小斷面長隧洞開挖支護施工技術

毛鳳旗

（甘肅水利機械化工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730014）

0 引言

在水利體系建設施工中，小斷面長隧洞施工是其主要組成部分，在一些待開發區域會有較為多樣的小斷面長隧洞，通常小斷面長隧道施工難度較高，施工過程中會受到外界因素影響從而出現安全問題，很難保證施工質量。為了保證水利工程的小斷面長隧道施工效果，在開工時需要制定合理的施工方案，并采取科學的施工方式，從不同角度分析施工技術的可行性和可靠性。同時，還需要在施工時做好監理工作，保證支護開挖施工質量，確保工程施工順利。

1 工程概況

引洮二期莊浪應急供水工程，將引洮供水二期工程作為水源，延伸七干渠供水管線，直至莊浪縣進行供水，以此解決整個縣城鄉39.86萬人生產及生活用水緊張問題。年飲水量1 459萬m3，將九甸峽取水口斷面作為單位折算為1 700萬m3，可達到95%的供水保證率，輸水管道的整體設計流量為0.55 m3∕s，其中北洛河預留分水口0.23 m3∕s，南洛河的供水干管為0.32 m3∕s。該工程等級為Ⅲ等，工程規模為中型，主建筑級別是三級、次建筑物級別是四級、一些臨時建筑物級別是五級。該工程建設的主要內容有輸水管道工程以及調蓄水池工程，其中輸水管道工程是工程起點到南洛河以及北洛河的匯合口總干管，長度57.967 km，而南北洛河匯合口到南洛河南坪的調蓄水池干管長度7.734 km，該蓄水池的容積為15萬m3，其施工內容有調蓄水池工程土建、隧洞土建、管道安裝、退水管施工、進水池施工、閥門及附件安裝、工程永久管理設施、水保環保工程和工程所需臨時工程等。

2 小斷面長隧洞施工現狀與特點

隧道是一種根據地質特點與實用功能建造的地下建筑物，通常隧道有多種類型，并且長度不同。小斷面長隧洞一般指的是斷面面積小于20 m2或者跨度小于4.5 m的隧洞，獨頭開挖長度1 200～2 000 m［1］。表1為按照洞室斷面劃分的隧洞分類表，表2為按照開挖長度的隧洞分類表。

表1 按照洞室斷面劃分的隧洞分類表

表2 按照開挖長度的隧洞分類表

現階段，我國各項基礎設施越來越完善，水利設施工程項目增多，例如大規模的引水工程、水電站工程以及排污工程等。在這些水利工程，中小型長隧洞施工是其重要組成部分，也是比較常見的施工類型。中小型長隧洞在其施工時會受到斷面尺寸限制，從而會存在施工干擾大、工序交叉多、施工空間小等問題；同一工作面中，鉆孔、出碴、通風、爆破等施工工序只可采用周期循環施工方法；施工中很難使用大型、高效的機械設備；設備會在不同程度上影響洞內管線的布設。除此之外，距離也會對小斷面長隧洞施工產生限制，在布設施工設施時，難度較大，施工環境也較差。綜上所述，小斷面長隧洞施工難度大、出碴量和單位開挖量少，施工很少受到地質環境的影響，可以采取便捷安全的支護施工方案。

3 小斷面長隧洞施工技術要點

3.1 開挖施工

3.1.1 開挖作業。

①開挖方式。對小斷面長隧洞來說，開挖作業作為比較常見的一種作業形式，對工程建設及其未來發展中會產生較大的影響。為了在小斷面長隧洞施工中獲得良好施工效果，需要做好開挖工作，合理選擇開挖方式，防止開挖作業出現問題。在開挖工作開展前，需要進行相應的測量分析，有效測量分析最大開挖斷面的尺寸，確保可根據合理化模式實施開挖操作，避免使用錯誤方法與手段，否則會影響施工可行性、可靠性。另外，在開挖過程中，需要合理把控坡降，按照0.1%的標準控制坡降，使其符合小斷面長隧洞特征［4］。對于地質不良的位置來說，操作時應選擇弱爆破、短進尺和強支護等手段，以此提升開挖有效性，避免產生嚴重安全隱患。

