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摘要：伴随当前社会经济快速发展，我国水利建设也获得长足的进步，水利建设是一项综合工程，集社会效应、生态效应、经济效应为一体，在水利工程隧洞施工的时候，造成坍塌的原因多种多样，为了确保施工质量，防止出现坍塌事故，一定要对相关影响因素进行分析，通过合理有效的方式进行处理和预防，选择科学的施工技术，让水利水电工程隧洞的施工质量提高，本文重点分析水工隧洞的施工特点以及相关的开挖方式，并且研究水利工程隧洞开挖施工的关键技术，以供参考。
关键词：水利工程；隧洞开挖；施工特点；开挖方式；技术要点
1 水工隧洞的施工特点
1.1 水流特点
泄水隧洞特点在于能量集中，单宽流量大，而且出口的流速比较高，隧洞进口一般在水下比较深的位置，由于水位较深，所以导致闸门会承受较大的水压力，这就需要闸门的启闭机容量较大，而且刚度较大，在高水头无压泄水隧洞当中，容易由于水流的高速作用，而导致洞身出现空蚀破坏或者振动情况，一些有压隧洞还会需要承受较大的内水压力，如果出现衬砌漏水等情况，压力水会向围岩裂缝当中渗入，形成附加渗透压力，而对岩体的稳定性造成很大的影响，所以需要具有足够的衬砌以及较厚的围岩。
1.2 结构及施工特点
水工隧洞是由山体中开挖而形成的一种地下结构，其受力结构形状物和围岩的强度息息相关，在开挖隧洞之后，将岩体原有的平衡状态打破了，就会造成孔洞的附近出现应力重分布等情况，而导致岩体出现一定的形变，如果情况较为严重，还有可能出现坍塌，所以在隧洞中需要设置一些支护和相应的永久性衬砌，让隧洞施工过程中和运行过程中的安全性得到保障，与地面的建筑进行比较可以发现，水中施工的工序较多，而且在施工过程中会受到多种因素的干扰。
1.2 洞线选择
第一在进行隧道线路选择的过程中，地质条件是决定性因素，在隧洞设置的过程中需要尽量在一些坚硬的岩际处进行布置，避开一些地下水丰富以及破碎带，线路轴线需要和结构断裂面岩层层面和一些节理裂缝面具有较大的夹角在选择隧洞出入口的过程中，要选择一些无滑坡完整、稳定的位置，另外在隧洞路线选择的过程中，要保证较直较短，让工程费用和水头损失的情况得到控制，如果由于一些地质地形等条件的影响，一定要转弯，需要控制转弯半径超过五倍的洞宽或洞泾，让水流更为平顺，第三，在隧洞当中需要一定的埋置深度，让衬砌的厚度减少，通常条件下侧面以及顶部的岩层厚度需要超过三倍的隧洞洞径或者洞宽，第四需要重视施工的方便性，在长洞当中需要设置相应的制动和竖井，需要让开挖工作面增加，让施工的进度进一步提高，方便进料和出渣。
2 水利工程隧洞开挖方式
隧洞开挖的过程中，可以选择导洞开挖法以及全断面开挖法两种方式，选择开发方式的过程中需要重视隧洞围岩的实际情况、施工的技术水平、机械设备断面尺寸等，通过合理的开挖方式，可以节约工程成本，让施工进度进一步提高，在确保施工质量和施工安全方面具有非常重要的意义。
2.1 全断面开挖法
