羅剛強(qiáng)，張宏博，李金龍

(浙江省水利水電建筑監(jiān)理有限公司，浙江 杭州 310020)

水庫大壩在防洪、灌溉、發(fā)電、供水、養(yǎng)殖、旅游等方面發(fā)揮著重要的作用，是區(qū)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(dān)削峰攔洪的工程任務(wù)，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(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全國水利建設(shè)全面提速[3]，水利建設(shè)不斷加快，病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)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(gòu)筑物等擾動小和對周邊環(huán)境和居民影響小的隧洞掘進(jìn)方法進(jìn)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(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工等單位成立專家組，經(jīng)過多地考察調(diào)研、方案比選，最終確定交通洞掘進(jìn)施工方法，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧洞銑挖法施工技術(shù)。該技術(shù)對鄰近土體擾動小、進(jìn)度快、施工效率高[4-5]，全程無爆破產(chǎn)生的振動波，對圍巖擾動量小，對圍巖破壞小[6]。優(yōu)先采用銑挖法進(jìn)行隧洞快速開挖已成為當(dāng)今世界發(fā)展趨勢[7]。通過本工程的應(yīng)用實(shí)踐，懸臂式掘進(jìn)機(jī)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(wěn)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(qū)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(shè)內(nèi)容包括新建進(jìn)口閘、泄洪洞及出口段，發(fā)電尾水渠防護(hù)、泄洪渠改造及交通洞等。工程等別為Ⅱ等，進(jìn)口閘、泄洪洞、出口段等主要建筑物級別為2級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇；建筑物抗震設(shè)計(jì)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(qiáng)度22.9～140.5MPa，軟化系數(shù)0.76，巖石強(qiáng)度差異較大，圍巖初判整體以Ⅳ類為主。交通洞進(jìn)口布置于距左壩頭約80m的山坳內(nèi)，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(xué)校。

2 機(jī)型選擇及其工作原理

2.1 機(jī)型選擇

懸臂式掘進(jìn)機(jī)分為輕型、中型、重型3種。其結(jié)構(gòu)主要是由發(fā)動機(jī)、液壓系統(tǒng)、工作裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成。當(dāng)隧洞鉆孔巖樣天然單軸抗壓強(qiáng)度≤60MPa時(shí)，選用輕型懸臂式掘進(jìn)機(jī)；當(dāng)巖樣天然單軸抗壓強(qiáng)度變化范圍為60～120MPa時(shí)，選用中型懸臂式掘進(jìn)機(jī)[8]；當(dāng)巖樣天然單軸抗壓強(qiáng)度≥120MPa時(shí)，應(yīng)選用重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)[9]。

選用型號EBZ260中型懸臂式掘進(jìn)機(jī)，切割電機(jī)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(dá)31m2，經(jīng)濟(jì)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(dá)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(jìn)機(jī)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(jī)提供動力源，軸套傳至二級行星減速器，經(jīng)懸臂段，將動力傳遞給切割頭，通過切割頭的旋轉(zhuǎn)和履帶推進(jìn)實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)運(yùn)動，通過切割頭的旋轉(zhuǎn)和升降以及回轉(zhuǎn)臺水平回?cái)[，實(shí)現(xiàn)鏡像切割，從而達(dá)到破碎圍巖的目的。

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

3 工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 工藝流程

施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→清表→測量放線→懸臂式掘進(jìn)機(jī)就位→試車→超前支護(hù)→掘進(jìn)→出碴→運(yùn)輸→支護(hù)施工→下一個(gè)循環(huán)。

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1施工準(zhǔn)備

(1)施工風(fēng)、水、電準(zhǔn)備。安裝空壓機(jī)、通風(fēng)機(jī)，接入生產(chǎn)用水，從總配電箱接入電源。

(2)測量放樣。標(biāo)出隧洞進(jìn)出口高程、中心線、位置，準(zhǔn)確繪出開挖輪廓線。

(3)懸臂式掘進(jìn)機(jī)就位。挖掘機(jī)洞口清表，平整場地，懸臂式掘進(jìn)機(jī)就位、試車。

3.2.2隧洞掘進(jìn)及出碴

(1)確定切割面積和一次最大鉆進(jìn)深度與巖石硬度之間的關(guān)系。根據(jù)巖石的節(jié)理發(fā)育狀況、裂隙的含水率、硬度，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的主要參數(shù)，優(yōu)化懸臂掘進(jìn)機(jī)切割路線，如圖1所示。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)切割路線圖

