乌斯通沟小断面城门型隧洞快速掘进施工技术

王晓平

（中国水电基础局有限公司，天津 301700）

引水灌溉洞本身具有隧洞洞径较小、隧洞内部的地质构成复杂、隧洞施工安全风险性较高等特征，隧洞施工单位在全面掘进与处理断面较小的城门型水工隧洞过程中，通常应当重点考虑选择快速掘进的施工处理手段方法。乌斯通沟水库引水灌溉洞的掘进施工过程在较大程度上将会受到施工机械设施、工程地质地形因素、施工操作的进程安排因素等影响。为了达到最佳的隧道断面掘进施工处理效果，那么施工人员应当综合考虑各个不同层面的水库地质环境、作业环境等因素，严格控制隧道断面测量、爆破施工以及支护施工等环节。

1 乌斯通沟小断面城门型隧洞的工程地质特征

乌斯通沟小断面城门型隧洞主要由沥青混凝土心墙砂砾石坝、右岸导流放空冲砂隧洞和溢洪洞、左岸引水灌溉隧洞组成，其中引水灌溉洞全长为340.90m，由进口段、上游有压隧洞段、闸井段、下游无压隧洞段、出口消能段组成，洞身段总长313.32m，锚喷支护形式，采用钻爆法施工，断面形式为城门洞形隧洞尺寸为2.8m×2.8m（有压洞段）、2.8m×2.8m（无压洞段），有压段纵坡i=7.8%，无压段i=7.05%。

小断面的城门型隧洞洞身段桩号为0+000.00~0+322.90，总长322.90m，纵坡7.8%、7.05%。

小断面城门型的引水灌溉洞布置于左岸山体内，隧洞进口位于坝址上游山坡，出口位于下游冲沟。隧洞沿线除出口段外，地表一般基岩裸露，洞顶上覆岩体厚30m~80m，围岩为华力西晚期第二次侵入的红色花岗岩（γ42c）。主要有5条断层F30、F37、F38、F39、F36集中分布于斜弯洞段至下平洞段，断层走向与洞线交角均较大、倾角陡，断层破碎带宽度在1m～3m。隧洞沿线节理裂隙较发育，其中顺坡向的卸荷裂隙走向与洞向交角较小，主要发育于强风化带内，微风化至新鲜岩体内节理多呈闭合状。

2 乌斯通沟小断面城门型隧洞快速掘进施工中的问题

首先是隧洞的地质条件较为复杂。城门型隧洞表现为较小的断面组成结构特征，隧洞内部的整体地质构造相对较为复杂。在该情况下，隧洞施工技术人员很难将隧洞衬砌体系完整布置于隧洞断面部位，而是仅限于循环完成隧洞支护以及隧洞开挖的2个工序环节。隧洞内部的某些特殊部位包括软弱围岩以及地下涌水的恶劣地质条件，隧洞作业人员因此面临人身安全的潜在威胁性，隧洞施工人员对职业健康及生命安全应当引发更多重视[1]。Ⅳ类围岩施工时，每循环钻孔平均进尺1.6m，系统支护占用循环施工时间，由于开挖进尺短，钻孔和出渣量减少，每循环时间标准时间为18h，每月能完成30个循环，Ⅳ类围岩每月开挖完成进尺为48m左右。

其次是隧洞掘进的施工工期紧迫。隧洞工程的勘测技术人员通过展开隧洞地质勘查，能够确定为较小断面的隧洞体系结构包括多种类型的复杂地质因素，并且设计为紧迫的项目施工工期[2]。具有狭窄断面体系结构特征的隧洞掘进工程应当增设隧洞加宽段，但是施工人员如果设定了较大间隔距离的隧洞加宽处理段，则会明显影响到隧洞掘进的总体进度。但是与之相反，如果设计为过小间隔距离的隧洞加宽段，那么将会增加支护与开挖隧洞的施工总量，客观上消耗了更多的隧洞施工成本与资源。由于受到紧迫的隧洞掘进工期影响，因此隧洞施工的工作人员在隧洞掘进施工中存在某些误区。

