水利水电施工中洞室开挖施工安全技术思考

水利水电施工中洞室开挖施工安全技术思考

王辉

中国水利水电第九工程局有限公司

摘要：在水利水电工程中，洞室开挖是关键的施工环节，它不仅关系到工程的质量和进度，更直接关联到施工人员的安全。随着技术的进步和施工环境的复杂化，洞室开挖施工的安全技术面临着新的挑战和机遇。本文旨在探讨洞室开挖施工的安全技术，分析当前存在的问题，提出改进措施，并展望未来技术的发展趋势，以期为相关工程提供参考和指导。

关键词：水利水电；洞室开挖；施工安全技术

引言

在现代水利水电工程建设中，洞室开挖作为一项基础且关键的施工活动，其安全性和效率性对整个工程的成败起着决定性作用。洞室开挖不仅需要精确的工程设计，还需要严格的施工管理和先进的技术支持，以确保施工过程中人员的安全和工程的顺利进行。

一、洞室开挖施工概述

1.1 洞室开挖的定义与分类

洞室开挖是水利水电工程中的一项关键施工活动，它涉及到在山体或地下挖掘出用于安装机械设备、输送水流或储存物资的空间。这种施工技术的应用广泛，包括但不限于水电站、泵站、隧道以及各类地下设施的建设。洞室开挖可以根据其功能和结构特点被分类为多种类型，如按用途可分为发电洞室、引水洞室、泄洪洞室等；按形状可分为圆形、矩形、拱形等；按施工方法则可分为钻爆法、掘进机法、盾构法等。每种分类都有其特定的设计要求和施工技术，以适应不同的地质条件和工程需求。在进行洞室开挖时，需要综合考虑地质条件、工程规模、施工设备和安全标准等因素，以确保施工的顺利进行和工程的长期稳定。洞室的设计和施工必须遵循严格的工程规范，以防止塌方、涌水等安全事故的发生。

1.2 水利水电工程中洞室的作用

洞室在这类工程中扮演着多种角色，包括但不限于：

水流调控：洞室可以作为引水、输水或泄洪的通道，通过精确控制水流的方向和速度，以满足发电、灌溉或防洪的需求。

设备安装：许多水利水电工程需要在洞室内安装涡轮机、水泵等关键设备，这些洞室为设备提供了必要的空间和环境。

压力缓解：在高水头或高压力的环境下，洞室可以作为压力释放的通道，减少对周围结构的压力，保证工程的安全稳定。

辅助功能：洞室还可以用于电缆、管道的敷设，或者作为维修通道、通风口等，提供工程运营中的辅助功能。

洞室的设计和施工必须考虑到其在工程中的特定作用，以确保其能够满足工程的功能性需求。例如，发电洞室需要考虑水力发电的效率和设备的安装空间；泄洪洞室则需要考虑其在极端天气条件下的泄洪能力。

1.3 洞室开挖施工的特点

洞室开挖通常在复杂的地质条件下进行，这要求施工团队必须具备高度的专业技能和严格的安全管理能力。洞室的稳定性和耐久性是设计时的首要考虑因素，以确保在长期运行中不会出现结构性问题。洞室开挖施工的特点包括对精确工程设计的需求、对施工设备和技术的高要求，以及对施工环境的适应性。例如，盾构法、顺层法、冻土法和钻爆法等不同的开挖方法适用于不同的地质条件，每种方法都有其特定的应用场景和优缺点。盾构法适用于不稳定地层，能够提供稳定的工作环境并减少人力和机械的使用，而钻爆法则适用于坚硬地层，能够快速有效地进行作业。

二、水利水电施工中洞室开挖施工安全存在的隐患

2.1 施工人员安全意识薄弱

许多施工人员由于缺乏必要的安全教育和培训，对于安全规范的掌握和遵守不够严格，常常抱有侥幸心理，忽视了安全操作的重要性。这种淡薄的安全意识导致了施工现场常常充满潜在的危险，如高空作业无防护、电气隐患和机械设备操作不当等问题，极易引发安全事故。一些施工单位负责人对安全生产的重视不够，更多关注工程进度和质量，忽视了安全问题的重要性。这种态度不仅影响了全员的安全意识，也导致了安全管理工作的不到位。在追求经济效益的过程中，一些单位甚至减少安全投入，忽视安全隐患存在的风险，增加了工程安全事故发生的可能性。

