山西中部引黄工程小断面隧洞快速掘进施工方法

张 大 牛

(中铁十二局第二工程有限公司，山西 太原 030032)



山西中部引黄工程小断面隧洞快速掘进施工方法

张 大 牛

(中铁十二局第二工程有限公司，山西 太原 030032)

结合山西中部引黄工程的水文地质条件，分析了小断面隧洞快速掘进的施工难点及关键因素，并从施工部署、加宽段距离、工序衔接等方面，阐述了具体的施工方法，总结了施工安全、质量保障措施，实现了小断面隧洞的快速施工。

小断面隧洞，开挖掘进，超前支护，掌子面

1 概述

1.1 工程概况

山西中部引黄工程某标段，位于山西省吕梁市以北约6 km处，工程以上小断面隧洞为主，全标段长、中、短隧洞共有7座，其中包含3.915 km小断面分水洞退水洞隧洞1座，开挖断面仅15.7 m2。合同工期共计38个月。

1.2 工程地质水文

1)水文气象。工程区内各气候要素分述如下：

a.气温：山西省吕梁市多年平均气温7 ℃～10.9 ℃。b.降水：区内降水量分布不均，多年平均降水量为438.4 mm～569.9 mm，汛期降水量占全年的70%，最大月降水量多发生在7月、8月两个月。c.蒸发：区内20 cm蒸发皿年蒸发量1 537 mm～2 195.6 mm。d.其他：初霜期10月上旬～11月上旬，终霜期3月下旬～4月上旬，无霜期130 d～190 d左右，最大风速10 m/s～27 m/s，最大冻土深79 cm～131 cm。

2)工程地质条件。山西中部引黄工程某标段小断面隧洞分水退水洞主要穿过寒武系上统长山组薄板状灰岩、夹竹叶状灰岩及上统崮山组薄板状灰岩、夹竹叶状灰岩、页岩；穿越奥陶系中统下马家沟组下段泥灰岩夹灰岩，该段岩溶地下水位位于洞底以下；多为软～较软岩。岩溶地下水位于洞底以下，局部洞段存在层间水的可能，基岩洞岩溶较发育，可能遇溶洞。地质条件较为复杂，施工难度较大。

施工支洞埋深为60 m～230 m，局部地段埋深仅4 m。

2 工程特点

山西中部引黄工程某标段隧洞开挖掘进断面小，衬砌后隧洞宽度为2.8 m，高度为3.735 m，导致开挖与衬砌工作不能形成流水作业，必须完成全部隧洞开挖支护后，方可进行隧洞二次衬砌施工；受前期征地影响，小断面开工时间为2014年7月1日，为保证工程于2016年5月31日竣工，隧洞掘进必须于2015年7月31日完成，其中考虑冬休1个月。单洞掘进1 617 m，日平均掘进量4.06 m，工期紧；围岩较差，隧洞开挖过程中发现，隧洞所处围岩较差，以泥灰岩、泥岩为主，隧洞围岩多为水平薄层布置，围岩自稳性差，多为Ⅴ类围岩。且隧洞多次穿越沟壑，围岩变化频繁；洞内通风除尘难度大，断面小导致无法布置大管径通风管，供风量有限；洞口受地形制约，无法集中布设施工场地。

2.1 小断面隧洞

1)小断面隧洞断面图见图1。

2)隧洞进度指标表见表1。

表1 隧洞进度指标表

2.2 工程难点

隧洞断面小，无法通过增加施工人员和机械设备提高工作效率、加快施工进度，各种大型设备也无法进洞作业。另外，由于断面小，无法及时施工隧洞衬砌，为保证隧洞结构及洞内作业人员安全，对初期支护工程质量要求高。

洞内风水管道较多，影响隧洞出渣设备运行。隧洞独头掘进长度大，断面小，洞内通风效果差。

3 影响该隧洞快速掘进的关键因素

1)必须确定合理的加宽段距离。由于隧洞断面小，无论采用装载机或耙渣机进行装渣，都必须设置加宽段，加宽段设置的间距过大，导致装渣时间长，影响工程进度。加宽段设置的间距小，增加了加宽段数量，隧洞开挖支护量大，不经济，另外加宽段断面较大，施工难度大，导致进度较慢。因此必须合理的确定加宽段距离。

