水利管线工程地下暗挖施工特点及工艺方法

2021-01-17焦方龙

山东水利 2021年4期

高昂，焦方龙

（济南市清源水务集团有限公司，山东济南250011）

水利工程涉及农业兴利、城市用水、水资源管理配置、水生态建设等各个方面，随着社会的发展，从单一保障农业用水，逐渐延伸到各个行业、各个领域。水利管线工程中地下暗挖施工是新兴的施工方法，主要用于水利管线、涵洞等项目中，是避免因大量迁占征地或受地貌、地形、地况影响，而造成的无法进行作业面大型开挖作业而采取的施工方法。

1 水利管线地下暗挖施工工艺

水利管线地下暗挖是近年来水利施工中常用的工艺工法，采用在不破坏或少扰动原有地表物或浅层物的基础上，利用地面以下空间，通过人工或机械的手段，创建作业面，形成地下管线施工作业空间，完成建设任务，实现工程目的。常见的交通水利隧洞、地下综合管廊等均属于该施工范畴，又称为“矿山法”，通用于浅、中、深层地下作业。该方法分为人工掘进和机械掘进两大类，人工掘进包括人工辅助小型机械施工和爆破施工等；机械掘进包括掘进机施工和盾构机施工（泥水平衡法）等。

而与之相对的管线明挖施工，则是采用人工或机械，清除地表附属物，按照设计要求对施工段进行取土、破石作业，形成地表施工作业空间，进行工程建设，常用于地表、浅地层施工。施工中常见的管线沟壕等均属该类工法。

1.1 管线地下暗挖施工工序

根据不同管线设计要求，结合施工地点地貌、地质、地形及周围环境因素，首先管线埋深一般在地下3~5 m，在综合考虑工程具体造价的基础上，均可地下暗挖施工。管线埋深确定后，设计单位通过现场勘查探明作业区域基础地质条件，第四纪壤土条件，明确暗挖过程中可能存在的地质困难，以便施工单位对掘进工法的选择。

在具体施工中，施工单位先根据设计文件，开挖暗挖工作井（含接受井），设置顶进（接受）作业面，根据施工条件确定支护方式，常用工作井可采用混凝土、钢板桩等方式进行围护，在条件允许的浅层地下施工中，为降低工程造价，缩短施工工期，可采用局部明挖，无支护或少支护的简化工作井进行施工。

工作井施工完成后，施工单位根据施工组织设计，进行地下暗挖作业，连通管线完成工程内容。

1.2 管线地下暗挖施工特点

1）优点。地下暗挖施工因其工艺过程原因，优点明显。因在施工中主要作业面均在地面以下，仅需要少量土地征迁（工作井），便可进行工程作业，在水利管线轴径比较长的线路施工中，优势特别明显。在大大降低迁占费用、时间的同时，减少对沿线城镇、居民的影响。暗挖作业面（掌子面）环境稳定，受季节影响小，在冬、雨季施工期施工质量控制难度小、投入少。

2）缺点。地下暗挖施工受地质环境制约影响大，若作业区域地下第四纪壤土分布均匀，无溶岩发育，仅为条件较好的单一介质，其施工工艺单一、成熟，且施工速度较快；若地下地质条件变化复杂，则其施工困难骤增，安全投入及相关措施费用也发生重大变化，造成支护费用增加，施工进度缓慢等情况。因此，不确定的地质条件是影响管线地下暗挖施工的最大因素。

2 管线地下暗挖常用掘进方法

2.1 人工辅助小型机械掘进方法

该方法是顶管施工中常用的方法，即采用人力在暗挖工作面（掌子面）挖去壤土或较软岩层，完成掘进工作，常常在人工顶管工程中广泛采用。一般来说，掘进辅助机械常采用悬臂台钻、风镐、劈裂机、水磨钻等，施工单位通常采用简单专用定制设备，减轻人力工作强度，增加单位产出；出渣辅助机械多为普通小车配合小型卷扬机，近年来随着小型电动驱动车的发展，逐渐过渡为更加安全、节能使用方便的电动轨道矿车出渣。该类方法在掘进断面小于3.2 m2的管线顶进中应用较多，但受掌子面空间影响，掘进速度、出渣速度提升空间不大，地质条件较好，掘进断面2 m2的水工管线，掘进速度约为6 m/d。

