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      水利管線工程地下暗挖施工特點(diǎn)及工藝方法

      2021-01-17 19:40:20焦方龍
      山東水利 2021年4期
      關(guān)鍵詞:作業(yè)面掘進(jìn)機(jī)管線

      高 昂,焦方龍

      (濟(jì)南市清源水務(wù)集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南250011)

      水利工程涉及農(nóng)業(yè)興利、城市用水、水資源管理配置、水生態(tài)建設(shè)等各個(gè)方面,隨著社會(huì)的發(fā)展,從單一保障農(nóng)業(yè)用水,逐漸延伸到各個(gè)行業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域。水利管線工程中地下暗挖施工是新興的施工方法,主要用于水利管線、涵洞等項(xiàng)目中,是避免因大量遷占征地或受地貌、地形、地況影響,而造成的無(wú)法進(jìn)行作業(yè)面大型開(kāi)挖作業(yè)而采取的施工方法。

      1 水利管線地下暗挖施工工藝

      水利管線地下暗挖是近年來(lái)水利施工中常用的工藝工法,采用在不破壞或少擾動(dòng)原有地表物或淺層物的基礎(chǔ)上,利用地面以下空間,通過(guò)人工或機(jī)械的手段,創(chuàng)建作業(yè)面,形成地下管線施工作業(yè)空間,完成建設(shè)任務(wù),實(shí)現(xiàn)工程目的。常見(jiàn)的交通水利隧洞、地下綜合管廊等均屬于該施工范疇,又稱(chēng)為“礦山法”,通用于淺、中、深層地下作業(yè)。該方法分為人工掘進(jìn)和機(jī)械掘進(jìn)兩大類(lèi),人工掘進(jìn)包括人工輔助小型機(jī)械施工和爆破施工等;機(jī)械掘進(jìn)包括掘進(jìn)機(jī)施工和盾構(gòu)機(jī)施工(泥水平衡法)等。

      而與之相對(duì)的管線明挖施工,則是采用人工或機(jī)械,清除地表附屬物,按照設(shè)計(jì)要求對(duì)施工段進(jìn)行取土、破石作業(yè),形成地表施工作業(yè)空間,進(jìn)行工程建設(shè),常用于地表、淺地層施工。施工中常見(jiàn)的管線溝壕等均屬該類(lèi)工法。

      1.1 管線地下暗挖施工工序

      根據(jù)不同管線設(shè)計(jì)要求,結(jié)合施工地點(diǎn)地貌、地質(zhì)、地形及周?chē)h(huán)境因素,首先管線埋深一般在地下3~5 m,在綜合考慮工程具體造價(jià)的基礎(chǔ)上,均可地下暗挖施工。管線埋深確定后,設(shè)計(jì)單位通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查探明作業(yè)區(qū)域基礎(chǔ)地質(zhì)條件,第四紀(jì)壤土條件,明確暗挖過(guò)程中可能存在的地質(zhì)困難,以便施工單位對(duì)掘進(jìn)工法的選擇。

      在具體施工中,施工單位先根據(jù)設(shè)計(jì)文件,開(kāi)挖暗挖工作井(含接受井),設(shè)置頂進(jìn)(接受)作業(yè)面,根據(jù)施工條件確定支護(hù)方式,常用工作井可采用混凝土、鋼板樁等方式進(jìn)行圍護(hù),在條件允許的淺層地下施工中,為降低工程造價(jià),縮短施工工期,可采用局部明挖,無(wú)支護(hù)或少支護(hù)的簡(jiǎn)化工作井進(jìn)行施工。

      工作井施工完成后,施工單位根據(jù)施工組織設(shè)計(jì),進(jìn)行地下暗挖作業(yè),連通管線完成工程內(nèi)容。

      1.2 管線地下暗挖施工特點(diǎn)