2.2 施工安全管理不够重视

施工单位和现场人员可能缺乏对安全规范的充分认识，导致在实际操作中忽视了安全规程的重要性。安全教育培训的不足使得许多施工人员在缺乏必要安全知识和技能的情况下上岗，无法有效识别和应对潜在的安全隐患。安全责任的不明确导致在安全问题出现时，责任推诿和处理迟缓现象频发。施工现场缺乏定期和有效的安全监督和检查，使得隐患难以被及时发现和整改。紧急情况下，不健全的应急预案和响应机制可能使得事故后果加剧。为了节约成本，一些单位减少对安全设施和个人防护装备的投入，增加了安全风险。

2.3 水利水电工程中的施工隐患

水利水电工程施工中的洞室开挖施工安全隐患是多方面的，涉及资质和人员管理、方案管理、临时工程和设施安全、专项工程安全隐患、起重吊装与运输风险、高边坡与深基坑风险以及隧洞施工风险等多个方面。例如，施工单位可能未取得必要的安全生产许可证或超越资质等级承揽工程，导致施工安全缺乏基本保障。此外，施工组织设计和专项施工方案的缺失或不规范，使得施工过程中无法可依，增加了事故发生的风险。临时工程和设施的不当布置，如在危险区域设置施工工厂区或危险化学品仓库，也可能导致严重的安全事故。专项工程中的安全隐患，如围堰工程、临时用电、脚手架和模板工程等不符合安全规范，同样威胁着施工现场的安全。

三、水利水电施工中洞室开挖施工安全技术分析

3.1 洞室开挖施工前的准备工作

3.1.1 施工人员准备

施工人员的专业技能和安全意识是准备工作的核心，所有参与洞室开挖的施工人员必须经过严格的专业培训和安全教育，熟悉相关的操作规程和安全标准，掌握必要的应急处理技能。此外，施工人员还应具备相应的资格证书，确保其具备从事特定作业的资格。施工人员的健康检查也是不可忽视的一环，由于洞室开挖作业环境的特殊性，施工人员必须具备良好的身体素质，以适应可能的高空作业、密闭空间作业等恶劣条件。健康检查能够确保施工人员在身体条件上符合作业要求，避免因健康问题导致的安全事故。施工人员的组织和分工明确也是准备工作的一部分，明确的组织结构和岗位职责有助于提高施工效率，减少作业中的混乱和错误。每个施工人员都应清楚自己的任务和责任，以及在紧急情况下的应对措施。

3.1.2 施工设备准备

施工设备准备必须确保所有施工机械和设备符合安全标准，并且处于良好的工作状态。这包括对挖掘机、钻机、通风设备、照明设备、水泵、爆破设备等进行全面的检查和必要的维护，以预防施工中设备故障导致的安全事故。施工设备的选择应基于工程的特定需求和地质条件，例如，对于硬岩地层可能需要使用特定的钻爆设备，而对于软土地层则可能需要采用掘进机或盾构机。此外，为了应对紧急情况，还应配备必要的应急救援设备，如急救箱、氧气瓶、救生索等。施工设备的操作人员也必须经过专业培训，持有相应的操作证书，并熟悉设备的操作规程和安全措施。在施工前，还应进行设备的试运行，以确保在实际施工中能够顺利、安全地使用。

3.1.3 施工制度准备

施工单位必须制定详尽的施工组织设计，明确施工方案、技术措施、安全规程和应急预案，确保所有施工活动都有章可循、有规可依。施工单位还需建立健全的质量控制体系，实行“三证”检查制度，即对爆破证、钻孔证以及终孔证进行科学的检查，以加强开孔管理。同时，施工前的准备工作还包括对施工人员进行安全教育和技术培训，确保他们熟悉施工安全技术操作规范，并定期进行安全技术考核，以确保所有操作人员持证上岗。施工现场的布置和管理也需遵循严格的施工制度，包括施工现场的安全防护、警示标志的设置、以及消防和保安设施的配备。所有这些措施都是为了降低施工风险，提高企业综合经济效益，确保施工质量和安全。

