高原严寒缺氧地区的小断面长隧洞快速施工技术研究

席隆海　唐宜　盛达娃

摘 要：文章以西藏芒康县登曲河觉巴水电站为例，介绍小断面长隧洞在高原严寒缺氧地区、地质条件较差、单向掘进距离长等的不利情况下，如何解决通风排烟、开挖出渣、一次支护、设备故障率高等问题，从而在确保安全质量前提下加快隧洞施工进度的施工技术。

关键词：高原；小断面长隧洞；快速；施工技术

1 概述

1.1 工程概况

觉巴水电站位于西藏昌都市芒康县境内的澜沧江右岸一级支流登曲河中下游河段，采用混合式开发，正常蓄水位3228.00m，装机容量30MW，年均发电量1.47 亿kW·h，工程任务为发电。本工程属四等小（1）型工程。

引水隧洞采用有压引水方式，总长为4191.813m，高程为3213～3187m，断面为城门洞型，开挖断面尺寸为3m×3.5m（宽×高），开挖断面面积为9.735m2，净断面尺寸为2.1m×2.7m～2.8m×3.1m（宽×高）。整条隧洞共布置2條施工支洞和1条通风洞，1#支洞位于Y0+053.13m，2#支洞位于Y3+418.36m，1、2#支洞间隧洞施工为工程控制性工程，长3365m，坡降为0.424%，单工作面掘进长度约1.8km，调压井施工洞（兼调压井通风洞）位于Y3+940m。

1.2 水文地质条件

桩号引1+704.000m 前隧洞段围岩为陡倾角的大理岩、片岩和变质砂岩，从桩号引1+704.000m 至调压井之间隧洞段围岩为流纹岩，自身承载力高，且穿越觉巴山断裂带。引水隧洞沿线穿过围岩类别主要为Ⅲ、Ⅳ类为主，部分Ⅱ、Ⅴ类，Ⅱ类围岩共计178m，Ⅲ类围岩共计2288m，Ⅳ类围岩共计1368m，Ⅴ类围岩共计357.813m。其中引2+193～2+330共137m为觉巴山断裂，断裂带构造角砾岩、揉皱发育，易产生塑性变形，该区域为地下水富集。

2 引水隧洞开挖断面选择

隧洞采用有压引水，电站总引用流量为6.15m3/s，流量较小。隧洞断面尺寸主要由施工要求的最小断面确定，隧洞断面为城门洞型，开挖断面均采用3.0m×3.5m（宽×高）。

从图1中可看出，隧洞的高度受隧洞出渣时扒渣机装渣高度控制（距离地面2.5m），3.5m高度较为合适。隧洞宽度具有一定优化空间，但隧洞采用农用车出渣，隧洞宽度有一定安全余量，便于农用车快速通行，同时隧洞中经常有工作人员通行，隧洞也有一定宽度，减少了发生安全事故的概率，对快速施工较为有利。因此引水隧洞开挖断面选择3m×3.5m（宽×高）便于快速施工，断面选择较合适。

3 隧洞快速开挖施工方法

本电站控制性线路为1#～2#施工支洞间主洞开挖支护施工，长3365m，1#施工支洞长99.5m，2#施工支洞长125m，支洞及主洞全长3589.5m，最大独头工作面约1800m。为实现快速施工，与常规隧洞施工方法相比，主要从管理模式、资源配置和如何提高在高原建设环境下的施工工效等方面采取了相关措施。

3.1 管理模式

3.1.1 建设单位的管理模式

为探索西藏水电项目管理模式，电站主体工程采取设计施工总承包模式建设，为加强质量管控，同时设置工程建设监理。建设单位将“抓关键项目，控制重点工序，全面促进工程进展”作为进度管理的指导原则，实行层层目标负责制。重点督促承包人的保障措施及资源落实情况，严格把关承包人的“架子队”队员及隧洞施工管理人员，对不合格队伍及人员予以清退；制定进度“红、黄牌”考核制度，同时配套制定奖罚措施并严格执行，直接奖罚至作业班组及作业人员，充分调动作业人员的积极性。

3.1.2 承包人的管理模式

承包人实行“一级管理、二级核算、队为基础”的管理模式。项目部成立专业洞挖架子队，架子队分设专业班组。架子队队长为项目部隧洞施工经验丰富管理人员担任，同时项目部各级管理人员全程跟踪监督管理，并进行技术指导。对隧洞开挖支护进度进行日跟踪，实现周考核并进行奖惩，以充分调动各级人员的积极性。

3.2 资源配置情况

3.2.1 高原严寒缺氧地区降效情况

在高原缺氧条件下，人员、机械设备降效严重，不能充分发挥应有的效率，且机械设备完好率下降严重，施工中为保证工程建设的正常开展需引进或储备足够数量的劳动力、机械设备和备品配件等，相比内地完成同类型项目工程量要投入更多的人力、物力和财力，致使投入成本大大增加。查阅水电建筑工程概算定额（2007），在海拔3200m地区人工、机械效率理论降低系数分别为1.2、1.45。

