

1.1 输水隧洞概况

引江补汉出口段输水隧洞长5 085 m,为圆形断面,过水洞径10 m,纵坡-1/2 300,最大埋深209 m,最小埋深仅34 m(两郧断裂)。Ⅲ类围岩洞段长约3 94 0m,Ⅳ类围岩洞段长581 m,Ⅴ类围岩洞段长564 m。输水隧洞典型断面如图1所示。

图1 输水隧洞典型断面

1.2 检修交通洞概况

检修交通洞施工期作为出口段输水洞隧洞的施工通道;运行期作为输水隧洞的检修交通洞。检修交通洞长约865 m,为马蹄形,最大净断面8.5 m×7.0m(宽×高),最大纵坡13 %。埋深一般9～200m,穿越地层岩性主要为辉绿岩。隧洞Ⅲ类围岩段长728.9 m,Ⅳ类围岩段长73.0m,Ⅴ类围岩段长56.0m。检修交通洞典型断面如图2所示。

图2 检修交通洞典型断面

2 隧洞机械化施工应用情况

2.1 输水隧洞

(1)设计参数

统计周期内,输水隧洞正在进行洞口段开挖支护。洞口段长15 m,按照Ⅲ1-OSF1-DB型开挖支护,城门洞形,开挖宽度11.9 m,开挖高度11.65 m。施工期间分台阶开挖,其中上台阶高6.9 m,下台阶高4.2 m。支护类型为C25锚杆@1.2 m×1.2 m,L=6 m;喷混凝土25 cm,钢拱架间距50 cm,施工超前小导管20#43φ42×3.5 mm@30 cm,L=4.5 m。支护如图3所示。

图3 Ⅲ1-OSF1-DB型开挖支护

(2)施工方法

开挖爆破和支护造孔:1台2臂钻机。

喷混凝土:1台机械臂湿喷台车。

锚杆安装和注浆:人工+砂浆注浆机。

循环进尺:采用光面爆破,造孔孔深1.5 m,单循环进尺1.2～1.3 m。

火工材料:32 mm乳化炸药,单卷200g;数码电子雷管起爆。

渣料运输:采用反铲扒渣,装载机装车,20m3自卸汽车运输。

(3)资源配置

输水隧洞主要机械设备及人员投入详见表1和表2。

表1 主要机械投入

表2 主要人员投入

(4)工效分析

统计周期内,上台阶进洞共计15 m(上台阶断面67.5 m2),共计历时13个日历天,每循环进尺1.2 m;日均进尺1.15 m,日均开挖量78 m3。各工序时间见表3。

表3 输水隧洞上台阶开挖工效

2.2 检修交通洞

(1)设计参数

检修交通洞全断面开挖为Ⅲ1-AT-DB,马蹄形断面,宽8.2 m,高7.25 m,断面开挖方量62 m3/延米。支护类型为C25锚杆@2 m×2 m,L=4.5 m;喷混凝土10 cm。支护如图4所示。

图4 检修交通洞Ⅲ1-AT-DB开挖支护

检修洞洞口23 m为Ⅳ2-ATF2-DB类围岩,马蹄形断面,宽10.8 m,高11.2 m,断面开挖方量112.6 m3/延米。支护类型为C25锚杆@1.2 m×1.2 m,L=6 m;喷混凝土25 cm。支护如图5所示。

图5 检修交通洞Ⅳ2-ATF2-DB开挖支护

(2)施工方法

爆破和支护造孔:2台3臂钻机,其中1台为备用,辅助打锚杆使用。

喷混凝土:1台机械臂湿喷台车。

锚杆安装和注浆:砂浆注浆机+人工。

循环进尺:光面爆破,造孔孔深4.0m,单循环进尺3.5 m。

火工材料:32 mm乳化炸药,单卷200g;数码电子雷管。

渣料运输:采用反铲扒渣,装载机装车,20m3自卸汽车运输。

(3)资源配置

检修交通洞主要机械设备及人员投入详见表4和表5。

表4 主要机械投入

表5 主要人员投入

(4)工效分析

①洞口扩大段类Ⅳ类围岩

洞口为Ⅳ类围岩,分上下台阶开挖。日均进尺0.8 m,开挖方量90m3。由于该部位施工对工效分析不具有代表性,故不作分析。

②全断面Ⅲ类围岩

结合实际情况,对桩号为K0+047～K0+174,围岩为Ⅲ类围岩的全断面开挖进行统计分析,统计时段内全断面开挖进尺127 m,日均进尺4.23 m。各工序时间见表6。

表6 检修交通洞全断面开挖工效

3 洞身开挖超欠挖情况及原因分析

3.1 超欠挖情况

(1)输水隧洞

通过对开挖完成的施工部位的超欠挖情况进行统计分析,最大超挖61.5 cm,无欠挖,实际平均超挖40.4 cm,规范允许超挖20 cm,实际超挖量考虑后期用衬砌混凝土回填。具体详见表7。

表7 输水隧洞开挖超欠挖情况统计(不含底板)

(2)检修交通洞

通过对开挖完成的施工部位的超欠挖进行统计分析,最大超挖41.8 cm,最大欠挖14 cm,实际平均超挖13.28 cm,规范允许超挖20 cm,实际超挖未超规范允许值。实际超挖量考虑后期用衬砌混凝土回填具体详见表8。

表8 桐木沟检修交通洞开挖超欠挖情况统计(不含底板)

3.2 超欠挖原因分析

通过以上测量数据统计分析可知,现阶段隧洞开挖整体存在超挖过大现象,导致超挖的原因有:

(1)在施工过程中采用多臂钻造孔时,由于钻机臂不能紧贴岩壁,采用挑杆方式钻孔。

(2)钻机操作手熟练程度存在差异。

(3)隧道开挖方向为下坡,纵坡最大坡降为13 %,在造孔过程中角度控制不到位。

(4)未根据实际情况及时调整爆破装药,造成超挖。

4 结论

本文依托引江补汉工程输水总干线出口段输水隧洞和桐木沟检修交通洞,对大断面输水隧洞机械化钻爆施工的工效、超欠挖、成本等方面进行了详细分析,主要结论如下:

(1)机械化钻爆工艺大幅度缩短了隧洞开挖的循环时间,有利于工程工期的提前;减少了隧洞内同时作业的人员数量,特别是掌子面作业人员,显著增强了施工安全性。

(2)采用多臂凿岩台车进行机械化钻爆施工,较人工钻爆施工的成孔效率更高、角度控制更加精准,尤其在坚硬围岩情况,钻孔效率更加惊人。同时产生污染较小,有利于改善洞内恶劣施工条件。

(3)从现阶段成本测算分析,本项目处于亏损状态,主要原因是机械化钻爆施工配套设备的成本和维修价格高。但在人工成本上得到了节约,并且随着工作面的铺开和大范围应用,机械摊销费用有望进一步降低。

(4)由于多臂钻钻机臂不能紧贴岩壁,采用挑杆方式钻孔,其开挖质量极大程度取决于操作人员的技术水平,因此周边轮廓线存在不同程度的超挖现象。

目前水利工程中隧洞全机械化施工尚未大规模应用,针对水利工程隧洞机械化钻爆施工相关设计及施工规范指标、配套定额等均需要进一步完善。同时从人员培训和设备改装上提出针对性方案,控制隧洞超欠挖。