全断面开挖法主要是把整个断面进行一次钻爆，开挖成洞，等到整个洞都贯通之后，依照围岩的暴露时间和具体施工安排情况，进行相应的支护和衬砌操作，这种施工方式对一些为人较为坚硬的场合非常适用，全断面开挖当中工序的作用干扰性较小，而且洞内具有较大的工作面，在施工的过程中易于组织，而且掘进的速度比较快，全断面开挖可以依照隧洞的面积大小以及设备的能力，通过台阶掌子掘进或者垂直掌子掘进。垂直掌子掘进主要是作用空间大、开挖面数值的区域，如果，在施工的过程中具有大型的施工设备，那么施工的进度会比较快，而且具有较高的作业效率，台阶掌子决定主要是将断面分成两个部分，分为上、下两层，上层比下层掘进的速度快，这样可以更好的出渣，另外上层的超前距离需要控制在2到3.5米左右，另外需要保证上、下层同时进行爆破，等到通风散烟工作完成后，需要将上台阶的废渣进行及时处理，并向下台阶扒渣，再下台阶出渣的时候上台阶又可以进行相应的钻孔操作，因为下台阶爆破是在临空面进行的，所以会让炸药的使用量大大减少，与此同时，如果隧洞断面的面积比较大，另外没有台车等大型设备，这种方式是非常合适的。
2.2 导洞开挖法
导洞开挖法需要在开挖断面首先进行一个小断面洞的开挖，作为先导，接着再对其进行扩大，根据相关的要求，形成不同的形状和断面尺寸。在开挖方式选择的过程中，可以通过导洞对地质情况进行探测，将施工排水问题得到彻底解决。在贯通导洞之后，还可以让洞内的通风条件大幅度的改善，让断面扩大时，导洞可以让临空面增加，让爆破的效果提高，依照扩大部分的开挖次序和导洞的情况，在方法选择方面可以分为导洞并进以及导洞专进两种。导洞专进主要指的是全部贯通导洞之后，再将部分位置扩大，有利于了解地质情况以及通风，然而洞内的施工设施通常条件下需要进行二次铺设，往往会消耗大量的人力、物力以及时间，除了一些复杂地质情况以外，通常不使用这种方法，而导洞并进法主要是先开挖一定距离的导洞，通常条件下在10米到15米，接着在开挖导洞和开挖断面的过程中同时进行，导洞开挖法通常条件下在一些断面尺寸较大、工程较为恶劣的环境下使用。
2.2.1 上导洞开挖法
导洞主要在隧洞的顶部进行布设，需要保证开挖的对称性。这种方法主要在一些地质条件较差的地方布置，地下水当中的含量不足，没有较高的机械化水平不高的条件下使用。其优点在于能够容易的解决安全的问题，比如说在对顶部的围岩进行破碎，在开挖工作完成后可先进行衬砌操作；其缺点也很多，主要是出渣的线路要进行二次铺设，无法方便的进行施工排水，造成顶拱衬砌以及开挖的过程出现干扰的情况，在施工的过程中速度无法达到要求。对开马口主要是同时开挖同一衬砌段的两个马口，接着进行衬砌操作。从安全的角度分析，需要控制每次开挖马口的长度，通常条件下距离控制在4m～8m。地质条件相对比较好，围岩和拱圈在粘结方面比较牢的情况下，通过对开马口的方法进行操作能够让施工干扰的情况大幅度降低，防止出现爆破造成对面边墙打坏的情况。如果围岩相对松散，那么错开马口的方法比较合适。也就是每个衬砌段在两个马口开挖的过程中并不是处于同时进行的状态，在开挖了一个马口后需要马上浇筑衬砌混凝土，如果强度符合设计强度的70%的时候，再对另一个马口进行开挖和浇筑，在完成各段马口开挖工作后需要进行交叉操作。也能够对隧洞顶拱进一步开挖。
2.2.2 下导洞开挖法
导洞在断面的下部布置，这种开挖方式，对于一些断面不大、动线较长，围岩较为稳定的区域比较适合，其优点在于在断面扩大的过程中，可以通过上部岩石的自重，让爆破的效果提高，而且洞内只需要一铺设一次相关的设施，与此同时排水较为容易，而且清理，比较方便，施工的过程中速度比较快，其缺点在于顶部扩大的过程中，钻孔相对困难，而且，石块容易由于自重的作用而坠落，不容易控制岩石的形状，如果出现不良地质，会严重影响施工安全。
2.2.3 中间导洞开挖法
在这种施工方法当中，导洞一般在断面的中部，在开挖道路之后再向四周扩大，这种方式对于一些围岩坚硬的区域比较合适，不需要进行临时支撑的设置。另外可以使用柱架式钻机。柱架式钻机主要向四周进行辐射钻眼，在扩大断面方面具有非常重要的作用，然而由于导洞和扩大部分同时进行操作，导洞当中很难进行出渣。