2)工序多、衔接频繁、相互干扰大。由于隧洞断面小，不能及时进行衬砌施工，隧洞围岩差，为确保安全，必须按照开挖一循环，支护一循环，从而导致超前支护、钻爆开挖、装渣出渣、立架、喷锚等工序交替作业频繁，准备工作多、时间长，任何一道工序的不及时、不规范，都将影响下道工序施工，最终影响整体工程进度目标的实现。

4 小断面隧洞快速施工措施

本标段采用技术成熟的钻爆法施工，确定的施工工序为：洞身开挖→排险和出渣→安装钢拱架、锚杆及钢筋网→喷浆→下一循环施工。

4.1 合理配置施工要素

1)超前支护、开挖、立架班施工要素配置。山西中部引黄工程某标段，施工现场小断面隧洞，根据现场作业环境，每掌子面设置两个隧洞施工班，每班配备4名工人，为减少超前支护、开挖与立架作业之间的相互干扰，超前支护、开挖、立架等工序均由隧洞施工班负责施工，从而做到谁开挖谁支护，如此，可有效的杜绝开挖班和立架班之间的相互推诿、扯皮。另外为保证立架工作能快速完成，开挖班会自觉提高光面爆破质量，减少超欠挖，变相的提高了工程质量。

为减少每次施工前的准备工作和完工后的收尾工作，压缩开挖、立架工序的作业时间，项目部为每个作业面配备1台自行式作业台车，由农用汽车改装而成(如图2,图3所示)，台车上布置好风管、水管，分别与风枪连接牢固，仅预留一组风管、水管的主接口与供风、供水管道连接，施工完成后，只需拆除风管、水管的主接口处接头即可。风枪直接放置在台车上一并撤出作业区。台车上布置3台风枪，1台置于台车上部，主要施工上部辅助眼及周边眼。2台置于台车两侧，主要施工掏槽眼及下部辅助眼、周边眼及底板眼。分别由3名工人操作，1名工人配合施工。

2)出渣作业施工要素配置。山西中部引黄工程某标段，由施工支洞掘进至分水退水洞较长点后，分别向上下游两个方向掘进，为保证机械设备合理搭配，项目部对每个掘进掌子面配备了1台40装载机装渣，4辆载重为15 t的农用汽车运渣。

3)喷混凝土作业施工要素配置。由于分水退水洞断面小，喷层厚度仅为12 cm，每延米喷射混凝土数量为1.2 m3，项目部根据现场实际情况，对上下游分别安排了一个喷锚作业班，每班由5人组成，1名喷射手，4名上料工。喷射混凝土由洞外搅拌机集中拌合，由自卸汽车运至作业面。

喷混凝土作业，项目部配备了0.5 m3搅拌机1台，30装载机1台，10 t农用汽车2台，喷混凝土机2台，20 m3空压机3台。

4.2 合理确定加宽段距离

山西中部引黄工程隧洞内项目限速为5 km/h，假定装载机装渣过程中行驶速度为3.6 km/h(1 m/s)，轻重车同速，分水退水洞每延米开挖量为15.7 m3，需40装渣机装渣20铲，即为装渣机装渣约20趟，每趟铲渣需固定时间为8 s，装车需固定时间为12 s。根据现场的施工能力，每循环开挖时间为3.5 h，每循环立即支护时间为3 h，其中包含了施工准备时间。假定加宽段至掌子面距离为L，在L位置出渣时间为t1，每次开挖进尺为2 m，由加宽段施工至掌子面距离为L时出渣所用的时间总计为t，则有：

t1=L×2×20+20×(8+12)=40L+400。

t=20L2+400L。

山西中部引黄工程分水退水洞加宽段为保证出渣需要，合理的加宽段长度为16 m，根据设计要求，加宽段必须安装拱架，喷锚支护，结合现场的施工能力，加宽段施工需8 d完成，总时间t2为:

t2=8×24×3 600=691 200 s。

现场规定，当t1=t2时，应再次施工加宽道，由此有t1-t2=0时，得出的L为每个加宽道施工后，可控制的正洞长度。

20L2+400L-691 200→L=176.17 m。

通过上述计算，则分水退水洞加宽段间距应为176.17 m，两个加宽段中心距离应为：176.17+16=192.17 m。项目部最终确定的两个加宽段中心距离间距为200 m。两个加宽段中心距离直接的施工时间为：

