臨近壩體銑挖法小擾動施工技術探討

羅剛強，張宏博，李金龍

(浙江省水利水電建筑監理有限公司，浙江 杭州 310020)

水庫大壩在防洪、灌溉、發電、供水、養殖、旅游等方面發揮著重要的作用，是區域防汛防旱工程體系的重要組成部分[1]。其中大中型水庫大壩承擔削峰攔洪的工程任務，是流域防洪體系中的重要組成部分，安全意義重大[2]。隨著國內經濟的發展，全國水利建設全面提速[3]，水利建設不斷加快，病險水庫除險加固、改造提升步伐越來越快，臨近既有水庫大壩隧洞施工越來越多。在保證既有水庫大壩安全的前提下，選擇對壩體、建筑物、構筑物等擾動小和對周邊環境和居民影響小的隧洞掘進方法進行施工非常重要。

杭州市青山水庫防洪能力提升工程交通洞線路總長110m，毗鄰既有水庫大壩僅20m。為確保水庫大壩安全，業主、監理、設計、施工等單位成立專家組，經過多地考察調研、方案比選，最終確定交通洞掘進施工方法，采用懸臂式掘進機隧洞銑挖法施工技術。該技術對鄰近土體擾動小、進度快、施工效率高[4-5]，全程無爆破產生的振動波，對圍巖擾動量小，對圍巖破壞小[6]。優先采用銑挖法進行隧洞快速開挖已成為當今世界發展趨勢[7]。通過本工程的應用實踐，懸臂式掘進機隧洞銑挖法能最大限度地減小對圍巖的擾動和隧洞超欠挖量，以利于隧道穩定，效果良好，值得借鑒和推廣。

1 工程概況

杭州市青山水庫防洪能力提升工程位于杭州市臨安區青山水庫。青山水庫樞紐始建于1958年12月，水庫總庫容2.13億m3，屬大(2)型。提升改造工程主要建設內容包括新建進口閘、泄洪洞及出口段，發電尾水渠防護、泄洪渠改造及交通洞等。工程等別為Ⅱ等，進口閘、泄洪洞、出口段等主要建筑物級別為2級，設計洪水標準為100年一遇；建筑物抗震設計烈度為Ⅵ度。

施工交通洞線路總長110m，隧洞斷面采用城門洞形，斷面襯后為4.60m×4.50m(寬×高)。隧洞鉆孔巖樣天然單軸抗壓強度22.9～140.5MPa，軟化系數0.76，巖石強度差異較大，圍巖初判整體以Ⅳ類為主。交通洞進口布置于距左壩頭約80m的山坳內，位于左岸大壩軸線處，毗鄰大壩僅20m，于東北角下坡段有3所學校。

2 機型選擇及其工作原理

2.1 機型選擇

懸臂式掘進機分為輕型、中型、重型3種。其結構主要是由發動機、液壓系統、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成。當隧洞鉆孔巖樣天然單軸抗壓強度≤60MPa時，選用輕型懸臂式掘進機；當巖樣天然單軸抗壓強度變化范圍為60～120MPa時，選用中型懸臂式掘進機[8]；當巖樣天然單軸抗壓強度≥120MPa時，應選用重型懸臂式掘進機[9]。

選用型號EBZ260中型懸臂式掘進機，切割電機功率260/200kW，適用于切割范圍(寬×高)6×5m的隧洞，最大截割斷面可達31m2，經濟截割硬度為80MPa的圍巖，最大截割硬度為110MPa，坡度±18°，開挖速度可達25～40m3/h，可掘任意斷面形狀的隧洞。

2.2 工作原理

EBZ260中型懸臂式掘進機工作原理是由1140V交流電源提供動力，切割部由200kW的油泵電機提供動力源，軸套傳至二級行星減速器，經懸臂段，將動力傳遞給切割頭，通過切割頭的旋轉和履帶推進實現鉆進運動，通過切割頭的旋轉和升降以及回轉臺水平回擺，實現鏡像切割，從而達到破碎圍巖的目的。

