1、工程实践水利技术监督 年第 期:/法和钻爆法在长距离引水隧洞中的联合应用王明辉(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 湖南 长沙)摘要:在长距离引水隧洞方案设计时 隧洞施工方案通常是控制工程投资和进度的关键因素 因此合理选择施工方案是工程的重要任务 长距离引水隧洞开挖中 主要运用钻爆法和 法进行施工 文章针对某长距离引水隧洞施工 提出了敞开式 法和钻爆法联合应用方法 表明其在地质条件适宜性、对周边环境的影响、安全、工期、成本等综合方面具有优势 可以为类似工程提供参考关键词:引水隧洞 钻爆法 敞开式 法 联合应用中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:王明辉(年)男 工程师:
2、前言在长距离引调水工程中 除采用管道、渠道等输水方式外 受地形地质等条件的制约 还常常采用隧洞输水 隧洞施工方法的选择关系到整个引水工程的经济性和时间效益 因此 合理选择施工方法不仅是有效降低工程投资的要求 还是保证工程按期完工的重要保障钻爆法和敞开式 法是隧洞开挖的主要方式 钻爆法可适应各种地质条件 施工方便、洞径变化灵活 但施工质量一般较低、作业条件差、风险高 敞开式 法是采用锚喷支护的一类全断面隧道掘进机 在对掘进完整、有一定自稳性的围岩时 能充分发挥出优势 特别是在硬岩、中硬岩掘进中 强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力 具有掘进速度快、利于环保、对围岩扰动小、综合效益高等优点 本文针
3、对某长距离引水隧洞施工方法 从地质条件适宜性、对周边环境的影响、安全、工期、成本等方面进行了分析研究 提出了敞开式 法和钻爆法联合应用 为类似工程提供参考 敞开式 和钻爆法钻爆法是常规的岩石隧洞施工方法 已有 多年的历史 钻爆法对地质条件变化适应性较强灵活 钻爆法可适应各种地质条件 施工方便、洞径变化灵活 但施工质量一般较低、作业条件差、风险高 以控制爆破(光面爆破、预裂爆破等)为开挖方法 以锚喷支护作为主要支护手段 通过监测围岩变形情况 动态修正设计参数和变动施工方法 其核心内容是充分发挥围岩的自承能力 适用于各类围岩情况敞开式 法是采用锚喷支护的一类全断面隧道掘进机 通过撑靴支撑在开挖的隧
4、道岩壁上产生的摩擦力来提供刀盘掘进的推进力 在对掘进完整、有一定自稳性的围岩时 能充分发挥出优势特别是在硬岩、中硬岩掘进中 强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力 由于开挖和支护分开进行 使敞开式 刀盘附近有足够的空间用来安装一些临时、初期支护的设备如钢拱架安装器、锚杆钻机、超前钻机、喷射混凝土设备等 应用新奥法原理使这些辅助设备可及时地、有效地对不稳定围岩进行支护 实例分析 工程概况本工程主要功能是调水 至 年工程年引水总量为 万 其中城乡供水引水 万 农业灌溉引水 万 工程设计总引水流量为 /其 中 城 乡 供 水 设 计 流 量 为/灌溉设计流量为 /加大流量为 /枢纽建筑物由进水口、引水
5、隧洞、年第 期水利技术监督工程实践出水口等组成 其中引水隧洞全长 工程地质本工程主要跨越低山、丘陵地貌区 地形起伏较大 呈波浪状起伏 地表切割深 地表高程 相对高差较大 约 期间穿越的多座山岭呈近南北向延伸展布 沟槽间发育有冲沟及小河流 冲沟及小河流表层为砂卵石覆盖 沟底基岩处漏 岸坡植被发育良好 主要为橡胶林及原生林灌木丛根据地质调绘及钻孔揭露 隧址区覆盖层主要为第四系全新统冲洪积、第四系残坡积物 二叠至三叠系花岗岩 石炭系板岩夹变质砂岩本工 程 隧 洞 基 本 以 类 围 岩 为 主 总 长 段岩性以板岩为主 段为花岗岩 引水隧洞总长 类围岩长度 占比 类围岩长度 占比 类围岩长度 占比
