水工隧洞施工工藝改進分析

匡 虎

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340）

0 引言

水工隧洞是指在山體或地下巖體處開鑿出的“供水流通過的洞”。此“過水洞”的主要作用在于：①為地下水的通過規劃出特定路線，用于農業灌溉、不同規模的水電站發電等。②在一般情況下只供少量水流經，但在發生地方缺水、山洪暴發等情況時，通過引流的方式，使一定量的水流從洞中流通。根據水流在洞內流經時的特性，水工隧洞可分為無壓隧洞（水流不會充滿隧洞，存在自由水面）和有壓隧洞（水流充滿隧洞整個斷面，洞壁會承受一定的水壓力）。近年來，施工人員對水工隧洞的應用性能提出了更高的要求，故開挖施工工藝也需隨之改進。

1 水工隧洞施工的類型、特點

1.1 水工隧洞的類型

（1）按照用途進行分類，水工隧洞可分為：①泄洪洞。該隧洞主要用于配合溢洪道，完成洪水的排泄，防止農田、村莊遭受洪水侵襲。②引水洞。江河湖泊的水資源通過引水洞流入目標區域，提供發電、灌溉等用水。③排沙洞。包括水庫在內的很多水工設施在經過長時間的使用后，水面下方會積累大量的泥沙，如果不能及時排除，就會導致這些水工設施的性能及使用壽命下降。因此，經由排沙洞，通過適量放水，有計劃地將泥沙排出水庫，保證水工設施正常運行[1]。④放空洞。在特定情況下，放空洞迅速將水庫中存水排出的專用水工隧洞。例如，洪澇災害出現之后，當水庫內積水達到危險臨界高度時，放空洞可根據指令啟動。⑤導流洞。該隧洞是在水利樞紐施工期間用于施工導流的隧洞。現階段對水工隧洞的設計以及施工要求為應該盡量結合水利樞紐的相關規劃任務，盡量實現“一洞多用”。

（2）按照水流經過時的狀態進行分類，水工隧洞可分為：①有壓洞。工作閘門一般需要布置在隧洞的出口位置，且洞身全斷面幾乎都會被水流填滿，洞壁四周均承受一定的內水壓力。②無壓洞。工作閘門需要布置在隧洞的進口位置，水從其中流過時，并不會充滿全斷面，存在自由水面。隧洞究竟設計成有壓類型還是無壓類型，應根據當地水利工作的具體需要而定，也可以設定成一段有壓、一段無壓的狀態（最普遍的情況是設計成前段有壓、后段無壓），但絕不能設計建造成統一區段時而有壓、時而無壓的情況，否則有可能導致出現震動、空蝕等現象。

1.2 水工隧洞的特點

根據水工隧洞開挖施工經驗可知，水工隧洞主要具備兩個方面的特點：①力學方面的特點。水工隧洞一般在巖層中開挖，此種操作必定會導致洞孔附近原本的應力平衡被打破，造成應力重新分布。因此，在開挖期間，應該做好巖層變形防護工作，否則一旦巖石崩塌，會對施工現場造成嚴重威脅。圍巖產生的壓力作用除了作用于襯砌之外，本身還具備一定的承載能力，因此，可以與襯砌共同承受水內的壓力荷載。綜合分析水工隧洞施工的力學特點之后，得出的結論為，在水工隧洞設計及開挖施工時，應盡量選擇巖層堅硬等對施工有利的地質構造處作為隧洞開挖地，盡量避免選擇軟弱巖層[2]。②水工隧洞施工方面的特點。隧洞動身的斷面整體較小，施工場地呈現狹小、洞線長的特性。因此，開挖施工作業期間，面臨工序多、干擾大、工期較長的問題。此外，在一些兼有導流任務的隧洞開挖工程項目中，施工進度的快慢一般會對整個工期起決定性的作用。因此，現代水工隧洞施工工藝改進主要圍繞“縮短施工周期”而展開。