懸臂式掘進機切割巖石時，首先在工作面掏槽，掏槽位置一般在工作面的下部。作業時，機器逐步向前移動，切割頭切入巖石一定的深度，然后停止機器移動，使鏟板緊貼工作面底板作為前支點，機尾的后支撐腿也同樣撐緊底板，作為后支點，以提高機器在切割過程中的穩定性。最后再左右自由擺動懸臂，切割頭切落出整個隧洞的巖石。

3 工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程

施工工藝流程：施工準備→清表→測量放線→懸臂式掘進機就位→試車→超前支護→掘進→出碴→運輸→支護施工→下一個循環。

3.2 操作要點

3.2.1施工準備

(1)施工風、水、電準備。安裝空壓機、通風機，接入生產用水，從總配電箱接入電源。

(2)測量放樣。標出隧洞進出口高程、中心線、位置，準確繪出開挖輪廓線。

(3)懸臂式掘進機就位。挖掘機洞口清表，平整場地，懸臂式掘進機就位、試車。

3.2.2隧洞掘進及出碴

(1)確定切割面積和一次最大鉆進深度與巖石硬度之間的關系。根據巖石的節理發育狀況、裂隙的含水率、硬度，結合掘進機的主要參數，優化懸臂掘進機切割路線，如圖1所示。

圖1 懸臂式掘進機切割路線圖

(2)懸臂式掘進機開挖，現場設監護人員1名，依據紅外線定位開挖輪廓，進行掘進作業。

(3)圍巖截割時從工作面下角鉆進，掘進半圍巖或巖石隧洞時，應從巖中或軟巖鉆進，再切割至底板下角，再切底掏槽，增加自由面。

(4)切割斷面應自下而上進展，以利于裝載和機器的穩定性，可提高生產率。

(5)在切削后，及時出碴。將石碴用鏟車直接裝入出碴車運出洞外，保證隧道內整潔。

3.2.3隧洞支護

(1)Ⅳ～Ⅴ類圍巖支護。采取“先超前支護再一掘一支護”的方式進行支護施工。

(2)先進行超前管棚或小導管支護，再開挖一循環后，先初噴混凝土。

(3)初噴混凝土完成后，進行鋼拱架安裝、錨桿鉆孔制安、掛網，再噴混凝土至設計厚度，如此循環掘進。

4 主要材料和設備

4.1 主要材料

材料情況見表1。

表1 材料情況表

4.2 主要設備

設備情況見表2。

表2 設備情況表

5 質量與安全控制

5.1 質量控制

材料進場(水泥、鋼材等原材料與中間產品)應按《單元工程評定標準》及有關技術標準進行質量檢驗[10]。施工應執行SL 47—2020《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規范》、GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》、SD J57—85《水利水電地下工程錨噴支護施工技術規范》、JGJ/T 372—2016《噴射混凝土應用技術規程》、SL 677—2014《水工混凝土施工規范》的規定。

(1)施工中定期測量校正隧洞方向、標高、輪廓線。

(2)嚴格控制超挖量在5%內，減少支護作業的充填量。

(3)鋼拱架、錨桿、掛網等應按設計圖施工，鉆孔、錨桿和注漿等工藝，均應檢查驗收合格。

(4)噴混凝土的配合比設計，應通過試驗確定合理的參數。

(5)噴射施工時，層層噴射，確保厚度，使混凝土均勻密實，表面平整，噴嘴與噴射面盡量保持垂直，以減少回彈，確保噴混凝土的質量。

(6)預埋規定長度的檢驗鋼筋以量測噴混凝土厚度，作業結束后，進行厚度檢驗。

5.2 安全措施

施工安全要符合SL 399—2007《水利水電工程土建施工安全技術規程》的規定。施工用電要符合JG J46—2005《施工現場臨時用電安全技術規程》的規定。施工機械的使用應符合JG J33—2012《建筑機械使用安全技術規程》的規定。

