水利工程隧洞施工管理研究

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  【摘 要】 本文结合作者自身经验,针对水利工程隧洞施工中存在的一些问题,对隧洞施工技术方案作了综述,并制定了施工质量控制和安全管理措施,以确保水利工程隧洞施工质量。
  【关键词】 水利工程;隧洞施工;管理研究
  一、水利工程隧洞施工方法
  (一)施工方法分类
  地下洞室开挖,按破岩方式和成洞方式的不同可分为如下几种方式(见下图)
  (1)钻爆法
  洞室开挖是岩石地下建筑施工中的一项主导工程。在当前的技术条件下,钻孔爆破法是开挖石洞室的常规方法。它主要由钻孔、爆破、出碴三项施工过程所组成。这三项施工过程因直接改变着作为劳动对象的岩石,控制和决定着开挖工程的进度和工期,所以,它们又称为基本作业。开挖工程中除上述三项主要作业外,还有如临时支护、测量、供气、供水、工作面通风、防尘等。这些作业因多不直接改变劳动的对象即岩体,系为主要作业创造正常工作条件或为改善劳动条件的,所以通常把这些作业称为辅助作业。
  钻爆法最早是利用人工钻孔与出碴,这种方式效率低下,无法满足大型洞库和坚硬岩石条件下的开挖.随着经济与技术的发展,逐渐出现了半机械化的钻孔与出碴方式,这种方式的钻孔采用手持风钻或汽腿式风钻,出碴采用人力结合装载机装碴,小矿车或电瓶牵引车运碴。随后出现了自动化程度和机械化程度较高的凿岩台车钻孔和采用扒渣机、装载机结合自卸汽车出碴的机械化钻孔与无轨出渣相结合的机械化掘进方式。
  (2)TBM(掘进机)法
  隧道掘进机是利用刀盘旋转和推进,从而使得刀盘上的滚刀切割岩石,以达到破岩开挖隧洞的目的mo。在适宜的条件下,它具有掘进效率高,对围岩扰动小,开挖壁面质量好,对施工人员劳动保护好等一系列优点。TBM在完成一个循环作业过程中,主要可以分为两个工作阶段:
  第一阶段为掘进行程阶段。此阶段在电动机和主推进缸的作用下,刀盘旋转破岩,切削围岩。此时,后护盾通过支撑油缸的夹紧装置平稳而牢固地固定在隧洞围岩面上。后配套设施一系列轨道站台亦在其后固定地停留在洞内。与此同时,岩渣列车由皮带机装渣,在后盾内侧安装混凝土管片。在管片衬砌圈的壁后充填豆砾石和回填灌浆。在掘进的前进行程中,可通过控制油缸的油量来实现TBM的转向。
  第二阶段为复位行程阶段。当掘进机的大刀盘与前盾向前掘进一个进尺深度后,刀盘暂停工作。此时,前护盾借助于辅助夹紧装置托住固定在洞壁围岩上,后护盾的夹紧装置松开,并通过支撑在管片上的推力油压缸的反作用力向前推进,主推进油压缸缩回复位。后配套装置由固定在刀盘支架上的一组特殊牵引油缸向前推进,在后配套装置向前移动时,通过相应的装置,便自动延伸风筒、电缆和水管。即完成一个循环的破岩、装运岩渣、管片衬砌与回填灌浆,延伸管线等作业工序。
  (二)钻爆法与掘进机法特点比较
  钻爆法与掘进机法是当今世界开挖隧道的两个行之有效的施工方法。今天,隧道掘进机平均80%是有效的,65%在使用。钻爆法的特点是:
  (1)钻爆法对多步骤施工和复杂的以及综合的隧道设计具有较好的适用性。
  (2)灵活性,与隧道掘进机相比钻爆法的设备能够容易撤离掌子面,因此,钻爆法获得很高的设备使用率,很低的停工期以及均衡的产出。
  (3)设备的完善和简化意味着它在当地条件下培训工人和判断技术水平都是比较容易的。
  (4)对于各种地质和几何形状的适应性,尤其是在交叉点、横通道、渡线和洞室等处。
  (5)多掌子面的操作和设备高效率的使用。
  (6)较低投资和较短竣工期。
  对于棘手的、困难的隧道,钻爆法有其用武之地,但是在超长隧道上隧道掘进机也是一种可供选择的方法。掘进机法的特点:
  (1)隧道掘进机仅适用于爆破开挖领域中非常有限的部分地区,该领域包括各种横断面、类型,从小的到很大的,以及最坚硬的岩层地质条件。
  (2)隧道掘进机相比钻爆法的设备比较笨拙。
  (3)隧道掘进机有较高的进度,低超挖的光面轮廓,无地表扰动并需用劳力较少。
  (4)隧道掘进机刀具既不适用于马蹄形也不适用于椭圆形隧道断面。甚至在使用隧道掘进机时,在洞门区域经常要求使用钻爆法以便能进行掘进机安装。
