临近坝体铣挖法小扰动施工技术探讨

2022-12-24罗刚强张宏博李金龙

水利技术监督 2022年12期

罗刚强，张宏博，李金龙

(浙江省水利水电建筑监理有限公司，浙江杭州 310020)

水库大坝在防洪、灌溉、发电、供水、养殖、旅游等方面发挥着重要的作用，是区域防汛防旱工程体系的重要组成部分[1]。其中大中型水库大坝承担削峰拦洪的工程任务，是流域防洪体系中的重要组成部分，安全意义重大[2]。随着国内经济的发展，全国水利建设全面提速[3]，水利建设不断加快，病险水库除险加固、改造提升步伐越来越快，临近既有水库大坝隧洞施工越来越多。在保证既有水库大坝安全的前提下，选择对坝体、建筑物、构筑物等扰动小和对周边环境和居民影响小的隧洞掘进方法进行施工非常重要。

杭州市青山水库防洪能力提升工程交通洞线路总长110m，毗邻既有水库大坝仅20m。为确保水库大坝安全，业主、监理、设计、施工等单位成立专家组，经过多地考察调研、方案比选，最终确定交通洞掘进施工方法，采用悬臂式掘进机隧洞铣挖法施工技术。该技术对邻近土体扰动小、进度快、施工效率高[4-5]，全程无爆破产生的振动波，对围岩扰动量小，对围岩破坏小[6]。优先采用铣挖法进行隧洞快速开挖已成为当今世界发展趋势[7]。通过本工程的应用实践，悬臂式掘进机隧洞铣挖法能最大限度地减小对围岩的扰动和隧洞超欠挖量，以利于隧道稳定，效果良好，值得借鉴和推广。

1 工程概况

杭州市青山水库防洪能力提升工程位于杭州市临安区青山水库。青山水库枢纽始建于1958年12月，水库总库容2.13亿m3，属大(2)型。提升改造工程主要建设内容包括新建进口闸、泄洪洞及出口段，发电尾水渠防护、泄洪渠改造及交通洞等。工程等别为Ⅱ等，进口闸、泄洪洞、出口段等主要建筑物级别为2级，设计洪水标准为100年一遇；建筑物抗震设计烈度为Ⅵ度。

施工交通洞线路总长110m，隧洞断面采用城门洞形，断面衬后为4.60m×4.50m(宽×高)。隧洞钻孔岩样天然单轴抗压强度22.9～140.5MPa，软化系数0.76，岩石强度差异较大，围岩初判整体以Ⅳ类为主。交通洞进口布置于距左坝头约80m的山坳内，位于左岸大坝轴线处，毗邻大坝仅20m，于东北角下坡段有3所学校。

2 机型选择及其工作原理

2.1 机型选择

悬臂式掘进机分为轻型、中型、重型3种。其结构主要是由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成。当隧洞钻孔岩样天然单轴抗压强度≤60MPa时，选用轻型悬臂式掘进机；当岩样天然单轴抗压强度变化范围为60～120MPa时，选用中型悬臂式掘进机[8]；当岩样天然单轴抗压强度≥120MPa时，应选用重型悬臂式掘进机[9]。

选用型号EBZ260中型悬臂式掘进机，切割电机功率260/200kW，适用于切割范围(宽×高)6×5m的隧洞，最大截割断面可达31m2，经济截割硬度为80MPa的围岩，最大截割硬度为110MPa，坡度±18°，开挖速度可达25～40m3/h，可掘任意断面形状的隧洞。

2.2 工作原理

EBZ260中型悬臂式掘进机工作原理是由1140V交流电源提供动力，切割部由200kW的油泵电机提供动力源，轴套传至二级行星减速器，经悬臂段，将动力传递给切割头，通过切割头的旋转和履带推进实现钻进运动，通过切割头的旋转和升降以及回转台水平回摆，实现镜像切割，从而达到破碎围岩的目的。