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2.2.4 双导洞开挖法
双导洞开挖主要分成两种，上下导洞法、两侧导洞法。两侧导洞法主要是在开挖断面的边墙内底部部分分别进行导洞的设计，这种方式对于一些地下水较为严重，围岩相对破碎松软的场景比较适合，需要边开挖边衬砌。上下导洞法主要是在开挖断面的过程中，在其底部和顶部分别进行导洞的设置，这种方式对于一些缺少大型设备，上开挖面较大的情况比较适合。上导洞主要用来扩大，下导洞的作用在于出水和排渣，上下导洞之间可以利用竖井之间进行连接。
3 水利工程隧洞开挖施工关键技术要点
3.1 工程概况
某水电站左岸导流洞断面属于是城门洞型的结构，在最终成型后，其断面的尺寸需要控制在12.5×16.0m，开挖断面的尺寸在宽度为14.1m到16.5m，长度需要控制在17.2m在19.0m之间，在衬砌的厚度方面一般控制在60cm～150cm。
3.2 施工难点
在本工程当中，洞室围岩通常条件下是花岗岩，主要有以二类围岩和三类围岩为主，局部的洞段断层、断裂密集带通常条件是四类、五类围岩。因为其支护开挖的工作量非常大，需要对多工作面进行同时操作，一定要理清思路，对施工工序进行合理安排，只有如此才能符合工期的具体需要，对设备进行合理的布设。所以，在隧洞上层石方洞挖钻孔方面需要使用H一178多臂钻，出碴方面选择的是CAT966F装载机；下层钻孔的过程中使用的是D7独臂钻、CM351潜孔钻需要和H一178多臂钻进行配合进行操作，这样才能确保符合混凝土浇筑的垂直运输的需要。
对于一些洞室较差的地方，在围岩开挖的过程中，需要注意采取一些让钻孔深度减少、对装药量进行控制的方案；在开挖的时候进行支护的设置。完成开挖工作后需要对喷锚进行及时跟进等安全支护。导流洞开挖断面的高度比较高，而且跨度大，在本工程当中，属于进行工期控制过程中的关键项目，在施工的过程中，需要较高的质量。导流洞在开挖的过程中使用的是钻爆法，从上到下进行分层操作，依照“新奥法”原理进行操作，需要在相邻部位进行爆破的时候及时错开。在施工的时候，各层锚喷混凝土支护需要随着各层开挖进一步跟进，上部在开挖的过程中使用光爆的方法，下部在开挖的过程中先通过预裂爆破，在开挖保护层，对开挖质量进行控制，避免爆破的过程中影响和破坏附近的围岩。导流洞以及施工的支洞具有较多的交汇洞口，一定要对交叉口的锁口支护进行控制。另外，在施工的过程中，需要对围岩的变形观测进行加强，及时解决一些发现的问题，保证施工的机械以及人员的具体安全。
3.3 隧洞开挖施工技术
3.3.1 洞挖施工
在施工的过程中，导流洞的断面非常大，在施工的时候需要分上、下二层操作，分层的目的在于将机械设备的性能最大化的发挥出来，确保岩体处于稳定的状态，上层分层的高度是8.0m，下层在施工的过程中又需要分为二个部分进行操作：第一部分的层高控制在7.0m，保护层的厚度控制在1.2m到2.0m之间。上、下层的施工交通主要依靠进(出)口上支洞以及进(出)口下支洞进行。
3.3.2 导流洞上层洞挖施工
(1)三岔口的处理
三岔口在施工的过程中相对跨径非常大，需要重视施工的安全，首先需要在一个方向上进行扩挖，进行钻孔爆破，接着向另一个方向进行扩挖操作，边挖边跟进，并且对挂网锚喷支护进行强化，在必要的时候，需要通过钢拱架或者是喷钢纤维混凝土来强化支护，保证安全地进入到导流洞当中。
