关于输水隧洞施工支护技术的探索分析

2014-09-11纪鹏

黑龙江水利科技 2014年8期

关键词：掘进机隧洞围岩

纪鹏

（辽宁润中供水有限责任公司，沈阳 110166）

关于输水隧洞施工支护技术的探索分析

纪鹏

（辽宁润中供水有限责任公司，沈阳 110166）

输水隧洞的质量受到施工支护的结构、围岩等稳定性的影响，如果没有稳固的施工支护则隧洞的使用性存在着安全隐患，因此，在进行隧洞施工时，最重要的是选择适合该工程且高稳定性的施工支护投入使用。文章首先分析了隧洞工程以及隧洞支护结构理论，其次对隧洞施工设计理论进行综合阐述，这些都是施工支护结构的基础理论，并且提出几个新型施工支护结构，最后选用适合本施工工程的支护机构完成隧洞施工过程。

输水隧洞；施工支护技术；支护结构；设计；发展

随着我国社会经济的发展以及科学技术的不断创新，人们对水需求越来越高，而我国是一个水资源较少的国家，因此，需要建设更多的水库以及在山体中开凿隧洞，从而使得水资源供应于全国各地以满足广大百姓的需求。然而在进行地下隧洞开挖的时候面临着很多的问题，需要依靠高新科技以及施工技术对其进行开挖，不仅如此，隧洞的开挖需要相应的施工支护技术，采用合理的支护结构才能发挥出输水隧洞的真正能力。输水隧洞具有灌溉、泄水、供水等作用，对人们的生活意义重大。

1 我国目前隧洞工程发展现状

我国目前隧洞工程在各种地质条件下都可以进行，根据当前建立完成的隧洞（隧道）以及总延长都居世界之首，其进行隧洞施工的技术也居于世界前列，例如：多臂钻、装载机、自卸汽车等联合作业的技术，以及爆破和锚喷相结合的施工技术。

2 隧洞掘进机的发展历程以及现状

2.1 我国掘进机的发展历程

随着我国的改革开放，进行隧洞施工时广泛应用到西方先进国家的隧洞掘进机这一重要施工设备。到20世纪50年代开始我国也逐渐进入对掘进机进行研究的阶段，并且在70年代先后制造了50多台掘进，在施工工程中发挥着重要的作用，但是掘进机的整体使用寿命较短，相较于西方先进国家来说，其生产效率大大落后于西方国家，通过一系列整改、更进，终于在80年代得到了飞速的发展，我国的掘进机施工从此进入一个新的阶段，不仅提高了开发隧道施工效率，而且促进了我国交通运输业的发展。

2.2 掘进机的较落后于西方国家的原因

从总体意义上来说，我国掘进机技术与西方有些国家几乎同时起步发展的，但是其发展仍较落后于他们，本文将落后于西方国家发展的原因进行分析陈述：①研制过程不是一气呵成的、持续的，而是间歇性的对其研制；②对掘进机的研制、生产资金不足；③掘进机的原材料质量较差，从而影响掘进机的使用性能与缩短其使用寿命；④较多企业对掘进机以及施工技术缺乏了解；⑤掘进机不能适应于任何施工地质、条件。

2.3 分析钻爆法与掘进机的比较

钻爆法能够适应于各种施工地质、条件中，只需要调整爆破参数以及采取预裂措施就可以进行施工开挖，另外，钻爆法施工准备工作相对简单且无较高要求，因此，在隧洞开发施工中被广泛应用到。但是钻爆法也存在着缺点，例如：工序多、开挖量大、安全性能差、施工环境差、工人劳动强度大等等。

掘进机的掘进速度较快、安全性能高、作业人员少、施工环境好等优点，这些都是钻爆法无法与之比拟的。但是掘进机也有着缺点，即对施工地质、施工环境等有着较高的要求，而且对隧洞断面形状以及尺寸有着较严格的要求。另外，掘进机的相关设备以及部件安装对施工场地都有着较高的要求，因此，不能适用于较偏僻且地形复杂的山区［1］。

综上所述，以上两种方法在隧洞施工中发挥着重要的作用，其自身都存在着优缺点，因此，在进行隧洞施工时根据两张方法的优势选择适合的施工方法，并且发挥出他们各自的优势，从而推动隧洞施工工程的发展。

3 隧洞支护结构理论的发展以及现状

隧洞一般属于地下工程，其施工环境以及施工条件与地面上施工是截然不同的，且比地面施工要复杂的多。然而很长一段时间内一直借鉴地面施工经验来研究隧洞施工方法，其不但不能正确阐明隧洞的各种力学现象以及过程，而且不利于地下工程的发展，因此，需要继续探索隧洞设计、施工等理论和方法。

隧洞支护结构与岩土力学有着密切的联系，随着岩土力学的发展则隧洞支护结构理论也有着巨大的发展。如此一来，隧洞支护结构逐渐出现新型的支护结构，加上岩土力学的发展以及测试仪器分析方法的更新等，从而完善了隧洞支护结构学，逐渐成为了一种新的学科。

在隧道支护结构理论中有个重要的问题，则是要考虑要支护结构上的荷载该如何确定。而隧洞支护结构理论是随着岩土力学理论发展而来的，那么支护结构理论离不开岩土力学理论，随着一系列的研究，逐渐探讨出了一种新型的支护技术并应用到隧洞施工工程中。

