匡 虎

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340）

0 引言

水工隧洞是指在山體或地下巖體處開(kāi)鑿出的“供水流通過(guò)的洞”。此“過(guò)水洞”的主要作用在于：①為地下水的通過(guò)規(guī)劃出特定路線，用于農(nóng)業(yè)灌溉、不同規(guī)模的水電站發(fā)電等。②在一般情況下只供少量水流經(jīng)，但在發(fā)生地方缺水、山洪暴發(fā)等情況時(shí)，通過(guò)引流的方式，使一定量的水流從洞中流通。根據(jù)水流在洞內(nèi)流經(jīng)時(shí)的特性，水工隧洞可分為無(wú)壓隧洞（水流不會(huì)充滿隧洞，存在自由水面）和有壓隧洞（水流充滿隧洞整個(gè)斷面，洞壁會(huì)承受一定的水壓力）。近年來(lái)，施工人員對(duì)水工隧洞的應(yīng)用性能提出了更高的要求，故開(kāi)挖施工工藝也需隨之改進(jìn)。

1 水工隧洞施工的類型、特點(diǎn)

1.1 水工隧洞的類型

（1）按照用途進(jìn)行分類，水工隧洞可分為：①泄洪洞。該隧洞主要用于配合溢洪道，完成洪水的排泄，防止農(nóng)田、村莊遭受洪水侵襲。②引水洞。江河湖泊的水資源通過(guò)引水洞流入目標(biāo)區(qū)域，提供發(fā)電、灌溉等用水。③排沙洞。包括水庫(kù)在內(nèi)的很多水工設(shè)施在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用后，水面下方會(huì)積累大量的泥沙，如果不能及時(shí)排除，就會(huì)導(dǎo)致這些水工設(shè)施的性能及使用壽命下降。因此，經(jīng)由排沙洞，通過(guò)適量放水，有計(jì)劃地將泥沙排出水庫(kù)，保證水工設(shè)施正常運(yùn)行[1]。④放空洞。在特定情況下，放空洞迅速將水庫(kù)中存水排出的專用水工隧洞。例如，洪澇災(zāi)害出現(xiàn)之后，當(dāng)水庫(kù)內(nèi)積水達(dá)到危險(xiǎn)臨界高度時(shí)，放空洞可根據(jù)指令啟動(dòng)。⑤導(dǎo)流洞。該隧洞是在水利樞紐施工期間用于施工導(dǎo)流的隧洞?，F(xiàn)階段對(duì)水工隧洞的設(shè)計(jì)以及施工要求為應(yīng)該盡量結(jié)合水利樞紐的相關(guān)規(guī)劃任務(wù)，盡量實(shí)現(xiàn)“一洞多用”。

（2）按照水流經(jīng)過(guò)時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行分類，水工隧洞可分為：①有壓洞。工作閘門一般需要布置在隧洞的出口位置，且洞身全斷面幾乎都會(huì)被水流填滿，洞壁四周均承受一定的內(nèi)水壓力。②無(wú)壓洞。工作閘門需要布置在隧洞的進(jìn)口位置，水從其中流過(guò)時(shí)，并不會(huì)充滿全斷面，存在自由水面。隧洞究竟設(shè)計(jì)成有壓類型還是無(wú)壓類型，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厮ぷ鞯木唧w需要而定，也可以設(shè)定成一段有壓、一段無(wú)壓的狀態(tài)（最普遍的情況是設(shè)計(jì)成前段有壓、后段無(wú)壓），但絕不能設(shè)計(jì)建造成統(tǒng)一區(qū)段時(shí)而有壓、時(shí)而無(wú)壓的情況，否則有可能導(dǎo)致出現(xiàn)震動(dòng)、空蝕等現(xiàn)象。

1.2 水工隧洞的特點(diǎn)