芒康县地处藏东，交通不便给设备运输、维修带来很大的影响。即使常用备品、备件备足，设备维护到位，高原地区对设备的影响也还是非常大，一些偶发的设备故障需要等专业的维修人员或零件从内地进入，直接影响工程建设进度。

3.2.2 资源配置情况

隧洞作业人员、设备及备品、备件的数量按内地常规配置的1.5～2倍配置，并注重质量选择。引水隧洞施工各工作面风、水、电及排烟设备专线敷设，确保关键线路不因设备问题影响施工进度。冬雨季期间提前储备足够的物资材料等资源，确保了现场施工连续性。

3.3 隧洞开挖

隧洞开挖分为测量放线、钻孔爆破、通风散烟、安全处理、出渣、一次支护等工序。为实现快速施工缩短工序衔接时间，除特殊原因外，对各工序脱节超过1小时的给予经济处罚，有效促进了工序衔接。

3.3.1 测量

引水隧洞采用Leica TCA2003全站仪配合激光指向仪测量。激光指向仪有效指向，便于钻爆工控制钻孔方向，同时可减轻测量工作量。安装指向仪后，间隔一排炮用全站仪检查指向仪指向是否正确，并检查开挖断面。

3.3.2 钻孔爆破

觉巴山以西（隧洞上游）岩石为片岩、变质砂岩互层，片岩硬度为5～6度，变质砂岩硬度为5～7度；以东（隧洞下游）为流纹岩，硬度为6度。采用YT28气腿式手风钻钻孔，全断面开挖。爆破参数见表1～表2。

说明：Ⅱ类围岩采用随机锚杆支护，不占直线工期；Ⅲ类围岩采用随机锚杆+素喷支护，约8排炮支护一次约12小时，平均每排炮一次支护时间为1.5小时。Ⅳ类围岩采用系统锚杆+素喷支护，每排炮支护一次约4小时。Ⅴ类围岩采用超前锚杆（根据需要进行超前灌浆）+钢拱架+网喷支护，每排炮支护一次约7小时。

3.3.3 安全处理

隧洞开挖过程中，安全工作尤其重要。安全处理分为出渣前安全处理及日常安全处理两个环节。

具体措施为：

出渣前安全处理：在出渣前，由有经验的安全处理人员对爆破区影响范围内的边顶拱围岩进行清撬处理。清撬时，采用长撬锟，工人距离清撬处的距离不得少于2m，工人不得站在清撬部位的下方。如清撬困难又有大块体掉落的危险，可采取扒炮的方式将危险大块体炸落。

日常安全处理：对于未及时封闭的围岩，随着爆破震动或风化影响，有局部掉落的可能。在每间隔50m设置围岩收敛变形监测的基础上，由专业的安全处理人员每天进行检查，遇有松动岩块及时清除。对于进行喷锚支护的围岩，也需经常检查，如有开裂现象，需分析原因，及时处理。

总之，避免出现安全事故，是隧洞实现快速施工的基础条件，不得因盲目抢工期忽略安全工作。对岩石较差地段，采取“短进尺、弱爆破、勤观测、强支护”的隧洞快速施工方式；同時对进入断裂带等特殊洞段采用数字式全景钻孔摄像系统进行物探检测成像分析岩性及裂隙分布情况进行超前地质预报，提前采取应对措施避免了因盲目掘进出现不必要的塌方现象。

3.3.4 通风散烟

在高海拔寒冷气候条件下，隧洞施工通风是制约隧洞能否实现快速施工的关键因素。为实现快速施工，本工程采取的隧洞通风方式为正压压入式送风；另外，洞内出渣设备增加烟尘净化装置，可大大改善洞内出渣过程中的工作环境。

在洞口配置轴流风机供风。轴流风机选型与隧洞长度、风压、风量等因素有关。计算公式为：

（1）洞内施工人员及爆破散烟需要的风量计算

一是施工人员需要的用风量：Vp=vpmK。

式中：Vp-施工人员所需风量，m3/min；vp-洞内每人需要的新鲜空气，一般按3m3/min计算；m-洞内同时工作的最多人数，本隧洞按10人计算；K-风量备用系数，一般为1-1.15，本处选1.15。

（2）通风机工作风量的计算

通风机的工作风量应为施工所需风量与风筒漏风量之和。依据公式：Vm=（1+PL/100）·V。

式中：Vm-风机工作风量，m3/min；V-洞内施工需要的有效风量，本工程为759.25m3/min；L-风管长度，本工程为1912m；P-每100m风管漏风量，本工程为高强丝风管，取2%。

（3）通风机电机容量的选择

式中：N-通风机电动机容量，kW；Vm-通风机工作容量，m3/s；hm-通风机工作风压，mmH2O，本工程取50；r-空气重率，海平面为1.2，本工程取1.0；B-电动机容量储备系数，本工程取1.5；η1-静压效率，取0.5；η2-机械传动效率，取0.5。