3.2 施工安全技术

3.2.1 水电的合理设置

水电的合理布置不仅涉及到施工过程中的照明、通风、排水等基本需求，还包括对施工设备和机械的电力供应。首先，必须确保所有的电气设备和线路符合安全标准，避免因电气故障引发的事故。这包括使用合格的电缆、电线和配电箱，以及确保所有的电气连接都是安全和可靠的。施工现场的照明应充足，以保证施工人员在任何时候都能清楚地看到工作环境，减少因视线不佳导致的事故。同时，应有专门的电力供应系统来支持通风设备，确保洞室内的空气流通，防止有毒气体积聚，同时也为施工人员提供舒适的工作环境。排水系统的电力驱动设备也必须得到合理设置，以确保在施工过程中能有效排除积水，防止水害对施工安全和工程质量的影响。此外，还应考虑到紧急情况下的电力供应，如备用发电机的设置，以确保在主电源失效时，关键设备仍能继续运行。

3.2.2 土方暗挖

土方暗挖通常在隐蔽的空间内进行，这使得施工过程中的监控和风险管理变得复杂。施工前必须进行详尽的地质勘察，以了解土层结构、地下水位和潜在的不稳定因素，从而制定出科学的施工方案和安全措施。在施工过程中，需要特别注意地面沉降问题，因为土方开挖可能导致周围地面不稳定。为此，应采取灌注桩加固、地下管线迁移等补偿措施来预防潜在损害。同时，施工人员的安全培训和技能提升也是必不可少的，以确保他们能够正确使用现代化的施工设备，并在遇到紧急情况时知道如何安全应对。施工单位应建立健全的安全管理制度，包括但不限于安全技术交底、施工人员的安全教育、施工现场的安全防护、以及对施工设备和临时设施的定期检查和维护。这些措施有助于及时发现和处理施工中的安全隐患，确保土方暗挖施工的顺利进行。在土方暗挖中，还应重视对施工环境的监测，包括对地下水位的监控、对土层稳定性的评估以及对施工进度的跟踪，以确保施工质量和安全。

3.2.3 斜、竖井的开挖

斜井开挖前，必须掌握施工环境的水文地质资料，了解地质构造、岩性、水文地质条件等，以制订合理的开挖方法。施工中应采用科学的施工方案，如自上而下全断面开挖，并做好井口支护，确保施工安全。对于竖井，开挖前应进行技术交底与安全交底，确保所有作业班组提高安全意识。竖井开挖过程中应注意爆破方式及爆破参数的控制，尽量减小对周围岩体的扰动，同时及时进行竖井挂网喷护及系统锚杆的支护，保证施工期间的安全。对于斜井和竖井的施工，还应建立健全的安全管理制度，包括安全技术交底、施工人员的安全教育、施工现场的安全防护、以及对施工设备和临时设施的定期检查和维护，以确保施工质量和安全。

3.2.4 石方暗挖安全

石方暗挖通常涉及爆破作业，这要求施工单位必须严格遵守爆破安全规程，确保爆破作业的安全性。施工单位应采用精确的爆破设计，控制爆破参数，如炸药量、爆破孔的布置等，以减少对周围岩体的扰动和破坏。同时，应采取有效的通风措施，确保洞内空气质量，防止有毒气体积聚。在爆破后，应及时进行洞室的支护，如喷锚支护或架设支撑，以防止岩体坍塌。施工单位还应建立完善的安全监测系统，对洞室的稳定性进行实时监控，一旦发现异常情况，立即采取相应措施。在施工过程中，应严格执行安全技术交底制度，确保每位施工人员都了解施工中的安全要求和应急措施。石方暗挖施工中，还应重视施工设备的安全使用，定期对设备进行检查和维护，确保设备处于良好状态。同时，应加强施工人员的安全教育和培训，提高他们的安全意识和操作技能，确保施工过程中的安全。

