水利工程隧洞开挖施工技术探究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：钟煜华（1987），男，汉族，湖南衡阳人，全日制本科，湖南华意项目管理有限公司，工程师，研究方向为水利工程管理。-21-水利工程隧洞开挖施工技术探究 钟煜华 湖南华意项目管理有限公司，湖南 衡阳 421000 摘要：摘要：随着水利工程的规模和复杂性的增长，隧洞开挖技术成为了工程成功的关键因素。本文深入研究了目前水利工程中使用的主流隧洞开挖技术，并对这些技术的优势和局限性进行了全面分析。这项研究的目的是为水利隧洞施工的决策者和从业者提供实用的参考资料，同时也旨在指出未来技术发展的潜在方向。这种深入的分析对于理解和应用这些复杂技术至关重要，有助于推动水利工程领域的进步和创新。关键词：关键词：水利隧洞；开挖技术；施工优化；地质条件 中图分类号：中图分类号：TV554 0 引言 水利工程隧洞是当代大型水利项目中不可或缺的部分。随着工程规模的扩大和地质条件的多样性，传统的隧洞开挖技术已经无法满足当前的施工要求。新技术的出现和旧技术的完善为解决这些问题提供了可能性。为了确保水利隧洞施工的质量效率和安全，深入了解和掌握各种开挖技术变得至关重要。本文旨在对这些技术进行全面的探讨和评价。1 水利隧洞的功能作用 水利隧洞，作为水利工程中的重要组成部分，在现代社会的基础建设和水资源管理中起到了不可或缺的作用。它们为各种水利项目提供了核心的技术支撑，确保了水资源的有效安全和持续的利用。隧洞作为水电站的进水或出水通道，确保了水电站的稳定运行和高效产能。这些隧洞经常需要在复杂的地质环境下建设，从而确保从水库或河流中取水的连续性和稳定性，同时还要考虑到对周围生态环境的影响。随着全球气候变化和人口增长，某些地区的水资源变得日益稀缺。通过水利隧洞，可以将丰水地区的水资源调至缺水地区，确保人们的生活需要和农业生产的稳定。这不仅缓解了水资源短缺问题，还为经济发展和社会进步提供了支持。随着城市化的加速，地面的硬化和大量的建筑物导致雨水无法迅速渗透进入地下，容易造成城市内涝。为此，许多城市已建立了复杂的雨洪排放系统，而隧洞则是这一系统中的关键部分，它们确保雨水迅速排放，减少城市内涝的风险。此外，水利隧洞还在灌溉饮用水供应和工业用水中都发挥了重要作用。它们确保了水资源的稳定供应，使得农业工业和生活都能得到持续的支持。2 水利工程隧洞开挖施工难点 水利工程隧洞的开挖施工涉及多方面的技术和管理挑战，其复杂性远远超过一般的土木建筑工程。以下主要阐述其核心难点。2.1 地质条件复杂性 水利隧洞开挖在很多情况下都与复杂的地质条件紧密相连。这些隧洞经常位于那些地质结构未知地形地貌复杂的地方。很多时候，这些隧洞被设计来贯穿山脉穿越河流交汇处或深入地下，每一个环境都提出了它独特的工程挑战。面对未知的地质结构时，传统的地质勘查技术可能无法提供充分的信息，导致施工中的各种意外。比如，在某些地段，工程师可能会遭遇到意料之外的砂石层或者软土层，这些层在受到挖掘机械的干扰后可能迅速塌陷，导致隧洞不稳定。复杂的岩层结构也是施工中的一个巨大挑战。例如，当隧洞遭遇断裂带溶蚀带或者具有高度韧性的岩石时，不仅会对施工工具造成损坏，还会大大增加施工的难度和时间。更为严重的是，这些复杂的岩层常常与地下水相关，可能存在的裂隙和缝隙可以导致地下水泄入，形成隧洞渗水涌水或泥水突泉等现象。此外，地下水的压力是另一个不可忽视的风险。在施工过程中，如果未能有效控制地下水，可能会导致隧洞坍塌渗水等问题。地下水不仅会影响隧洞的稳定性，还可能引中国科技期刊数据库 工业 A-22-起其他地质灾害，如地面塌陷滑坡等。为了有效应对这些复杂的地质条件，工程师需要采用高精度的地质勘探技术，实施严格的地质预警系统，并根据实际地质情况选择合适的隧洞开挖和支护技术。同时，与地质学家水文学家等跨学科专家的密切合作也是确保隧洞施工安全和效果的关键。2.2 环境保护要求高 隧洞开挖作为一种重要的工程技术，虽然为水利项目带来了诸多便利，但其对生态环境的潜在影响不能被忽视。尤其在当前环境保护意识日益增强的背景下，如何在隧洞开挖中实现生态和施工的双重目标，成为了每一个施工单位必须面对的挑战。爆破作为隧洞开挖的常见手段，不仅会对周边的结构产生震动和噪音，还可能产生大量的尘土和有毒气体。