6、类围岩长度 占比 比选分析隧洞施工方法主要从以下几个方面进行考虑:不同施工方法适应地质条件及适应范围 不同施工方法隧洞变形不同 对地下各种线路交及周边建筑物影响不同 不同施工方法的安全影响 不同施工方法的工期影响 不同施工方法对投资的影响 适应地质条件及适应范围钻爆法是常规的岩石隧洞施工方法 可适应各种地质条件 施工方便、洞径变化灵活 以控制爆破(光面爆破、预裂爆破等)为开挖方法 以锚喷支护作为主要支护手段 通过监测围岩变形情况动态修正设计参数和变动施工方法 可适用于各类围岩情况敞开式 法适用于岩石完整 有较好自稳性的硬岩和中硬岩层 岩石的抗压强度在 时最有利于掘进 可充分发挥其优势本工程为微
7、风化板岩夹砂岩洞段长度约 花岗岩洞长约为 其中、类围岩长度约占隧洞总长的 且、类花岗岩的平均抗压强度为 类微风化板岩夹砂岩平均抗压强度为 符合敞开式 适用的岩石条件 对周边环境的影响钻爆法施工对地面沉降控制 靠围岩自稳能力结合锚喷支护 控制围岩收敛及地表沉降 隧洞顶拱沉降值较大 一般为:类围岩 类围岩 类围岩 类围岩 在某水库引水(一期)工程中 对钻爆法施工的松动圈进行了测试(钻爆段隧洞断面为马蹄形成洞尺寸为 )钻爆法施工松动圈在 之间钻爆法施工爆破时产生的振动对周围建筑物影响比较大 容易引起建筑物开裂、玻璃震裂等 由于爆破产生大量的烟尘 施工时需要及时排出 目前国内爆破施工单掌子面距离洞口距
8、离一般不大于 同时爆破施工速度较慢 类围岩月开挖进尺一般为 为保证工期的情况下 一般施工支洞数量较多敞开式 法除始发洞、步进洞段需要采用少量炸药外 正常掘进时不再需要炸药爆破 施工作业面不会产生由于爆破产生的污染 振动和噪声小 对附近居民和建筑物影响小 某水库引水(一期)工程对 施工段松动圈进行测试 发现 施工松动圈在 以内 可见 施工对周围环境影响很小 安全环境钻爆法施工不可预见性因素较多 对施工质量要求高 施工安全风险较大 施工存在的主要工程地质问题为:塌方、涌水、涌砂、突泥等问题 对极不稳定的类围岩需要采取超前支护 拱架封闭成环 除对洞顶进行预加固外 对不稳定的掌子面也进行加固 对洞身及
9、洞顶一定范围内分布有丰富的基岩裂隙水的区段进行超前灌浆止水 并同时起到加固围岩和掌子面不稳定岩土体的作用 通过土体改良、地表注浆、地下水回灌等 来控制水土流失及前期沉降 炸药爆破化学反应产生的有毒气体及大量岩粉影响施工现场环境 爆破振动与施工噪声大 对操作人员健康伤害大敞开式 与钻爆法比较 对熟练工人的依赖程度降低了 并且不直接与掌子面接触 施工安全性提高了 此外 配备了护盾或保护罩 在刀盘内进行刀头更换 采用密闭的操作室 高性能的集尘机 安全性和作业环境都得到了改善 机械施工 污染小 振动和噪声相对要小 对操作人员健康影响小 施工工期钻爆法:利用布置的 条施工支洞形成多个个工作面同步施工 圆
10、拱直墙式断面尺寸为 出渣方式采用抓渣机和装载机装渣、翻工程实践水利技术监督 年第 期斗车运输、类围岩开挖支护进度按/月 类围岩按/月 类围岩按/月 施工总工期 月 如图 所示敞开式 法和钻爆法联合:进口到 支洞之间采用常规钻爆法施工 利用布置的 条施工支洞形成多个工作面同步施工 出口到 支洞之间选用直径为 敞开式 设备进行隧洞施工由引水隧洞出口进洞 使用 支洞作为拆机通道敞开式 法、类围岩开挖支护进度按/月 类 围 岩 按/月 类 围 岩 按/月 钻爆法、类围岩开挖支护进度按/月 类围岩按/月 类围岩按/月 施工总工期 月 如图 所示 施工成本目前使用 掘进机的纯开挖成本高于钻爆法 但由于其施
11、工对洞壁影响小 开挖面光滑尺寸较精确 故可以不支护或减少支护和衬砌工程量从而降低成本 同时掘进机的作业面少、作业人员少、人员的费用也少 因此对于长隧道(一般长度大于)掘进机施工的综合成本可以与钻爆法竞争 经综合比选分析 钻爆法综合单价约 万元/敞开式 法和钻爆法联合综合单价约 万元/钻爆法综合单价较低图 钻爆法施工工期分布图图 钻爆法和 法联合施工工期分布图 结语钻爆法和敞开式 法(含部分钻爆法)施工综合性能比较见表 由于本工程进水口至桩号 段岩性以板岩为主 且、类围岩总长度约 占比约 与、围岩交替分布 不适用于 法施工 本段隧洞采用钻爆法施工 桩号 洞段隧洞全线、类围岩占比 以上 推荐采用