②施工要點。在小斷面長隧洞開挖過程中，需要按照施工工序及要求來施工。第一，施工準備階段，做好洞內風、水、電的準備，施工人員與設備也應準備到位。做好爆破設計以及試驗等工作，確定合理的爆破參數，施工過程中應按照生產性爆破試驗結果來優化調整爆破參數，以獲得良好爆破效果。第二，測量放線階段，使用激光全站儀來測量洞內導線控制網，按照設計圖紙對開挖輪廓線進行測放，并對導線以及隧洞軸線進行定期檢查測量。開挖后成型斷面也應及時測量，并糾正存在的偏差，專業人員進行測量需要在每排炮后測放開挖輪廓線，校核測量斷面。結合隧洞布置實際情況，需要每個月對直線隧洞進行超過兩次的坡度及洞軸線檢查及復測。對于轉彎隧洞來說，需結合情況，每一輪爆破初查和支護后需開展一次軸線測放，保證控制測量的工序以及質量。另外，根據洞挖與支護進度，需要在兩側洞臂設置樁號標志。第三，鉆孔階段，主要使用手持氣腿風鉆鉆孔，為確保隧洞成型質量、減少輪廓線超挖情況，需要按照設計鉆爆圖施鉆爆破孔，特別是周邊光爆孔應根據“平直齊”要領操作。結合隧洞地質實際情況，當洞室圍巖有完整結構且沒有地下水時，控制鉆孔深度在50～60 cm，其一次循環進尺為2.2～2.5 m。通常隧洞段的鉆孔深度在2.5～3.0 m，如果是洞口段以及不良地質段，需將一次循環進尺長度減少，使用多循環、少約量、強支護短進尺的方式來施工，控制掏槽孔和周邊孔偏差在5 cm內，其他炮孔的孔位偏差也不應超過10 cm［2］。第四，爆破階段，需要結合地質條件以及環境差異，合理制定爆破方案，進而達到理想爆破效果。實際施工中，需開展爆破試驗，根據工程與地質實際情況對爆破參數進行調整，應注意進尺以及炮眼數目，避免其影響循環效率，也應注重循環時節，保證循環進尺效果，具體爆破孔布設如圖1所示。

圖1 爆破孔布設（單位：m）

③支洞優化。小斷面長隧洞在施工過程中，采用施工支洞方式具有以下優勢。一是實際設置施工支洞時，需要充分考慮地形特點，并開辟多個工作面，確保長洞短打，可將周期縮短。二是便于隧洞排煙、通風、出碴，并且需要避開重要建筑物，以便優先進洞，防止影響施工進行。在施工支洞設置時，需要采取均衡施工和快速施工方式控制施工成本。通常情況下，施工支洞越多，主洞工作面也就越多，其會嚴重影響施工進度，也會增加工作量，不具備良好經濟性。

3.1.2 供電與通風作業。

①通風、除塵、散煙。按照施工需求采取通風、除塵、散煙相關措施，確保施工人員人身安全。通常情況下，每一支洞應配備相應數量的通風機，確保工作面有新鮮風流。在洞外平臺安裝風機，與洞口距離在10 m以上，防止炮煙形成循環風，風筒需沿工作面延伸，形成正壓供風。結合隧洞軸線地形實際情況，在條件允許的情況下，隧洞應在洞頂合適位置設置垂直通風孔，由此將排煙供風距離縮短，獲得良好排煙通風效果。在爆破后，使用壓入式通風機進行正壓通風，確保工作面中流入新鮮風流，并吹出炮煙。爆堆出渣前，以人工灑水方式除塵，也可在施工燃料中摻加添加劑，減少灰塵和機械廢氣排放［3］。

②供電與通風施工。在小斷面長隧洞開挖中，通風與供電等操作會對施工產生較大的影響，因此應不斷改善，保證施工工作順利開展。在實際供電中，長洞室一般使用低壓電進洞方式來完成。通常情況下，小斷面長隧洞挖進深度增加，會使電壓損失增加，并呈現持續增加狀態。針對這一情況，在實際施工中，可采用電容補償方式來減少電壓損失，并且提升供電的可靠性與穩定性。在小斷面長隧洞中，可采用壓入式通風結合混合式通風的方式，使小斷面長隧洞獲得良好的通風，并且能夠準確把控風量。此外，施工中需要合理安排施工人員、設備以及控制爆破規模，詳細計算通風量，以獲得良好的開發效果。