（4）风机与风管的布置

根据以上计算及施工中风量的损耗及相关施工经验，通过选型，风机型号为SFD-Ⅱ-8.7A型对旋轴流风机，风机功率为2×55kW，风压4000～8000Pa，流量1140～1900m3/min，风量、风压及功率均满足计算并有一定富裕（当选用1×55kW时风量、风压只能满足约1000m的通风要求）。

受隧洞断面限制，本隧洞风管选用直径60cm的高强丝风筒，挂在隧洞顶部，以便设备出渣时不受通风影响。

当选用2×55kW通风机时，最大通风距离为1912m，满足本工程最大独头工作面距离1800的要求。为节约供电，根据隧洞的进尺，选择合适的通风机（11kW、37kW、1×55kW、2×55kW逐级递增）。

3.3.5 出渣

隧洞出渣方式可选择无轨运输及有轨运输。无轨出渣方式采用WZL-100型履带式扒渣机装渣，配置2t农用车运渣；有轨出渣方式；采用WZL-100型履带式扒渣机装渣，铺设24kg/m的轨道，配置8T轨道电车及6m3梭车运渣。两种出渣方式的技术、经济比选见表3。

通过比选，无轨出渣方式在经济上、出渣时间及故障率等方面占优势，缺点是农用车尾气排放对工人身体的危害，本工程采用无轨方式出渣。

对农用车尾气排放采取的措施如下：一是在农用车尾气排放管上安装MINE-X 柴油机尾气过滤器（芯体原装进口），对废气有害物质CO、HC臭味、DPM黑烟转化为H2O和CO2，转化率分别达99%、90%、30%，且该装置安装较为方便，只需将产品直接安装在排气歧管出口的波纹管后，排气管接口尺寸根据不同的发动机定制；二是根据隧洞进尺深度逐步加大通风机功率；三是加强劳动保护用品的正确佩戴。采取以上几点措施有效提高了洞内空气质量，提高了洞内设备及人员的功效。

3.4 一次支护

为实现隧洞的快速施工，需解决好开挖与一次支护之间的关系，采取的主要措施有：一是采取光面爆破，严格控制开挖质量，使爆破对周边围岩的影响降到最低，降低开挖支护量；二是采取“新奥法”施工，及时进行支护，开挖后地质工程师及时进行地质编录并确定适当的支护方式；三是有效利用岩石变形时间：每排炮开挖后喷锚支护，准备工作及收尾工作将占用2～3小时，必将影响到开挖进尺，根据有效的安全监测提供科学的岩石变形数据，充分利用岩石自稳时间，Ⅱ类围岩采取随机锚杆支护，Ⅲ类围岩开挖20m后喷锚支护，Ⅳ、Ⅴ类围岩每排炮及时支护，有效的节约了支护时间。

3.5 冬季隧洞施工技术措施

冬季施工主要的影响有施工用水、用油问题，觉巴电站气温资料见表4。从表4中可看出，每年的11月～次年3月，尤其是12月～次年2月夜间气温较低。

3.5.1 冬季施工用水

冬季隧洞开挖主要涉及用水问题，水管易结冰，风钻无法使用，严重影响隧洞的快速施工。采取的主要措施有：一是将蓄水箱及供水管路埋入地下；二是为防止管路内结冰，每次用水完毕，将管内、水箱内积水放空，用水时从河中抽水，由于水在流动时不易结冰，解决了水管冻结对施工的影响；三是如前述措施均不能解决水管结冰问题，则在洞内适当位置设立集水箱，用水泵抽水，利用洞内温度高的特点解决水管结冰。

本工程采取上述措施后，有效解决了水管结冰问题，为快速施工创造了有利条件。

3.5.2 冬季施工用油

由于气温低，常用的0#柴油冬季无法满足施工需要，夜间施工设备无法启动，严重制约了隧洞的快速施工，本工程在冬季改用-20#柴油，有效解决了该问题。

4 实施效果比较

引水隧洞1#、2#施工支洞分别于2013年10月3日、12月26日正式进入主洞开挖施工，通过一年多的实践，摸索出了一套高海拔、高寒缺氧、小断面长隧洞快速施工技术，主洞于2015年1月29日顺利贯通，较合同工期提前10个多月贯通。主关键线路1#、2#施工支洞间主洞月平均进尺116m/月，1#施工支洞下游月平均进尺128m/月，最高月进尺达168m/月。与类似工程相比，在施工进度上有明显提高，详见表5。

5 结束语

开挖施工中，合理配置资源及设备完好率是快速施工的关键，合理组织安排施工程序及调动参建人员的积极性是保障快速施工的重要因素。对不良地质洞段采取及时支护或超前支护是确保隧洞安全施工的前提，从而保障隧洞顺利施工。高原高寒缺氧、小断面长隧洞快速施工技术在本工程的成功实践，可为类似工程提供借鉴参考作用。

参考文献

[1]水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册 第二卷 施工技术[M].中国水利水电出版社，2008.

[2]郭进平，聂兴信.新编爆破工程实用技术大全[M].光明日报出版社，2002.

作者简介：席隆海（1982-），男，四川广安人，华能澜沧江水电股份有限公司，工程师，主要从事水电工程项目管理工作。