基于长隧洞小断面开挖经验选取金钟引水隧洞的施工方案

1 工程慨况和分标方案
　　
　　1. 1 工程慨况
　　仙游金钟水利枢纽工程坝址位于仙游县石苍乡金钟村附近的粗溪中游，距离仙游县城约50 km,吕溪出口距离莆田城约30 km.枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、岸边式溢洪道、金钟至丰收隧洞和丰收至吕溪隧洞等主要建筑物组成。混凝土面板堆石坝最大坝高98. 5 m,坝顶长38. 195 m.位于左岸的溢洪道堰顶高程233 m,设有 2 孔 12 ×12 m的溢流孔。
　　金钟至丰收隧洞19. 85 km,丰收至吕溪隧洞8. 8 km,开挖洞径为3. 4 m,衬砌后洞径2. 8 m.根据供水市场的实际情况和工程总进度安排，莆田市仙游金钟水利枢纽工程开发有限公司决定先行修建进水口至东湖约11 km长的引水隧洞工程.
　　
　　1. 2 分标方案
　　引水隧洞工程总长约11 km,进口位于田螺坪后溪左岸，出口位于双溪口水库库岸东湖村阮溪边，洞线为折线相连。沿洞线地形波状起伏。引水隧洞埋深一般为 50 ~650 m,成洞条件较好。受地形条件的限制，找不到合适的施工支洞口，必需进行长隧洞开挖。结合福建省已建工程的成功经验，综合考虑工期、投资、技术及管理等方面因素小断面长隧洞开挖单头进尺在4. 0 km以内较为合理。
　　初定分标方案为：
　　1） 进水口 （ 含金属结构） 引水隧洞 - 026. 31 ~Y1 + 100. 00 m段工程（ 简称进水口） ,进水口为岸塔式结构，由拦污栅、闸室和渐变段组成，高约65. 0 m,底板高程183. 0 m,清淤平台高程220. 0 m,引水隧洞长1 100 m,有一个工作面。
　　2 ） 引 水 隧 洞 桩 号 Y1 + 100. 00 m ~ Y3 +600. 00 m段工程 （ 简称潭头支洞） ,引水隧洞长为2 500. 00 m,开挖断面马蹄形，开挖洞径3. 4 m.本标段设一条潭头支洞，支洞于引水隧洞交点桩号为Y1 + 800. 387 m,潭头支洞为斜井支洞，倾角 15°，采用4. 0 ×3. 2 m城门形断面，长约260 m,堵头长15 m.该段有上下游 2 个工作面。
　　3 ） 引 水 隧 洞 桩 号 Y3 + 600. 00 m ~ Y7 +700. 00 m段工程 （ 简称大坪支洞） ,引水隧洞长为4 100 m,开挖断面马蹄形，开挖洞径3. 4 m; 本标段设一条大坪支洞（ 已完工） ,支洞于引水隧洞交点桩号 Y4 +523. 343 m,大坪支洞为斜井支洞，倾角 22°，采用 4. 0 ×3. 2 m城门形断面，斜段长约278 m,平段长约230 m,堵头长20 m.该段有上下游 2 个工作面。
　　4） 引 水 隧 洞 桩 号 Y7 + 700. 00 m ~ Y10 +941. 385 m段工程 （ 简称汾山支洞） ,引水隧洞长为3 241. 385 m,开挖断面马蹄形，开挖洞径3. 4 m; 本标段设一条汾山支洞（ 已完工） ,支洞于引水隧洞交点桩号为 Y10 + 941. 385 m,汾山支洞为斜井支洞，倾角 23°，采用 4. 0 × 3. 2 m城门形断面，斜段长约278 m,平段长约370 m,堵头长20 m.该段有上下游2 个工作面。
　　引水隧洞进水口段和潭头支洞段相距较近，隧洞总长3 600 m <4 000 m,合并为一标后可实现资源共享，节约场内施工道路、风水电系统、砂石料系统、混凝土系统、火工材料库、生活和管理住房等临时建筑设施，节约投资约 60 万。同时节约潭头支洞洞挖和堵头投资约 40 万元，也可减少管理工作量利于协调.
　　隧洞开挖 3 个月，进尺达300 m后，再对洞口段进行适当的支护，可同时进行进水口竖井施工和洞挖，总工期可控制在设计工期内。经比较后把进水口和潭头支洞合并为一段，简称进水口段。
　　大坪支洞和汾山支洞相距较远，两标单头洞挖进尺分别为3 176. 657 m和3 241. 385 m,须单独施工才能满足工期要求。两标的场地和交通条件相对独立，无法实现资源共享，单独分标能增加投标的竞争性。综合考虑以上几个方面因素，引水隧洞工程最后划分为进水口段、大坪支洞和汾山支洞 3 个标。
　
　2 施工技术
　　
　　本工程施工总工期为 4 年 6 个月，隧洞工程设计工期为3 a整。工程施工的关键线路是引水隧洞施工，金钟至东湖隧洞为控制工程施工总进度的关键项目，施工强度高，由于隧洞长开挖断面小，掘进机开挖方案的投资较大一般不采用。多臂钻钻孔施工受开挖面的限制无法进行，人工钻孔光面爆破施工方法自然成为本工程的隧洞开挖方案.
