高原嚴(yán)寒缺氧地區(qū)的小斷面長(zhǎng)隧洞快速施工技術(shù)研究

席隆海　唐宜　盛達(dá)娃

摘 要：文章以西藏芒康縣登曲河覺巴水電站為例，介紹小斷面長(zhǎng)隧洞在高原嚴(yán)寒缺氧地區(qū)、地質(zhì)條件較差、單向掘進(jìn)距離長(zhǎng)等的不利情況下，如何解決通風(fēng)排煙、開挖出渣、一次支護(hù)、設(shè)備故障率高等問題，從而在確保安全質(zhì)量前提下加快隧洞施工進(jìn)度的施工技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高原；小斷面長(zhǎng)隧洞；快速；施工技術(shù)

1 概述

1.1 工程概況

覺巴水電站位于西藏昌都市芒康縣境內(nèi)的瀾滄江右岸一級(jí)支流登曲河中下游河段，采用混合式開發(fā)，正常蓄水位3228.00m，裝機(jī)容量30MW，年均發(fā)電量1.47 億kW·h，工程任務(wù)為發(fā)電。本工程屬四等小（1）型工程。

引水隧洞采用有壓引水方式，總長(zhǎng)為4191.813m，高程為3213～3187m，斷面為城門洞型，開挖斷面尺寸為3m×3.5m（寬×高），開挖斷面面積為9.735m2，凈斷面尺寸為2.1m×2.7m～2.8m×3.1m（寬×高）。整條隧洞共布置2條施工支洞和1條通風(fēng)洞，1#支洞位于Y0+053.13m，2#支洞位于Y3+418.36m，1、2#支洞間隧洞施工為工程控制性工程，長(zhǎng)3365m，坡降為0.424%，單工作面掘進(jìn)長(zhǎng)度約1.8km，調(diào)壓井施工洞（兼調(diào)壓井通風(fēng)洞）位于Y3+940m。

1.2 水文地質(zhì)條件

樁號(hào)引1+704.000m 前隧洞段圍巖為陡傾角的大理巖、片巖和變質(zhì)砂巖，從樁號(hào)引1+704.000m 至調(diào)壓井之間隧洞段圍巖為流紋巖，自身承載力高，且穿越覺巴山斷裂帶。引水隧洞沿線穿過圍巖類別主要為Ⅲ、Ⅳ類為主，部分Ⅱ、Ⅴ類，Ⅱ類圍巖共計(jì)178m，Ⅲ類圍巖共計(jì)2288m，Ⅳ類圍巖共計(jì)1368m，Ⅴ類圍巖共計(jì)357.813m。其中引2+193～2+330共137m為覺巴山斷裂，斷裂帶構(gòu)造角礫巖、揉皺發(fā)育，易產(chǎn)生塑性變形，該區(qū)域?yàn)榈叵滤患?/p>

2 引水隧洞開挖斷面選擇

隧洞采用有壓引水，電站總引用流量為6.15m3/s，流量較小。隧洞斷面尺寸主要由施工要求的最小斷面確定，隧洞斷面為城門洞型，開挖斷面均采用3.0m×3.5m（寬×高）。

從圖1中可看出，隧洞的高度受隧洞出渣時(shí)扒渣機(jī)裝渣高度控制（距離地面2.5m），3.5m高度較為合適。隧洞寬度具有一定優(yōu)化空間，但隧洞采用農(nóng)用車出渣，隧洞寬度有一定安全余量，便于農(nóng)用車快速通行，同時(shí)隧洞中經(jīng)常有工作人員通行，隧洞也有一定寬度，減少了發(fā)生安全事故的概率，對(duì)快速施工較為有利。因此引水隧洞開挖斷面選擇3m×3.5m（寬×高）便于快速施工，斷面選擇較合適。

3 隧洞快速開挖施工方法

本電站控制性線路為1#～2#施工支洞間主洞開挖支護(hù)施工，長(zhǎng)3365m，1#施工支洞長(zhǎng)99.5m，2#施工支洞長(zhǎng)125m，支洞及主洞全長(zhǎng)3589.5m，最大獨(dú)頭工作面約1800m。為實(shí)現(xiàn)快速施工，與常規(guī)隧洞施工方法相比，主要從管理模式、資源配置和如何提高在高原建設(shè)環(huán)境下的施工工效等方面采取了相關(guān)措施。