这些尘埃和气体对附近的生态环境和居住区域都可能产生不良影响。为此，施工单位需采用微震爆破或其他低冲击的爆破技术，并使用专业的尘埃和气体处理设备，确保爆破过程中的污染得到有效控制。隧洞施工中的排水问题也是一个环境风险点。大量的地下水被抽出可能会干扰周围的地下水平衡，对附近的河流湖泊甚至湿地的生态系统造成影响。这要求施工单位必须实施严格的地下水管理制度，避免过度排水，并对排出的水进行处理和再利用。再者，隧洞开挖过程中产生的废料，尤其是废弃的岩石泥土等，如果不加处理直接排放，很可能会对周围的土壤和水源产生污染。因此，合理的废料管理和处理流程变得尤为重要。例如，部分废料可以作为其他工程的填充材料，而有污染的废料则需要送到指定地点进行环保处理。2.3 高压水 水利隧洞开挖中，高压地下水的存在为施工带来了巨大的挑战。这种情况下的地下水不同于常规的水文地质环境，它是在较深的地层或是由于地质变动形成的高压环境中。高压地下水可能会在不经意间突破，导致突发性的水害事故，这不仅会影响施工的进度，更可能危及到在场工作人员的生命安全。高压地下水给隧洞施工带来的首要问题是对隧洞稳定性的威胁。高压的水流可能会迅速冲刷隧洞的内部，导致土体松动或隧洞壁面受到侵蚀。这不仅增加了施工难度，还可能引发隧洞坍塌的风险。为了有效地应对高压地下水的挑战，施工单位需要在隧洞开挖前进行详细的地质勘查和水文分析。识别潜在的高压水区域并提前做好排水预案。此外，可以采用注浆技术，将特定的化学物质注入土体，增加土体的密实性和抗渗性，从而减少水的渗透。隧洞施工期间，应建立实时监控体系，通过高精度的水压和水位传感器，对隧洞内的水压变化进行实时监控。一旦发现水压异常上升，应立刻启动应急响应机制，确保施工人员迅速撤离，并进行相关的应急处理。2.4 技术与设备的局限性 在水利隧洞的开挖过程中，技术与设备的局限性常常成为制约施工进度和效率的关键因素。对于复杂的地质条件变化的气候环境以及特定的工程需求，传统的开挖技术和设备可能不再具备足够的适应性。对于地质条件的变化，如遇到坚硬的岩石层易滑动的土层或不稳定的岩层，传统的挖掘设备可能无法有效地进行作业，或需要更长的施工时间和更高的成本。此外，当地下存在大量的地下水或高压水流时，传统的防水技术可能无法有效地阻止水的渗入，增加了隧洞稳定性的风险。随着气候变化的影响，水利隧洞施工可能会面临暴雨洪水寒潮等极端气候条件。这些条件对施工设备的性能和耐久性提出了更高的要求，同时也对施工团队的操作技能和应急处理能力提出了挑战。为了克服这些技术与设备的局限性，施工单位必须不断地进行技术创新和设备更新。这包括引进先进的隧洞挖掘设备采用新的支护和防水技术以及为施工团队提供专业的培训和指导。只有这样，才能确保水利隧洞施工的安全高效和可靠。3 水利工程隧洞开挖施工技术应用 随着科技的不断发展，水利工程隧洞开挖技术已经逐步完善。根据不同的工程需求和地质条件，施工单位采用不同的开挖方法。下面将详细探讨爆破法机械挖掘法和混合施工法的应用。3.1 爆破法 爆破法是隧洞开挖中最传统也是最常用的方法。它主要依赖于化学爆破药物对岩石进行破坏，从而实现开挖的目的。爆破法的主要优势在于其能够迅速处理硬岩，尤其在处理大型的岩体和复杂的地质结构时，具有明显的效率优势。此外，该方法对于人工难以处理的深层隧洞同样适用。尽管爆破法效率高，但其也存在一定的局限性。首先，爆破可能会对周围的结构中国科技期刊数据库 工业 A-23-造成损害，特别是在城市或其他敏感区域。其次，不恰当的爆破可能导致不必要的岩石断裂和隧洞不稳。3.2 机械挖掘法 机械挖掘法利用先进的挖掘机械，如隧道掘进机(TBM)钻头等设备，对岩石进行物理破坏。机械挖掘法的最大优势在于其精确度高，尤其是在地质条件良好的地方。TBM 等设备可以准确地控制隧洞的方向和形状。此外，机械挖掘法相对于爆破法对环境的影响较小，适用于城市和其他敏感区域。机械挖掘法在处理特别硬的岩石或非常复杂的地质结构时可能效率不高。此外，这种方法的初始投资成本相对较高。3.3 混合施工法 混合施工法结合了爆破和机械挖掘两种方法的优势，通常在地质条件复杂或具有特殊要求的工程中使用。混合施工法灵活多变，能够根据实际地质和工程需求选择最佳的开挖方法。