　　按建设工期要求，开工后平均月进尺要达到100 m以上，施工强度高，加上通风排尘的难度大，为保证进度质量和安全，施工设备选定和技术方案成了施工管理的重点，结合工程经验和实际条件，经比较选取如下施工技术方案：
　　2. 1 钻孔机具效率和工作风压
　　钻爆法开挖隧洞，钻孔是控制施工进度的关键因素，钻进机具的工作效率与供风风压的高低紧密相关，其冲击功率与工作风压的关系见表 1.【表1】


　　可见提高工作风压能明显提高钻孔机具的工作效率，建议结合设备性能采用较高的工作风压。
　　2. 2 供风管径和管路压损
　　由管路摩阻力所造成的气压降与管径的 5. 25次方成反比，增加管径，管内压降大幅降低。在同样供风量和风压的情况下，管径从 Φ100 增加至 Φ125时，管路压损减少 68%; 管径从 Φ100 增加至 Φ150时，管路压损减少 88%.同时管径加大等于压缩空气容量增大，利于气压稳定。100 mΦ125 的钢管比100 mΦ100 的钢管重量增加 2. 3 t,综合考虑采用Φ125 或 Φ150 的钢管较为经济。
　　管路布置时要及时延长钢管，尽量缩短胶管和减少接头，减少管径变化次数避免管路较大角度的拐弯，这些都是减低压降不可忽视的方法。此外每隔0. 9 km设置稳压储气罐，选择额定功率大的风钻和与之相匹配的空压机都能有效减少压降，提高钻孔效率。
　　2. 3 光面爆破和循环进尺
　　光面爆破能减轻对围岩的破坏，提高围岩的稳定性。要求开挖时要预留 0. 55 ~ 0. 70 m的光爆层，炮孔间距 40 ~60 cm,在硬质岩石和中硬岩石中，按每个炮孔爆破面积在 0. 2 ~0. 3 m2来控制炮孔数，同时起爆光爆孔是保证光爆质量的关键。采用 2#岩石硝铵炸药能减少有害气体产生量节约排气时间，每孔装药约150 g.
　　循环进尺一般为开挖宽度的 0. 6 倍，本工程循环进尺控制在 2. 0 ~ 2. 3 m,为钻机造孔最佳的深度范围。每一循环作业按8 h控制，其中钻孔放炮3 h、排烟0. 5 h、测量放样0. 5 h、出渣3 h、其他 1 h.随着洞挖进尺增加，循环作业时间相应增加，后期施工循环作业按12 h控制。
　　2. 4 通风排烟
　　迅速排除洞内有害气体和烟尘是保证施工人员安全和工程进度的重要一环。由于废气净化技术不成熟、成本高，不能较好的解决无轨出渣方法产生的有害气体，要求减少污染源采用电动耙渣机，电瓶车牵引斗车有轨出渣。结合实际选择效果较好的混合式通风方案，即让吹气口的空气扫过工作面，迫使污浊空气向外扩散到吸气口附近被吸入管内排出洞外。
　　考虑施工中炮烟的扩散距离为 50 ~150 m,压入风机布置在离工作面100 m处，吹风口离工作面 30 ~50 m范围，每开挖100 m移动一次风机，距风机 0. 5 m处设一道布帘或采用水幕降尘来隔断烟尘。吸气口布置在离工作面90 m处，有效地吸出污浊空气。工作时要求最小吸出风量达180 m3/ min,压入风量达150 m3/ min.
　　类似工程福州市第二水源原水输水工程（ C2 标的施工支洞斜井段长约260 m,倾角 18°，开挖洞径3. 6 m,衬后洞径3. 0 m,单头开挖长度3 461 m） ,采用 Φ700 的涂塑帆布管，排烟尘主风机选用南通通用DK56 风机，辅助风机选用天津通创 SDA56-11 风机，由于帆布管内的风压损失大，需多台串联（ 每600 m串联一台） 才能满足要求，系统管理维护工作量大，效果不理想。
　　随后的马尾白眉水库供水工程隧洞（ 开挖洞径3. 2 m） 开挖通风则采用 Φ300PVC 管，极大减少管内风压损失，提高通风效率和减少串联风机台数。虽然采用 PVC 管造价较涂塑帆布管高，但能减少空间占用，节约通风时间和风机数，减少能耗和循环作业时间，提高开挖进度，总体效益较好，建议本工程采用 Φ400PVC 管。
　　2. 5 施工供电
　　隧洞开挖工程施工供电的特点是：
　　1） 施工供电负荷随着洞挖进尺增加而逐渐增加。
　　2） 施工用电设备也随洞线的延伸而前移。
　　3） 用电负荷不大但供电距离长，从洞口电源引接点至供电设备末端超过3 km.
　　4） 采用低压供电不能满足施工供电要求。
　　5） 供电设备布置受空间限制。
　　参照类似工程经验，建议采用10 kV电压的常见电源供电，每800 m 设临时施工配电变压器，每1 600 m设固定施工配电变压器。这样可减少线损，提高开挖效率，减少供电设备投资。
　　3 结 语
　　
　　本文结合成功经验和工程实际对金钟引水隧洞的施工技术进行选取，主张以人为本、技术先进和经济合理。体现在结合设计工期优选分标方案； 放弃传统材料涂塑帆布管，采用新材料 PVC 管； 机械设备选用工效优先； 多方设法降低污染源，做到安全文明施工。