第三是交叉性的施工工序较多，施工流程比较烦琐。隧洞围岩的整体性相对较差，小断面结构的隧洞衬砌体系统无法及时予以布置[3]。各个工序的作业人员频繁表现为施工干扰的状态，并且必须要应对频繁衔接的施工工序转换过程。隧洞掘进施工由于受到交叉性的施工工序影响，则将会明显减缓隧洞掘进的操作处理速度。例如在爆破开挖、布置超前支护、出渣、喷锚以及布置支撑支架等关键性的工序范围内，缺乏规范性与严谨性的隧洞施工作业将会阻碍后续的施工环节顺利开展。

3 隧洞快速掘进施工中的技术运用要点

3.1 开挖隧洞本体结构

小断面的隧洞体系结构具有作业空间狭窄、受限等特性，隧洞开挖的一线作业人员必须做到严格确保隧洞开挖的施工机械设备，达到匀速前行状态，同时还需要设置适当的隧洞开挖强度，防止由于频繁完成隧洞开挖操作进而导致隧洞失稳等严重地质灾害后果[4]。隧洞开挖的重要施工环节不能缺少施工机械作为支撑，隧洞开挖施工至少需要配备2台自动化的隧洞作业台车，并且确保牢固连接于水管、风管以及风枪。隧洞施工人员必须要保证供水管道以及供风管道的主体线路之间紧密衔接。

3.2 出渣与排险

隧洞施工的工程技术人员务必保证控制循环进尺设计。隧洞施工的爆破人员应当严格按照隧洞爆破的正确操作步骤来进行爆破施工处理，以免给隧洞支护的作业人员增加人身伤害率。隧洞出渣工序在全过程的隧洞掘进施工中占有重要的地位，因为出渣施工工序直接关系到隧洞掘进场地的平整性。隧洞施工技术人员需要严格检查隧洞范围内的排险过程，切实增强隧洞排险操作过程的实效性。工程负责人员需要保证全面测试与检查隧洞爆破区域，彻底清理隧洞区域内的危险石块，保障隧洞掘进的操作人员安全。在钻爆开挖的基础上，应当保证达到40眼的爆破钻孔数目，确保周边孔控制在50cm左右的孔间隔距离。隧洞开挖爆破的掏槽施工步骤应当置于首要地位，工程技术人员对此需要准备机械化的施工辅助设施，确保掏槽孔能够达到环状布置的标准，运用垂直设计的技术手段来布设掏槽孔洞。工程技术人员应当准确计算掏槽施工区域的炸药装载总量，否则如果出现了错误计算的情况，则隧洞爆破操作的预期良好成效就不能充分展现。

3.3 钢筋网与锚杆安装

布设钢筋网以及安装锚杆均属于隧洞支护体系中的核心施工环节，隧洞施工单位的具体负责人员必须检查锚杆安装的隧洞支护过程。在初期支护的环节中，重点在于布置电焊机与作业行走台车，确保安排专业施工人员分别用于完成焊接拼装操作、喷锚循环操作、钢筋网片的运送与连接操作等。在全面完成喷锚操作的情况下，隧洞锚杆安装人员应当立即进入安装系统锚杆的阶段中，进而优化隧洞掘进资源、减少隧洞掘进人工操作成本、保证隧洞支护体系坚固性的效果。隧洞施工人员应该合理改变预先设计的加宽段长度，确保运送渣土以及运送锚杆设施的车辆能够顺利进入支护洞段。

图1 台阶法用于隧洞开挖的结构图

3.4 喷浆施工

在混凝土的喷射施工中，主要应当配备1台规格为0.5m³的自动化浆液搅拌机，同时还需要配备2台空压机以及2台喷混凝土专用机械。对空压机应当限定为15m³/min的体积规格，确保达到均匀喷浆处理的效果。施工人员通过循环式的喷浆作业处理过程，有效确保了喷浆操作的均匀性与完整性，对于钻孔操作的搭接时间长度也能合理缩短。隧洞支护体系应当达到结构承载强度的最大限度要求，避免并且预防隧洞体系的失稳坍塌后果产生。施工人员需要控制隧洞混凝土的喷射施工层喷层厚度，结合锚杆支护的工程技术手段来保障隧洞围岩的稳定安全。

