水利水电勘探特小断面平洞施工工艺研究

黄小波 周红喜 吴航 刘汉林 张文斌

摘 要：水利水电勘探中，特小断面平洞施工是一项非常重要的勘察手段，主要是为了直观揭露地层岩性、构造、岩溶发育程度、岩体结构特征等。基于此，介绍水利水电勘探特小断面平洞施工技术的基本概念，针对水利水电勘探特小断面平洞施工，提出了不同的施工工艺。其中，钻爆法施工工艺涉及了洞口开挖、洞身开挖和爆破施工等步骤；悬臂掘进机施工工艺，包括悬臂式掘进机切削、遇到硬岩时的处理、悬臂式掘进机的截割和渣石运输；TBM掘进施工工艺，包括TBM设备的组装调试以及TBM掘进程序和模式。通过科学分析和合理规划，选择适当的施工工艺可以提高施工效率和质量，特别是在遇到硬岩等复杂地质条件时，需要采取相应的处理方法。

关键词：水利水电勘探；特小断面平洞；钻爆法；旋臂机掘进法；TBM

中图分类号：TV221.2                           文献标识码：A                                   文章编号：2096-6903（2023）11-0090-03

1 水利水电勘探特小断面平洞施工技术概述

水利水电勘探特小断面平洞施工技术的基本概念是指在水利水电勘探工程中采取适用于项目特征的施工工艺。

1.1 适用对象

该技术主要应用于水利水电勘探工程中，用于开挖特小断面（倾斜度小于6°）的洞室。这些洞室的断面面积一般小于10 m3或跨度小于3 m，需根据具体项目特征和勘探需求进行设计和施工。

1.2 施工工艺

在水利水电勘探中，采用特小断面平洞施工技术时，通常需要使用适当的开挖工具和设备，如手持式钻机、岩石切割机等。施工过程中，要注意精确掌握洞室的倾斜度控制和断面尺寸，以确保满足勘探目的。

1.3 勘探目的

特小断面平洞施工技术的主要目的是为了揭露地层的岩性、构造、岩溶发育程度和岩体结构特征等地质情况。通过开挖特小断面洞室，可以直观地观察和获取地质样本，并进行相关的实验分析，从而更好地了解勘探区域的地质特征和水文地质条件。

1.4 施工注意事项

在实施水利水电勘探特小断面平洞施工技术时，需要满足安全、环保等方面的要求。例如，在施工过程中要严格遵守相关的岩石爆破操作规程，确保人员和设备的安全；同时，要遵守环境保护的要求，采取措施防止污染和土壤侵蚀等不良影响。

2 水利水电勘探特小断面平洞施工工藝特点

2.1 钻爆法施工工艺

钻爆法施工工艺是较为成熟的工艺，具有以下3个优点：①工艺成熟，施工安全性高，施工效率高。②施工速度快，可以在较短时间内进行大量作业。③钻孔溢水效果好，有利于施工安全。其主要的工艺流程为洞口开挖→洞身开挖→爆破施工。

2.1.1洞口开挖

为了减小对施工区的环境、周边居民房屋的影响，洞口开挖宜采用冲锤破碎，形成掌子面，随后将附近一定范围的山体加固或浇注成拱，然后开挖洞口。洞口段开挖必须严格坚持短进尺、勤支护的原则。

洞口周边环境复杂，存在坍塌、洞口危石、滚石、掉块等安全隐患，应该根据实际情况，采取相应的可视化防护措施。具体包括：洞口周边采取被动防护网，短进尺支护同步，爆破掌子面覆盖柔性炮布防护等措施；明挖施工过程中严格按照“浅孔弱爆破”或“松动预裂爆破”的方案执行；开挖进尺严格控制在0.5～1 m，并在每次施工作业之前严格检查洞口周边围岩稳定性，清除安全隐患等[1]。

2.1.2洞身开挖

洞身开挖采用气腿式凿岩机打孔、光面爆破、全断面掘进的方式进行施工。在平洞开挖过程中，若遇不稳定地层时，应及时采取相应的支护手段，以保证洞内不塌方。若遇严重塌方地段时，可采用钢支衬进行支护。遇不良地质洞段时，采取短进尺弱爆破。支护紧随施工作业面，开挖进尺控制在1.8～2.5 m。

2.1.3爆破施工

特小断面平洞采用全断面爆破开挖施工，四空孔十字形直孔掏槽，数码电雷管起爆，分段毫秒微差爆破。根据施工经验，进行平洞的爆破参数设计。平洞施工掏槽孔、底板孔、辅助孔为连续装药结构，周边孔、拱顶孔、排水沟孔采用间隔不耦合装药结构。实际施工时的钻孔数量、装药量、单响及单耗，可根据现场岩石条件、爆破效果、安全监测结果和生产试验进行调整[2]。特小断面平洞掌子面钻孔布置如图1所示。

2.2 悬臂掘进机施工工艺

悬臂式掘进机法是铣挖法最主要的方式。悬臂式掘进机是一种部分断面掘进机，其截割臂可以上下、左右自由摆动，能切割任意型状的隧道断面。臂式掘进机集开挖、装渣和自动行走于一身，进退自如，操作灵活，对复杂地质适应性强，便于支护，可以适应中、软岩隧道不同的施工方法，是中小型软岩隧道的理想开挖工具[3]。其主要的工艺流程如下。