根據(jù)水工隧洞開(kāi)挖施工經(jīng)驗(yàn)可知，水工隧洞主要具備兩個(gè)方面的特點(diǎn)：①力學(xué)方面的特點(diǎn)。水工隧洞一般在巖層中開(kāi)挖，此種操作必定會(huì)導(dǎo)致洞孔附近原本的應(yīng)力平衡被打破，造成應(yīng)力重新分布。因此，在開(kāi)挖期間，應(yīng)該做好巖層變形防護(hù)工作，否則一旦巖石崩塌，會(huì)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)造成嚴(yán)重威脅。圍巖產(chǎn)生的壓力作用除了作用于襯砌之外，本身還具備一定的承載能力，因此，可以與襯砌共同承受水內(nèi)的壓力荷載。綜合分析水工隧洞施工的力學(xué)特點(diǎn)之后，得出的結(jié)論為，在水工隧洞設(shè)計(jì)及開(kāi)挖施工時(shí)，應(yīng)盡量選擇巖層堅(jiān)硬等對(duì)施工有利的地質(zhì)構(gòu)造處作為隧洞開(kāi)挖地，盡量避免選擇軟弱巖層[2]。②水工隧洞施工方面的特點(diǎn)。隧洞動(dòng)身的斷面整體較小，施工場(chǎng)地呈現(xiàn)狹小、洞線長(zhǎng)的特性。因此，開(kāi)挖施工作業(yè)期間，面臨工序多、干擾大、工期較長(zhǎng)的問(wèn)題。此外，在一些兼有導(dǎo)流任務(wù)的隧洞開(kāi)挖工程項(xiàng)目中，施工進(jìn)度的快慢一般會(huì)對(duì)整個(gè)工期起決定性的作用。因此，現(xiàn)代水工隧洞施工工藝改進(jìn)主要圍繞“縮短施工周期”而展開(kāi)。

2 水工隧洞常規(guī)開(kāi)挖施工的特點(diǎn)以及改進(jìn)之處

在水工隧洞開(kāi)挖實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)的具體問(wèn)題有：由于隧洞斷面尺寸較小，導(dǎo)致內(nèi)部施工的發(fā)揮極其有限；由于工序存在諸多交叉情況、相互之間特別容易產(chǎn)生干擾。因此，同一個(gè)工作面中的孔洞布置、巖層爆破、渣土外運(yùn)等作業(yè)環(huán)節(jié)必須按一定的周期進(jìn)行。受施工場(chǎng)地地形地勢(shì)等因素的影響，大中型高效率的開(kāi)挖機(jī)械設(shè)備無(wú)法運(yùn)抵隧洞之中，不僅導(dǎo)致施工效率偏低，有時(shí)候甚至連最基本的供電、通風(fēng)、排水、排煙等需求都無(wú)法滿足。對(duì)此類小斷面水工隧洞進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，一般采取的常規(guī)開(kāi)挖方法共兩種：①使用架管和調(diào)班，互相結(jié)合后完成掌子面開(kāi)挖平臺(tái)的搭設(shè)。在鉆孔開(kāi)挖作業(yè)以及起爆炸藥安裝工序全部完成后，先將該平臺(tái)拆除，待渣土全部運(yùn)出、放線測(cè)量全部完畢之后，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行重新搭設(shè)。②使用工字鋼或者槽鋼，在使用之前進(jìn)行焊接處理，形成框架結(jié)構(gòu)。之后在其上進(jìn)行鉆孔作業(yè)。根據(jù)需要，可在鉆出的孔中安放支護(hù)結(jié)構(gòu)或爆破炸藥，之后運(yùn)抵合適的水工隧洞位置，進(jìn)行支撐體系搭建或開(kāi)展爆破作業(yè)。上述水工隧洞施工工藝的改進(jìn)之處為將出渣車改裝成組裝鉆爆臺(tái)車。選用的除渣車最大運(yùn)輸量達(dá)到8 t，對(duì)后方的車廂進(jìn)行直接改裝，并在兩側(cè)焊接甲狀φ125 mm鋼管，形成立柱（兩側(cè)各焊接3根）。以此為基礎(chǔ)，在車斗底部向上選擇合適位置，沿著水平的方向再次焊接3根鋼管，由此便形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，可作為水工隧洞施工平臺(tái)。水工隧洞施工臺(tái)車如圖1所示（模板、托架和門架，模板安裝在托架上，托架通過(guò)豎向油缸連接支撐于小車上，小車可在門架上作水平橫向運(yùn)動(dòng)，門架安裝在行走裝置上；模板由拱頂模板、拱邊模板、上邊模板、下邊模板和小邊模板組成曲率隧洞的襯砌輪廓曲面。拱頂模板與拱邊模板之間使用螺栓連接，共邊模板與上邊模板、上邊模板與下邊木板的連接方式均為鉸接）。綜上所述，水工隧洞施工工藝的改進(jìn)重點(diǎn)是開(kāi)挖作業(yè)平臺(tái)，無(wú)須反復(fù)搭建、拆卸，只需利用出渣車，預(yù)先完成平臺(tái)焊接后，根據(jù)施工具體需要，開(kāi)到合適位置即可。

