压力管道斜管段开挖施工技术
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摘要：在工程隧洞项目施工过程中，经常遇到斜井开挖施工，对斜井开挖采取怎样的施工方法尤为重要，直接影响到整个工程的质量、安全、进度以及工程的最终成本。结合本段工程的特点，该段采用先导洞后扩挖的方法分上、下两个工作面进行施工，详细阐述了斜管段采用导洞法施工，先由上、下两个作业面开挖上导洞，然后自上向下一次扩挖成型的施工方法。
1概况
1.1工程概况
讨赖河东水峡水电站工程为一低坝长隧洞引水发电工程,主要工程建筑物由引水枢纽、引水隧洞、调压井、压力管道及发电厂房等组成。水库库容18万m3,设计引水流量32.40m3/s,设计水头189m，电站装机容量52.80MW，多年发电量为2.43亿kW・h。
引水隧洞压力钢管段设计为圆形断面，采用钢衬混凝土衬砌，衬砌后隧洞内径为3.90m，压力管道斜管段10+692.667～10+810.282，高差2534.47-2353.80=
180.67m，平距117.615m，斜距204.995m，倾角54.986°，开挖半径2.122～2.125m。
1.2工程地质
压力管道斜管段：管道埋深67.50～98m，断层F2和F202通过斜管段，破碎带宽分别为10～15m、0.50～0.80m，充填物主要为碎裂岩块、角砾岩、糜棱岩和断层泥等，泥钙质胶结差，受其影响，两侧岩体较破碎。局部洞段通过硅化大理岩，岩体以陡倾角(倾角65°～75°)倾向岸里，岩性均致密坚硬，抗风化能力强。断裂构造不甚发育，仅以层面裂隙为主，成洞条件良好。根据岩体稳定性和岩性组合关系，该段以不稳定的Ⅳ类围岩和局部稳定性差的Ⅲ类围岩为主，断层通过处有Ⅴ类围岩。
2施工总体方案
根据本段工程的特点，该段采用先导洞后扩挖的方法分上、下两个工作面进行施工。导洞开挖断面采用城门洞型，顶拱一次开挖成型。上作业面在4#施工支洞、引水隧洞主洞10+612.46～10+670.60段、压力管道10+670.60～10+692.667上平段及上弯段全部施工完毕后进行施工；下作业面在下平段、下弯段施工完毕后进行施工。上、下两个作业面开挖至导洞贯通后，由上向下一次扩挖成型。导洞开挖时及时对拱顶进行支护。
洞身开挖时，始终坚持“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤测量”的施工原则。
洞身开挖采用光面爆破施工，气腿式风钻造孔，人工装药，非电毫秒雷管起爆，炸药选用2#岩石销铵炸药。
上工作面导洞开挖时，由一台3T卷扬机承担吊斗的运行以及井下作业人员、各种工器具、火工材料等的运输；该作业面开挖出碴计划采用人工装碴、吊斗（自制1.0m3）出碴。由于斜管段坡比为1:0.70，下工作面开挖导洞时渣料可由已开挖段自动溜至下弯段,由压力管道下平段出渣。
斜管段扩挖时采用人工翻渣至上导洞，渣料自动溜至下弯段，装载机装渣由压力管道下平段出渣，10T自卸车运至弃碴场。扩大开挖时，卷扬机承担井下作业人员、各种工器具、火工材料等的运输。
3斜管段施工程序、施工方法说明书
斜管段采用导洞法施工，先由上、下两个作业面开挖小导洞，然后自上向下一次扩挖成型。
3.1爆破设计
3.1.1爆破器材的选用
(1)炸药：2#岩石硝铵炸药，直径φ32mm，长25cm；有渗水段采用乳化炸药。
(2)雷管：采用非电毫秒雷管
3.1.2爆破参数（以导洞为例计算）
A.炮眼数目
根据围岩地质状况和岩石特性，按光面爆破技术规范对炮眼间距和炮眼间最小抵抗的要求，最小抵抗线W=1～3m，炮孔间距a=（0.60～0.80）W，选择周边眼间距a=0.40m，辅助眼间距a=0.60m，排距为0.55m，确定炮眼数量如下：
B.炮眼深度和直径的确定
L=(0.40～0.80)D
L―眼深
D―洞径
D=2m，经计算，炮眼深度应取L＝0.80～1.60m，采用多循环、短进尺施工，故一般炮孔深度选1m，掏槽眼及空眼炮孔深度选1.20m，选择空眼直径为45mm，装药眼直径为40mm，药卷直径为￠32mm。
C.钻孔
