水利水電勘探特小斷面平洞施工工藝研究

黃小波 周紅喜 吳航 劉漢林 張文斌

摘 要：水利水電勘探中，特小斷面平洞施工是一項非常重要的勘察手段，主要是為了直觀揭露地層巖性、構造、巖溶發育程度、巖體結構特征等。基于此，介紹水利水電勘探特小斷面平洞施工技術的基本概念，針對水利水電勘探特小斷面平洞施工，提出了不同的施工工藝。其中，鉆爆法施工工藝涉及了洞口開挖、洞身開挖和爆破施工等步驟；懸臂掘進機施工工藝，包括懸臂式掘進機切削、遇到硬巖時的處理、懸臂式掘進機的截割和渣石運輸；TBM掘進施工工藝，包括TBM設備的組裝調試以及TBM掘進程序和模式。通過科學分析和合理規劃，選擇適當的施工工藝可以提高施工效率和質量，特別是在遇到硬巖等復雜地質條件時，需要采取相應的處理方法。

關鍵詞：水利水電勘探；特小斷面平洞；鉆爆法；旋臂機掘進法；TBM

中圖分類號：TV221.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）11-0090-03

1 水利水電勘探特小斷面平洞施工技術概述

水利水電勘探特小斷面平洞施工技術的基本概念是指在水利水電勘探工程中采取適用于項目特征的施工工藝。

1.1 適用對象

該技術主要應用于水利水電勘探工程中，用于開挖特小斷面（傾斜度小于6°）的洞室。這些洞室的斷面面積一般小于10 m3或跨度小于3 m，需根據具體項目特征和勘探需求進行設計和施工。

1.2 施工工藝

在水利水電勘探中，采用特小斷面平洞施工技術時，通常需要使用適當的開挖工具和設備，如手持式鉆機、巖石切割機等。施工過程中，要注意精確掌握洞室的傾斜度控制和斷面尺寸，以確保滿足勘探目的。

1.3 勘探目的

特小斷面平洞施工技術的主要目的是為了揭露地層的巖性、構造、巖溶發育程度和巖體結構特征等地質情況。通過開挖特小斷面洞室，可以直觀地觀察和獲取地質樣本，并進行相關的實驗分析，從而更好地了解勘探區域的地質特征和水文地質條件。

1.4 施工注意事項

在實施水利水電勘探特小斷面平洞施工技術時，需要滿足安全、環保等方面的要求。例如，在施工過程中要嚴格遵守相關的巖石爆破操作規程，確保人員和設備的安全；同時，要遵守環境保護的要求，采取措施防止污染和土壤侵蝕等不良影響。

2 水利水電勘探特小斷面平洞施工工藝特點

2.1 鉆爆法施工工藝

鉆爆法施工工藝是較為成熟的工藝，具有以下3個優點：①工藝成熟，施工安全性高，施工效率高。②施工速度快，可以在較短時間內進行大量作業。③鉆孔溢水效果好，有利于施工安全。其主要的工藝流程為洞口開挖→洞身開挖→爆破施工。

2.1.1洞口開挖

為了減小對施工區的環境、周邊居民房屋的影響，洞口開挖宜采用沖錘破碎，形成掌子面，隨后將附近一定范圍的山體加固或澆注成拱，然后開挖洞口。洞口段開挖必須嚴格堅持短進尺、勤支護的原則。

洞口周邊環境復雜，存在坍塌、洞口危石、滾石、掉塊等安全隱患，應該根據實際情況，采取相應的可視化防護措施。具體包括：洞口周邊采取被動防護網，短進尺支護同步，爆破掌子面覆蓋柔性炮布防護等措施；明挖施工過程中嚴格按照“淺孔弱爆破”或“松動預裂爆破”的方案執行；開挖進尺嚴格控制在0.5～1 m，并在每次施工作業之前嚴格檢查洞口周邊圍巖穩定性，清除安全隱患等[1]。

2.1.2洞身開挖

洞身開挖采用氣腿式鑿巖機打孔、光面爆破、全斷面掘進的方式進行施工。在平洞開挖過程中，若遇不穩定地層時，應及時采取相應的支護手段，以保證洞內不塌方。若遇嚴重塌方地段時，可采用鋼支襯進行支護。遇不良地質洞段時，采取短進尺弱爆破。支護緊隨施工作業面，開挖進尺控制在1.8～2.5 m。

2.1.3爆破施工

特小斷面平洞采用全斷面爆破開挖施工，四空孔十字形直孔掏槽，數碼電雷管起爆，分段毫秒微差爆破。根據施工經驗，進行平洞的爆破參數設計。平洞施工掏槽孔、底板孔、輔助孔為連續裝藥結構，周邊孔、拱頂孔、排水溝孔采用間隔不耦合裝藥結構。實際施工時的鉆孔數量、裝藥量、單響及單耗，可根據現場巖石條件、爆破效果、安全監測結果和生產試驗進行調整[2]。特小斷面平洞掌子面鉆孔布置如圖1所示。

2.2 懸臂掘進機施工工藝

懸臂式掘進機法是銑挖法最主要的方式。懸臂式掘進機是一種部分斷面掘進機，其截割臂可以上下、左右自由擺動，能切割任意型狀的隧道斷面。臂式掘進機集開挖、裝渣和自動行走于一身，進退自如，操作靈活，對復雜地質適應性強，便于支護，可以適應中、軟巖隧道不同的施工方法，是中小型軟巖隧道的理想開挖工具[3]。其主要的工藝流程如下。

2.2.1懸臂式掘進機切削

懸臂式掘進機到達施工位置后，先從掌子面底部水平切削出一條槽。隨著切削進度，掘進機向前移動，再次就位。在就位后，截割頭從底部開始自下而上、左右循環地切削巖石或地層。切削過程中，鏟板部耙爪將切削下來的渣石裝入除渣車，運出洞外。從底部開挖到頂部后，進行二次修整，以達到預定的設計斷面。

