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        懸臂式掘進機隧洞開挖施工技術(shù)

        2022-02-05 03:54:02程牧春
        黑龍江水利科技 2022年11期
        關(guān)鍵詞:圍巖施工

        程牧春

        (廣東水電二局股份有限公司,廣州 511340)

        1 研究背景

        湖北恩施車壩河水庫引水工程主要為恩施城區(qū)提供水源,引水隧洞為城門洞型無壓引水隧洞,寬約3.8m,高約4.1m,襯砌后內(nèi)凈空斷面為3.0m×3.234m,總長約11.84km,縱坡為-0.1%。隧洞Ⅵ類、V類、Ⅲ類圍巖占比分別為20%、65%、15%,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖性變化大,并具有斷層破碎帶、泥夾層、溶洞溶孔、涌水及滑坡等地質(zhì)缺陷,巖石硬度在15~60MPa之間,且隧洞沿線民居較多。

        傳統(tǒng)水工隧洞施工多采用鉆爆法,工序復(fù)雜繁瑣,且安全風險極高,對巖層擾動大,超欠挖難以控制[1-2]。為防止爆破施工對施工范圍內(nèi)居民和建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不良影響,降低施工風險,保證施工質(zhì)量,項目人員在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,采用懸臂式掘進機進行水工隧洞開挖,應(yīng)用過程中主要存在3個方面的困難:①由于項目地質(zhì)和周邊環(huán)境復(fù)雜,施工危險性高;②局部洞段圍巖硬度高,截齒效率大幅度降低,截齒消耗大;③隧洞單向進尺約2800m,通風排煙困難。

        2 施工工藝技術(shù)

        2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

        懸臂式掘進機在作業(yè)前,利用地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)素描、TSP探測、地質(zhì)雷達、超前水平鉆探等地質(zhì)預(yù)報技術(shù)探測掌子面前方地質(zhì)情況,確保掘進施工安全。

        懸臂式掘進機隧洞開挖工藝流程圖,見圖1;地質(zhì)預(yù)報計劃,見表1;探測方法及頻率,見表2。

        圖1 懸臂式掘進機隧洞開挖工藝流程圖

        表1 地質(zhì)預(yù)報計劃

        表2 探測方法及頻率

        2.2 施工準備

        2.2.1 施工用電

        根據(jù)掘進設(shè)備的生產(chǎn)工況要求,采用高壓(10kV)電纜進洞,洞內(nèi)設(shè)置移動式變電站供電。洞口處設(shè)置高壓配電室,高壓接入點從系統(tǒng)電接入。

        XTR4-230型掘進機運行工作電壓為1.14kV,上機電纜采用礦用移動電纜,型號為MYP-0.6/1.14kV-3×70+1×25,為了保證用電質(zhì)量低壓供電半徑定為300m內(nèi)。洞內(nèi)掘進施工,每個工作面附近配置礦用移動變電站1套,受電設(shè)備為掘進機1臺。掘進機供電系統(tǒng)示意圖,見圖2。

        圖2 掘進機供電系統(tǒng)示意圖

        2.2.2 通風設(shè)備安裝

        懸臂式掘進機開挖快速、高效,但施工過程中會產(chǎn)生大量粉塵,尤其是在掘進超過600m后。本項目采用常規(guī)正壓與豎向通風孔聯(lián)合通風,有效改善了掘進機作業(yè)環(huán)境。

        2×55kW雙極對旋式軸流式通風機布置在隧洞工作面入口附近,通風管采用φ800柔性風管向工作面供風。

        以加快隧洞內(nèi)部通風速度,減少有毒有害氣體產(chǎn)生的影響,采用型號為XSL7/360的水井鉆機在隧洞頂部施打直徑為30cm的通風孔(每1.3~1.5km施打一個通風孔)。

        2.2.3 施工排水、供水

        巖體在潮濕且不穩(wěn)定狀況下,會導(dǎo)致巖體或泥渣料附在切割頭上造成切割力的損失、掘進困難,機器自身難以行走,從而導(dǎo)致效率低下,因此要做好施工排水措施。

        在隧洞口附近修建高位水池,水池容量20m3,可滿足掘進機施工過程中潤滑和降塵用水,在掘進機后側(cè)設(shè)置了臨時集水井,將水抽排到排水溝再集中排放到洞外。

        2.2.4 掘進機組裝與調(diào)試

        設(shè)備到位后,由廠家人員到隧洞外進行安裝后進行整機調(diào)試,試運轉(zhuǎn)正常后入洞掘進。

        2.3 測量放樣

        采用全站儀配水準儀進行施工測量。定期檢查、復(fù)測洞軸線,為后期施工質(zhì)量提供保障。每開挖、支護20m在洞壁及洞頂進行標記。保證檢測點位穩(wěn)固、隱蔽。將激光導(dǎo)向儀放置于拱頂、拱腳、邊壁等處,在使用過程中每隔三天對設(shè)備進行檢測、校準,避免設(shè)備振動及損傷,以保證放樣精度,從而保障隧洞的準確貫通。