2.2.1悬臂式掘进机切削

悬臂式掘进机到达施工位置后，先从掌子面底部水平切削出一条槽。随着切削进度，掘进机向前移动，再次就位。在就位后，截割头从底部开始自下而上、左右循环地切削岩石或地层。切削过程中，铲板部耙爪将切削下来的渣石装入除渣车，运出洞外。从底部开挖到顶部后，进行二次修整，以达到预定的设计断面。

2.2.2遇到硬岩时的处理

掘周围软岩时，若遇到硬岩（≥100 MPa），可先掘周围软岩，使大块硬岩坠落。再使用液压破碎锤改小硬岩，以降低掘进难度和减少截齿消耗量。悬臂式掘进机施工工艺流程如图2所示。

2.2.3悬臂式掘进机的截割

从底部开始向上逐级切割，采用S型或Z型的左右循环路径进行截割。选用右旋截割头切割硬岩，先由右向左从底部开始截割，再按从左至右、自下往上的方式或从右往左、自上而下逐步进行截割。若遇到节理发育较好的岩石，则应选择沿着岩石节理方向逐步切割[4]。

2.2.4渣石运输

主要有3种渣石运输方式：一是采用自带带式运输机，通过耙爪和自带带式运输机将切削下来的渣石转载至洞内矿用出渣车上。二是采用矿用出渣车，矿用出渣车将渣石运至洞口并转载至外运车辆上。三是采用外运车辆，外运车辆将渣石运输至渣场进行处理。

2.3 TBM掘进施工工艺

TBM可以在不破坏地质结构的情况下实现隧道开挖和地层支撑。TBM法具有以下两个优点：①掘进速度快，能适应不同地质条件。②支护效果好，可以充分保证人员的安全。其主要施工工艺如下。

2.3.1TBM设备组装、调试

现场组装过程中，实施分部组装、整体调试的方法。主机、连接桥组装完成后，采用导向槽步进器步进TBM，并逐节安装、后配套全部台车。进行设备调试，全部组装完成后步进到始发洞位置，拆除步进装置，准备试掘进。在TBM设备运行之前，要对TBM主机和后配套系统进行认真调试。对后配套上的电气系统、液压系统及与主机连接等进行全面的检查，检查合格后进行TBM设备的调试工作。调试工作包括所有的运行系统。设备调试由TBM厂家派专业人员进行操作。

2.3.2TBM掘进程序和模式

TBM的掘进速度和工时利用率是衡量TBM施工技术水平的两大指标。保证TBM安全、快速、高效掘进作业是TBM施工关键技术问题。而掘进技术的关键主要是不同围岩条件下，TBM掘进参数如何合理匹配、支护等辅助作业，及时跟进，确保良好围岩下快速掘进，软弱围岩时安全顺利通过。TBM施工主要是掘进、支护、出渣3大作业，及通风、供电、供水等其他辅助作业，一切作业均以掘进作业为核心。在掘进作业的同时其他作业并行或连续作业，以不影响掘进作业为一般原则。TBM掘进工序流程图如图3所示。

掘进循环开始，支撑系统复位撑紧，调整TBM的方位和姿态，使刀盘护盾与岩石接触，支撑围岩。刀盘旋转，推進液压缸起动向前推进刀盘，在刀盘推进过程中，其他辅助作业并行开展。推进行程结束，刀盘旋转停止，换步并调整TBM的方位和姿态，开始新的掘进循环。

在掘进作业时，出渣作业同时进行。随着刀盘旋转，刀盘上的铲斗将石渣从隧洞底部铲起，石渣通过刀盘里面的溜渣槽卸在主机皮带机上，转载至后配套皮带机，倒入轨式出渣车，用有轨运输车运至洞口临时存渣场，由轮式汽车运输至弃渣场。

在掘进作业的同时进行锚杆作业和混凝土喷射作业，及其他进料、通风、供电、供水延伸等辅助作业。在洞室稳定性较差地段进行钢拱架安装作业、挂网作业。对特殊不良地质洞段，需停机进行超前地质预报和地质处理。

3 结束语

本研究的目标是探讨特小断面平洞施工工艺，并将其应用于实际工程中。在特小断面平洞施工过程中，选择合适的施工工艺至关重要，其直接影响着施工质量和效率。特小断面平洞施工需要考虑多个因素，包括地质条件、自然环境以及施工设备等。科学分析和合理规划是确保施工顺利进行的关键。在选择开挖方法、支护措施和排水方式时，必须仔细考虑这些因素。只有通过科学分析和合理规划，才能有效地降低施工难度，提高施工效率。

特小断面平洞施工具有许多优势。一是在勘探工作与施工工作相结合的情况下，可以节约勘探成本和时间，实现资源的高效利用。二是特小断面平洞施工对于地下水文、地质灾害评价和环境监测等方面也具有重要意义。通过这种施工方式，可以提供更准确和全面的数据支持，从而更好地评估地下水文状况、地质灾害风险以及环境影响等。

探讨和应用特小断面平洞施工工艺有着重要意义。通过科学的施工规划和合理的工艺选择，可以提高施工效率，保证工程质量，并为勘探和监测工作提供更好的数据基础。

参考文献

[1] 沈文海.水利水电工程引水隧洞洞挖施工方法分析[J].江西建材，2022（5）：218-219.

[2] 王立群，胡剑超，叶凯敏.高拱坝地质勘探平洞封堵原则及施工方法[J].水利水电工程设计，2021，40（1）：7+14.

[3] 赵霞，饶军应，崔会超，等.悬臂式掘进机在岩溶隧道暗挖施工中的应用研究[J].施工技术，2018，47（14）：15-19.

[4] 潘强强.悬臂式掘进机在城市地铁隧道施工应用探讨[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2023，22（1）：44-47+103.