(2)Ⅳ～V类围岩开挖及支护
在这个标段施工的过程中，Ⅳ～V类围岩的数量不大，因为地下工程施工的过程中往往会出现很多不可预见因素，对于Ⅳ～V类围岩进行施工，需要对具体的施工方法进行确认。开挖Ⅳ～V类围岩段的时候主要通过超前锚杆来加固围岩，通过液压三臂钻进行钻孔，利用浅孔小药量的方法进行光面爆破，依照短进尺，弱爆破的基本原则进行操作。在施工的过程中，如果碰到一些地质条件非常恶劣的情况，比如说遇到了软弱夹层或者是一些较大规模的断层、塌方洞段，可以依照实际条件采取对应的方法进行钻孔爆破。
需要重视的问题在于安设本工程的软弱围岩地段的超前锚杆的过程中，需要充分结合钢支撑，让使用效果增强，钢支撑需要和洞周贴紧，如果超挖的过程中无法紧贴的时候，需要喷射混凝土对洞壁进行找平。
3.3.3 断层破碎带处理
在导流洞上层开挖的过程中需要通过断层带的时候，需要依照先两侧导洞领进，后中部岩柱扩挖的手段进行操作。开挖两侧导洞的过程中使用的机械设备依旧是Hl78三臂台车钻孔，需要使用浅孔、少药量毫秒微差挤压爆破的方法进行操作。在进行钻孔爆破之前，首先需要通过台车在拱部进行打孔，主要是打两排超前锚杆以及一些排水孔，在布置的过程中呈现梅花型布置。在爆破断层出露后，再通过挂网喷锚支护的方法进行操作，接着再对其进行扩挖。
3.3.4导流洞上层的锚喷混凝土施工
在喷混凝土对导流洞上部顶拱进行支护的时候，主要采取的是临时支护，临时锚喷支护往往需要与开挖一起进尺跟进，错开喷上、下游的工作面，让洞内的粉尘和施工的干扰情况得到控制。在喷锚支护的过程中使用的是湿喷法施工工艺，另外通过DS-1型喷混凝土粘接剂来对回弹的情况进行控制。在喷混凝土施工的过程中，需要在拌和站对喷混凝土原料进行拌和，接着进行运输，主要是利用混凝土搅拌运输车把混凝土料从拌和站向洞内进行运输，在喷射的过程中，首先需要清理受喷面，并对喷头的角度进行掌握，另外需要控制喷头和受面的距离，在喷射的过程中需要在接头处进行连接，通过自下而上的方法进行螺旋式喷射，需要对喷厚进行控制， 通常条件下5cm～7cm比较合适。在进行挂网施工的过程中。钢筋网需要通过人工的方法在平台车上进行绑扎以及焊接等操作。锚杆在现场进行安装，接着进行注浆操作。
3.3.5导流洞下层洞挖施工
等到导流洞的上层开挖工作完成，另外支护的施工工作结束后，就能够开挖下层。在进行下层开挖的过程中，主要是通过进、出口的下支洞向上、下游l0％进行爬坡，到达第一层的底面，进行导流洞当中下部第一层的开挖工作。需要依照实际的要求调整爆破的强度。如果爆碴比较大，那么通过YT-28手风钻来进行解小，方便出碴。下层梯段爆破参数见表1。
表1导流洞施工支洞上下游工作面参数表
结束语
水工隧洞开挖的过程中，往往会由于各种条件的限制，而产生一些施工困难的情况，如果想要将这些问题彻底解决，保证开挖施工的安全性和可靠性，就一定要与具体的情况相结合，通过因地制宜的方法加强施工操作，只有如此才能达到施工的具体目的。
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论文作者:肖亮
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2019/1/2
标签：隧洞论文; 围岩论文; 断面论文; 过程中论文; 操作论文; 情况论文; 混凝土论文; 《防护工程》2018年第29期论文;