2.2.2遇到硬巖時的處理

掘周圍軟巖時，若遇到硬巖（≥100 MPa），可先掘周圍軟巖，使大塊硬巖墜落。再使用液壓破碎錘改小硬巖，以降低掘進難度和減少截齒消耗量。懸臂式掘進機施工工藝流程如圖2所示。

2.2.3懸臂式掘進機的截割

從底部開始向上逐級切割，采用S型或Z型的左右循環路徑進行截割。選用右旋截割頭切割硬巖，先由右向左從底部開始截割，再按從左至右、自下往上的方式或從右往左、自上而下逐步進行截割。若遇到節理發育較好的巖石，則應選擇沿著巖石節理方向逐步切割[4]。

2.2.4渣石運輸

主要有3種渣石運輸方式：一是采用自帶帶式運輸機，通過耙爪和自帶帶式運輸機將切削下來的渣石轉載至洞內礦用出渣車上。二是采用礦用出渣車，礦用出渣車將渣石運至洞口并轉載至外運車輛上。三是采用外運車輛，外運車輛將渣石運輸至渣場進行處理。

2.3 TBM掘進施工工藝

TBM可以在不破壞地質結構的情況下實現隧道開挖和地層支撐。TBM法具有以下兩個優點：①掘進速度快，能適應不同地質條件。②支護效果好，可以充分保證人員的安全。其主要施工工藝如下。

2.3.1TBM設備組裝、調試

現場組裝過程中，實施分部組裝、整體調試的方法。主機、連接橋組裝完成后，采用導向槽步進器步進TBM，并逐節安裝、后配套全部臺車。進行設備調試，全部組裝完成后步進到始發洞位置，拆除步進裝置，準備試掘進。在TBM設備運行之前，要對TBM主機和后配套系統進行認真調試。對后配套上的電氣系統、液壓系統及與主機連接等進行全面的檢查，檢查合格后進行TBM設備的調試工作。調試工作包括所有的運行系統。設備調試由TBM廠家派專業人員進行操作。

2.3.2TBM掘進程序和模式

TBM的掘進速度和工時利用率是衡量TBM施工技術水平的兩大指標。保證TBM安全、快速、高效掘進作業是TBM施工關鍵技術問題。而掘進技術的關鍵主要是不同圍巖條件下，TBM掘進參數如何合理匹配、支護等輔助作業，及時跟進，確保良好圍巖下快速掘進，軟弱圍巖時安全順利通過。TBM施工主要是掘進、支護、出渣3大作業，及通風、供電、供水等其他輔助作業，一切作業均以掘進作業為核心。在掘進作業的同時其他作業并行或連續作業，以不影響掘進作業為一般原則。TBM掘進工序流程圖如圖3所示。

掘進循環開始，支撐系統復位撐緊，調整TBM的方位和姿態，使刀盤護盾與巖石接觸，支撐圍巖。刀盤旋轉，推進液壓缸起動向前推進刀盤，在刀盤推進過程中，其他輔助作業并行開展。推進行程結束，刀盤旋轉停止，換步并調整TBM的方位和姿態，開始新的掘進循環。

在掘進作業時，出渣作業同時進行。隨著刀盤旋轉，刀盤上的鏟斗將石渣從隧洞底部鏟起，石渣通過刀盤里面的溜渣槽卸在主機皮帶機上，轉載至后配套皮帶機，倒入軌式出渣車，用有軌運輸車運至洞口臨時存渣場，由輪式汽車運輸至棄渣場。

在掘進作業的同時進行錨桿作業和混凝土噴射作業，及其他進料、通風、供電、供水延伸等輔助作業。在洞室穩定性較差地段進行鋼拱架安裝作業、掛網作業。對特殊不良地質洞段，需停機進行超前地質預報和地質處理。

3 結束語

本研究的目標是探討特小斷面平洞施工工藝，并將其應用于實際工程中。在特小斷面平洞施工過程中，選擇合適的施工工藝至關重要，其直接影響著施工質量和效率。特小斷面平洞施工需要考慮多個因素，包括地質條件、自然環境以及施工設備等?？茖W分析和合理規劃是確保施工順利進行的關鍵。在選擇開挖方法、支護措施和排水方式時，必須仔細考慮這些因素。只有通過科學分析和合理規劃，才能有效地降低施工難度，提高施工效率。

特小斷面平洞施工具有許多優勢。一是在勘探工作與施工工作相結合的情況下，可以節約勘探成本和時間，實現資源的高效利用。二是特小斷面平洞施工對于地下水文、地質災害評價和環境監測等方面也具有重要意義。通過這種施工方式，可以提供更準確和全面的數據支持，從而更好地評估地下水文狀況、地質災害風險以及環境影響等。

探討和應用特小斷面平洞施工工藝有著重要意義。通過科學的施工規劃和合理的工藝選擇，可以提高施工效率，保證工程質量，并為勘探和監測工作提供更好的數據基礎。

參考文獻

[1] 沈文海.水利水電工程引水隧洞洞挖施工方法分析[J].江西建材，2022（5）：218-219.

[2] 王立群，胡劍超，葉凱敏.高拱壩地質勘探平洞封堵原則及施工方法[J].水利水電工程設計，2021，40（1）：7+14.

[3] 趙霞，饒軍應，崔會超，等.懸臂式掘進機在巖溶隧道暗挖施工中的應用研究[J].施工技術，2018，47（14）：15-19.

[4] 潘強強.懸臂式掘進機在城市地鐵隧道施工應用探討[J].石家莊鐵路職業技術學院學報，2023，22（1）：44-47+103.