高寒地区特小断面隧洞洞挖施工技术

董成波，杜保库，吴 勇

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072)

1 前 言

登棚二级水电站位于四川省阿坝州黑水县境内，装机容量为18万MW。引水隧洞为2.4m×2.9m城门洞形，全长3 587.874 m，洞轴线平均高程约为2 984m。开挖揭示的围岩多为花岗岩，地下水总体较少，开挖中出现的强风化卸荷带、挤压错动带及小断层围岩自稳时间极短，开挖后洞体易出现变形或失稳;在地下水较为发育的洞段，若开挖中出现的软弱夹层或不利结构面，遇水后易出现滑塌。据黑水县气象站气象资料统计，施工区域多年平均气温9.0℃，极端最高气温32.8℃，极端最低气温－18℃。

2 隧洞洞挖施工的特点和难点

结合登棚二级水电站的工程实际，对高寒地区特小断面隧洞工程洞挖施工的特点和难点分析如下:

(1)隧洞断面小，投入较高，产出较低。大型机械利用率极低，掌子面钻爆仅能投入两台手风钻，利用耙渣机配合自卸三轮车出渣的效率较低，出渣时间过长，随着运距增长，将制约洞挖循环施工进度;支洞长度较长，随着洞挖长度加深，通风散烟的难度增大。

(2)前期地勘资料不足，施工期间地质预报等工作未有效地开展。

(3)地下工程不确定因素多，如遇断层及破碎带、涌水带等不良地质洞段，需做好对岩性的认识，制定合理的开挖及支护方案;局部段掌子面出现淋雨状地下水影响钻爆及出渣作业。

(4)洞挖工程施工受季节气候影响，夏季降雨较多，对施工便道边坡冲刷易引起坍塌断道;冬季施工便道结冰，影响材料的运输，同时生产和生活用水等也存在一定的问题。

(5)工程处于高海拔、低气温地区，工作条件艰苦，作业人员的工效较低，施工人员更换频繁，作业队伍不易稳定。

3 洞挖及初期安全支护施工技术

登棚二级水电站引水隧洞工程的战线相对较长、断面太小、机械化施工程度低、冬季施工时段长，在遭遇“5.12”汶川大地震影响后，施工难度加大，工期拖延，直接制约电站的发电工期。在此，结合多年的工程实践经验，对引水隧洞的洞挖及初期安全支护，从施工技术、组织和管理等方面进行了总结和探讨，提出应对措施。

3.1 工程的应对措施

3.1.1 减少或防止隧洞坍塌措施

坍塌事故直接影响隧洞洞挖的施工进度，还有可能造成伤人毁机等事故，增加工程的投资，因此隧洞施工中减少或防止隧洞坍塌事故是首要的。电站前期施工1号主洞下游面K1+513～1+538m段遭遇断层带和软弱夹层，出现坍塌事故，虽然未造成人员和设备的安全事故，但严重影响了工程进度，强支护增加了工程费用。监理组织召开专题会议，提出做好“认识围岩、保护围岩、支护围岩、监测围岩”四个环节，减少或防止隧洞坍塌。在施工过程中，设计单位及时提供各掌子面的地质预报，承包人根据岩石条件不断地调整爆破参数，使围岩较好的洞段取得良好的光面爆破效果，围岩较差的洞段应减少爆破振动影响，有效地控制超挖并抑制塌方。对于不良地质洞段，要采取“短进尺、弱爆破、强支护、勤观测”的综合治理方案。在地下洞室开挖过程中，应根据地下洞室的工程规模、地质条件、施工方法等开展安全监测工作，以指导开挖施工和确定加固方案及支护参数，同时反馈设计，指导永久支护的参数确定。

(1)前期地勘资料不足，施工期间由于引水隧洞施工战线长、工作面多、设计地质人员偏少，地质预报工作始终没能及时跟上。这就要求承包人项目部加强技术和安全管理，利用施工第一线钻爆工人掌握的围岩情况，及时跟进锚网喷支护，如遇断层或破碎带等不良地质洞段，需组织有关方现场确定合理的强支护措施，杜绝外协队伍野蛮施工，冒进作业引起坍塌，造成安全事故，影响工程进度。对于引水隧洞过冲沟或浅埋的洞段，需提前做好开挖及支护的施工方案，做好超前安全支护等，预见性地做好防止隧洞坍塌的工作。