12、法施工钻爆法和敞开式 法是隧洞开挖的主要方式 钻爆法可适应各种地质条件 施工方便、洞径变化灵活 但施工质量一般较低、作业条件差、风险高 敞开式 法具有掘进速度快、利于环保、对围岩扰动小、综合效益高等优点 但地质条件适宜性差 设备费用高 在长距离隧洞方案选择中采用敞开式 法和钻爆法联合应用的方案 可以充分发挥不同方法的优缺 提高综合效益 尤其对节约工期有利 但对于短距离隧洞或地质情况复杂的隧洞 由于 法设备费用过高或无法适宜复杂的地质条件 采用钻爆法施工无疑是首选方案综上 敞开式 法(含部分钻爆法)在对周边的影响、安全、环境保护方面具有优势 在施工工期方面 与钻爆法相比 可以提前 个月完工具有显
13、著优势 但是在综合单价方面较高 经济性(下转第 页)工程实践水利技术监督 年第 期参考文献 杨永国 韩宝平.用多变量时间序列相关模型预测煤矿涌水量.煤田地质与勘探 ():.李云峰 胥国富 左传明.梁花园煤矿涌水量估算.中国煤田地质 ():.朱宏军.鸳鸯湖矿区矿井涌水量预测方法研究.煤矿科学研究总院.米健 沐红元 李建国 等.基于解析法的岩溶隧洞地下水环境影响分析.水利技术监督():.周笑绿 杨国勇.煤矿突水量预测的近似方法.西安科技大学报 ():.周如禄 戴振学 李颖.煤矿涌水量预测的理论与实践.煤炭科学技术 ():.(上接第 页)表 钻爆法、敞开式 法(含部分钻爆法)施工比较表比较项目钻爆法
14、敞开式 法(含部分钻爆法)比选结果地质条件适宜性适应各种地质条件适用于岩石单轴抗压强度介于 的中硬岩及坚硬岩本工程均适用对周边影响靠围岩自稳能力结合锚喷支护 控制周围收敛及地表沉降 对地表影响较大 同时钻爆会对周边环境产生影响可有效控制周边变形和沉降 对周边建筑影响较小 法对周围影响较小施工工期需要开多个掌子面 施工工序繁多、交叉施工、施工组织管 理难度 大、平均 掘进速度慢可以连续开挖作业 施工速度快 工期短一般为钻爆法的 倍 可以同时完成破岩、出渣、支护等作业 效率高 掘进速度快 可节约大量工期安全影响遇到塌方、涌水等不良地质段 易对施工人员安全造成影响 隧洞穿越交叉建筑时 节点处理风险大
15、 不易控制沉降全断面掘进 配合及时支护 施工安全性相对较高 遇到不良地质段 提前做好超前支护 隧洞穿越交叉建筑时 可有效控制周边变形和沉降 更加安全 法施工更安全围岩质量爆破成洞 表面围岩震裂 强度降低 洞壁粗糙且凹凸不平 超挖量大机械破岩 对围岩扰动小 洞壁完整光滑超挖量小 掘进较优环境保护炸药爆破化学反应产生的有毒气体及大量岩粉影响施工现场环境 爆破振动与施工噪声大 对操作人员健康伤害大机械施工 污染小 振动和噪声相对要小对操作人员健康影响小 法施工环境更好 对施工作业人员健康影响也小经济性综合单价约 万元/综合单价约 万元/钻爆法 综 合 单 价 比 法略低略差 工程方案的比选不单是投资
16、的比较 本工程主要任务是解决某地区缺水问题 工程建设必要性迫切 工程尽早建设发挥效益 对当地经济社会发展意义重大 因此考虑安全因素、工期、施工难度、环境影响等因素 本工程主线引水隧洞施工工法推荐采用敞开式 法施工 常规钻爆施工 的方式组织施工参考文献 王爽.高海拔地区隧洞 施工方案研究.东北水利水电():.王学武.浅谈新奥法公路隧道施工的体会.甘肃科技纵横():.姜永宏 张爱玲.榆神工业区供水工程超长隧洞 施工适应性研究.陕西水利():.黄铭楷.德建水库供水工程输水隧洞采用钻爆法与 法施工方法的比选.广东水利水电():.徐顺通 杨靖 余志超 等.与钻爆法在并行长大引水隧洞施工中的适用性研究.施工技术 ():.张军伟 梅志荣 高菊茹 等.大伙房输水工程特长隧洞 选型及施工关键技术研究.现代隧道技术 ():.荆留杰 张娜 杨晨.及其施工技术在中国的发展与趋势.隧道建设 ():.杜立杰.中国 施工技术进展挑战及对策.隧道建设():.张晓伟 黄柏洪 王怀斌 等.输水长隧洞 的类型选择.水利水电技术 ():.刘冀山 肖晓春 杨洪杰 等.超长隧洞 施工关键技术研究.现代隧道技术 ():.张谷鹏.施