4 输水隧洞岩石掘进机施工设计

4.1 工程概述

本文就辽宁省大伙房水库进行分析介绍输水隧洞工程以及施工支护技术。大伙房水库是一条超长输水隧道，并且属于地下工程，足以借鉴讨论本文隧洞工程施工支护技术研究，接下来将本水库工程进行简单的概述介绍。

输水隧洞全长85.31km，此次工程主要采用掘进机与新奥法结合施工，前24.58km是采用新奥法施工，剩下的有其中两米进行钻爆法施工以外全程采用掘进机施工，该隧洞一共设置了16条施工支洞，目的不仅是为了保证施工工作的顺序进行，而且为日后进行检修、测试工作时提供方便。工程所在地主要气候为大陆性气候，夏季多雨，冬季严寒干燥，在进行此次施工时主要漏出以下岩组，例如：混合岩、混合花岗岩、白云石大理岩、石英砂岩、熔岩、斑岩等等。

4.2 岩体隧洞支护结构设计原理以及方法

4.2.1 隧洞的受力特点

4.2.1.1 隧洞在岩土地质内的开挖

由于隧洞在岩土地质中进行施工开挖的，因此，支护结构设计受到隧洞地质环境的影响。隧洞地质环境是指地质体的形成、地质状况、原岩力学特性等，与地面结构不同，地下隧洞的荷载受到当地工程中的地应力的影响其计算过程较复杂且难以计算。在支护结构设计的时候需要对地质环境进行全面勘测了解，从而保证隧洞工程的顺利进行以及为以后的使用提供保障。

4.2.1.2 支护结构荷载

隧洞支护结构受到各种各样的荷载，例如隧洞周围的地质、其本身也是一种承载体等等。支护结构上的压力与原岩应力以及地质强度等有关，在地下工程中隧洞支护发挥着重要的作用，例如支护结构还要承载着荷载。

4.2.1.3 隧洞结构受施工方法影响

在隧洞工程施工中其结构的多少以及质量都受到施工方法的影响，因此，需要考虑到支护结构的稳定性以及承受力，如果施工方法不当，则会大大降低支护结构的稳定性，甚至容易被破坏。

4.2.1.4 隧洞支护结构的承载力

隧洞工程属于地下工程，与地上其他工程有着本质的区别，隧洞支护从而发挥围岩的自承力。

4.2.2 隧洞支护类型

4.2.2.1 刚性支护结构

这种支护结构需要足够的刚性以及断面尺寸，通常采用现浇混凝土。刚性支护结构根据构造上看，分为贴壁式结构和离壁式结构。其中贴壁式结构是指围岩与衬砌紧密接触，中间需要有回填层，但是这种结构防水效果差，一般不采用这种支护结构用于输水隧洞施工工程中。而离壁式结构一般依附着其他结构，然而在输水隧洞施工工程中没有可依附的其他结构，因此，缺少保护和承载的结构很容易出现安全事故。

4.2.2.2 柔性支护结构

结构受到各种各样的力，因此在进行隧洞水工的过程中需要考虑到隧洞支护结构是否安全、是否能够承载，另外还要考虑到隧洞围岩的稳定性。如果支护结构的强度由支护材料来评定，而围岩的稳定性只能凭借以往的经营来确定。

4.2.2.3 发挥围岩的自承力

在进行隧洞支护结构设计的时候要考虑到围岩的自承力，在围岩内进入塑性，柔性支护结构是现在最新的一种结构形式，它具有及时进行支护的特点，对围岩的变形进行限制同时又允许，因此，被广泛运用到输水隧洞施工工程中。锚喷支护是衬砌结构的一种主要柔性支护类型，其适应于输水隧洞施工工程中，且使得围岩与其结构紧密结合，从而实现共同承载的目的。另外柔性支护还包括：预制的薄型混凝土支护、硬塑性材料支护、钢支撑支护等等。

4.2.2.4 复合式支护结构

复合式支护结构是将刚性支护与柔性支护二者组合，复合支护一般适用于软弱地层，是一种新兴的支护结构形式。这种支护首先采用柔性支护让围岩释放大部分变形和地压，然后余下的围岩变形再采用刚性支护进行对其承受，从而保证围岩的稳定性。

5 隧洞开挖支护技术

目前对输水隧洞洞口施工措施有：喷锚支护、预应力锚索、钢筋混凝土地下连续墙等。隧洞开挖施工方法有几种：全断面、短台阶、长台阶等。进行隧洞开挖施工过程中综合考虑当地工程特点以及地质、地貌等条件选择最适合的施工设备以及施工支护结构，从而保障施工工程的质量以及保证其使用性能、寿命，为以后的使用。首先进行地面开挖作业，开挖程序为测量放线—审核—开挖——验收。其次进行隧洞开挖，开挖程序为洞口开挖—洞身开挖—设置隧洞内通风散烟—装碴运输。隧洞台阶法施工工艺流程图见图1，隧洞全断面开挖施工工艺流程图见图2。

6 结语

本文通过对输水隧洞施工支护以及技术进行了综合阐述，并结合辽宁大伙房水库输水工程进行探讨，由于隧洞工程属于地下工程，其施工技术受到很多应力的影响，是一个极其复杂的工程。本文对输水隧洞施工支护技术进行探讨，是为了输水隧洞工程更好的进行，为以后隧洞施工技术方面、施工设备方面更进一步的探讨而提供相关参考资料。