T=8+t1/(24×3 600)+L/2×(3.5+3)/24=8+8.7+24.2≈41 d。

4.3 缩短工序衔接，减少搭接时间

为缩短工序衔接，减少搭接时间，山西中部引黄工程某标段，对每工作面安排1名现场管理人员，主要负责炸药申领和上下班通知。为减少职工就餐等待时间，项目部职工餐厅实施24 h供餐，无固定就餐时间，确保上下班工人任何时候都有饭吃。

根据工作内容，上道工序施工完成前，下道施工人员提前进场，提前准备材料、机具，检修机械，确保本工序结束后下道工序能够迅速展开。例如隧洞开挖爆破完成后，爆破人员进行排险时，出渣人员、车辆必须到位，交接班在施工现场进行；出渣完毕前，立架班做好准备，拱架、钢筋网片以及连接筋、锁脚锚杆等全部装车，运至施工现场等待，确保出渣完成后，立即进行拱架安装，工作面不等待；立架工作完毕前，喷锚作业人员已经搅拌好喷锚料，喷锚机等已经就位，待立架完成后，立即进行喷混凝土支护。

为减少进场施工现场搭建作业台架时间，项目部给各个掌子面分别配备1台自行式作业台架。

4.4 合理压缩各工序作业时间

1)钻爆开挖。根据分水退水洞隧洞断面形状，山西中部引黄工程某标段，在开挖的过程中应遵循“石变我变”的原则，对爆破钻孔进行了详细设计，通过设计，分水退水洞隧洞每循环爆破钻孔40眼～43眼。其中：周边眼间距为55 cm～65 cm，17眼～20眼；采用斜眼掏槽，掏槽眼间距40 cm，8眼，辅助眼间距40 cm～90 cm，10眼；底板眼间距为65 cm，5眼。由3台28型高压风钻机钻孔，每钻机施工13个～14个眼。按照爆破设计进行钻爆施工，减少了钻孔数量，提高了钻爆效果，严格控制循环进尺和隧洞超欠挖，减少了出渣和喷锚回填量，缩短了循环作业时间。

为减少施工干扰，项目部采用激光导向仪导向，取消了钻孔作业前测量放样作业，对激光的调整复核安排在隧洞钻孔作业期间进行，减少了测量放样时间。

2)排险及出渣作业。山西中部引黄工程某标段，排险工作由开挖班负责，钻孔爆破开挖后，爆破人员待通风排烟后，对爆破区进行检查，消除哑炮后，钻孔作业人员进行找顶、找帮危石清理，消除安全隐患。

隧洞出渣由出渣班组负责，采用40型装载机装渣、农用载重汽车运渣，根据掌子面距装渣加宽段距离，灵活调整运渣车辆，在保证出渣连续的情况下，减少等待时间和人员设备浪费。

3)初期支护。分水退水洞初期支护立架、安装锚杆等作业采用自行式作业台架进行施工，在自行台车上固定安放2台电焊机，台车就位后，只需对电焊机接线后，即可开始施工。为减少立架班与钻爆开挖班因隧洞欠挖等原因造成的相互扯皮，立架作业由钻爆开挖班一并完成。分水退水洞拱架较轻，立架作业定员4人，拱架拼装后，2名工人负责焊接，2名工人负责运送、传递连接筋、钢筋网片、锚杆等材料物资。