3.1 管理模式

3.1.1 建設(shè)單位的管理模式

為探索西藏水電項(xiàng)目管理模式，電站主體工程采取設(shè)計(jì)施工總承包模式建設(shè)，為加強(qiáng)質(zhì)量管控，同時(shí)設(shè)置工程建設(shè)監(jiān)理。建設(shè)單位將“抓關(guān)鍵項(xiàng)目，控制重點(diǎn)工序，全面促進(jìn)工程進(jìn)展”作為進(jìn)度管理的指導(dǎo)原則，實(shí)行層層目標(biāo)負(fù)責(zé)制。重點(diǎn)督促承包人的保障措施及資源落實(shí)情況，嚴(yán)格把關(guān)承包人的“架子隊(duì)”隊(duì)員及隧洞施工管理人員，對(duì)不合格隊(duì)伍及人員予以清退；制定進(jìn)度“紅、黃牌”考核制度，同時(shí)配套制定獎(jiǎng)罰措施并嚴(yán)格執(zhí)行，直接獎(jiǎng)罰至作業(yè)班組及作業(yè)人員，充分調(diào)動(dòng)作業(yè)人員的積極性。

3.1.2 承包人的管理模式

承包人實(shí)行“一級(jí)管理、二級(jí)核算、隊(duì)為基礎(chǔ)”的管理模式。項(xiàng)目部成立專業(yè)洞挖架子隊(duì)，架子隊(duì)分設(shè)專業(yè)班組。架子隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)為項(xiàng)目部隧洞施工經(jīng)驗(yàn)豐富管理人員擔(dān)任，同時(shí)項(xiàng)目部各級(jí)管理人員全程跟蹤監(jiān)督管理，并進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。對(duì)隧洞開挖支護(hù)進(jìn)度進(jìn)行日跟蹤，實(shí)現(xiàn)周考核并進(jìn)行獎(jiǎng)懲，以充分調(diào)動(dòng)各級(jí)人員的積極性。

3.2 資源配置情況

3.2.1 高原嚴(yán)寒缺氧地區(qū)降效情況

在高原缺氧條件下，人員、機(jī)械設(shè)備降效嚴(yán)重，不能充分發(fā)揮應(yīng)有的效率，且機(jī)械設(shè)備完好率下降嚴(yán)重，施工中為保證工程建設(shè)的正常開展需引進(jìn)或儲(chǔ)備足夠數(shù)量的勞動(dòng)力、機(jī)械設(shè)備和備品配件等，相比內(nèi)地完成同類型項(xiàng)目工程量要投入更多的人力、物力和財(cái)力，致使投入成本大大增加。查閱水電建筑工程概算定額（2007），在海拔3200m地區(qū)人工、機(jī)械效率理論降低系數(shù)分別為1.2、1.45。

芒康縣地處藏東，交通不便給設(shè)備運(yùn)輸、維修帶來很大的影響。即使常用備品、備件備足，設(shè)備維護(hù)到位，高原地區(qū)對(duì)設(shè)備的影響也還是非常大，一些偶發(fā)的設(shè)備故障需要等專業(yè)的維修人員或零件從內(nèi)地進(jìn)入，直接影響工程建設(shè)進(jìn)度。

3.2.2 資源配置情況

隧洞作業(yè)人員、設(shè)備及備品、備件的數(shù)量按內(nèi)地常規(guī)配置的1.5～2倍配置，并注重質(zhì)量選擇。引水隧洞施工各工作面風(fēng)、水、電及排煙設(shè)備專線敷設(shè)，確保關(guān)鍵線路不因設(shè)備問題影響施工進(jìn)度。冬雨季期間提前儲(chǔ)備足夠的物資材料等資源，確保了現(xiàn)場(chǎng)施工連續(xù)性。

3.3 隧洞開挖

隧洞開挖分為測(cè)量放線、鉆孔爆破、通風(fēng)散煙、安全處理、出渣、一次支護(hù)等工序。為實(shí)現(xiàn)快速施工縮短工序銜接時(shí)間，除特殊原因外，對(duì)各工序脫節(jié)超過1小時(shí)的給予經(jīng)濟(jì)處罰，有效促進(jìn)了工序銜接。

