小斷面隧洞綜合開挖支護方案與措施

劉宜鋒

(中國水利水電第八工程局有限公司,湖南 長沙 410000)

開挖與支施工是小斷面隧洞工程建設施工的兩個關鍵環節,其不僅關系著工程項目的建設效益,而且對于施工作業人員的人身安全具有深刻嚴格影響。在項目施工中,結合施工現場實際情況,規范選擇隧洞開挖技術方案,并合理使用隧洞支護方法,能有效地提升工程項目建設綜合效益,但是結合項目實際可知,小斷面隧洞開挖支護施工的環境較為復雜,施工過程中容易出現多種病害,如隧洞坍塌、涌水等,對此有必要規范小斷面隧洞綜合開挖支護施工,以此來提升工程項目的綜合建設效果。

1 小斷面隧洞綜合開挖支護施工重要性

小斷面隧洞本質上屬于我國水利體系建設的重要組成部分,其建設施工環境較為復雜,且施工表現形式多樣。在小斷面隧洞工程建設中,開挖支護施工對于工程項目整體建設質量具有積極作用。一方面,小斷面隧洞本身具有施工環境負載的特征,在工程項目建設中,除地質、水文因素外,施工工藝的選擇和應用也會對項目施工質量、效率和安全造成影響,尤其是當施工中出現隧洞巖土脫落、塌陷或管涌問題時,會給施工人員的人身安全造成較大影響,積極采用隧道開挖支護施工技術,能有效避免這些問題發生,保證施工人員人身安全。另一方面,開挖與支護本身就是小斷面隧洞施工的重要內容,積極開展小斷面隧洞開挖支護方案設計和具體施工技術應用,能有效保證小斷面隧洞開挖支護的規范性,提升工程建設綜合效益,繼而推動工程建設企業效益增長,助力水利工程的持續、穩定發展[1]。

2 小斷面隧洞綜合開挖方案措施

2.1 開挖流程方式

小斷面隧洞綜合開挖方式對于工程整體建設效益具有較大影響,在項目建設初期階段,需要結合施工實際,做好開挖方式的系統管理。首先在小斷面隧洞開挖之前,施工人員需要規范開展施工區域勘察工作,做好最大開挖斷面開挖尺寸的測量和設計分析,從源頭上保證小斷面隧洞開挖施工的科學性、準確性[2]。其次在隧洞開挖施工過程中,需要做好開挖施工時具體技術要點的把控,在具體開挖技術操作中,需嚴格控制開挖坡降,一般需將坡降控制在0.1%的標準,避免小斷面隧洞開挖出現坡降幅度過大或過小等問題。最后項目開挖中應做好支護施工處理,尤其是在一些不良地質區域,需按照短進尺、弱爆破、強支護的原則和要求進行施工,保證項目施工安全性。

2.2 開挖技術類型

要提升小斷面隧洞開挖施工效率,在具體開挖施工還需要做好開挖技術的科學選擇與應用。一般在小斷面隧洞開挖施工中,全斷面開挖技術的應用較多,該技術不僅具有一次成型、出渣方便的特征,而且開挖掘進的速度較快。在全斷面開挖掘進具體施工中,先進性全斷面一次鉆孔,在裝藥連線后退鉆孔臺車到50 m以往的安全區域,然后一次爆破成型,在出渣后再將鉆孔臺車推移至開挖面前,開始下一個鉆爆作業循環。另外在一些地層環境較差的區域,還可通過環形開挖技術施工實施小斷面隧洞開挖,一般環形開挖進尺為0.5～1.0 m,在環形開挖中,不僅要注重噴錨支護的合理應用,還應實現鋼架支撐的有效安裝,這樣才能實現開挖技術與支護技術的協同統一,消除洞身開挖收斂和下沉問題,保證工程建設整體質量[3]。

2.3 供電通風施工

規范開展供電通風工作,能為小斷面隧洞開挖施工創造良好的作業環境,確保小斷面隧洞開挖施工的高效性與安全性。在小斷面隧洞開挖供電過程中,若隧洞的洞室較長,這需要采用低壓電進洞的方式完成供電,該環節中,隨著小斷面長隧洞的延長,供電系統還會出現一定的電壓損失問題,并且這種電壓損失會不斷增加;為有效解決這種問題,在供電過程中,還需要注重電容補償方式的合理使用,在減少電壓損失的基礎上,保證供電的穩定性、可靠性。另外在小斷面隧洞開挖施工中,還需要做好隧洞通風管理。一般壓入式通風是小斷面隧洞通風的主要方式,在該通風技術應用的基礎上,系統考慮施工設備、施工人員、爆破規模等因素,然后配合使用一定的混合式通風技術,能滿足工程項目建設需要,保證項目施工的安全性。