  (5)岩石的硬度和耐磨性,使隧道掘进机刀具造成难以承受的磨损。
  (6)隧道掘进机的交货周期长、设计、制造和组装掘进机,需要交货周期18个月。
  (7)涉及到环保问题:虽然最大的颗粒速度会比爆破时小,但从掘进机发出的连续噪音和地层震动将会对居民生活产生影响和危害,尤其是夜间的反复不断向外发射噪音。
  因此二者在不同的范围内,不同的条件下表现出各自的优势。评价某一隧道或某一工程中一群隧道采用何種方法开挖这是一件复杂而又细致的工作,必须对目前钻爆法和掘进机法的现有水平及各自的利弊有充分的了解,才能根据现有的实际情况,作出妥善的选择。
  二、水利工程隧洞施工技术方案
  (1)隧洞进、出口边坡支护
  开挖时一般要按照设计的洞脸开挖坡比进行开挖,边坡支护采用边开挖边支护的方法,每一层岩石开挖完成后对边坡不稳定的岩体采用锚杆支护。钻孔最好采用易掌握的手风钻,喷混凝土采用Aliva喷浆机来加强支护。隧洞进出口设计应坚持“早进晚出”不刷坡或少刷坡原则,具体说就是付洞口山体尽量少刷坡,或干脆不刷坡,对周边工程的地域与水文环境要注意保护,为了不破坏洞口处山体坡积层和周边整体环境,以便于运行期间的检查维修,可在条件允许下采用无洞门设计或斜洞门非挡墙简易洞门方案
  (2)隧洞的开挖与支护
  隧洞进、出口的边坡开挖要按照所设计的洞脸开挖坡比进行,进、出口洞脸和两侧边坡宜避免边坡开挖,当无法避免时,要边开挖边支护;而隧洞横断而的最小尺寸,一般情况下,圆形断而的内径不宜小于1.8m,非圆形断而的高度同样不宜小于1.8m,宽度不宜小于1.5m。对此可采用掘进机、架钻台车、钢模台车等较大型设备施工,但其断面尺寸应通过技术经济分析确定。为了确保施工安全及建筑物的安全,隧洞进洞之前,最好先施工洞外建筑如明洞或暗渠以稳定洞脸和提高洞口施工的安全系数。依照水利工程隧洞施工规范规定,洞室开挖严禁欠挖,控制超挖,径向超挖值不大于10cm,且所有松散岩块要彻底清除,超挖回填必须用同标号混凝土同填,且不予计量。具体而言,对隧洞IV4类也即基本稳定型的围岩的开挖与支护采用低密度、低猛度、高威力的光面爆破炸药,周边孔间距、辅助孔间距是实际情况而定,使用非电毫秒雷管加塑料导爆管引爆,合适的循环进尺随机锚杆随掌子面跟进,支护和开挖同步施工既可以加快施工进度,又可以控制围岩变形,确保施工安全;针对隧洞IV2类也即稳定性差型的围岩的开挖与支护,可采用全断而开挖----C25钢纤维混凝土封闭掌子而----格栅安装---超前支护、锁脚锚杆施工---喷C20混凝土的施工工艺。尤其需要提到的是在有水段进行喷射作业环节,需要采取的改进措施是首先改变混凝土配合比,增加水泥用量,然后先喷干混合料,待其与涌水融合后,再逐渐加水喷射。喷射时,先从远离出水点处开始,再逐渐向涌水点逼近,将散水集中,安设导管,将水引出,再向导管逼近喷射。当涌水严重时可设置排水孔,边排水边喷射。另外,必须分段进行喷射作业分,分片由下而上顺序进行,每段长度根据围岩情沉控制在1—4m,喷射完4小时作业后才可能进行相应的爆破作业。   (3)隧洞支护与衬砌
  隧洞支護形式与围岩类别、隧洞的工况、隧洞的大小、开挖形式及支护的材料和设备有着密切的关系。常见的开挖方式有全断面开挖、上下台阶开挖、先导洞开挖和眼镜法开挖等多种形式。而对应的支护手段一般分喷混凝土、锚喷混凝土、锚网喷混凝土、格栅钢架喷混凝土、混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌等。
  从当前的工程实践来看,中小型隧洞设计与施工必须坚持采用复合式支护衬砌形式做为隧洞的支护衬砌结构体系,也即是说一次支护根据洞身围岩的实际条件可联合或分别采用喷、锚、网、钢拱架和管棚等支护,在适当时机二次衬砌钢筋混凝土。隧洞衬砌形式与断面形状和尺寸、运行条件、内水压力、围岩条件如覆盖厚度、围岩分类、承担内水压力能力、地下水分布及连通情况、地质构造及影响程度等、防渗要求、支护效果、施工方法等因素有养直接的关系,但衬砌的方式有多种,像平整衬砌、单层衬砌、锚喷衬砌、混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌和预应力混凝土衬砌等,因此要具体情况具体分析,以采取恰当的衬砌方式。具体来说,当随洞在穿过断层、软弱破碎带以及与竖井交接处时出现较大的相对变位时,衬砌需要加厚;围岩地质条件比较均一的洞身段只设施工缝。此外,还应根据浇筑能力和温度收缩等因素确定沿洞线的分段长度,一般采用一定长度的底拱和边拱,顶拱的环向缝不得错开。