3.3.1 測(cè)量

引水隧洞采用Leica TCA2003全站儀配合激光指向儀測(cè)量。激光指向儀有效指向，便于鉆爆工控制鉆孔方向，同時(shí)可減輕測(cè)量工作量。安裝指向儀后，間隔一排炮用全站儀檢查指向儀指向是否正確，并檢查開挖斷面。

3.3.2 鉆孔爆破

覺巴山以西（隧洞上游）巖石為片巖、變質(zhì)砂巖互層，片巖硬度為5～6度，變質(zhì)砂巖硬度為5～7度；以東（隧洞下游）為流紋巖，硬度為6度。采用YT28氣腿式手風(fēng)鉆鉆孔，全斷面開挖。爆破參數(shù)見表1～表2。

說明：Ⅱ類圍巖采用隨機(jī)錨桿支護(hù)，不占直線工期；Ⅲ類圍巖采用隨機(jī)錨桿+素噴支護(hù)，約8排炮支護(hù)一次約12小時(shí)，平均每排炮一次支護(hù)時(shí)間為1.5小時(shí)。Ⅳ類圍巖采用系統(tǒng)錨桿+素噴支護(hù)，每排炮支護(hù)一次約4小時(shí)。Ⅴ類圍巖采用超前錨桿（根據(jù)需要進(jìn)行超前灌漿）+鋼拱架+網(wǎng)噴支護(hù)，每排炮支護(hù)一次約7小時(shí)。

3.3.3 安全處理

隧洞開挖過程中，安全工作尤其重要。安全處理分為出渣前安全處理及日常安全處理兩個(gè)環(huán)節(jié)。

具體措施為：

出渣前安全處理：在出渣前，由有經(jīng)驗(yàn)的安全處理人員對(duì)爆破區(qū)影響范圍內(nèi)的邊頂拱圍巖進(jìn)行清撬處理。清撬時(shí)，采用長(zhǎng)撬錕，工人距離清撬處的距離不得少于2m，工人不得站在清撬部位的下方。如清撬困難又有大塊體掉落的危險(xiǎn)，可采取扒炮的方式將危險(xiǎn)大塊體炸落。

日常安全處理：對(duì)于未及時(shí)封閉的圍巖，隨著爆破震動(dòng)或風(fēng)化影響，有局部掉落的可能。在每間隔50m設(shè)置圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，由專業(yè)的安全處理人員每天進(jìn)行檢查，遇有松動(dòng)巖塊及時(shí)清除。對(duì)于進(jìn)行噴錨支護(hù)的圍巖，也需經(jīng)常檢查，如有開裂現(xiàn)象，需分析原因，及時(shí)處理。

總之，避免出現(xiàn)安全事故，是隧洞實(shí)現(xiàn)快速施工的基礎(chǔ)條件，不得因盲目搶工期忽略安全工作。對(duì)巖石較差地段，采取“短進(jìn)尺、弱爆破、勤觀測(cè)、強(qiáng)支護(hù)”的隧洞快速施工方式；同時(shí)對(duì)進(jìn)入斷裂帶等特殊洞段采用數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)進(jìn)行物探檢測(cè)成像分析巖性及裂隙分布情況進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提前采取應(yīng)對(duì)措施避免了因盲目掘進(jìn)出現(xiàn)不必要的塌方現(xiàn)象。

3.3.4 通風(fēng)散煙

在高海拔寒冷氣候條件下，隧洞施工通風(fēng)是制約隧洞能否實(shí)現(xiàn)快速施工的關(guān)鍵因素。為實(shí)現(xiàn)快速施工，本工程采取的隧洞通風(fēng)方式為正壓壓入式送風(fēng)；另外，洞內(nèi)出渣設(shè)備增加煙塵凈化裝置，可大大改善洞內(nèi)出渣過程中的工作環(huán)境。

在洞口配置軸流風(fēng)機(jī)供風(fēng)。軸流風(fēng)機(jī)選型與隧洞長(zhǎng)度、風(fēng)壓、風(fēng)量等因素有關(guān)。計(jì)算公式為：