为连续施工，项目部将系统锚杆和锁脚锚杆安装时间调整至喷锚完成之后，与隧洞开挖钻孔作业一道进行，如此，可节省钻孔作业班组上下班次数，减少搭接时间。在下一循环喷锚作业时，仅需要对上一循环锚杆位置进行补喷处理。

5 小断面隧洞快速施工安全、质量保障措施

5.1 安全保证措施

1)组织保证措施。成立项目经理领导的安全生产领导小组，全面负责本项目的安全生产工作，主管安全生产的副经理为安全生产的直接责任人，总工程师为安全生产的技术负责人。未经安全教育培训，并经考试合格的管理人员及生产人员不准上岗。通过组织保证，杜绝安全事故发生。

2)制度保存措施。项目部为保证施工安全，加强现场控制，编制一系列的安全管理制度，具体包括：安全巡查制度；安全责任制度；特种作业持证上岗制度；爆破器材安全运输、使用管理制度等各种安全管理制度，通过制度的落实，确保施工作业安全受控。

3)技术保证措施。首先，项目部为确保施工安全，编制了详细的安全技术交底、应急预案、安全管理办法等安全质量管理文件，通过技术资料的编制、学习，使得施工人员对作业环境具备详尽的了解，在正式施工前已经具备了应对各种突发事件的能力。其次，项目在施工过程中，尽量选用技术成熟的施工方案，降低安全风险。最后，加强人员技能培训，提高全员的安全意识和操作水平，杜绝冒险作业、违章施工。

5.2 质量保障措施

1)测量放样控制措施。项目部为施工现场安排专门的测量班，负责测量导向任务，及时对成型的洞段进行复测，分析数据，确定超欠挖值，用以指导施工，调整开挖参数，控制开挖质量，减少隧洞超欠挖，确保后期衬砌厚度符合设计要求。

2)试验控制措施。对每批进场材料进行进场试验检查，确保用到结构物上的所有材料合格。定期对施工现场锚杆、喷射混凝土等进行取样检测，控制工程实体质量。

3)技术控制措施。现场技术主管编制详细的技术交底，对作业人员进行交底。现场技术人员跟班作业，开挖前亲自画轮廓线、布置钻孔位置，根据围岩类别，及时调整爆破参数，尽最大可能减少超欠挖。

6 总结

山西中部引黄工程某标段，通过加强对施工现场加宽道的合理布置，对各工序之间的有效衔接，对各工序作业时的最大压缩，经过12个月完成小断面隧洞独头掘进1 617 m。平均月进尺134.75 m，日掘进量达到4.42 m，实现了小断面隧洞快速掘进，按期完成了隧洞开挖任务，为后续二次衬砌施工赢得了时间，也保证了总体目标任务的完成。

7 结语

引水工程小断面隧洞快速施工不仅仅取决于机械配置，还与施工模式、管理有关，但我们应当认识到施工管理是整个隧洞施工的基础，施工中尽量压缩各工序的衔接时间，在大断面隧洞的施工中，出渣车辆、装渣车辆等均可以在掌子面附近装渣，出渣作业可压缩的作业时间有限，而针对引水工程等小断面隧洞，装渣、出渣制约工程进度，可挖掘的潜力较大，因此，合理的确定加宽道施工间距是影响隧洞施工的重中之重，保证各工序施工平行作业，竭力避免流水作业的发生，再配以合理适当的机械配置，我们就能取得较为快速的小断面隧洞的施工，大大的保证了工期。

Discussion on small-section tunnel excavation digging construction methods of Yellow River diversion project in middle part of Shanxi province

Zhang Daniu

(ChinaRailway12thBureau2ndEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030032,China)

Combining with hydrological conditions of Yellow River diversion project in middle part of Shanxi province, the paper analyzes small-section tunnel excavation digging construction difficulties and critical factors, describes specific construction methods from aspects of construction arrangement, widening section distance and construction procedure coherence, and finally summarizes construction safety and quality guarantee measures. As a result, it realizes fast small-section tunnel construction.

small-sectional tunnel, excavation digging, advanced support, tunnel face

1009-6825(2016)05-0182-03

2015-12-09

张大牛(1979- )，男，工程师

U455.42

A