光面爆破若要取得理想的光爆效果，钻孔是关键。钻孔采用YT―28型气腿式风钻作业。测量放线首先按爆破设计准确标出炮眼位置，周边眼布置在设计轮廓线上，沿轮廓线的调整范围和掏槽孔的孔位偏差不应大于5cm，其它炮孔孔位的偏差不得大于10cm。其次，钻周边眼时，钻机应紧贴开挖后的轮廓面，使炮孔尽量做到平、直、齐，最大外偏角应在3°以内，掏槽眼钻孔时中心倾斜约10°。
D.装药量计算
装药量确定Q=K・SL=1.10×5.337×1.0=5.87kg
式中：Q―循环爆破用药量（kg）
K―单位炸药消耗量，K＝1.10
S―开挖断面面积（5.337m2）
L―炮孔深度（1.0m）
对于单个炮孔的装药量,考虑掏槽眼装药量q2较一般眼增加20%～30%的炸药量，周边眼装药量q3比一般炮眼装药量减少30%，则：一般炮眼装药量q1为
q1=■=■=0.20kg
式中：N1―一般炮眼（辅助眼、扩大眼）的个数
N2―掏槽眼个数
N3―周边眼个数
Q―循环爆破用药量（kg）
每个掏槽眼的装药量为：q2=1.30×q1=1.30×0.20=0.26kg
周边眼装药量q3=0.70×q1=0.70×0.20=0.14kg,取0.15kg。
则计算装药总量为：22×0.15+4×0.26+11×0.20=6.54kg
3.1.3爆破参数的选用
先用工程类比法初选爆破参数，再通过现场的试验调整有关爆破参数。初选的爆破参数详见《斜管段导洞开挖爆破参数表》、《斜管段扩挖爆破参数表》、《斜管段导洞爆破炮孔布置图》、《斜管段扩挖爆破炮孔布置图》、《围岩开挖综合经济指标表》。
3.2爆破作业
3.2.1测量放线
隧洞施工测量，分洞外地面控制测量与洞内控制测量，地面控制测量主要内容是：对设计单位所交付的洞外中线方向以及长度和水准基点高程等进行复核，洞外、洞内控制测量采用全站仪进行测量；为控制贯通精度，组织精测队在监理工程师监督下首先完成隧洞的贯通控制测量，洞内断面测量每循环测一次，防止超、欠挖，确保设计尺寸。
测量时，用全站仪、水准仪、钢尺准确的放出洞身开挖轮廓线，周边眼、掏槽眼的位置以及其它眼的位置，并测设控制点。隧洞中心线控制桩距离开挖面不大于50m，临时水准点的设置不大于100m，每次测量放线时，对上一循环的开挖轮廓要进行检查，并将检查结果及时分析，做为爆破参数调整的依据。
3.2.2钻孔
炮眼布置好后，就可进行钻孔作业，钻孔采用YT―28气腿式风钻。钻孔时搭设便于装拆的台架，分层作业，由上而下进行钻孔。台架又可作为喷锚支护和测量放线的操作平台。钻孔时每一钻孔深度必须符合设计要求，掏槽眼造孔应严格按爆破设计图控制位置、倾角和孔深，其孔位偏差不应大于5cm，周边眼沿轮廓线调整的范围不大于5cm。
3.2.3装药
钻孔完成后，经检查深度和位置、倾角符合设计要求后，便可开始装药，装药必须按设计的段位进行，装药时，先用炮棍轻轻送入装有雷管的药卷，然后依次装入其它药卷，装药总长不大于孔深的2/3，每孔药装完后，用炮泥封堵。
3.2.4爆破
当装药完成后，经检查每孔段位准确无误后，将各非电毫秒雷管捆绑在起炮药包上，设备、人员撤离到安全地点后，点炮起爆。
3.2.5通风排烟
本段洞线由斜管段和弯段组成，洞经小，通风排烟较为困难，隧洞通风排烟计划采用压入式通风。通风机采用33KW轴流式通风机，通风管管径0.40m。
3.2.6出渣
上工作面由4#施工支洞出渣；下工作面由压力管道下平段出渣。
由于斜管段坡比为1：0.70，导洞开挖时上工作面渣料计划采用人工装碴、吊斗1.0m3出碴，3T卷扬机将石碴掉斗提升至上弯段后由1m3小型自卸车运至弃碴场。下工作面渣料可由已开挖段自动溜至下弯段，从压力管道下平段出渣。
3.3开挖循环作业时间计算（以上导洞为例计算）
A.交接班、施工放线时间：T1=60min
B.钻孔时间：T2
根据本工程围岩类别及已开挖段经验数值确定。计划用2台YT―28型风钻钻孔。T2＝180min
C.装药爆破时间：T3=60min
D.排烟清理岩石时间：T4=300min
E.洞内出渣时间T5＝240min
F.初喷支护
每个循环开挖后进行砼初喷，尽早封闭岩面。初喷支护时间T6＝180（min）
故工作面开挖循环时间为
T＝T1+T2+T3+T4+T5+T6
＝60+180+60+300+240+180
＝1020min。
每循环进尺按1.0m计，根据循环作业时间掘进强度为1.40m/d。