悬臂式掘进机切割岩石时，首先在工作面掏槽，掏槽位置一般在工作面的下部。作业时，机器逐步向前移动，切割头切入岩石一定的深度，然后停止机器移动，使铲板紧贴工作面底板作为前支点，机尾的后支撑腿也同样撑紧底板，作为后支点，以提高机器在切割过程中的稳定性。最后再左右自由摆动悬臂，切割头切落出整个隧洞的岩石。

3 工艺流程及操作要点

3.1 工艺流程

施工工艺流程：施工准备→清表→测量放线→悬臂式掘进机就位→试车→超前支护→掘进→出碴→运输→支护施工→下一个循环。

3.2 操作要点

3.2.1施工准备

(1)施工风、水、电准备。安装空压机、通风机，接入生产用水，从总配电箱接入电源。

(2)测量放样。标出隧洞进出口高程、中心线、位置，准确绘出开挖轮廓线。

(3)悬臂式掘进机就位。挖掘机洞口清表，平整场地，悬臂式掘进机就位、试车。

3.2.2隧洞掘进及出碴

(1)确定切割面积和一次最大钻进深度与岩石硬度之间的关系。根据岩石的节理发育状况、裂隙的含水率、硬度，结合掘进机的主要参数，优化悬臂掘进机切割路线，如图1所示。

图1 悬臂式掘进机切割路线图

(2)悬臂式掘进机开挖，现场设监护人员1名，依据红外线定位开挖轮廓，进行掘进作业。

(3)围岩截割时从工作面下角钻进，掘进半围岩或岩石隧洞时，应从岩中或软岩钻进，再切割至底板下角，再切底掏槽，增加自由面。

(4)切割断面应自下而上进展，以利于装载和机器的稳定性，可提高生产率。

(5)在切削后，及时出碴。将石碴用铲车直接装入出碴车运出洞外，保证隧道内整洁。

3.2.3隧洞支护

(1)Ⅳ～Ⅴ类围岩支护。采取“先超前支护再一掘一支护”的方式进行支护施工。

(2)先进行超前管棚或小导管支护，再开挖一循环后，先初喷混凝土。

(3)初喷混凝土完成后，进行钢拱架安装、锚杆钻孔制安、挂网，再喷混凝土至设计厚度，如此循环掘进。

4 主要材料和设备

4.1 主要材料

材料情况见表1。

表1 材料情况表

4.2 主要设备

设备情况见表2。

表2 设备情况表

5 质量与安全控制

5.1 质量控制

材料进场(水泥、钢材等原材料与中间产品)应按《单元工程评定标准》及有关技术标准进行质量检验[10]。施工应执行SL 47—2020《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》、GB 50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》、SD J57—85《水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范》、JGJ/T 372—2016《喷射混凝土应用技术规程》、SL 677—2014《水工混凝土施工规范》的规定。

(1)施工中定期测量校正隧洞方向、标高、轮廓线。

(2)严格控制超挖量在5%内，减少支护作业的充填量。

(3)钢拱架、锚杆、挂网等应按设计图施工，钻孔、锚杆和注浆等工艺，均应检查验收合格。

(4)喷混凝土的配合比设计，应通过试验确定合理的参数。

(5)喷射施工时，层层喷射，确保厚度，使混凝土均匀密实，表面平整，喷嘴与喷射面尽量保持垂直，以减少回弹，确保喷混凝土的质量。

(6)预埋规定长度的检验钢筋以量测喷混凝土厚度，作业结束后，进行厚度检验。

5.2 安全措施

施工安全要符合SL 399—2007《水利水电工程土建施工安全技术规程》的规定。施工用电要符合JG J46—2005《施工现场临时用电安全技术规程》的规定。施工机械的使用应符合JG J33—2012《建筑机械使用安全技术规程》的规定。