  (4)隧洞混凝土喷射
  喷射用喷射机应根据实际工程量、进度要求、工艺流程等条件来选择,重点考虑湿式喷射机,但要实现对其所涉及到的黄砂对细度模数、含泥量及含水量必须了解清楚,施工时应严格把好黄砂质量关。喷射混凝土前,应清除开挖面的浮石和墙角的石渣、堆积物,用高压风水将受喷而冲洗干净,对那些遇水易潮解、泥化的岩层应采用高压风清扫岩面。正式进行隧洞喷射混凝土施工时,可按先底拱---边拱---顶拱的顺序分段、分次进行。过程中各段间的结合部和结构的接缝处要做好妥善处理,不得存在漏喷部位。喷头与受喷岩石面垂直,螺旋式喷射,喷射距离控制在0.6m--1.2m。一次喷射厚度控制在5cm左右。喷混凝土终凝2h后即进行喷水养护,按工程的实际情沉进行相应天数的养护,对重要工程或部位的护养天数一般是只多不少,需要注意的是气温底于50摄氏度时,不宜喷水养护,在北方地区必要时还需采取保温防冻措施,以防炸裂。
  (5)灌浆处理
  固结灌浆与隧洞工程地质和水文地质条件、衬砌型式、施工对围岩的影响程度以及运行要求有养密切联系。一般情况下,当岩石为Q5类且存在岩石破碎有大量渗水、隧洞开挖可能有塌方情况时,宜采用超前灌浆结合管棚;对那些软弱夹层、大断层、破碎带等特殊地质段和岩石已塌方无法正常掘进的情况,最好采用管棚固结灌浆进行处理;而当地质钻探中出现居于Q2--Q4类之间的岩石,虽然这类岩石结构较好,但渗水量大于正常排水无法进行正常施工时,出于减小渗漏对施工影响的考量,宜采取隧洞围岩水泥灌浆的方法进行处理,目的是止水和减少渗水;至于那些地质钻探遇大断层而顷刻间出现大量涌水情况,应及时停止钻孔,采用水泥和水玻璃浆液灌浆封堵钻探孔。
  三、施工安全防护措施
  (一)施工措施
  (1)所有进入地下洞室工地的人员,必须按规定配带安全防护用品,遵章守纪,听从指挥。
  (2)洞室施工放炮由取得“安全技术合格证”的爆破工担任,按国家有关地下工程安全施工规范要求进行爆破作业,采用非电起爆系统,严格防护距离和爆破警界,确保爆破安全。放炮20分钟后才允许人员进入工作面,安全撬挖后方能继续施工。
  (3)为防止洞室坍塌,开挖不良地质段时,按照“短进尺、弱爆破、先护顶、及时强支护”的原则进行。
  (4)搞好洞内通风,保证洞内施工时的能见度,在洞室施工中配备有害气体监测、报警装置和安全防护用具,如防爆灯、防毒面具、报警器等,加强洞内有害气体浓度监测,一旦发现毒气,立即停止工作并疏散人员,避免机械事故和人员伤亡事故的发生。
  (5)施工期间,现场施工负责人会同有关人员对各部分支护进行定期检查,在不良地质段,每班责成专人检查,当发现支护变异或损坏时,则立即修整加固。
  (6)当发现已锚区段的围岩有较大变形或锚杆失效时,立即在该区段增设加强锚杆,其长度不小于原锚杆长度的1.5倍。
  (7)开挖后自稳性很差的围岩,采用超前锚杆或管棚进行预支护后,才能继续向前掘进。
  (8)把喷层的异常裂缝作为主要安全检查项目,经常进行观察与检查,并作为施工危险信号引起高度警惕。
  (二)通风与防尘安全措施:
  (1)隧道内的空气成份、风速、含尘量按照相关规定定期测量获取。
  (2)隧道施工时的通风,设专人管理。
  (3)无论通风机运转与否,严禁人员在风管的进出口附近停留。
  (4)隧道施工必须采用综合性防范措施定期检查测定粉尘浓度。
  四、结语
  木文简要介绍了水利工程隧洞施工中常见的施工方法及特点,并对施工中的难题及对应的施工技术做了说明。我们在在施工管理过程中,我们应当健全相关管理体制,建立隧洞施工动态管理系统,同时加强水利工程隧洞施工管理专业人才的教育与培养,进一步提高水利工程隧洞施工的施工质量。
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