      1)優(yōu)點(diǎn)。地下暗挖施工因其工藝過(guò)程原因,優(yōu)點(diǎn)明顯。因在施工中主要作業(yè)面均在地面以下,僅需要少量土地征遷(工作井),便可進(jìn)行工程作業(yè),在水利管線軸徑比較長(zhǎng)的線路施工中,優(yōu)勢(shì)特別明顯。在大大降低遷占費(fèi)用、時(shí)間的同時(shí),減少對(duì)沿線城鎮(zhèn)、居民的影響。暗挖作業(yè)面(掌子面)環(huán)境穩(wěn)定,受季節(jié)影響小,在冬、雨季施工期施工質(zhì)量控制難度小、投入少。

      2)缺點(diǎn)。地下暗挖施工受地質(zhì)環(huán)境制約影響大,若作業(yè)區(qū)域地下第四紀(jì)壤土分布均勻,無(wú)溶巖發(fā)育,僅為條件較好的單一介質(zhì),其施工工藝單一、成熟,且施工速度較快;若地下地質(zhì)條件變化復(fù)雜,則其施工困難驟增,安全投入及相關(guān)措施費(fèi)用也發(fā)生重大變化,造成支護(hù)費(fèi)用增加,施工進(jìn)度緩慢等情況。因此,不確定的地質(zhì)條件是影響管線地下暗挖施工的最大因素。

      2 管線地下暗挖常用掘進(jìn)方法

      2.1 人工輔助小型機(jī)械掘進(jìn)方法

      該方法是頂管施工中常用的方法,即采用人力在暗挖工作面(掌子面)挖去壤土或較軟巖層,完成掘進(jìn)工作,常常在人工頂管工程中廣泛采用。一般來(lái)說(shuō),掘進(jìn)輔助機(jī)械常采用懸臂臺(tái)鉆、風(fēng)鎬、劈裂機(jī)、水磨鉆等,施工單位通常采用簡(jiǎn)單專(zhuān)用定制設(shè)備,減輕人力工作強(qiáng)度,增加單位產(chǎn)出;出渣輔助機(jī)械多為普通小車(chē)配合小型卷?yè)P(yáng)機(jī),近年來(lái)隨著小型電動(dòng)驅(qū)動(dòng)車(chē)的發(fā)展,逐漸過(guò)渡為更加安全、節(jié)能使用方便的電動(dòng)軌道礦車(chē)出渣。該類(lèi)方法在掘進(jìn)斷面小于3.2 m2的管線頂進(jìn)中應(yīng)用較多,但受掌子面空間影響,掘進(jìn)速度、出渣速度提升空間不大,地質(zhì)條件較好,掘進(jìn)斷面2 m2的水工管線,掘進(jìn)速度約為6 m/d。

      2.2 爆破施工掘進(jìn)方法

      在施工斷面較大或者地質(zhì)條件為巖石的地下暗挖施工中,人工輔助機(jī)械的施工方法無(wú)法掘進(jìn)或者掘進(jìn)速度緩慢,因而采用工程爆破的方法進(jìn)行施工。爆破施工在掌子面采用梅花樁布點(diǎn)方式,適當(dāng)布置裝藥鉆孔,填注爆破炸藥,爆破完成后,根據(jù)掌子面爆破效果,進(jìn)行圍巖支護(hù),然后進(jìn)行出渣清運(yùn)。以16 m2掘進(jìn)斷面,完整石灰?guī)r圍巖,三類(lèi)支護(hù)方式水工隧洞為例,每日爆破2個(gè)循環(huán),掘進(jìn)速度不大于4 m/d。

      2.3 掘進(jìn)機(jī)施工掘進(jìn)方法

      針對(duì)地下大斷面暗挖工程的特點(diǎn),爆破施工方式因能量控制不可靠造成對(duì)周邊的擾動(dòng)及破壞,在城市施工中考慮到安全因素,不可作為長(zhǎng)期、主要的施工方法。隨著重型機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品的發(fā)展,硬質(zhì)合金刀具的批量大規(guī)模的使用,專(zhuān)用地下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備成為可能,該類(lèi)設(shè)備使用油、電作為驅(qū)動(dòng)力,集掘進(jìn)部分(硬質(zhì)旋轉(zhuǎn)刀頭)、破渣收渣部分(機(jī)械齒盤(pán))和輸渣部分(鏈帶運(yùn)輸)為一體,將大部分掘進(jìn)工作集合在一臺(tái)重型掘進(jìn)機(jī)中,實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖機(jī)械自動(dòng)化。經(jīng)實(shí)踐對(duì)比,以16 m2掘進(jìn)斷面、完整石灰?guī)r圍巖、三類(lèi)支護(hù)方式水工隧洞為例,采用掘進(jìn)機(jī)施工進(jìn)度穩(wěn)定保持在6 m/d,較同樣條件下的爆破施工提升速度30%以上。

