供水管線工程小型掘進機隧洞開挖施工探討

孫德剛

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

新疆輪臺縣迪那河五一水庫工程工業供水管線工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州輪臺縣境內。迪那河五一水庫工業供水管線工程距輪臺縣城10 km，東沿G314 國道距庫爾勒市178 km，沿G314、沿G312 國道距烏魯木齊市646 km。迪那河五一水庫工業供水管線工程主要承擔向輪臺縣拉依蘇工業園區供水的任務。該工程是從迪那河五一水庫取水，供水受水點為距五一水庫以南23 km 的拉依蘇工業園區。本工程主要由取水口、輸水隧洞、輸水涵洞、前池、壓力管道、消能系統、放空系統等建筑物組成，年引水量4000 萬m3，引水流量為1.62 m3/s。本工程為迪那河五一水庫工程的配套工程，迪那河五一水庫為中型Ⅲ等，綜合確定本工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等。

1 輸水隧洞概況

隧洞為無壓低流速輸水隧洞，設計過流流量1.62 m3/s，總長6287.404 m，縱坡i=0.001。隧洞進口漸變段起點底板高程為1285.678 m，出口高程為1279.391 m。斷面凈尺寸為2.0 m×3.0 m（寬×高），城門洞型，共分兩段。

輸水隧洞進口設置進水閘，底板高程為1285.678 m，閘頂高程為1290.85 m，內設平板門檢修門一道，孔口尺寸為2.0 m×2.0 m。閘井長3.5 m，寬4 m，閘井混凝土采用C25W4F200 鋼筋混凝土。洞身進洞點位于五一水庫大壩下游右岸邊坡，邊坡已經開挖處理，整體穩定性較好。前段段長4550 m，圍巖巖性為第四系下更新統西域礫巖，屬Ⅳ類圍巖，采用C25W4 鋼筋混凝土襯砌，襯厚0.3 m，洞身頂拱采用噴C30 素混凝土，厚50 mm。圍巖固結灌漿孔伸入圍巖1.5 m，間排距3.0 m。洞頂采用回填灌漿，間排距3.0 m。頂拱設排水孔，間排距3.0 m，伸入圍巖1.0 m，底板設C15 混凝土墊層，厚0.1 m。后段段長1737.4m，出洞點位于山前沖洪積扇，由于圍巖巖性為第四系中更新統沖積砂卵礫石層，屬Ⅴ類圍巖，出洞點上覆圍巖厚度以三倍洞徑計。洞身采用C25W4 鋼筋混凝土襯砌，襯厚0.4 m。洞身直墻和頂拱采用C30 混凝土噴護，厚度20 cm，并掛φ8@200 m×200 mm的鋼筋網，φ25 砂漿錨桿長2.5 m。16 號工字鋼拱架支撐，榀距0.8 m，φ25 砂漿鎖腳錨桿長2.0 m；φ25 水平聯系筋間距0.5 m。圍巖固結灌漿孔伸入圍巖1.5 m，間排2.0 m。洞頂采用回填灌漿，間排距2.0 m。頂拱設排水孔，間排距2.0 m，伸入圍巖1.0 m。底板設C15 混凝土墊層，厚0.1 m。

2 隧洞開挖機械設備選型

遵循立足自有機械設備的基礎上，堅持儀器設備的先進性與實用性相結合、技術能力與生產能力的需要相匹配以及其可靠性的原則來配備機械設備及檢驗、測量儀器。輸水隧洞內采用LM-120 型洗挖機帶炮頭進行開挖、裝車，10 t 農用車出碴，石方段采用STP-120 破碎掘進一體機施工，扒渣機裝車，10 t自卸車出碴。項目投入機械設備見表1。

表1 項目投入機械設備一覽表

3 輸水隧洞開挖施工

輸水隧洞布置在迪那河右岸，為城門洞型式，隧洞尺寸為2.0 m×3.0 m，有壓段縱坡i=2.0%，無壓段i=4.0%，縱坡為閘門段布置在山體上游側，輸水隧洞全長為6287.00 m。洞身分為砂卵礫石段、土石方開挖段，砂卵礫石段襯砌厚度為100 cm，開挖斷面為6 m×6.5 m；石方段襯砌厚度為160 cm，開挖段斷面為5.2 m×5.7 m。本工程輸水隧洞開挖施工流程[1]見圖1。

圖1 輸水隧洞開挖施工流程

3.1 砂礫石段開挖施工

3.1.1 砂礫石段開挖施工原則

砂卵礫石隧洞段開挖過程中要嚴格執行“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的施工原則，在施工工序上堅持“先排管，后注漿，再開挖；注漿一段，開挖一段，支護一段，封閉一段”的基本工藝。采用注漿小導管加固前方圍巖和預支護，在掌子面尚未開挖的拱部圍巖中，根據設計要求或隧洞圍巖情況，沿隧道拱部外邊線打入超前注漿小導管，并注漿起超前支護作用。在軟弱圍巖中施工，通過超前小導管對圍巖進行注漿加固，改善圍巖的完整性，提高承載力，減少地下水的滲入及圍巖的沉降。縮短每一個開挖循環的進尺，根據設計要求或圍巖的實際情況，控制在一定范圍內，以做到開挖和支護時間盡可能短。根據設計要求或圍巖的實際情況，對開挖的斷面及時初噴混凝土，并緊跟鎖腳錨桿、鋼筋網、格柵鋼架及噴早強混凝土至設計厚度，進行較強的初期支護[2]。盡早使初期支護封閉成環，以改善受力條件，減少拱頂變形。監測是對施工過程中圍巖及結構變化情況進行動態跟蹤的主要手段，監測過程中將信息及時反饋給項目總工程師及監理、設計部門，以便根據監測結果及時修改支護結構或采取特殊的施工方法，減少地表沉降變形破壞[3]。