(2)加强对初期安全支护质量的检查和管控。现场施工单位技术人员和监理人员须深入施工作业第一线，总结经验教训，不断提高发现问题、解决问题的水平和能力，适应艰苦的现场工作环境，强化工作的责任心。针对前一阶段1号隧洞下游面初期安全支护不及时或不按照会签单确认的支护参数施工，使塌方处理段的支护效果不佳，存在支护变形或二次坍塌的安全隐患，监理工程师和业主现场代表逐一检查，督促承包人整改，并在今后施工中持续改进，对不满足质量要求的支护工程量不予计量。

3.1.2 涌水洞段洞挖的施工措施

(1)对于引水隧洞洞挖掌子面出现涌水的现象，首先检查岩石情况，如有坍塌、掉块的可能，应先进行安全支护，再进行引排水;若塌方段有涌水，应先治水、后治坍。针对2号引水隧洞上游部分洞段掌子面涌水较大的情况，承包人调整了钻爆参数，包括采取的使用防水炸药、短进尺、分区爆破等措施，有效地杜绝了放大炮引起隧洞的坍塌，并及时跟进初期安全支护。在钻爆作业时，配备移动式的防水作业台架，工人身穿防水衣等，改善作业环境。

(2)对于隧洞下游倒坡工作面，采用强抽排水措施，如利用避车洞设置集水井、多级水泵抽水等，杜绝掌子面积水，影响钻爆正常作业;已开挖洞段顶拱仍有淋雨状渗水的，采用防水板进行引排，保障正常的工作环境。根据本工程实际情况，引水隧洞个别涌水段多为承压水，随着时间推移，涌水基本上变小(不排除地下渗漏通道存在，在雨季渗水可能有所变大)，不会长时间影响工程施工。

3.1.3 隧洞施工组织和管理措施

3.1.3.1 隧洞出渣作业

(1)根据SL 378－2007《水工建筑物地下开挖工程施工规范》的规定，特小断面是指面积小于10m2或跨度小于3.0m。本工程引水隧洞为2.4m×2.9m城门洞形，设计断面面积为6.34m2，属于特小断面。掌子面钻爆时仅能投入两台手风钻，无法使用挖掘机、装载机配合自卸汽车出渣，机械化施工效率很低。目前隧洞采用小型耙渣机+三轮车出渣和人工+三轮车出渣两种型式。经比较，前者出渣方式的效率更高。由于不可能在各工作面均投入1台耙渣机，且无法实现上、下游面共用1台耙渣机(因隧洞断面小，耙渣机上、下行驶速度很慢，在距离长的时候更不现实)，承包人只是在关键线路使用耙渣机，其它工作面均采用人工出渣方式。

(2)因施工区域高寒低氧致耙渣机、空压机和三轮车等机械故障偏多，配件购买对外交通困难等，于是承包人进行资源的集合与共享，各洞口机修人员组合成队伍，定期对各种设备进行维护和保养，对于易损零件加强更换频率。

(3)随着工作面洞挖长度加深，出渣三轮车由2台增至3～4台;在海拔近3 000m的高原地区长时间工作后，出渣作业人员的身体机能下降较为明显，甚至有出渣工人在洞内作业时出现晕倒。后改为4小时换班制度，同时更换身体素质差的人员。

3.1.3.2 隧洞通风散烟作业

(1)在隧洞洞挖作业一个循环的时间里，通风散烟所占时间通常为3～4h。对于隧洞24h作业来说，特别是遇到夜间通风，与工人的作息时间发生冲突，需做好现场生产调度，衔接好出渣作业。

(2)目前电站控制工期的1号洞下游与2号洞上游洞挖还剩余约900延米，随着洞挖长度加深，洞内必须采取足够功率的风机接力，使用大风袋，抽压结合，才能满足洞内散烟的要求，提供良好的作业环境。在无地下渗水的洞段，可试验采取洒水措施降烟、降尘。