根據洞內同時作業人數、洞口爆破后稀釋一氧化碳至允許最高濃度、洞內最小風速允許量計算通風風量，計算公式分別如式（1）（2）（3）所示。

式中：Q為理論通風風量，m3∕min；M為同時工作人數；K為風量系數；A為同時爆破炸藥消耗量，kg；K為風量備用數；t為通風時間，min；S為隧洞橫斷面積,m2；V為最小允許風速,m∕s。

在此基礎上計算得到的最大值即為理論風量，但是本工程在施工時，需要考慮風筒漏風情況，經過計算可以得到本工程的實際通風量不小于583 m3∕min。同理，本工程的供風量為32.6 m3∕min時，隧洞單工作面需要設置兩臺20 m3∕min的電動空壓機，才能夠滿足工程施工需要。

3.2 支護施工

3.2.1 合理勘查分析。對于小斷面長隧洞來說，支護施工十分重要。根據工作經驗以及相關標準，開展支護施工前需要進行勘查研究。勘查工作中，需要有效掌握和應對小斷面長隧洞中存在的特殊情況［5］。當前工程建設不只是根據簡單模式進行操作，在實際施工中也要注重對自然環境產生的影響，明確其是否會產生安全問題或誘發自然災害。在開展勘查工作時，需堅持全面分析長隧洞的支護體系，采用模擬分析等技術手段進行隧洞建模，觀察其可能存在的安全隱患。

3.2.2 制作和安裝鋼支撐。小斷面長隧洞支護施工過程中，需要合理制作與安裝鋼支撐，其是支撐體系中的重要組成部分。鋼支撐可應用Q235工字鋼，在隧洞口附近的加工車間，由工人在平臺架上自行制作。在加工廠，按照1∶1的比例放樣使用型鋼液壓型彎曲機對拱部進行加工，使用墊片以及螺桿來連接頂拱和立桿，根據單榀試拼裝，并進行編號。運輸到現場后測量定位，并焊接固定錨桿，使用YT-28型風鉆成孔，其直徑根據超過錨桿桿體直徑的15～20 mm范圍進行確定，因此直徑為35～40 mm，鉆孔深度需要超過桿體入巖長度，在20～30 mm范圍內，孔位平偏差為±15 mm，孔深偏差為±50 mm。使用電鎬和風鎬來處理局部欠挖部分。在安裝鋼支撐后，利用石塊來回填較大的超挖部分，并噴射混凝土進行覆蓋，接著可開展下一道工序。

3.2.3 小導管施工。小導管施工是支護施工的重要組成部分。實際施工中，需要根據相關標準按部就班操作，不斷提升施工可行性與可靠性，靈活調整，避免后續工作中出現問題。小導管屬于無縫鋼管，其管徑為40 mm，長度為3 m或4.5 m，沿著拱部開挖輪廓線來布置小導管，導管距離為30～40 mm，結合現場具體要求加固長度與厚度來明確小導管角度，大約是3°［6］。如果遇到有地下水、規模較大的破碎帶時，利用小導管注漿加固方式，小導管即可和周圍巖石一同承擔壓力，達到良好的堵水效果。完成鉆孔工作后，需及時吹孔，在吹洗干凈后安裝鋼管，在孔口段分段推進，直到孔底。實際鉆孔時，對鉆孔地段地質情況加以預判，為下步施工做好準備。

3.3 施工監理

小斷面長隧洞具有較長工程期限，對于質量以及安全有較高要求，也需合理控制成本，因此在該項工程施工中，應注重施工工期、質量以及成本，具體要注意以下4個方面。第一，小斷面長隧洞施工質量會受到雨水的影響，在雨季，洞口內部會存積雨水，不利于施工工作開展，也會影響后續施工。第二，小斷面長隧道經常處于不良地質洞段施工，該階段如果操作不當，會有塌方等問題出現。第三，如果沒有合理控制初期支護施工，容易在后期應用中出現塌方問題，這將影響工程后期質量、投資與工期，是小斷面長隧洞初期支護施工的重難點。第四，在支護施工過程中，施工單位需落實測量控制工作，保證隧洞貫通性，減少塌方出現的概率。

4 結語

小斷面長隧洞施工由于受到進度、質量以及成本等各種因素影響，難以保證后期運行效果。因此，需要采用合理的施工技術，尤其是開挖施工與支護施工階段，其作為整體施工重要組成部分需要保證良好施工效果。在實際施工中，注意掌握技術要點，合理安排開挖施工與支護技術各項工作，進而提升小斷面長隧洞整體質量。