(1)施工前对作业人员进行环保与安全技术交底，未参加交底的人员不得进入施工现场，进入工地必须佩戴好安全帽等防护用品。

(2)操作人员上岗前，必须经过专业培训，熟练掌握机械操作性能，经考核取得操作证后上机操作。

(3)当机器运转时，切割臂下不允许站人；切割头必须在旋转情况下才能贴靠工作面。

(4)切割时要根据岩石的硬度，掌握好切割头的切割深度和切割厚度，切割头进入切割时，应点动操作手柄，缓慢进入岩壁切割，以免发生扎刀与冲击振动。

(5)在进入截割悬臂下面工作时，应做好充分的支护；出现紧急情况，立即按下急停按钮，停止设备运行。

(6)在掘进机工作期间，任何人不允许在危险区域停留。

(7)每掘进2米以及出渣完成后，必须进行支护。支护前隧道应找顶排险作业，利用挖斗进行“敲帮问顶”排除孤石、危石，确保作业人员安全。

(8)洞内每5m布置一个量测断面，开展拱顶下沉等安全监控量测，发现异常立即采取安全措施。

5.3 环保措施

施工现场应符合GB/T 50640—2010《建筑工程绿色施工评价标准》和JGJ 146—2013《建设工程施工现场环境与卫生标准》的规定。

(1)悬臂式掘进机等噪声源设备在使用过程中，应采取有效的隔声措施。

(2)施工车辆尾气排放应满足环保部门的排放标准，禁止排放施工油污，避免有害物质污染土地和周围环境。

(3)有效控制扬尘，对易扬尘的材料及裸露场地进行覆盖，设置车辆冲洗设施，并在每天早、中、晚时段安排洒水车洒水，专人定期清扫，防止扬尘。

(4)隧洞施工泥浆、污水、废水禁止排入饮用水源保护区和II类水体，应采取环保措施，设置沉淀池，经处理系统处理，达到《污水综合排放标准》后排放。

6 效益分析

6.1 安全效益

6.1.1低振动、低噪音，对临近土体扰动小

悬臂式掘进机施工期间，按规定对洞内、临近坝体、学校、周边建筑物基础四周，开展了安全监控量测。隧洞表面变形、隧洞收敛、钢拱架应变、噪声、振动等指标均在控制范围内，地表沉降量、拱顶下沉量、净空变化量等均较小，对围岩的扰动小，对临近土体扰动小，对临近坝体、周边建筑物无影响。而传统的钻爆法施工，爆破振动对临近坝体易产生扰动，可能造成山体滑坡和大坝失稳，影响大坝整体安全及周边建筑物安全。同时，爆破振动、噪声也会影响附近学校正常教学。

6.1.2作业安全性高

该技术全部采用机械施工，洞内悬臂式掘进机只需1人操作，1人监护，机械操作人员站在钢拱架支护下作业，安全性更高。而传统的钻爆法施工，每班需要9人，由于振动容易造成围岩强度降低、岩石结构松动、岩石结构局部破裂等不利情况，暴露风险更高，易造成人员伤害，与铣挖法比作业安全性相对较差。

6.2 时间效益

交通洞原施工组织设计采用“短进尺、少药量、弱爆破”钻爆法施工，工期计划110天。本工程采用悬臂式掘进机隧洞铣挖法，自2021年9月7日正式进洞掘进，至11月9日全线贯通，洞挖、钢拱架支护等作业全部完成，用时63天。与原计划相比工期缩短了47天，为上游泄洪洞、进水口围堰填筑、防渗墙施工、下游出洞口与尾水渠连接段的大开挖争取了充裕时间。可见，该技术在缩短工期方面效果显著，效率高。

6.3 经济效益

经过核算，全长110米的交通洞贯通，总费用为156.51万元(不含支护费用)，计1.42万元/米。该技术可以快速准确的修整隧洞轮廓，不但可以解决超欠挖问题，还能减少支护作业的充填量，进而降低施工单位“宁超勿欠”所引起的成本增大问题[6]。另外，铣挖下来的石碴粒径小且均匀，可直接作为回填料。采用铣挖法的施工成本与钻爆法比优势明显。