胡其林,張 萍,羅 臣

(中國水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

0 引言

隧洞施工主要以鉆爆法為主,并由早期生產(chǎn)效率低、勞動強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境惡劣的人工鉆爆向機(jī)械化程度比較高的鑿巖臺車鉆爆轉(zhuǎn)型,大體上可以劃分成三個時期:人力開挖、小型機(jī)械輔助施工、自動化與智能化施工。法沃羅公路隧洞、萊明肯勒公路隧洞、韋塔斯特隆隧洞等國外鉆爆法施工中通過采用鑿巖臺車在節(jié)約成本方面取得了比較好的成績。隨著我國隧洞施工技術(shù)、施工機(jī)械設(shè)備和施工管理水平的提高,隧洞施工速度和復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)能力也不斷提高。

諸多學(xué)者對機(jī)械化鉆爆施工方法和工藝展開了研究。王孝賢等[1]從速度、質(zhì)量、安全、環(huán)保和能耗方面,對比了機(jī)械化鉆爆施工和大量人工半機(jī)械化鉆爆施工的區(qū)別,總結(jié)了隧道機(jī)械化鉆爆法施工的技術(shù)優(yōu)勢和推廣應(yīng)用難點(diǎn);徐穩(wěn)超等[2]以貴廣鐵路雙線隧道機(jī)械化配套的施工資源配置情況為例,從進(jìn)度、安全、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等要素入手,采用定量與定性相結(jié)合的方式,對雙線隧道機(jī)械化配套適用性進(jìn)行了系統(tǒng)地分析;穆雪野等[3]對比總結(jié)了公路隧道人工鉆爆法施工和機(jī)械化鉆爆法施工的工藝流程區(qū)別與經(jīng)濟(jì)性差異;楊年華[4]分析了隧道施工鉆爆作業(yè)的難點(diǎn),闡述了隧道鉆爆作業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的必要性及面臨的挑戰(zhàn),提出了提升隧道機(jī)械化鉆爆作業(yè)的途徑。

本文以引江補(bǔ)漢工程輸水總干線出口段輸水隧洞及檢修交通洞工程為依托,介紹隧洞機(jī)械化施工情況,通過分析該隧洞施工工藝特征,提出了適應(yīng)該隧洞工程的機(jī)械化鉆爆施工工藝方法,并嘗試總結(jié)隧洞機(jī)械化鉆爆施工的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 工程概況

1.1 輸水隧洞概況

引江補(bǔ)漢出口段輸水隧洞長5 085 m,為圓形斷面,過水洞徑10 m,縱坡-1/2 300,最大埋深209 m,最小埋深僅34 m(兩鄖斷裂)。Ⅲ類圍巖洞段長約3 94 0m,Ⅳ類圍巖洞段長581 m,Ⅴ類圍巖洞段長564 m。輸水隧洞典型斷面如圖1所示。

圖1 輸水隧洞典型斷面

1.2 檢修交通洞概況

檢修交通洞施工期作為出口段輸水洞隧洞的施工通道;運(yùn)行期作為輸水隧洞的檢修交通洞。檢修交通洞長約865 m,為馬蹄形,最大凈斷面8.5 m×7.0m(寬×高),最大縱坡13 %。埋深一般9～200m,穿越地層巖性主要為輝綠巖。隧洞Ⅲ類圍巖段長728.9 m,Ⅳ類圍巖段長73.0m,Ⅴ類圍巖段長56.0m。檢修交通洞典型斷面如圖2所示。

圖2 檢修交通洞典型斷面

2 隧洞機(jī)械化施工應(yīng)用情況

2.1 輸水隧洞

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)

統(tǒng)計(jì)周期內(nèi),輸水隧洞正在進(jìn)行洞口段開挖支護(hù)。洞口段長15 m,按照Ⅲ1-OSF1-DB型開挖支護(hù),城門洞形,開挖寬度11.9 m,開挖高度11.65 m。施工期間分臺階開挖,其中上臺階高6.9 m,下臺階高4.2 m。支護(hù)類型為C25錨桿@1.2 m×1.2 m,L=6 m;噴混凝土25 cm,鋼拱架間距50 cm,施工超前小導(dǎo)管20#43φ42×3.5 mm@30 cm,L=4.5 m。支護(hù)如圖3所示。

圖3 Ⅲ1-OSF1-DB型開挖支護(hù)

(2)施工方法

開挖爆破和支護(hù)造孔:1臺2臂鉆機(jī)。

噴混凝土:1臺機(jī)械臂濕噴臺車。

錨桿安裝和注漿:人工+砂漿注漿機(jī)。

循環(huán)進(jìn)尺:采用光面爆破,造孔孔深1.5 m,單循環(huán)進(jìn)尺1.2～1.3 m。

火工材料:32 mm乳化炸藥,單卷200g;數(shù)碼電子雷管起爆。

渣料運(yùn)輸:采用反鏟扒渣,裝載機(jī)裝車,20m3自卸汽車運(yùn)輸。

(3)資源配置

輸水隧洞主要機(jī)械設(shè)備及人員投入詳見表1和表2。

表1 主要機(jī)械投入

表2 主要人員投入

(4)工效分析

統(tǒng)計(jì)周期內(nèi),上臺階進(jìn)洞共計(jì)15 m(上臺階斷面67.5 m2),共計(jì)歷時13個日歷天,每循環(huán)進(jìn)尺1.2 m;日均進(jìn)尺1.15 m,日均開挖量78 m3。各工序時間見表3。

表3 輸水隧洞上臺階開挖工效

2.2 檢修交通洞

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)