围岩开挖循环作业时间如下表所示：
4 F2和F202断层破碎带施工措施
断层F2和F202通过斜管段，施工具体采取如下措施：
4.1按超前地质探测和预报方法，提前预测松散、破碎带情况。
4.2用超前锚杆超前支护，提高围岩的整体性和自稳能力。
4.2.1施工原理
超前锚杆是沿开挖轮廓线，以稍大的外插角，向开挖面前方安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固(预支护)，在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行开挖、装渣、出渣和衬砌等作业，是一种起预支护作用的措施。这种超前预支护的柔性较大，整体刚度较小。主要适用于围岩应力较小、地下水较少、岩体软弱破碎，开挖工作面有可能坍滑的隧道施工中。
4.2.2超前铺锚杆施工要点
①超前锚杆采用II级Φ20～Φ25螺纹钢筋；
②超前锚杆超前量、环向间距、外插角等设计参数，根据施工时的具体情况来选用，参照下表选用。
一般超前长度为循环进尺的3.50倍，搭接长度为超前长度的40%～60%，即大致形成双层或双排锚杆。
注：①外插角为描杆或小钢管与隧道纵向开挖轮廓线间的夹角；
②超前锚杆的长度应与掘进循环进尺一起考虑，并应根据实际施工能力适当选择；
③施工过程中，超前锚杆的设置应充分考虑岩体结构面特性，一般可以仅拱部设置，必要时也可以在边墙局部设置。超前锚杆纵向两排的水平投影，应有不小于1.0m的搭接长度；
④超前锚杆和钢架支撑配合使用，并从钢拱架腹部穿过。超前锚杆的安装误差，一般要求孔位偏差不超过10cm，外插角不超过1℃～2℃，锚入长度不小于设计长度的96%；
⑤超前锚杆尾端置于钢架腹部或焊接于系统锚杆尾部的环向钢筋，以增强共同支护作用。
4.3及时进行系统锚杆+全断面挂网+钢格栅拱架+喷射砼联合支护
4.4采取人工风镐进行周边环形开挖施工，减少对围岩的扰动，开挖进尺以一根钢架的间距为宜，随开挖随支护。
4.5加强围岩和支护体的监控量测，根据量测数据分析处理结果判定围岩和支护体的稳定性，便于及时调整施工方案和支护参数。
5隧洞塌方预防措施及处理措施
5.1做好超前地质预报工作。尤其是施工开挖接近设计探明的富水、富泥及断层破碎带时，要认真及时地分析和观察开挖工作面岩性变化，遇有探孔突水、涌泥、渗水增大和整体性变差等现象，及时改变施工方案。
5.2加强围岩量测工作。通过对量测数据分析处理，按照时间～位移曲线规律，及时快速加强初期支护及混凝土衬砌。
5.3严格控制爆破装药量，尽量减小对软弱破碎围岩的扰动。
5.4保证施工质量，超前预注浆固结止水，钢架制作、初期支护和衬砌混凝土质量必须符合设计要求。
5.5严格控制开挖工序，尤其是一次开挖进尺，杜绝各种违章施工。
5.6施工期间，洞口常备一定数量的坍方抢险材料，如方木、型钢钢架等，以备急用。
5.7有下述现象发生时，先撤出工作面上的施工人员和机械设备，指定专人观察和进行加固处理。
①围岩量测所反映的围岩变形速度急剧加快。
②围岩面不断掉块剥落。
③初期支护钢架严重变形。
6斜管段施工安全措施
6.1井口和井底、工作面分别设置信号灯、电铃、对讲机进行联络，吊蓝、罐笼的提升、下降、停止、上人、下人、运送材料、运送炸药均规定明确的音响和色灯信号显示。
6.2提升装置上设置深度指示器，并在深度指示器和施工架上设置终端开关，使提升容器提升高度超过正常高度0.50m时能自动切断电源，防止过卷扬。
6.3在井口设置安全防护栏杆，派专人清扫遗留在井口的石渣。
6.4井内设置可靠的安全梯，安全梯上加设护圈，并使安全梯呈直立或正倾斜，不得反倾斜。
6.5对机械设备运行、风水电线路的安装等各个施工环节制定严格的检修和保养制度，定期检查更换吊斗跑轮等容易损坏的部件。
6.6坚持交接班制度和对井架及提升吊挂设备的班检制度。
7结束语
在水利工程隧洞项目施工过程中，对斜井工程开挖采用先导洞后扩挖，出渣利用斜井的坡度及渣料自身的重量，始终坚持“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤测量”的施工原则；确保了工期和安全，节约了成本。为经后的施工总结了经验。