3 小斷面隧洞綜合支護措施要點

3.1 做好勘察分析

小斷面隧洞支護方案的選擇和應用具有較強的專業性、綜合性和復雜性,當隧洞開挖支護不合理時,容易引起一定的安全問題,威脅施工人員的生命安全;對此應結合隧洞勘察結果,做好開挖支護技術的合理選擇與應用[4]。在小斷面隧洞開挖勘察中,為掌握小斷面隧洞的特殊情況,先應對隧洞的自然情況進行有效勘察,考慮小斷面隧洞開挖施工是否會產生工程或自然災害,然后結合實際設計相應的支護方案。其次勘察過程中,應重視現代化勘察手段的應用,這樣能確保勘察結果的細致性,為支護方案的設計與支護技術應用奠定良好基礎。最后完成小斷面隧洞勘察后,需在現代工程技術的作用,實施小斷面隧洞勘查結果的模擬分析,掌握影響隧洞開挖的重要因素,針對性地實施防控處理,提升隧道綜合支護的科學性、合理性。

3.2 支護技術應用

結合開挖施工內容使用支護技術是小斷面隧洞支護施工的內在要求。現階段,用于小斷面隧洞開挖支護的技術較多,除錨桿支護、混凝土噴射防護外,鋼架支護、小導管支護等都是較為常見的支護技術。在不同類型的支護技術應用中,應結合工程實際重視其施工技術要點的系統控制。錨桿支護中,做好錨桿安裝有助于提升小斷面隧洞整體的穩定性。一般小斷面隧洞支護錨桿按照梅花型的樣式布置,在錨桿安裝中,要求兩邊錨桿距巷頂輪廓線保持在200～300 mm,而錨桿的間距需保持在0.5～1.2 m,中間錨桿與水平面角度需保持在90°。錨桿支護施工中,還應重視中間錨桿、兩邊錨桿與磧頭的距離控制,一般中間錨桿與磧頭距離不超過1 m,而兩邊錨桿與磧頭的距離需保持在2 m以內。通過混凝土噴射技術進行小斷面隧洞防護時,施工人員需要按照分層噴射的原則進行施工,一般要求噴頭與碰面的距離控制在1.5～2.0 m,噴料的速度應保持在4～30 m3/h,此外應保證混凝土噴射施工的回彈率不超過15%。值得注意的是,鋼架支護在小斷面隧洞支護中也有廣泛應用,一般在鋼架支護中,應重視鋼支架的規范制作與安裝。現階段,小斷面隧洞工程中常用的鋼支撐材料為Q235工字鋼,要求施工人員在專業的平臺架上完成加工制作,在實際制作中,要求按照1∶1的比例放樣,然后通過型鋼液壓型彎曲機完成拱部加工,最后使用墊片、螺桿連接頂拱與立桿,進行鋼支架結構件的連接固定,實現小斷面隧洞的有效支護。小導管支護施工中,施工人員多會選擇使用管徑40 mm、長度3.0～4.5 m的無縫鋼管,然后沿拱部開挖輪廓線周邊布置小導管,要求小導管的間距保持在30～40 mm。在小導管支護施工中,若施工區域破碎明確,并且有大量地下水,則還應通過小導管注漿,這樣才能使得小導管和周圍的巖石共同承擔壓力,起到堵水的作用[5]。

3.3 支護效果監測

為提升小斷面隧洞開挖支護質量,在積極使用支護技術的銅焊絲,還應做好支護效果的有效監測。一方面,完成開挖支護后,施工人員需要對不同類型的支護技術體系進行監督檢查,確保其與巖石結合緊密,保證整體支撐效果發揮。另外在支護技術應用的同時,需對支護體系變形、小斷面隧洞變形情況進行監督檢查,這樣能確保支護結構的整體穩定,促進工程建設效益的有效獲得。