2 水工隧洞常規開挖施工的特點以及改進之處

在水工隧洞開挖實際施工中發現的具體問題有：由于隧洞斷面尺寸較小，導致內部施工的發揮極其有限；由于工序存在諸多交叉情況、相互之間特別容易產生干擾。因此，同一個工作面中的孔洞布置、巖層爆破、渣土外運等作業環節必須按一定的周期進行。受施工場地地形地勢等因素的影響，大中型高效率的開挖機械設備無法運抵隧洞之中，不僅導致施工效率偏低，有時候甚至連最基本的供電、通風、排水、排煙等需求都無法滿足。對此類小斷面水工隧洞進行開挖作業時，一般采取的常規開挖方法共兩種：①使用架管和調班，互相結合后完成掌子面開挖平臺的搭設。在鉆孔開挖作業以及起爆炸藥安裝工序全部完成后，先將該平臺拆除，待渣土全部運出、放線測量全部完畢之后，對平臺進行重新搭設。②使用工字鋼或者槽鋼，在使用之前進行焊接處理，形成框架結構。之后在其上進行鉆孔作業。根據需要，可在鉆出的孔中安放支護結構或爆破炸藥，之后運抵合適的水工隧洞位置，進行支撐體系搭建或開展爆破作業。上述水工隧洞施工工藝的改進之處為將出渣車改裝成組裝鉆爆臺車。選用的除渣車最大運輸量達到8 t，對后方的車廂進行直接改裝，并在兩側焊接甲狀φ125 mm鋼管，形成立柱（兩側各焊接3根）。以此為基礎，在車斗底部向上選擇合適位置，沿著水平的方向再次焊接3根鋼管，由此便形成一個整體結構，可作為水工隧洞施工平臺。水工隧洞施工臺車如圖1所示（模板、托架和門架，模板安裝在托架上，托架通過豎向油缸連接支撐于小車上，小車可在門架上作水平橫向運動，門架安裝在行走裝置上；模板由拱頂模板、拱邊模板、上邊模板、下邊模板和小邊模板組成曲率隧洞的襯砌輪廓曲面。拱頂模板與拱邊模板之間使用螺栓連接，共邊模板與上邊模板、上邊模板與下邊木板的連接方式均為鉸接）。綜上所述，水工隧洞施工工藝的改進重點是開挖作業平臺，無須反復搭建、拆卸，只需利用出渣車，預先完成平臺焊接后，根據施工具體需要，開到合適位置即可。

圖1 水工隧洞施工臺車

3 水工隧洞施工工藝改進具體案例分析

3.1 工況簡析

兩岔河水電站中的引水隧洞部分工程開始時，引水隧洞引0+000—引0+194段接首部沉砂池，該段隧洞長194 m，斷面尺寸為1.0 m×2.0 m，邊墻和底板均已襯砌，隧洞處于微風化至弱風化花崗巖體中，裂隙較為發育，裂隙間多夾有黃泥，局部洞段出現少量掉塊現象。引0+290—引0+293 m作為引水明渠，大部分渠道被崩坡積物堆積封堵，堆積體方量約5 m3，渠道斷面尺寸為1.0 m×1.8 m，該段渠道已襯砌。此外，部分無壓引水隧洞的斷面尺寸為1.25 m×1.9 m，城門洞型，邊墻和底板均已襯砌，隧洞處于微風化巖體，裂隙不甚發育。總體而言，本工程水工隧洞由于情況復雜，施工難度較大，若工藝選擇不佳，很難如期完成。