（1）洞內(nèi)施工人員及爆破散煙需要的風(fēng)量計(jì)算

一是施工人員需要的用風(fēng)量：Vp=vpmK。

式中：Vp-施工人員所需風(fēng)量，m3/min；vp-洞內(nèi)每人需要的新鮮空氣，一般按3m3/min計(jì)算；m-洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)，本隧洞按10人計(jì)算；K-風(fēng)量備用系數(shù)，一般為1-1.15，本處選1.15。

（2）通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量的計(jì)算

通風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量應(yīng)為施工所需風(fēng)量與風(fēng)筒漏風(fēng)量之和。依據(jù)公式：Vm=（1+PL/100）·V。

式中：Vm-風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量，m3/min；V-洞內(nèi)施工需要的有效風(fēng)量，本工程為759.25m3/min；L-風(fēng)管長(zhǎng)度，本工程為1912m；P-每100m風(fēng)管漏風(fēng)量，本工程為高強(qiáng)絲風(fēng)管，取2%。

（3）通風(fēng)機(jī)電機(jī)容量的選擇

式中：N-通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)容量，kW；Vm-通風(fēng)機(jī)工作容量，m3/s；hm-通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓，mmH2O，本工程取50；r-空氣重率，海平面為1.2，本工程取1.0；B-電動(dòng)機(jī)容量?jī)?chǔ)備系數(shù)，本工程取1.5；η1-靜壓效率，取0.5；η2-機(jī)械傳動(dòng)效率，取0.5。

（4）風(fēng)機(jī)與風(fēng)管的布置

根據(jù)以上計(jì)算及施工中風(fēng)量的損耗及相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，通過選型，風(fēng)機(jī)型號(hào)為SFD-Ⅱ-8.7A型對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)功率為2×55kW，風(fēng)壓4000～8000Pa，流量1140～1900m3/min，風(fēng)量、風(fēng)壓及功率均滿足計(jì)算并有一定富裕（當(dāng)選用1×55kW時(shí)風(fēng)量、風(fēng)壓只能滿足約1000m的通風(fēng)要求）。

受隧洞斷面限制，本隧洞風(fēng)管選用直徑60cm的高強(qiáng)絲風(fēng)筒，掛在隧洞頂部，以便設(shè)備出渣時(shí)不受通風(fēng)影響。

當(dāng)選用2×55kW通風(fēng)機(jī)時(shí)，最大通風(fēng)距離為1912m，滿足本工程最大獨(dú)頭工作面距離1800的要求。為節(jié)約供電，根據(jù)隧洞的進(jìn)尺，選擇合適的通風(fēng)機(jī)（11kW、37kW、1×55kW、2×55kW逐級(jí)遞增）。

3.3.5 出渣

隧洞出渣方式可選擇無軌運(yùn)輸及有軌運(yùn)輸。無軌出渣方式采用WZL-100型履帶式扒渣機(jī)裝渣，配置2t農(nóng)用車運(yùn)渣；有軌出渣方式；采用WZL-100型履帶式扒渣機(jī)裝渣，鋪設(shè)24kg/m的軌道，配置8T軌道電車及6m3梭車運(yùn)渣。兩種出渣方式的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選見表3。

通過比選，無軌出渣方式在經(jīng)濟(jì)上、出渣時(shí)間及故障率等方面占優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是農(nóng)用車尾氣排放對(duì)工人身體的危害，本工程采用無軌方式出渣。

對(duì)農(nóng)用車尾氣排放采取的措施如下：一是在農(nóng)用車尾氣排放管上安裝MINE-X 柴油機(jī)尾氣過濾器（芯體原裝進(jìn)口），對(duì)廢氣有害物質(zhì)CO、HC臭味、DPM黑煙轉(zhuǎn)化為H2O和CO2，轉(zhuǎn)化率分別達(dá)99%、90%、30%，且該裝置安裝較為方便，只需將產(chǎn)品直接安裝在排氣歧管出口的波紋管后，排氣管接口尺寸根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)定制；二是根據(jù)隧洞進(jìn)尺深度逐步加大通風(fēng)機(jī)功率；三是加強(qiáng)勞動(dòng)保護(hù)用品的正確佩戴。采取以上幾點(diǎn)措施有效提高了洞內(nèi)空氣質(zhì)量，提高了洞內(nèi)設(shè)備及人員的功效。

3.4 一次支護(hù)