4 乌斯通沟小断面城门型隧洞快速掘进施工问题对策

4.1 保证隧洞地质勘测数据的准确性

隧洞快速掘进的工程前期勘测数据具有非常重要的影响，隧洞地质勘测的具体负责人员应当保证现有勘测数据能够完整覆盖于隧洞施工的各个区域部位，切实保证隧洞勘测的各项数据都能精确。隧洞地质勘测人员对测绘工程技术应当正确加以利用。测绘工程技术的关键就是测绘技术人员运用专门测绘仪器来测量判断地物特征，据此给出特定区域的地形地貌原始测绘数据。测绘技术人员还需要运用网络智能化的软件来转换原始测绘信息，形成可供决策参考的完整测绘结论图。

例如在上述的隧洞地质勘测环节中，技术人员根据位移变化速率判断围岩稳定状况，变形基本稳定应符合下列条件：隧洞周边变形速率有明显减缓趋势；拱脚水平相对净空变化速度小于0.2mm/d，拱顶相对下沉速度小于0.15mm/d。工程地质监测的具体负责实施人员针对现有的监测业务手段应当致力于优化创新，严格确保地质监测的前期数据信息可以有力支撑隧洞快速掘进施工进程，有效地避免隧洞地质勘测的数据误差现象。

在隧洞地质勘测的领域中，测绘工程技术包括了统计测绘基础数据、测量地物特征、汇总与收集处理地物数据特征等关键环节流程。遥感摄影测量手段重点着眼于自动化辅助完成测量全过程，因此对隧洞测量环境区域具有较好的适用性。此外，数字化的摄影测量仪器可以帮助工程测绘操作技术人员完整分辨地物信息数据，结合遥感监测图的各个层面颜色分布状态来给出精确结论。测绘测量的业务实施人员针应当准确掌握隧洞地形图的生成过程，避免由于多个层面的外界自然环境因素干扰从而造成遥感摄影测量的最终数值结论缺乏准确性。数字化的摄影测量处理仪器可以保证排除外界自然条件引发的测绘操作过程干扰，因此体现为优良的工程勘测过程适用性。

4.2 严格避免隧洞掘进作业安全风险

隧洞掘进施工本身包括了较大的人身伤害风险，小断面的城门型隧洞比较容易产生整体失稳或者局部塌陷现象，因此严重威胁到隧洞施工人员的安全。隧洞施工人员在断面掘进的各个环节中都要保持警惕，密切关注隧洞失稳的潜在隐患因素。隧洞施工人员一旦遇到了突发性的隧道施工事故，必须要保持冷静的应对情绪，尽快寻找到正确的人员逃生路径。

隧洞施工的技术人员针对立体化模型手段应当全面运用于隧洞掘进过程，结合BIM等立体化模型手段来展现隧洞体系结构，灵活节约隧洞掘进的工程操作成本。例如BIM5D技术的本质在于将成本维度与时间维度因素融入BIM智能化模型中，然后通过实施模型封装的技术手段方法来构建五维度的立体化建筑空间模型。BIM5D的智能化立体建模技术手段突破了BIM的原有模型空间维度，确保将多元化的立体模型维度因素融入模型中。BIM5D的立体化空间模型已经可以完整包括工程节点数据、空间几何数据、合同预算数据、项目工期数据等，对BIM原有的模型覆盖领域范围进行了合理拓展延伸，增设了更多的立体化模型构件属性元素。BIM5D技术作为建模智能化与信息化的关键技术手段来讲，基本技术特性应当体现在多维度、立体化以及自动化等。隧洞掘进的操作人员可以将上述的立体化建模技术完整运用于隧洞施工过程，准确判断隧洞掘进中的人身风险因素分布状态。