3.2 施工工藝選擇及改進

施工條件相對良好的水工隧洞區段不在本文討論范圍內，只針對施工條件不佳的區域進行闡述。圖2為水工隧洞爆破開挖工程作業程序工況，在爆破作業之前，需進行常規石方開挖施工。除了上文所述的施工平臺改進之外，其他改進在于：地表覆蓋層、黏土層開挖結束后，進行基巖面地形測量，其成果作為竣工資料的一部分和石方開挖計量的依據。巖石開挖由上而下分層進行，梯段爆破，考慮對基坑巖體的保護，梯段厚度按照具體建基各平臺高差（約3 m分層）[3]。建基平臺、基底面預留0.7 m厚的保護層，保護層開挖采用手風鉆鉆孔，少藥量弱爆破，局部采用人工撬挖到設計高程。爆破相關設計為梯段爆破參數設計。初步擬定的爆破參數如下：鉆孔直徑為φ45 mm；鉆孔間距為1 m；鉆孔排距為1 m；梯段高度為3 m；鉆孔深度為3 m；鉆孔角度為600°～900°；超鉆深度為0.3～1 m；裝藥結構為不耦合連續裝藥；堵塞長度為1 m；起爆網絡布置為孔間順序微差起爆網絡。炮孔平面及立面布置分別如圖3和圖4所示。

圖2 水工隧洞爆破開挖工程作業程序工況

圖3 炮孔平面布置

圖4 炮孔立面布置

鉆孔施工相關改進工藝為：首先，由鉆孔人員嚴格按照測量放樣結果，完成孔位的選定以及孔斜的計算，之后按照對應數據，完成鉆孔深度的施工。在此期間，要求主爆孔孔位的平面挪動誤差不得超過10 cm，孔深的誤差不得超過20 cm，預裂孔孔位在輪廓方向上左右挪動范圍不得超過5 cm，孔深不得超過10 cm。預裂孔的開挖作業需采用手風鉆造孔工藝，具體的施工流程為：對鉆機進行調整，使其契合施工條件。完成定位之后，施工人員應使用架尺、自制的量角器等工具，對鉆桿角度進行測量。開孔深度達到0.3 m、0.5 m、1.0 m時，應分別對鉆孔角度進行校正。在鉆進深度達到1 m后，可持續正常鉆進。鉆孔過程中跟蹤作好鉆孔記錄，掌握巖石地質情況，每鉆完一孔后，進行孔口保護，卸下鉆桿、鉆頭，量測實際孔深并記錄后才能進行下一孔的施工[4]。若當班未鉆完一個孔，將鉆孔參數如實記錄并交接。建基邊坡梯段預裂造孔立面布置如圖5所示。

圖5 建基邊坡梯段預裂造孔立面布置

3.3 效果評估

（1）將出渣車改裝為移動施工平臺車之后，由于平臺的移動方便程度大幅提高，因此可以根據工程整體進度，隨時將施工平臺車開到爆破作業面進行施工。而在鉆爆以及裝藥作業完成之后，可以節省大量原本拆卸施工平臺的時間，只需將車輛迅速開到安全地區即可。在爆破作業結束之后，在清除渣土的同時，還可以完成渣土量的測量，之后迅速進行下一階段的爆破及開挖作業。

（2）工程相關環節經濟性的對比。由于改進后的移動作業平臺無須反復拆卸，故能夠大幅降低因焊接作業而造成的物料損毀，平臺的使用壽命會大幅延長。此外，經過改良處理后的鉆爆臺車由于是在后方車廂處進行改裝，其前方車廂尚有大量空余空間，故可在此處設置一定當量的水箱，能夠有效縮短常規鉆孔作業時需要鋪設的供水體系的搭設時間。因此，作業期間的用水十分方便，還能夠有效節省水管鋪設產生的成本。

（3）除了節省物料成本之外，也一定程度上降低了時間成本。相較于常規的施工平臺搭建—拆除—搭建—拆除的過程，在本工程中，僅僅對施工環境相對良好區域進行常規開挖（無須進行爆破作業，只需直接開挖即可），每一個循環開挖過程（上文提到，由于水工隧洞整體地形狹長，開挖至一定階段段之后，必須將產生的渣土等全部運出，多次重復方可完成作業）可節省至少2 h的時間。累計之下，工期可以提前數天甚至十幾天。

4 結語

綜上所述，針對水工隧洞施工工藝的改進之處集中在施工支架的搭建和拆除方面，可通過出渣車改裝，形成可移動平臺。此外，在鉆孔、爆破等作業階段，需對相關參數進行反復多次計算，確保數據的精準程度。通過這兩個方面的工藝改進可全面提高水工隧洞施工效率。