四、洞室开挖施工安全技术发展趋势

4.1 智能化技术在洞室开挖中的应用前景

智能化技术的应用，如自动化监测系统、智能施工设备和大数据分析，为洞室开挖提供了更为精准和高效的安全保障。自动化监测系统能够实时收集洞室开挖过程中的关键数据，如围岩位移、应力应变和地下水位等，通过智能分析及时预警潜在的安全风险。例如，基于“感知—传输—分析—调节”一体化的闭环智能施工通风系统，集成了多要素通风环境在线监测装置、智能风阀和风机控制柜等硬件设施，以及支持多端的智能通风控制软件平台，实现了从环境数据监测到风机无极变频全过程自动化调节，极大提升了施工环境的安全性和舒适度。智能化施工设备如TBM（隧道掘进机）的应用，通过搭载振动监测和智能掘进系统，实现了掘进数据的分析与共享，提高了施工效率并降低了安全风险。例如，大直径小转弯TBM和“精灵”TBM的研发，分别适用于不同的地下洞室施工需求，通过智能化技术提高了设备的适应性和施工的灵活性。大数据分析和云计算技术的应用，使得施工过程中产生的海量数据能够得到有效管理和分析，为施工决策提供科学依据。通过构建数字信息化智慧监测及预警系统，实现了地下洞室群施工的智能化管理，提高了施工过程的可控性和安全性。

4.2 绿色施工与可持续发展

绿色施工不仅关注工程的质量和进度，还强调在施工过程中减少对环境的负面影响，提高资源利用效率，并保障施工人员的健康与安全。可持续发展则要求施工技术在满足当前需求的同时，不损害未来代际的需求能力。绿色施工的关键技术包括但不限于：

节能与能源利用：通过优化施工方案，采用节能型机械设备，减少能源消耗，并利用势能实现自流供排水和出渣，减少转场消耗。

节材与材料资源利用：优先选用高强、高性能、高耐久、耐腐蚀、抗老化材料，延长建筑使用寿命，降低部件更换频次，从长远角度降低原材料消耗，实现源头减排。

节水与水资源利用：合理规划施工用水，采用循环水系统和雨水收集利用系统，减少水资源的浪费。

环境保护：施工现场的环境管理、生态保护措施、废弃物处理和污染防治，要求施工过程尽量减少对生态环境的破坏。

信息化管理：利用BIM、物联网、大数据等信息化技术，提高施工效率，降低资源消耗，实现施工过程的智能化管理。

可持续发展则涉及到施工过程中的长期规划，如合理利用土地资源、保护生态环境、减少污染排放等。例如，DL／T 5827-2021《地下洞室绿色施工技术规范》提出了地下洞室施工过程中的环保、节能、安全和可持续发展的标准，涵盖了绿色设计理念、施工过程管理、环境保护、安全施工和信息化管理等方面，旨在推动地下洞室施工行业的绿色、可持续发展。

4.3 未来洞室开挖施工安全技术的创新方向

一个重要的创新方向是高应力下大型地下洞室群的稳定性分析和控制理论，这涉及到对地下洞室群在高地应力条件下的设计方法、风险评估和优化设计的研究。例如，中国科学院武汉岩土力学研究所在这一领域的研究成果，提出了裂化—抑制设计法新理念，通过优化开挖方案和支护参数，有效控制岩体的有害变形与灾害性破坏，这一理念已在多个工程中得到成功实践。另一个创新方向是地下洞室群的开挖顺序选择和施工技术研究，这包括对地下洞室群的计算分析、模拟和施工方案的优化。通过三维仿真建模和数值分析方法，可以在施工前预测和评估不同开挖顺序对围岩稳定性的影响，从而选择最优的施工方案，减少施工风险并提高施工效率。随着智能建造和智慧施工理念的推广，地下洞室施工将越来越多地采用智能化施工机械设备，如智能锚注一体机、三臂智能台车等，这些设备能够提高作业效率并减少人工作业的安全风险。

五、结语

在水利水电工程的洞室开挖施工中，安全技术的发展正朝着智能化、绿色施工和可持续发展的方向快速前进。通过不断优化施工方法、提升设备智能化水平以及加强施工安全管理，未来洞室开挖施工将更加安全、高效和环保，为水利水电工程的高质量发展提供坚实的技术支撑。

参考文献

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