例如，在某一段地质较为稳定的地方可以使用机械挖掘，而在另一段硬岩区域则选择爆破。混合施工法的主要挑战在于施工管理和协调。需要确保两种方法的无缝对接，以确保施工的连续性和安全性。4 水利工程隧洞开挖支护与安全措施 4.1 锚喷技术应用 隧洞开挖是一个高度复杂和技术密集的过程，尤其在遭遇复杂的地质条件时。为确保施工的安全性与效率，锚喷技术被引入为一种优先的支撑与稳定手段。其核心思想是结合喷射混凝土和锚杆技术，确保隧洞围岩在挖掘后仍能保持其稳定性。随着开挖的进行，会根据地质调查报告和现场观测的情况确定锚喷的位置和密度。地质工程师会根据围岩的性质，如岩性裂缝分布围岩等级等因素，提出最佳的锚喷设计方案。当确定了锚喷的位置和方案后，接下来是钻孔的步骤。使用专业的钻机在指定的位置进行孔径和深度的钻孔。孔径的大小和深度通常取决于地质条件和设计要求。在钻孔的过程中，应确保孔壁的清洁和稳定，以便后续的锚杆和混凝土可以充分结合。随后，钢筋锚杆被插入到钻孔中。这些锚杆经过特殊处理，使其具有较强的抗拉抗压和抗扭性能，能够有效地固定围岩。锚杆的长度和直径取决于设计要求和现场条件。随后的步骤是注浆。通过专门的注浆设备，将特定比例的水泥浆注入锚杆的孔内。注浆不仅确保锚杆与围岩之间的紧密结合，还有助于封闭围岩中的裂缝，阻止地下水的渗透。在锚杆固定后，进行喷射混凝土的操作。使用高压喷射机，将预拌好的混凝土均匀地喷射到隧洞围岩上，形成一层均匀的混凝土覆盖层。这层混凝土与之前的锚杆结合，形成一个稳定的支撑体系，为隧洞提供临时或永久的稳定。在施工过程中，工程师和技术人员需要对施工情况进行实时监测，确保锚喷的质量和稳定性。通过各种检测设备，如应力计位移仪等，定期对锚杆的应力围岩的位移等参数进行监测，确保隧洞的安全。4.2 预应力锚杆与深基坑支护技术 隧洞开挖与深基坑施工在地下工程领域占有相当的比重。为确保施工安全保障周边结构不受影响，通常需要采取一系列技术手段进行围岩或土体的稳定。预应力锚杆与深基坑支护结构是其中的两种重要技术。预应力锚杆是一种有效的围岩支护方法，能够在挖掘前为岩石或土体施加预先设计的拉力，使其在挖掘过程中达到预期的稳定状态。预应力锚杆通过预张拉技术，保证了在施工过程中围岩或土体不会发生过大的变形和位移。首先，根据设计与地质情况，确定锚杆的布置长度直径和拉力。之后，使用专用钻机在预定位置进行钻孔，并插入高强度钢筋或钢索，形成锚杆主体。随后，通过注浆泵将高强度的水泥浆注入钻孔中，与锚杆结合，确保锚杆与围岩或土体之间的牢固粘结。待水泥浆充分固化后，对锚杆进行张拉，使其达到预先设计的拉力，并锁定，形成预应力锚杆。深基坑通常需要经历多次的开挖和支护过程。根据设计和地质条件，确定支护结构的类型，如搅拌桩混凝土墙等。首次开挖到一定深度后，进行第一次的支护施工，如安装钢筋笼喷射混凝土施工土钉等。待第一次支护完成并达到一定的强度后，继续进行第二次开挖。如此重复，直到基坑挖掘到设计深度。在深基坑施工过程中，还需要不断监测围岩或土体的变形位移地下水位等关键参数，确保基坑的稳定性。如有需要，还可以采用水泥浆化学浆等方法进行地下水控制，确保基坑的干燥和稳定。5 结论 水利工程中隧洞开挖技术的进步不仅体现了科技与工程实践的交互推进，而且也是当代工程需求和技中国科技期刊数据库 工业 A-24-术挑战之间逐步协同的成果。随着工程规模的壮大，隧洞施工的复杂性也随之增加，对施工技术和管理方法提出了更高的要求。预应力锚杆深基坑支护等技术在提高隧洞施工安全性提升工效以及确保项目质量方面都发挥了不可或缺的作用。更为关键的是，当前的技术进步不仅是对传统方法的完善，更体现了对环境保护资源优化利用的深度思考和实践。参考文献 1李明,王志刚,黄润秋,等.水利隧洞开挖支护技术研究与应用J.岩土工程技术,2020,34(7):107-111.2刘志刚,冯鸿雁,周光辉,等.水利隧洞开挖施工技术与支护措施研究J.中国水运,2019,19(9):34-38.3张明,刘建中,徐继红,等.水利工程隧洞开挖施工技术研究与应用J.中国水利水电科学研究院学报,2018,16(2):153-158.4 邓 强,郭 庆 国,杨 永 利,等.水 利 工 程 隧 洞 开 挖 施 工 技 术 研 究 与 应 用 进 展 J.岩 土 工 程 学报,2017,39(12):2263-2269.