浅谈水利工程平洞和竖斜井施工技术

浅谈水利工程平洞和竖斜井施工技术

摘要：文章对水利工程中平洞、竖斜井的用途、施工技术等内容进行了一些探讨。

关键词：水利工程 平洞 竖井 斜井 施工技术

随着水利水电事业的发展，地下洞室工程也在紧锣密鼓地建设中。地下洞室按其体型和布置型式可分为平洞、竖井、斜井和大型洞室等类型[1]。地下洞室相对于地面工程而言地质条件更加复杂莫测，施工环境、条件也更加苛刻，所以相关的施工技术、安全和质量都有一些特殊要求。笔者对水利工程中平洞、竖斜井的施工技术进行一些探讨，希望和同仁们进行交流和切磋。

1平洞施工技术

1.1概述

平洞是指坡度小于10%的隧洞。平洞按断面积（）大小分为小断面（）、中断面（）、大断面（）和特大断面（）几种类型。平洞在水利工程中按用途一般分为主体洞、施工支洞和勘探洞三种；主体洞又分为：⑴过水洞，如导流洞、泄洪洞和尾水洞等；⑵不过水洞，如交通洞、通风洞、出线洞等。

平洞的施工包括开挖、出渣、支护、衬砌、灌浆等内容，同时还要配备通风、除尘、排水、供水、供风、供电和照明等设施。平洞的开挖方式有两种：⑴钻爆法，先使用手风钻或钻孔台车等设备造孔，再预埋雷管进行分段爆破；⑵掘进法，采用掘进机开挖。开挖的作业方式又分为[2]：⑴全断面开挖，即在隧洞整个设计面上一次开挖成型；⑵台阶开挖，是在设计断面上分层次开挖；⑶分部施工，根据围岩稳定情况采取分层分块开挖；⑷导洞开挖法，先挖通导洞，再将断面扩大至设计断面。

1.2钻爆法

目前该法仍然是使用最广泛的开挖方法，尤其是中小断面隧洞的开挖。钻爆开挖的优点是显而易见的，不需要掘进机这样昂贵的设备，同时开挖方式的选择又很灵活。

1.2.1方案选择

开挖之前要进行勘察，了解开挖区域的水文地质情况，明确围岩的特征，以决定采取开挖和支护的方式。围岩分Ⅰ～Ⅴ类，Ⅰ围岩不需要支护，Ⅱ类仅需局部支护，Ⅲ类和Ⅳ类都需要支护，Ⅴ类需要加强支护。选择方案时还要考虑断面形状和洞室交叉地段的影响；交叉地段容易失稳，需要预先加固并加强监测。另外，长的隧洞施工常开挖支洞以增加作业工作面。

1.2.2开挖方法

⒈爆破方法

目前采用的方法有光面爆破和预裂爆破两种。前者是主体开挖部分爆除后，再起爆开挖边界上的炸药，其轮廓面较为平整，故称光面爆破；后者是先起爆边界上的炸药装置，在边界线形成预裂缝，再爆除主体部分，这称作预裂爆破。

在开挖断面上布置3种炮眼[3]：⑴周边眼：布置在边界周边，控制开挖轮廓线的炮眼；⑵掏槽眼：在主体部位，用以增加后续爆破临空面的；⑶崩落眼：周边眼与掏槽眼之间的用以扩大面积，并崩落大部分岩石的炮眼。如图1所示，7～18、25～31是周边眼，1～4是掏槽眼，5、6、19～24是崩落眼。

钻爆作业的工序是：。

图1 炮眼布置图

⒉进出口开挖

进出口应选在边坡稳定、洞顶有一定厚度岩层、水文地质条件较好的区域，适当削坡即可进洞。洞脸边坡开挖一般由上至下分台阶进行，采用预裂爆破或光面爆破的方式进行，开挖后及时进行锚喷支护；对松散的或土质的边坡洞口，要采用管棚法加钢拱架等加固。

开挖一般采用全断面或导洞法开挖，并采取浅孔、弱爆破、边挖边支护的方式施工；若洞口稳定性差，则要采取预锚固、预注浆及设预应力锚索的方法进行加固，然后先挖导洞后扩大、先墙后拱。

进洞一般是洞外向洞内推进，特殊情况下也可由洞内向洞外进行。水位以下洞口要采取围堰、岩塞等方法处理。

⒊平洞开挖

开挖方法见表1。

表1 平洞开挖方法

1.2.3出渣

将开挖工作面上爆破下来的岩渣运到洞外渣场的过程即为出渣。出渣包括装渣和运输，这是一项费力费时的工作，对施工进度影响很大，因此需要科学合理地组织装运全过程，并尽量采用先进的设备和作业方式。