2.2 爆破施工掘进方法

在施工断面较大或者地质条件为岩石的地下暗挖施工中，人工辅助机械的施工方法无法掘进或者掘进速度缓慢，因而采用工程爆破的方法进行施工。爆破施工在掌子面采用梅花桩布点方式，适当布置装药钻孔，填注爆破炸药，爆破完成后，根据掌子面爆破效果，进行围岩支护，然后进行出渣清运。以16 m2掘进断面，完整石灰岩围岩，三类支护方式水工隧洞为例，每日爆破2个循环，掘进速度不大于4 m/d。

2.3 掘进机施工掘进方法

针对地下大断面暗挖工程的特点，爆破施工方式因能量控制不可靠造成对周边的扰动及破坏，在城市施工中考虑到安全因素，不可作为长期、主要的施工方法。随着重型机械设备产品的发展，硬质合金刀具的批量大规模的使用，专用地下掘进机设备成为可能，该类设备使用油、电作为驱动力，集掘进部分（硬质旋转刀头）、破渣收渣部分（机械齿盘）和输渣部分（链带运输）为一体，将大部分掘进工作集合在一台重型掘进机中，实现开挖机械自动化。经实践对比，以16 m2掘进断面、完整石灰岩围岩、三类支护方式水工隧洞为例，采用掘进机施工进度稳定保持在6 m/d，较同样条件下的爆破施工提升速度30%以上。

3 建议

3.1 提高勘察设计精度

水利工程管线地下暗挖施工的使用，对工程勘察的设计精度要求高，尤其是地下地质条件的复杂性和不确定性，将对整个施工项目产生影响。比如，原设计地层中均匀分布的第四纪壤土，因地质发生变化而导致出现变化层，由预期的软土渐变为弱风化岩（含变化带），将对施工工艺带来翻天覆地的变化，从工期、造价、质量及安全多方面产生影响。

3.2 完善施工组织设计

对于施工企业，施工组织设计是贯穿施工过程的重要依据和纲领性文件。在选择地下暗挖施工工艺时，应提前判断可能存在的不利影响及解决思路。以山东省某水利工程隧洞项目为例，原投标施工组织设计中采用爆破法施工进行地下暗挖作业，由于施工区域地处城市新发展中心，爆破许可及危险品运输成为瓶颈，对施工产生不可控影响，中标施工企业在充分进行工期、投入分析后，变更施工方法，采用新型巷道掘进机技术替代原有施工方法，虽然在施工过程中增加了新设备投资，但在该工程完成效果上，获得了比原预期更大的收益，同时还开创了水利隧洞掘进机施工的省内先河，为施工企业提前积累了该类施工经验，给施工单位后续的该类项目招投标赢得先机。

3.3 加强项目管理及监管

作为地下暗挖施工项目的管理单位和监管单位，在工程建设前期，一定要统筹做好地质勘查单位的现场勘查及成果汇总，在可行性研究报告阶段，反复论证工法的可行性，协同工程设计单位根据地质勘查报告提出可行的工法选择，对可能出现的地质条件客观、详细的予以描述，为后续施工招投标提供可靠的设计、技术依据。在项目建设过程中，根据随时出现的地质变化严格判断、及时分析，必要时应配备地质专业人员或聘请有经验的专家技术人员进行讨论，提出建议，结合现有可靠的地质技术手段，如地质雷达、水平定向钻预探等方法，进行现场判定，为暗挖工程项目提供现场处置支持。