為實(shí)現(xiàn)隧洞的快速施工，需解決好開挖與一次支護(hù)之間的關(guān)系，采取的主要措施有：一是采取光面爆破，嚴(yán)格控制開挖質(zhì)量，使爆破對(duì)周邊圍巖的影響降到最低，降低開挖支護(hù)量；二是采取“新奧法”施工，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，開挖后地質(zhì)工程師及時(shí)進(jìn)行地質(zhì)編錄并確定適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式；三是有效利用巖石變形時(shí)間：每排炮開挖后噴錨支護(hù)，準(zhǔn)備工作及收尾工作將占用2～3小時(shí)，必將影響到開挖進(jìn)尺，根據(jù)有效的安全監(jiān)測(cè)提供科學(xué)的巖石變形數(shù)據(jù)，充分利用巖石自穩(wěn)時(shí)間，Ⅱ類圍巖采取隨機(jī)錨桿支護(hù)，Ⅲ類圍巖開挖20m后噴錨支護(hù)，Ⅳ、Ⅴ類圍巖每排炮及時(shí)支護(hù)，有效的節(jié)約了支護(hù)時(shí)間。

3.5 冬季隧洞施工技術(shù)措施

冬季施工主要的影響有施工用水、用油問題，覺巴電站氣溫資料見表4。從表4中可看出，每年的11月～次年3月，尤其是12月～次年2月夜間氣溫較低。

3.5.1 冬季施工用水

冬季隧洞開挖主要涉及用水問題，水管易結(jié)冰，風(fēng)鉆無法使用，嚴(yán)重影響隧洞的快速施工。采取的主要措施有：一是將蓄水箱及供水管路埋入地下；二是為防止管路內(nèi)結(jié)冰，每次用水完畢，將管內(nèi)、水箱內(nèi)積水放空，用水時(shí)從河中抽水，由于水在流動(dòng)時(shí)不易結(jié)冰，解決了水管凍結(jié)對(duì)施工的影響；三是如前述措施均不能解決水管結(jié)冰問題，則在洞內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)立集水箱，用水泵抽水，利用洞內(nèi)溫度高的特點(diǎn)解決水管結(jié)冰。

本工程采取上述措施后，有效解決了水管結(jié)冰問題，為快速施工創(chuàng)造了有利條件。

3.5.2 冬季施工用油

由于氣溫低，常用的0#柴油冬季無法滿足施工需要，夜間施工設(shè)備無法啟動(dòng)，嚴(yán)重制約了隧洞的快速施工，本工程在冬季改用-20#柴油，有效解決了該問題。

4 實(shí)施效果比較

引水隧洞1#、2#施工支洞分別于2013年10月3日、12月26日正式進(jìn)入主洞開挖施工，通過一年多的實(shí)踐，摸索出了一套高海拔、高寒缺氧、小斷面長(zhǎng)隧洞快速施工技術(shù)，主洞于2015年1月29日順利貫通，較合同工期提前10個(gè)多月貫通。主關(guān)鍵線路1#、2#施工支洞間主洞月平均進(jìn)尺116m/月，1#施工支洞下游月平均進(jìn)尺128m/月，最高月進(jìn)尺達(dá)168m/月。與類似工程相比，在施工進(jìn)度上有明顯提高，詳見表5。

5 結(jié)束語(yǔ)

開挖施工中，合理配置資源及設(shè)備完好率是快速施工的關(guān)鍵，合理組織安排施工程序及調(diào)動(dòng)參建人員的積極性是保障快速施工的重要因素。對(duì)不良地質(zhì)洞段采取及時(shí)支護(hù)或超前支護(hù)是確保隧洞安全施工的前提，從而保障隧洞順利施工。高原高寒缺氧、小斷面長(zhǎng)隧洞快速施工技術(shù)在本工程的成功實(shí)踐，可為類似工程提供借鑒參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1]水利電力部水利水電建設(shè)總局.水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè) 第二卷 施工技術(shù)[M].中國(guó)水利水電出版社，2008.

[2]郭進(jìn)平，聶興信.新編爆破工程實(shí)用技術(shù)大全[M].光明日?qǐng)?bào)出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介：席隆海（1982-），男，四川廣安人，華能瀾滄江水電股份有限公司，工程師，主要從事水電工程項(xiàng)目管理工作。