装渣包括人工装渣与机械装渣两种方式，运输包括人工运输、有轨运输和自卸汽车运输等几种方式。在缺少机械设备，或开工初期作业面未展开的情况下采用人工装渣、人力斗车运输。机械装渣一般采用铲式装岩机、短臂正向铲、侧卸式装渣机等设备，并配备有轨斗车或自卸汽车运输。

1.3掘进开挖

使用掘进机开挖，并使开挖、出渣连续作业，衬砌、灌浆平行作业，可提高掘进的速度和效率。掘进机主要有全断面掘进机、部分断面掘进机和盾构掘进机等类型。但掘进法施工受限于地质、工程及使用条件的局限，目前在水利工程中使用并不广泛。

1.4通风、除尘、排水、供电、供水、供风与照明

短洞或掘进长度不超过40m的隧洞允许采用自然通风，其他情况下都必须采用机械通风。通风方式有压入式、抽出式和混合式三种，但以压入式居多。压入式就是由布置在洞外的风机，强行将空气通过管道送到作业面，驱散有害气体并排出洞外。

隧洞施工作业时会产生大量的粉尘，其中微尘对人体危害很大，所以必须采取综合防尘措施。一是采用湿法作业，湿式钻孔、作业面喷水喷雾等；二是作业人员佩戴防尘口罩，定期检查身体等。

洞内渗水和钻孔排出的废水要及时排除洞外，一般设置排水沟、集水井，再用水泵排出。

此外，隧洞中还要为各种施工机械供风（压缩空气）、供电、供水和提供照明。

1.5支护、衬砌和灌浆

⒈支护

支护是为了维持围岩的稳定，目前多采用锚喷支护。稳定性差的围岩开挖后要及时支护；松散、自稳性差的围岩，要采取超前锚杆、管棚或预注浆等方式加固岩体，再以短进尺、弱爆破、及时支护的原则进行开挖。

锚杆和喷射混凝土的使用方法可参见GB 50086-2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》。

⒉衬砌

衬砌是为了围岩稳定和防止岩层风化和坍落，减少洞壁的粗糙度，提高输水能力而采取的措施。衬砌分现浇、预填骨料压浆、浆砌块石等方法。

现浇混凝土衬砌一般要采用分段分块的方法施工，即纵向分段，横向分块。分段有分段流水、跳仓浇筑等方法。分块如图2所示（1—底拱（底板）；2—边拱（边墙）；3—顶拱）。

图2 平洞断面分块图

浇筑一般“先墙后拱”，地质条件较差时也采用“先拱后墙”。模板可以使用拼装的模板，也可使用钢模台车，后者质量、速度都比前者优越。封拱常采用千斤顶封拱盒。

⒊灌浆

灌浆包括回填灌浆和固结灌浆。固结灌浆是为了加固围岩，以提高其整体性和强度；回填灌浆为了填充衬砌和围岩之间的缝隙。灌浆是利用衬砌时预留的钢管进行的，这些钢管固定在模板上，如图3所示（1—回填灌浆管；2—固结灌浆管；3—检查管）。

图3 灌浆钢管布置图

由于灌浆时有压力，衬砌混凝土强度足够时才能进行回填灌浆，一个星期后再进行固结灌浆。

2 竖斜井施工技术

2.1 概述

竖井指坡度的隧洞，斜井是坡度大于的隧洞（相对平洞而言）。在水利工程中竖井和斜井主要用作引水系统、调压井、出线井、通风井和交通井等。施工方

式主要有全断面开挖和先挖导井再扩大两种方式。

2.2 施工方法

全断面开挖一般由上至下进行，全断面一次爆破成型，卷扬机出渣。

导井开挖见表2。导井贯通后，进行扩大开挖，采用钻爆法扩孔，井底出渣。

竖斜井的支护有钢衬、混凝土衬砌、喷锚支护三种形式。

表2 导井开挖法

3 结语

平洞、竖斜井的施工方法很多，仅介绍常用的一些方法。施工时安全是第一位的，在安全和质量有保障前提下，再加快施工进度，并尽量采用先进的施工技术和设备，以提高施工效率。

参考文献：

[1] 《水利水电工程施工手册》编委会. 水利水电工程施工手册.第2卷，土石方工程[M]. 北京：中国电力出版社，2002.

[2] 本书编委会. 水利水电施工工程师手册[M]. 北京：中科多媒体电子出版社，2003.

[3] 叶坤才. 水利隧洞施工技术浅论[J]. 沿海企业与科技，2011.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。