4 小斷面隧洞綜合開挖支護實例研究

4.1 項目概況

某水利工程建設中需要進行小斷面隧洞開挖支護施工,結合工程勘察設計結果可知,小斷面隧洞位于河流左岸區域,隧洞長為6.5 km,包含了引水上平段、斜井段和下平段三個部分;隧洞沿途存在3個平面轉彎和2個立面轉彎。在項目建設中,引水隧洞開挖斷面為平底馬蹄形,開挖斷面為26.5 m2,在建設中,規范化的選擇具有較高效率與安全性的開挖及圍護,并通過鋼筋混凝土進行襯砌支護施工,有效保證了項目開挖、支護施工的標準性,安全性,提升了項目建設的綜合效益[3]。

4.2 工程地質及施工難度

本項目本身屬于小斷面隧洞工程,隧洞水平埋深為100～500 m,而垂直埋深為20～250 m。在工程項目建設初期階段,采用現代技術對該區域進行勘察,發現本項目沿穿越線不僅存在細砂巖、鈣質膠結礫巖、砂質泥灰巖夾鈣質砂巖,而且存在泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖,此外施工區域還存在巖脈侵入式的石英正長斑巖,工程巖體破碎明顯,巖體穩定性較差。從水文狀況來看,工程建設區域的水體較為豐富,存在較多滲、涌水部位,這給項目的開挖支護施工帶來較大難度,有必要重視工程開挖支護技術選擇,提升項目建設的整體效益。

4.3 小斷面隧洞綜合開挖支護技術應用

考慮到施工環境對小斷面隧洞綜合開挖支護施工的影響,在項目開挖、支護施工技術初期階段,先規范化對施工區域的勘察工作,在具體勘察中,系統使用現代勘察技術,掌握施工區域地質結構破碎、穩定性較差,地下水豐富、施工滲水較多等問題。然后結合勘查結果進行隧洞開挖、支護技術設計。

本項目開挖施工中,采用掏槽爆破的小斷面隧洞開挖施工方式。在具體施工中,施工人員在引水隧洞布置5條施工支洞,每條施工支洞往上下游各布置一個作業工作面進行施工。在施工初期階段,要求在每個工作面布置臺可移動式鉆爆臺,隨后配置氣腿式鑿巖機進行鉆孔爆破作業。具體作業中控制以下要點:一是在掏槽方式及斷面大小確定中,系統考慮本工程建設中所使用的工程機械設備,并對隧洞開挖斷面大小進行系統分析,結合實際選擇掏槽開挖方式。經分析,本項目在引水隧洞開挖斷面較小的區域使用直孔掏槽方式,隨后隧洞中央孔布置環狀直孔掏槽孔,在掏槽區中央部位布置1個空孔。二是設置好孔位后,需考慮孔長、裝填系數、線裝藥密度、掏槽區裝藥孔數等參數,進行掏槽區裝藥計算,有效地滿足了小斷面隧洞快速開挖施工的需要。三是在掏槽爆破開挖中,還應重視周邊孔布置及鉆爆參數選擇,本項目周邊孔布置中,沿隧洞開挖輪廓線布置周邊孔;該作業環節中,要求按照密孔距、均勻布置的要求布置周邊控,周邊孔鉆孔角度往外偏1°,有效地滿足了施工需要。

在隧洞開挖過程中,采用鋼筋混凝土進行襯砌支護施工。本項目建設中,系統考慮隧洞圍巖的類型選擇支護方式。如對于Ⅱ類圍巖,本項目控制噴射混凝土技術進行支護,確保噴射混凝土厚度為5 cm,而當項目施工中遇到Ⅲ類圍巖時,施工人員則會改用掛網錨噴的方式進行施工,這種支護方式不僅保證了小斷面隧洞結構的穩定性,而且有效地避免了滲水等問題對項目施工的影響,另外本項目在支護中考慮一些特殊圍巖的支護,如對于松散、破碎巖體,施工人員采取超前錨桿、超前小導管以及超前管棚法進行超前支護,減少了破碎巖層對項目開挖施工的負面影響,提升了隧道施工的穩定性、安全性。

值得注意的是,為助力項目開挖、支護工作的有序開展,在小斷面隧洞綜合開挖支護核心技術應用的基礎上,項目施工人員還規范化進行施工區域供電和通風施工,有效地滿足了項目施工需要,提升了項目建設的綜合效益。