開挖前首先進行測量放樣，標示出開挖輪廓，砂礫石段采用反鏟帶破碎頭分兩臺階開挖，人工風鎬修邊，55 型小型反鏟挖掘機裝車，15 t 自卸車出碴。

3.1.2 砂礫石段開挖施工步驟

按上下兩臺階的步驟進行開挖，上臺階開挖時預留核心土，下臺階采用先拉中槽后開挖兩邊的方法進行施工。為防止隧道開挖中坍塌以及控制過量下沉，采用小導管注漿對隧道拱部進行超前支護。上臺階開挖采用環形開挖預留核心土法，開挖高度為4.0 m（拱形段），核心土上面高度預留1.8 m 左右，以方便工人施工，上臺階開挖進尺根據圍巖穩定情況一次開挖1～2 榀鋼拱架長度。上臺階開挖采用人工風鎬開挖，扒碴機裝車，小型翻斗車出碴。下臺階采用先開中槽，再分別開挖兩側方法，開挖進尺根據圍巖穩定情況一次開挖1～2 榀鋼拱架長度。

3.2 石方段開挖方法

本標段輸水隧洞斷面為城門洞型，開挖斷面為3.0 m×4.0 m，采用直孔掏槽方式全斷面掘進開挖，50 型小型反鏟或扒碴機裝碴，采用15 t 自卸車運碴至左岸棄碴場。

3.2.1 測量放樣

測量放樣采用全站儀進行，豎井測量采用DZJ2 激光垂準儀進行。測量作業由專業人員實施，每個循環鉆孔前進行設計規格線測量放樣，并檢查上一循環超欠挖情況，檢測結果及時向現場施工技術人員進行交底；斷面測量滯后開挖面10 m～15 m，按5 m 間距進行，每個月進行一次洞軸線及坡度的全面檢查、復測，確保測量控制工序質量。放樣內容包括：隧洞中心線和頂拱中心線、底板高程、掌子面樁號（每隔5 m 在隧洞內側打一條樁號線）、設計輪廓線、兩側腰線或腰線平行線、并按設計要求在掌子面布設開挖路線。

3.2.2 出渣及通風除塵

采用扒碴機裝車，5 t 自卸車運輸至左岸棄碴場。出渣完畢后，采用裝渣設備配合人工對掌子面進行撬挖，把松動巖石處理干凈，最后將底部浮渣清除干凈，以利下一個循環造孔。

整個洞室開挖施工過程中，配置的通風設備必須保持一直啟動通風狀態，并根據通風時段要求動態控制通風量。出渣前和出渣過程中對開挖面棄渣堆灑水除塵，所有進洞車輛均安裝尾氣凈化器，使洞內有害氣體和粉塵含量在規范允許范圍內。

3.3 輸水隧洞支護施工

根據地質資料，導流洞上游多屬IV 類圍巖，隧洞下游為V類圍巖，結構面發育，依據現場情況采用超前42 小導管、噴混凝土、掛網噴混凝土等支護方法；斷層處根據巖石出露情況采用鋼支撐、掛鋼筋網噴護，并及時做混凝土永久襯砌。在開挖中始終備足支護材料，以便及時進行支護。施工支護根據圍巖穩定情況一般緊跟掌子面進行，導流洞室支護施工程序見圖2。

圖2 導流洞室支護施工程序

4 施工難點及解決辦法

4.1 施工難點

該供水管線工程輸水隧洞開挖作業面包括進口、出口和支洞部分，在隧洞實際開挖過程中，洞身開挖面泥巖具有較大含水率，局部存在地下水的地段泥巖遇水發生軟化，即使是小型掘進機也會在掘進施工中陷入軟泥中，難以正常掘進施工，還破壞了開挖完的洞室基礎面，扒渣機及出渣車輛也陷入軟泥，日進尺不到2 m，開挖進度和出渣效率都受到影響。此外，隧洞開挖至弧段時，掘進機輸送帶存在碰壁現象，影響正常施工。輸水隧洞內壁主要為紅褐色泥巖夾灰褐色粉質砂巖，小型掘進機開挖施工過程中其輸送帶很容易卡住泥巖，無形中增加了維修費用，加水潤滑也難以達到理想效果。

4.2 解決方法

洞身開挖進口段掘進開始后應改用人工風鎬開挖，扒渣機配合裝渣，三輪車出渣，掘進效率提高到日進尺2.5 m，通過洞身開挖小型挖掘機的三角形破碎錘進行全斷面開挖，每掘進2 m通過人工風鎬進行拱頂和側墻修整，并通過扒渣機配合裝渣和三輪車出渣。對于小型挖掘機三角形破碎錘開挖不到的大面積拱頂和側墻，全部由人工風鎬修整工作量很大，故采用小型挖掘機帶直式破碎錘進行洞身開挖出口及支洞全斷面開挖，每掘進2 m 再用人工風鎬修整拱頂和側墻。采用直式破碎錘將減少拱頂和側墻開挖不到的范圍，減少人工風鎬修整的工作量，加快施工進度，工效大大提升。

5 結論

新疆輪臺縣迪那河五一水庫工程工業供水管線工程小型掘進機輸水隧洞施工效果良好，工程運行實際表明，在供水工程輸水隧洞施工中采用小型掘進機掘進經濟可行，施工效率高，斷面成型好，設備簡化，施工簡便，節省人力，尤其是不需要爆破施工，對隧洞圍巖擾動小，施工質量有保障。小型掘進機隧洞開挖施工技術在水利水電工程隧洞開挖施工中值得推廣應用。