圖1 水工隧洞施工臺(tái)車

3 水工隧洞施工工藝改進(jìn)具體案例分析

3.1 工況簡(jiǎn)析

兩岔河水電站中的引水隧洞部分工程開(kāi)始時(shí)，引水隧洞引0+000—引0+194段接首部沉砂池，該段隧洞長(zhǎng)194 m，斷面尺寸為1.0 m×2.0 m，邊墻和底板均已襯砌，隧洞處于微風(fēng)化至弱風(fēng)化花崗巖體中，裂隙較為發(fā)育，裂隙間多夾有黃泥，局部洞段出現(xiàn)少量掉塊現(xiàn)象。引0+290—引0+293 m作為引水明渠，大部分渠道被崩坡積物堆積封堵，堆積體方量約5 m3，渠道斷面尺寸為1.0 m×1.8 m，該段渠道已襯砌。此外，部分無(wú)壓引水隧洞的斷面尺寸為1.25 m×1.9 m，城門洞型，邊墻和底板均已襯砌，隧洞處于微風(fēng)化巖體，裂隙不甚發(fā)育?？傮w而言，本工程水工隧洞由于情況復(fù)雜，施工難度較大，若工藝選擇不佳，很難如期完成。

3.2 施工工藝選擇及改進(jìn)

施工條件相對(duì)良好的水工隧洞區(qū)段不在本文討論范圍內(nèi)，只針對(duì)施工條件不佳的區(qū)域進(jìn)行闡述。圖2為水工隧洞爆破開(kāi)挖工程作業(yè)程序工況，在爆破作業(yè)之前，需進(jìn)行常規(guī)石方開(kāi)挖施工。除了上文所述的施工平臺(tái)改進(jìn)之外，其他改進(jìn)在于：地表覆蓋層、黏土層開(kāi)挖結(jié)束后，進(jìn)行基巖面地形測(cè)量，其成果作為竣工資料的一部分和石方開(kāi)挖計(jì)量的依據(jù)。巖石開(kāi)挖由上而下分層進(jìn)行，梯段爆破，考慮對(duì)基坑巖體的保護(hù)，梯段厚度按照具體建基各平臺(tái)高差（約3 m分層）[3]。建基平臺(tái)、基底面預(yù)留0.7 m厚的保護(hù)層，保護(hù)層開(kāi)挖采用手風(fēng)鉆鉆孔，少藥量弱爆破，局部采用人工撬挖到設(shè)計(jì)高程。爆破相關(guān)設(shè)計(jì)為梯段爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。初步擬定的爆破參數(shù)如下：鉆孔直徑為φ45 mm；鉆孔間距為1 m；鉆孔排距為1 m；梯段高度為3 m；鉆孔深度為3 m；鉆孔角度為600°～900°；超鉆深度為0.3～1 m；裝藥結(jié)構(gòu)為不耦合連續(xù)裝藥；堵塞長(zhǎng)度為1 m；起爆網(wǎng)絡(luò)布置為孔間順序微差起爆網(wǎng)絡(luò)。炮孔平面及立面布置分別如圖3和圖4所示。