3.1.3.3 隧洞洞挖循环作业组织

(1)洞挖施工循环进尺的主要工序有:测量放样→钻爆→通风排烟→出渣→支护。对于由施工支洞进入的引水隧洞主洞上、下游两个工作面的洞挖作业，要求均衡生产，严禁单一工作面作业。在对洞挖出渣及通风散烟等工序施工技术探讨的基础上，承包人整合了现有施工资源，统筹安排上、下游工作面各道工序平行、交叉作业，紧密衔接各道工序，做到均衡生产，效率最大化。通过一系列整改措施，隧洞洞挖月进尺的平均水平由原来的30～40延米/月提高到50～60延米/月。

(2)调整作业队伍，配备经验丰富、技术较为全面的熟练工，在遇到不良地质条件后，能及时实施有效的强支护措施，杜绝坍塌事故。在钢支撑、格栅拱架、锚杆和药卷等支护材料方面，有一定的储备和供给保障，以利及时进行支护施工。

(3)在冬、雨季施工时，隧洞施工材料运输存在一定问题。承包人在雨、雪季节施工前，做好施工便道的维护，在洞口附近平整场地，提前进行材料的储备，包括冬季对水管包裹保暖材料，在洞内储备施工用水等，以满足正常施工的需求。

(4)本工程处于高海拔、低气温地区，工作条件艰苦，项目部为施工作业人员配备了必需的劳动防护用品，改善洞内、外施工环境，适当提高熟练工的薪酬待遇，优胜劣汰，以稳定作业队伍，增强战斗力。

3.2 强化参建各方的工程管理

(1)建设单位根据专题会议确定的引水隧洞工程年度(剩余工程)施工进度计划，实施关键部位节点目标考核制度，以推动工程进度。业主组织召开了“特小断面隧洞工程洞挖及初期安全支护技术交流会”，对于大塌方事故，必须分析事故原因，总结经验教训，明确责任;对坍塌事故责任方，根据合同的有关规定和情况承担相应比例的损失费用。顺利通过有重大地质问题的特殊地段，对作出贡献的有关各方，给予表彰和奖励。

在工程建设过程中，建设单位应提供稳定的系统施工用电，保障对外交通顺畅，协调施工外部各种干扰等工作，营造一个和谐的施工氛围。

(2)设计单位改进地质预测预报工作，做好围岩类别的划分，把预防大塌方、涌水作为预报的重点，作好围岩稳定性评价;参与不良地质洞段的支护参数确定，提出初期安全支护建议;阶段性地进行地质复查和不良洞段地质编录总结。

(3)监理单位对照年度、季度和月计划，及时、准确地掌握引水隧洞工程施工中存在的各种问题，做好技术指导和现场检查监督，在工程安全、质量、进度和投资等方面实施动态管理，及时纠偏，使工程处于受控状态。

在“5.12”地震后，受火工产品、人工和材料涨价，以及对外交通困难等因素影响，引水隧洞建设期延长，投标时的合同单价显得较低，后期必然涉及洞挖等合同单价的调整。在保证发包人和承包人各自的合法权益的基础上，监理促使业主与承包人协商，达成原则性意见，以便承包人合理调整资源配置和进度计划，力争最大限度减少对目标进度计划的影响。

定期向建设单位提交专题报告，反馈施工信息，对于监理单位无法解决的问题提请业主出面协调。

(4)施工单位项目部的管理体制需健全，组织机构应合理。结合本工程的特点，督促承包人做好施工组织和管理，调整并引进有经验、资质符合的外协队伍，合理配置施工资源，项目部提供有力的技术保障，针对重大、关键的问题要采取切实有效的管控措施，力保工程持续、均衡地生产。

4 结束语

在登棚二级水电站引水隧洞施工过程中，通过参建各方总结前期施工中存在的问题和不足，运用“认识围岩、保护围岩、支护围岩、监测围岩”指导施工，积极采取各种有效的应对措施，隧洞工程的坍塌现象明显减少，洞挖进尺稳定，在进度、质量和安全方面的管控工作得到较大的改进，投资也处于良好的受控状态。