(2)懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖，現(xiàn)場設(shè)監(jiān)護(hù)人員1名，依據(jù)紅外線定位開挖輪廓，進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。

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

(4)切割斷面應(yīng)自下而上進(jìn)展，以利于裝載和機(jī)器的穩(wěn)定性，可提高生產(chǎn)率。

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

3.2.3隧洞支護(hù)

(1)Ⅳ～Ⅴ類圍巖支護(hù)。采取“先超前支護(hù)再一掘一支護(hù)”的方式進(jìn)行支護(hù)施工。

(2)先進(jìn)行超前管棚或小導(dǎo)管支護(hù)，再開挖一循環(huán)后，先初噴混凝土。

(3)初噴混凝土完成后，進(jìn)行鋼拱架安裝、錨桿鉆孔制安、掛網(wǎng)，再噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，如此循環(huán)掘進(jìn)。

4 主要材料和設(shè)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(shè)備

設(shè)備情況見表2。

表2 設(shè)備情況表

5 質(zhì)量與安全控制

5.1 質(zhì)量控制

材料進(jìn)場(水泥、鋼材等原材料與中間產(chǎn)品)應(yīng)按《單元工程評定標(biāo)準(zhǔn)》及有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)[10]。施工應(yīng)執(zhí)行SL 47—2020《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》、GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》、SD J57—85《水利水電地下工程錨噴支護(hù)施工技術(shù)規(guī)范》、JGJ/T 372—2016《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、SL 677—2014《水工混凝土施工規(guī)范》的規(guī)定。

(1)施工中定期測量校正隧洞方向、標(biāo)高、輪廓線。

(2)嚴(yán)格控制超挖量在5%內(nèi)，減少支護(hù)作業(yè)的充填量。

(3)鋼拱架、錨桿、掛網(wǎng)等應(yīng)按設(shè)計(jì)圖施工，鉆孔、錨桿和注漿等工藝，均應(yīng)檢查驗(yàn)收合格。

(4)噴混凝土的配合比設(shè)計(jì)，應(yīng)通過試驗(yàn)確定合理的參數(shù)。

(5)噴射施工時(shí)，層層噴射，確保厚度，使混凝土均勻密實(shí)，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(zhì)量。

(6)預(yù)埋規(guī)定長度的檢驗(yàn)鋼筋以量測噴混凝土厚度，作業(yè)結(jié)束后，進(jìn)行厚度檢驗(yàn)。

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(shù)規(guī)程》的規(guī)定。施工用電要符合JG J46—2005《施工現(xiàn)場臨時(shí)用電安全技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。施工機(jī)械的使用應(yīng)符合JG J33—2012《建筑機(jī)械使用安全技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。

(1)施工前對作業(yè)人員進(jìn)行環(huán)保與安全技術(shù)交底，未參加交底的人員不得進(jìn)入施工現(xiàn)場，進(jìn)入工地必須佩戴好安全帽等防護(hù)用品。

(2)操作人員上崗前，必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，熟練掌握機(jī)械操作性能，經(jīng)考核取得操作證后上機(jī)操作。

(3)當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，切割臂下不允許站人；切割頭必須在旋轉(zhuǎn)情況下才能貼靠工作面。

(4)切割時(shí)要根據(jù)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(jìn)入切割時(shí)，應(yīng)點(diǎn)動操作手柄，緩慢進(jìn)入巖壁切割，以免發(fā)生扎刀與沖擊振動。

(5)在進(jìn)入截割懸臂下面工作時(shí)，應(yīng)做好充分的支護(hù)；出現(xiàn)緊急情況，立即按下急停按鈕，停止設(shè)備運(yùn)行。