例如在上述的隧洞施工全过程中，施工人员针对钢拱架及导向管检查合格后，方可进行模板安装。套拱边墙模板采用钢模拼装，φ48mm钢管做背楞，内置φ20mm拉筋，拉筋严禁与钢管焊接，可加工螺纹用螺帽固定在模板外侧，外侧支撑用φ48mm无缝钢与钢垫板结合支撑。两侧起拱线往下设置进人孔，用于工人进入边墙振捣，顶拱设置振捣孔，间排距不大于50cm。隧洞施工的操作人员针对隧洞土层结构的塌陷安全风险必须要准确展开全面排查工作，确保施工人员能够及时处理存在土层塌陷风险的隧洞区域部位。施工人员禁止在隧洞的空间区域内从事危险活动，并且不得站立在大型起重设施以及隧洞支撑结构体系的下方，以免坠落物砸伤施工人员。

4.3 及时调整隧洞掘进施工参数

某些情况下的隧洞掘进操作施工参数与真实的施工进程之间存在差异性，那么就会涉及调整与改变原有隧洞施工参数的做法。施工技术人员针对原有的隧洞掘进各项参数指标应当灵活加以改变，尤其是针对爆破参数、钻孔布置参数以及轮廓线的延伸长度参数等，有效防止表现为欠挖与超挖后果。隧洞体系结构中的特殊区域部位比较容易发生失稳安全事故，因此决定了隧洞施工的技术操作人员应当谨慎处理特殊的隧洞地质区域，尤其是对引水隧洞部位、洞口交叉部位以及隧洞贯通部位来讲。

例如混凝土运输采用6m3混凝土搅拌运输车运输至工作面，泵送入仓，人工持φ50mm软抽式振捣器振捣。混凝土浇筑至起拱位置后保证两侧混凝土高差不大于50cm，振捣时振捣棒插入下层混凝土5cm~10cm。隧洞施工人员针对隧洞掘进的操作实施速度参数应当合理进行控制，全面加强对隧洞施工速度的管控，保证隧洞掘进的全过程顺利完成。

隧洞工程的施工技术人员务必严格确保隧洞交叉部位达到坚固程度以及安全程度标准，通过运用实时检测的仪器技术手段来控制隧洞施工质量。隧洞进口段比较容易频繁出现隧洞岩层破碎与失稳后果，因此必须要充分确保隧洞施工的操作实施人员准确掌握隧洞进口段的施工处理要点。隧洞施工人员目前需要重点针对进口段的锁口体系结构进行开挖施工处理，然后将锁口锚杆均匀布置在两侧的隧洞轮廓线区域部位。隧洞交叉口的重点区域部位必须要保证满足隧洞安全施工的基本条件标准，充分保证隧道施工的操作技术人员能做到正确处理隧洞的交叉口特殊地质结构。隧洞施工人员应当保证主洞与支洞的连接交叉区域部位满足承载性能良好的技术要求，并且合理选择布置密集孔洞等技术手段来应对隧洞施工技术难题。隧洞结构设计人员应当视情况选择锚喷加强以及钢拱架的双重支护体系，确保达到全面增强隧洞支护力度的目的。表1为隧洞快速掘进施工的工程参数指标。

表1 隧洞快速掘进施工的工程参数指标

5 结语

经过分析可见，隧洞断面部位的掘进施工全过程中将会受到紧迫的工期局限影响，并且施工人员容易遇到较为复杂的工程地形因素。具体针对小断面的城门型水工隧洞在进行快速掘进与开挖处理中，不同专业领域的隧洞施工人员需要进行紧密的互动协作，准确把握隧洞断面部位的掘进施工各项基本指标要求。对破碎与松散的隧洞围岩应当防止出现频繁扰动的情况，正确采用超前支护的施工技术措施。隧洞快速掘进的施工操作人员必须要重视施工安全风险因素，在隧洞快速掘进的工程中采取安全防护措施，严格避免出现人身伤害后果。