圖2 水工隧洞爆破開(kāi)挖工程作業(yè)程序工況

圖3 炮孔平面布置

圖4 炮孔立面布置

鉆孔施工相關(guān)改進(jìn)工藝為：首先，由鉆孔人員嚴(yán)格按照測(cè)量放樣結(jié)果，完成孔位的選定以及孔斜的計(jì)算，之后按照對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，完成鉆孔深度的施工。在此期間，要求主爆孔孔位的平面挪動(dòng)誤差不得超過(guò)10 cm，孔深的誤差不得超過(guò)20 cm，預(yù)裂孔孔位在輪廓方向上左右挪動(dòng)范圍不得超過(guò)5 cm，孔深不得超過(guò)10 cm。預(yù)裂孔的開(kāi)挖作業(yè)需采用手風(fēng)鉆造孔工藝，具體的施工流程為：對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行調(diào)整，使其契合施工條件。完成定位之后，施工人員應(yīng)使用架尺、自制的量角器等工具，對(duì)鉆桿角度進(jìn)行測(cè)量。開(kāi)孔深度達(dá)到0.3 m、0.5 m、1.0 m時(shí)，應(yīng)分別對(duì)鉆孔角度進(jìn)行校正。在鉆進(jìn)深度達(dá)到1 m后，可持續(xù)正常鉆進(jìn)。鉆孔過(guò)程中跟蹤作好鉆孔記錄，掌握巖石地質(zhì)情況，每鉆完一孔后，進(jìn)行孔口保護(hù)，卸下鉆桿、鉆頭，量測(cè)實(shí)際孔深并記錄后才能進(jìn)行下一孔的施工[4]。若當(dāng)班未鉆完一個(gè)孔，將鉆孔參數(shù)如實(shí)記錄并交接。建基邊坡梯段預(yù)裂造孔立面布置如圖5所示。

圖5 建基邊坡梯段預(yù)裂造孔立面布置

3.3 效果評(píng)估

（1）將出渣車改裝為移動(dòng)施工平臺(tái)車之后，由于平臺(tái)的移動(dòng)方便程度大幅提高，因此可以根據(jù)工程整體進(jìn)度，隨時(shí)將施工平臺(tái)車開(kāi)到爆破作業(yè)面進(jìn)行施工。而在鉆爆以及裝藥作業(yè)完成之后，可以節(jié)省大量原本拆卸施工平臺(tái)的時(shí)間，只需將車輛迅速開(kāi)到安全地區(qū)即可。在爆破作業(yè)結(jié)束之后，在清除渣土的同時(shí)，還可以完成渣土量的測(cè)量，之后迅速進(jìn)行下一階段的爆破及開(kāi)挖作業(yè)。

（2）工程相關(guān)環(huán)節(jié)經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比。由于改進(jìn)后的移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)無(wú)須反復(fù)拆卸，故能夠大幅降低因焊接作業(yè)而造成的物料損毀，平臺(tái)的使用壽命會(huì)大幅延長(zhǎng)。此外，經(jīng)過(guò)改良處理后的鉆爆臺(tái)車由于是在后方車廂處進(jìn)行改裝，其前方車廂尚有大量空余空間，故可在此處設(shè)置一定當(dāng)量的水箱，能夠有效縮短常規(guī)鉆孔作業(yè)時(shí)需要鋪設(shè)的供水體系的搭設(shè)時(shí)間。因此，作業(yè)期間的用水十分方便，還能夠有效節(jié)省水管鋪設(shè)產(chǎn)生的成本。

（3）除了節(jié)省物料成本之外，也一定程度上降低了時(shí)間成本。相較于常規(guī)的施工平臺(tái)搭建—拆除—搭建—拆除的過(guò)程，在本工程中，僅僅對(duì)施工環(huán)境相對(duì)良好區(qū)域進(jìn)行常規(guī)開(kāi)挖（無(wú)須進(jìn)行爆破作業(yè)，只需直接開(kāi)挖即可），每一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖過(guò)程（上文提到，由于水工隧洞整體地形狹長(zhǎng)，開(kāi)挖至一定階段段之后，必須將產(chǎn)生的渣土等全部運(yùn)出，多次重復(fù)方可完成作業(yè)）可節(jié)省至少2 h的時(shí)間。累計(jì)之下，工期可以提前數(shù)天甚至十幾天。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)水工隧洞施工工藝的改進(jìn)之處集中在施工支架的搭建和拆除方面，可通過(guò)出渣車改裝，形成可移動(dòng)平臺(tái)。此外，在鉆孔、爆破等作業(yè)階段，需對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)多次計(jì)算，確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度。通過(guò)這兩個(gè)方面的工藝改進(jìn)可全面提高水工隧洞施工效率。