檢修交通洞全斷面開挖為Ⅲ1-AT-DB,馬蹄形斷面,寬8.2 m,高7.25 m,斷面開挖方量62 m3/延米。支護(hù)類型為C25錨桿@2 m×2 m,L=4.5 m;噴混凝土10 cm。支護(hù)如圖4所示。

圖4 檢修交通洞Ⅲ1-AT-DB開挖支護(hù)

檢修洞洞口23 m為Ⅳ2-ATF2-DB類圍巖,馬蹄形斷面,寬10.8 m,高11.2 m,斷面開挖方量112.6 m3/延米。支護(hù)類型為C25錨桿@1.2 m×1.2 m,L=6 m;噴混凝土25 cm。支護(hù)如圖5所示。

圖5 檢修交通洞Ⅳ2-ATF2-DB開挖支護(hù)

(2)施工方法

爆破和支護(hù)造孔:2臺3臂鉆機(jī),其中1臺為備用,輔助打錨桿使用。

噴混凝土:1臺機(jī)械臂濕噴臺車。

錨桿安裝和注漿:砂漿注漿機(jī)+人工。

循環(huán)進(jìn)尺:光面爆破,造孔孔深4.0m,單循環(huán)進(jìn)尺3.5 m。

火工材料:32 mm乳化炸藥,單卷200g;數(shù)碼電子雷管。

渣料運(yùn)輸:采用反鏟扒渣,裝載機(jī)裝車,20m3自卸汽車運(yùn)輸。

(3)資源配置

檢修交通洞主要機(jī)械設(shè)備及人員投入詳見表4和表5。

表4 主要機(jī)械投入

表5 主要人員投入

(4)工效分析

①洞口擴(kuò)大段類Ⅳ類圍巖

洞口為Ⅳ類圍巖,分上下臺階開挖。日均進(jìn)尺0.8 m,開挖方量90m3。由于該部位施工對工效分析不具有代表性,故不作分析。

②全斷面Ⅲ類圍巖

結(jié)合實(shí)際情況,對樁號為K0+047～K0+174,圍巖為Ⅲ類圍巖的全斷面開挖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)時段內(nèi)全斷面開挖進(jìn)尺127 m,日均進(jìn)尺4.23 m。各工序時間見表6。

表6 檢修交通洞全斷面開挖工效

3 洞身開挖超欠挖情況及原因分析

3.1 超欠挖情況

(1)輸水隧洞

通過對開挖完成的施工部位的超欠挖情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,最大超挖61.5 cm,無欠挖,實(shí)際平均超挖40.4 cm,規(guī)范允許超挖20 cm,實(shí)際超挖量考慮后期用襯砌混凝土回填。具體詳見表7。

表7 輸水隧洞開挖超欠挖情況統(tǒng)計(jì)(不含底板)

(2)檢修交通洞

通過對開挖完成的施工部位的超欠挖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,最大超挖41.8 cm,最大欠挖14 cm,實(shí)際平均超挖13.28 cm,規(guī)范允許超挖20 cm,實(shí)際超挖未超規(guī)范允許值。實(shí)際超挖量考慮后期用襯砌混凝土回填具體詳見表8。

表8 桐木溝檢修交通洞開挖超欠挖情況統(tǒng)計(jì)(不含底板)

3.2 超欠挖原因分析

通過以上測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知,現(xiàn)階段隧洞開挖整體存在超挖過大現(xiàn)象,導(dǎo)致超挖的原因有:

(1)在施工過程中采用多臂鉆造孔時,由于鉆機(jī)臂不能緊貼巖壁,采用挑桿方式鉆孔。

(2)鉆機(jī)操作手熟練程度存在差異。

(3)隧道開挖方向?yàn)橄缕?縱坡最大坡降為13 %,在造孔過程中角度控制不到位。

(4)未根據(jù)實(shí)際情況及時調(diào)整爆破裝藥,造成超挖。

4 結(jié)論

本文依托引江補(bǔ)漢工程輸水總干線出口段輸水隧洞和桐木溝檢修交通洞,對大斷面輸水隧洞機(jī)械化鉆爆施工的工效、超欠挖、成本等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析,主要結(jié)論如下:

(1)機(jī)械化鉆爆工藝大幅度縮短了隧洞開挖的循環(huán)時間,有利于工程工期的提前;減少了隧洞內(nèi)同時作業(yè)的人員數(shù)量,特別是掌子面作業(yè)人員,顯著增強(qiáng)了施工安全性。

(2)采用多臂鑿巖臺車進(jìn)行機(jī)械化鉆爆施工,較人工鉆爆施工的成孔效率更高、角度控制更加精準(zhǔn),尤其在堅(jiān)硬圍巖情況,鉆孔效率更加驚人。同時產(chǎn)生污染較小,有利于改善洞內(nèi)惡劣施工條件。

(3)從現(xiàn)階段成本測算分析,本項(xiàng)目處于虧損狀態(tài),主要原因是機(jī)械化鉆爆施工配套設(shè)備的成本和維修價(jià)格高。但在人工成本上得到了節(jié)約,并且隨著工作面的鋪開和大范圍應(yīng)用,機(jī)械攤銷費(fèi)用有望進(jìn)一步降低。

(4)由于多臂鉆鉆機(jī)臂不能緊貼巖壁,采用挑桿方式鉆孔,其開挖質(zhì)量極大程度取決于操作人員的技術(shù)水平,因此周邊輪廓線存在不同程度的超挖現(xiàn)象。

目前水利工程中隧洞全機(jī)械化施工尚未大規(guī)模應(yīng)用,針對水利工程隧洞機(jī)械化鉆爆施工相關(guān)設(shè)計(jì)及施工規(guī)范指標(biāo)、配套定額等均需要進(jìn)一步完善。同時從人員培訓(xùn)和設(shè)備改裝上提出針對性方案,控制隧洞超欠挖。