      3 建議

      3.1 提高勘察設(shè)計(jì)精度

      水利工程管線地下暗挖施工的使用,對(duì)工程勘察的設(shè)計(jì)精度要求高,尤其是地下地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性,將對(duì)整個(gè)施工項(xiàng)目產(chǎn)生影響。比如,原設(shè)計(jì)地層中均勻分布的第四紀(jì)壤土,因地質(zhì)發(fā)生變化而導(dǎo)致出現(xiàn)變化層,由預(yù)期的軟土漸變?yōu)槿躏L(fēng)化巖(含變化帶),將對(duì)施工工藝帶來(lái)翻天覆地的變化,從工期、造價(jià)、質(zhì)量及安全多方面產(chǎn)生影響。

      3.2 完善施工組織設(shè)計(jì)

      對(duì)于施工企業(yè),施工組織設(shè)計(jì)是貫穿施工過(guò)程的重要依據(jù)和綱領(lǐng)性文件。在選擇地下暗挖施工工藝時(shí),應(yīng)提前判斷可能存在的不利影響及解決思路。以山東省某水利工程隧洞項(xiàng)目為例,原投標(biāo)施工組織設(shè)計(jì)中采用爆破法施工進(jìn)行地下暗挖作業(yè),由于施工區(qū)域地處城市新發(fā)展中心,爆破許可及危險(xiǎn)品運(yùn)輸成為瓶頸,對(duì)施工產(chǎn)生不可控影響,中標(biāo)施工企業(yè)在充分進(jìn)行工期、投入分析后,變更施工方法,采用新型巷道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)替代原有施工方法,雖然在施工過(guò)程中增加了新設(shè)備投資,但在該工程完成效果上,獲得了比原預(yù)期更大的收益,同時(shí)還開(kāi)創(chuàng)了水利隧洞掘進(jìn)機(jī)施工的省內(nèi)先河,為施工企業(yè)提前積累了該類(lèi)施工經(jīng)驗(yàn),給施工單位后續(xù)的該類(lèi)項(xiàng)目招投標(biāo)贏得先機(jī)。

      3.3 加強(qiáng)項(xiàng)目管理及監(jiān)管

      作為地下暗挖施工項(xiàng)目的管理單位和監(jiān)管單位,在工程建設(shè)前期,一定要統(tǒng)籌做好地質(zhì)勘查單位的現(xiàn)場(chǎng)勘查及成果匯總,在可行性研究報(bào)告階段,反復(fù)論證工法的可行性,協(xié)同工程設(shè)計(jì)單位根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告提出可行的工法選擇,對(duì)可能出現(xiàn)的地質(zhì)條件客觀、詳細(xì)的予以描述,為后續(xù)施工招投標(biāo)提供可靠的設(shè)計(jì)、技術(shù)依據(jù)。在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中,根據(jù)隨時(shí)出現(xiàn)的地質(zhì)變化嚴(yán)格判斷、及時(shí)分析,必要時(shí)應(yīng)配備地質(zhì)專(zhuān)業(yè)人員或聘請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家技術(shù)人員進(jìn)行討論,提出建議,結(jié)合現(xiàn)有可靠的地質(zhì)技術(shù)手段,如地質(zhì)雷達(dá)、水平定向鉆預(yù)探等方法,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)判定,為暗挖工程項(xiàng)目提供現(xiàn)場(chǎng)處置支持。

      4 結(jié)語(yǔ)

      綜上所述,近年來(lái),地下暗挖施工技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于水利工程建設(shè)中,作為工程勘查設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、項(xiàng)目法人的任何一方,都需要在水利工程實(shí)踐中發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn),為水利工程建設(shè)保駕護(hù)航。

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