(6)在掘進(jìn)機(jī)工作期間，任何人不允許在危險(xiǎn)區(qū)域停留。

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

(8)洞內(nèi)每5m布置一個(gè)量測斷面，開展拱頂下沉等安全監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)異常立即采取安全措施。

5.3 環(huán)保措施

施工現(xiàn)場應(yīng)符合GB/T 50640—2010《建筑工程綠色施工評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》和JGJ 146—2013《建設(shè)工程施工現(xiàn)場環(huán)境與衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。

(1)懸臂式掘進(jìn)機(jī)等噪聲源設(shè)備在使用過程中，應(yīng)采取有效的隔聲措施。

(2)施工車輛尾氣排放應(yīng)滿足環(huán)保部門的排放標(biāo)準(zhǔn)，禁止排放施工油污，避免有害物質(zhì)污染土地和周圍環(huán)境。

(3)有效控制揚(yáng)塵，對易揚(yáng)塵的材料及裸露場地進(jìn)行覆蓋，設(shè)置車輛沖洗設(shè)施，并在每天早、中、晚時(shí)段安排灑水車灑水，專人定期清掃，防止揚(yáng)塵。

(4)隧洞施工泥漿、污水、廢水禁止排入飲用水源保護(hù)區(qū)和II類水體，應(yīng)采取環(huán)保措施，設(shè)置沉淀池，經(jīng)處理系統(tǒng)處理，達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》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(jìn)機(jī)施工期間，按規(guī)定對洞內(nèi)、臨近壩體、學(xué)校、周邊建筑物基礎(chǔ)四周，開展了安全監(jiān)控量測。隧洞表面變形、隧洞收斂、鋼拱架應(yīng)變、噪聲、振動等指標(biāo)均在控制范圍內(nèi)，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(tǒng)的鉆爆法施工，爆破振動對臨近壩體易產(chǎn)生擾動，可能造成山體滑坡和大壩失穩(wěn)，影響大壩整體安全及周邊建筑物安全。同時(shí)，爆破振動、噪聲也會影響附近學(xué)校正常教學(xué)。

6.1.2作業(yè)安全性高

該技術(shù)全部采用機(jī)械施工，洞內(nèi)懸臂式掘進(jìn)機(jī)只需1人操作，1人監(jiān)護(hù)，機(jī)械操作人員站在鋼拱架支護(hù)下作業(yè)，安全性更高。而傳統(tǒng)的鉆爆法施工，每班需要9人，由于振動容易造成圍巖強(qiáng)度降低、巖石結(jié)構(gòu)松動、巖石結(jié)構(gòu)局部破裂等不利情況，暴露風(fēng)險(xiǎn)更高，易造成人員傷害，與銑挖法比作業(yè)安全性相對較差。

6.2 時(shí)間效益

交通洞原施工組織設(shè)計(jì)采用“短進(jìn)尺、少藥量、弱爆破”鉆爆法施工，工期計(jì)劃110天。本工程采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧洞銑挖法，自2021年9月7日正式進(jìn)洞掘進(jìn)，至11月9日全線貫通，洞挖、鋼拱架支護(hù)等作業(yè)全部完成，用時(shí)63天。與原計(jì)劃相比工期縮短了47天，為上游泄洪洞、進(jìn)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(shí)間?？梢?，該技術(shù)在縮短工期方面效果顯著，效率高。

6.3 經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)過核算，全長110米的交通洞貫通，總費(fèi)用為156.51萬元(不含支護(hù)費(fèi)用)，計(jì)1.42萬元/米。該技術(shù)可以快速準(zhǔn)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(hù)作業(yè)的充填量，進(jìn)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(yōu)勢明顯。

7 結(jié)語

懸臂式掘進(jìn)機(jī)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(hù)環(huán)境。該技術(shù)不僅安全可靠、操作簡單，而且能節(jié)省成本，經(jīng)濟(jì)和社會效益明顯。該技術(shù)將促進(jìn)水利工程施工技術(shù)進(jìn)步，對類似工程、類似工況具有借鑒意義。該技術(shù)在硬巖(強(qiáng)度≥120MPa)中應(yīng)用效果如何，需做進(jìn)一步研究。