        2.4 掘進機開挖

        2.4.1 懸臂式掘進機開挖

        啟動掘進機后,呈“S”字形從下向上挖掘。掘進時一人操縱掘進機,另一人則作為觀察員,保證掘進機,電纜和出渣車的作業(yè)。完成底部至頂部切割后對掌子面進行二次修整,以滿足所設(shè)計截面的要求。

        運用多種超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)探測掌子面前方隧洞圍巖地質(zhì)情況,根據(jù)巖石硬度的變化選擇掘進機截齒類型。采購了兩種型號的截齒,分別適用于單軸抗壓強度15~30MPa(較軟巖),30~60MPa(較硬巖)的圍巖。

        圍巖單軸抗壓強度超過60MPa后,截齒開挖能力就迅速下降,截齒的消耗也會迅速增大[3]。懸臂挖掘法施工過程中,當碰到較硬巖石時(巖石單軸抗壓強度>>60MPa),,用爆破法輔助施工,降低懸臂掘進機施工的難度及減少截齒的消耗量。把每次爆發(fā)藥量分為多段微差爆破,使震動爆發(fā)峰值降低從而達到減震的目的。鉆爆法主要包括掏槽爆破,輔助爆破和周邊爆破,掏槽爆破產(chǎn)生的震動是最大的,為控制鉆爆法對周邊巖層的影響,同時不影響施工進度,具體做法為:在中心核心區(qū)域采用懸臂式掘進機掏槽,形成大的臨空面,余下的采用控制爆破開挖,有效降低隧洞爆破開挖施工震動,經(jīng)監(jiān)測,震動速度(震速<0.1 cm/s)、隧道內(nèi)拱頂下沉、凈空收斂等數(shù)據(jù)都在規(guī)定允許范圍內(nèi),對周邊民居無影響。懸臂式掘進機掏槽示意圖,見圖3。

        圖3 懸臂式掘進機掏槽示意圖

        2.4.2 通風降塵

        開挖過程中全程開啟柔性風管,使洞室內(nèi)有害氣體的含量降低至安全區(qū)域,同時,掘進機還利用自身高壓噴射裝置實現(xiàn)降塵。如采用局部鉆爆法輔助施工,在放炮時停止通風排煙,放炮完畢恢復(fù)通風排煙。

        2.4.3 出渣運輸

        自卸車運渣工作與掘進機挖掘施工同步進行。本工程隧洞單個工作面的掘進長度>2km,為保證自卸車通行,每隔150~200m設(shè)置1個長20m,寬8.5m的錯車洞。

        在各項條件正常的情況下,掘進機工作效率為0.8m/h,每天按8h計算,則可達到6.4m/d。

        2.5 安全處理

        清除危石及碎塊,巖面破碎洞段在進行安全處置后,先噴一層3cm厚混凝土后再次進行安全檢查及處置。清理已開挖洞段松動巖塊。

        2.6 支護

        隧洞開挖過程中做初期支護,貫通后進行永久襯砌;如遇到特殊洞段,支護措施不利于繼續(xù)洞挖進尺,則考慮施工局部洞段的永久襯砌。

        噴錨支護與掘進施工交替進行作業(yè),Ⅳ、Ⅴ類圍巖除噴錨掛網(wǎng)支護外還應(yīng)配合鋼拱架加強支護,必要時還要進行超前支護,確保工作面安全。

        2.7 下一循環(huán)

        在下一個循環(huán)開始前,項目人員提前對風、水、電等臨時設(shè)施運行情況進行檢查,確保正常運行后,進行開挖作業(yè)。還應(yīng)特別注意近期供電單位供電情況是否正常,若供電單位有通知停電的情況,及時作出調(diào)整,必要時可提前進行發(fā)電施工(因多次停電、送電會影響供電配套設(shè)施的正常運行)。

        3 總 結(jié)

        1)針對水利工程地質(zhì)條件復(fù)雜,巖性變化大等特點,采用“懸臂式掘進機法為主,鉆爆法為輔”的施工技術(shù),避免了隧洞開挖對沿線居民和建筑物的不利影響,提高了施工效率,為隧道施工的質(zhì)量和安全提供了保障。

        2)結(jié)合隧洞實際情況,運用多種地質(zhì)預(yù)報技術(shù)探測掌子面前方地質(zhì)情況,根據(jù)地質(zhì)變化選擇掘進機截齒類型,為隧洞施工安全提供保障,降低截齒損耗,提高掘進效率。

        3)針對特長隧道開挖,提出常規(guī)正壓與豎向通風孔聯(lián)合通風,改善懸臂式掘進機作業(yè)環(huán)境,有利于洞內(nèi)作業(yè)人員職業(yè)健康安全。

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