(1)施工前對作業人員進行環保與安全技術交底，未參加交底的人員不得進入施工現場，進入工地必須佩戴好安全帽等防護用品。

(2)操作人員上崗前，必須經過專業培訓，熟練掌握機械操作性能，經考核取得操作證后上機操作。

(3)當機器運轉時，切割臂下不允許站人；切割頭必須在旋轉情況下才能貼靠工作面。

(4)切割時要根據巖石的硬度，掌握好切割頭的切割深度和切割厚度，切割頭進入切割時，應點動操作手柄，緩慢進入巖壁切割，以免發生扎刀與沖擊振動。

(5)在進入截割懸臂下面工作時，應做好充分的支護；出現緊急情況，立即按下急停按鈕，停止設備運行。

(6)在掘進機工作期間，任何人不允許在危險區域停留。

(7)每掘進2米以及出渣完成后，必須進行支護。支護前隧道應找頂排險作業，利用挖斗進行“敲幫問頂”排除孤石、危石，確保作業人員安全。

(8)洞內每5m布置一個量測斷面，開展拱頂下沉等安全監控量測，發現異常立即采取安全措施。

5.3 環保措施

施工現場應符合GB/T 50640—2010《建筑工程綠色施工評價標準》和JGJ 146—2013《建設工程施工現場環境與衛生標準》的規定。

(1)懸臂式掘進機等噪聲源設備在使用過程中，應采取有效的隔聲措施。

(2)施工車輛尾氣排放應滿足環保部門的排放標準，禁止排放施工油污，避免有害物質污染土地和周圍環境。

(3)有效控制揚塵，對易揚塵的材料及裸露場地進行覆蓋，設置車輛沖洗設施，并在每天早、中、晚時段安排灑水車灑水，專人定期清掃，防止揚塵。

(4)隧洞施工泥漿、污水、廢水禁止排入飲用水源保護區和II類水體，應采取環保措施，設置沉淀池，經處理系統處理，達到《污水綜合排放標準》后排放。

6 效益分析

6.1 安全效益

6.1.1低振動、低噪音，對臨近土體擾動小

懸臂式掘進機施工期間，按規定對洞內、臨近壩體、學校、周邊建筑物基礎四周，開展了安全監控量測。隧洞表面變形、隧洞收斂、鋼拱架應變、噪聲、振動等指標均在控制范圍內，地表沉降量、拱頂下沉量、凈空變化量等均較小，對圍巖的擾動小，對臨近土體擾動小，對臨近壩體、周邊建筑物無影響。而傳統的鉆爆法施工，爆破振動對臨近壩體易產生擾動，可能造成山體滑坡和大壩失穩，影響大壩整體安全及周邊建筑物安全。同時，爆破振動、噪聲也會影響附近學校正常教學。

6.1.2作業安全性高

該技術全部采用機械施工，洞內懸臂式掘進機只需1人操作，1人監護，機械操作人員站在鋼拱架支護下作業，安全性更高。而傳統的鉆爆法施工，每班需要9人，由于振動容易造成圍巖強度降低、巖石結構松動、巖石結構局部破裂等不利情況，暴露風險更高，易造成人員傷害，與銑挖法比作業安全性相對較差。

6.2 時間效益

交通洞原施工組織設計采用“短進尺、少藥量、弱爆破”鉆爆法施工，工期計劃110天。本工程采用懸臂式掘進機隧洞銑挖法，自2021年9月7日正式進洞掘進，至11月9日全線貫通，洞挖、鋼拱架支護等作業全部完成，用時63天。與原計劃相比工期縮短了47天，為上游泄洪洞、進水口圍堰填筑、防滲墻施工、下游出洞口與尾水渠連接段的大開挖爭取了充裕時間。可見，該技術在縮短工期方面效果顯著，效率高。

6.3 經濟效益

經過核算，全長110米的交通洞貫通，總費用為156.51萬元(不含支護費用)，計1.42萬元/米。該技術可以快速準確的修整隧洞輪廓，不但可以解決超欠挖問題，還能減少支護作業的充填量，進而降低施工單位“寧超勿欠”所引起的成本增大問題[6]。另外，銑挖下來的石碴粒徑小且均勻，可直接作為回填料。采用銑挖法的施工成本與鉆爆法比優勢明顯。

7 結語

懸臂式掘進機隧洞銑挖法可在有振動或噪音限制的地域替代爆破法施工，并能很好的保護環境。該技術不僅安全可靠、操作簡單，而且能節省成本，經濟和社會效益明顯。該技術將促進水利工程施工技術進步，對類似工程、類似工況具有借鑒意義。該技術在硬巖(強度≥120MPa)中應用效果如何，需做進一步研究。