復雜地質大逆坡富水隧洞開挖施工中的技術運用

趙怒沖

伴隨南水北調等一系列大型水利調水工程的施工推進，調水成為我國水資源優(yōu)化配置的重大戰(zhàn)略性基礎設施,因此水工隧洞在開挖施工中的技術運用對促進我國經濟社會可持續(xù)發(fā)展具有十分重大的意義。筆者就小斷面大坡度水工隧洞為例，結合工程案例對開挖施工中的技術運用進行了分析探討，旨在能夠為我國水利建設調水工程提供一些參考和意見。

一、工程介紹

山西省東山供水工程是山西大水網建設的骨干項目，也是山西省“十二五”期間建設的重點水利工程。工程從晉中東部地區(qū)水資源相對豐富的左權縣、榆社縣、及長治市武鄉(xiāng)縣調水到晉中南部的太谷縣、祁縣、平遙縣、介休市和靈石縣，補充調入區(qū)工、農業(yè)用水。本工程輸水管（洞）線路全長254.64km，其中壓力管線長178.06km、隧洞長72.22km、洞穿管長3.11km。調水區(qū)工程沿線設巖南溝一級站、小寨二級站及關河水庫3座泵站，設計最大揚程279m，總裝機容量18150kw，受水區(qū)沿線設7座調蓄水庫。其中10#隧洞長12.479km ，設3條施工支洞，其中10-2#支洞坡度為20°36′40″，支洞長585.56m，隧洞斷面形式為城門洞型，凈寬3.65m，凈高為3.0m，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌。

10-2#支洞位于晉中市平遙縣程家莊東沖溝內，緊鄰山谷河流，河水流量受季節(jié)降雨影響較為嚴重。隧洞地區(qū)屬新生代斷陷盆地地質構造，地層有寒武系上統(tǒng)崮山組（∈3 g）紅褐色薄層泥質條帶灰?guī)r與竹葉狀灰?guī)r，上統(tǒng)長山組（∈3 c）灰紫色竹葉狀灰?guī)r為主，斷層節(jié)理發(fā)育，巖體整體破碎，基巖裂隙較大。

二、防排水

1.施工技術難點

小斷面大坡度涌水不良地質圍巖隧洞防排水。東山供水工程10-2#支洞Ⅴ級圍巖占隧道全長100%，開挖掘進至30m即出現圍巖裂隙滲水，掘進至40m滲涌水量已達25m3/h，滲水水量還將隨隧洞開挖掘進進一步加大，10-2#支洞坡度較大，致使洞內滲水向掌子面流集，致使洞內施工環(huán)境更加惡劣，對隧洞圍巖的穩(wěn)定、開挖及支護帶來較大問題，排水不及時和抽排不徹底將對洞內施工設備造成浸泡損壞，威脅洞內施工作業(yè)人員的生命安全，影響施工進度。

2.防排水技術措施

做好小斷面大坡度涌水不良地質圍巖隧洞的防排水工作，對保證隧洞施工質量和防止產生病害危及施工作業(yè)人員的生命安全具有非常重要的意義。根據洞內的水情，實施“分段截留、清污分離、分級抽排”的系統(tǒng)排水方法，將大大增加隧洞開挖掘進速度，從而保證施工進度。隧洞右側下方布設有軌側卸礦車軌道，右側上方布設通風帶及主電纜，隧洞中間上方設置照明，左側下方布置人行步梯及供風管，供風管線下方尚有空間可以布置排水管道，排水管線直接敷管線在底板面，隧洞左側每隔50m開挖一處1.5×1.5m集水井,洞底的橫向截留槽將各處滲水截留后流入集水井，集水井內水泵通過排水管將水排至上一級集水坑，直至排出洞外。隧洞掌子面開挖爆破后的每次出渣，扒渣機出渣工作時會將上循環(huán)初期支護回彈的噴漿混凝土與掌子面積水擾動混合形成污水，此時可通過掌子面的污水泵抽排進污水管內，通過每100m設置的分級式增壓泵加壓，排出洞外進入沉淀池進行凈化處理。

三、超前支護

1.施工技術難點

小斷面大坡度涌水不良地質圍巖隧洞支護因受小斷面空間和隧洞大坡度的限制，大管棚超前支護施工難以展開。

2.超前支護措施

小導管超前支護具有靈活易操作的特點，在小段斷面大坡度隧洞超前支護施工中優(yōu)勢作用十分明顯。10-2#支洞采用φ42×3.5mm超前小導管配合Ⅰ14鋼拱架使用。導管鋼管長3m，鋼管沿Ⅰ14鋼拱架拱部環(huán)向布置間距為400mm，鋼管與隧洞軸線環(huán)向外插角為10°，小導管是受力桿件，因此在縱向的兩排小導管應有一定搭接長度，小導管沿隧道縱向的搭接長度一般不小于1m。采用小導管加固時，為保證工作面穩(wěn)定和掘進安全，應確保小導管安裝位置正確和足夠的有效長度，嚴格控制好小導管的鉆設角度。用作小導管的φ42×3.5mm鋼管鉆有注漿孔，以便向巖體裂隙進行注漿加固減少涌水量，也有利于提高小導管自身剛度和強度。小導管在涌水不良地質圍巖巖體注漿漿液宜采用雙液漿。漿液必須填充滿周圍巖體裂隙，雙液漿配合比、注漿量和注漿壓力由試驗確定。為保證灌漿質量防止漏漿，小導管的尾部需設置封堵閘閥。支護布置示意圖見圖1。

四、隧洞爆破施工技術

1.施工技術難點

隧洞斷面小、施工坡度較大，施工空間有限，不利于大型機械化作業(yè)。受涌水不良地質圍巖影響，控制不好容易出現超欠挖，給初期支護帶來麻煩，嚴重影響施工進度。

2.爆破設計

小斷面隧洞爆破參數按照全斷面進行光面爆破設計，受涌水不良地質圍巖影響，炮眼深度不易過長，每次進尺控制在兩榀鋼架內。在炮眼深度不變的情況下，采用理論、工程類比法與現場爆破試驗相結合，確定炮眼鉆爆參數、各個炮眼裝藥結構及裝藥量、起爆順序等，由此得到設計和規(guī)范要求的開挖輪廓面，減少超欠挖，減輕對圍巖的破壞作用，達到爆破后巖面平順，同時節(jié)省炸藥，確保施工安全和加快施工進度，不給后期支護工程留下隱患，提高工程質量和降低工程成本。隧洞斷面小、施工坡度較大，施工空間有限，不利于大型機械化作業(yè)，因此采用5臺YT-28手持氣腿鑿巖機鉆孔進行鉆孔，炮眼直徑40mm，孔深根據兩榀鋼架間距確定。

（1）減震爆破技術措施

利用薩氏公式Qmax=R3min（V安全/K）3/a，以及對已澆注好的砼結構及初期支護結構規(guī)范允許安全震速，反算出單段最大裝藥量，必要時適當增加雷管段數，減少單段最大裝藥量。

根據《爆破安全規(guī)程》并結工程合工程實際情況，既要保證施工半成品的安全，又要消除施工人員的恐懼心理，以質點允許振速控制在[Vmax]=10cm/s為計算依據，檢算最大裝藥量（Q）的合理性，確保振速得以控制。

（2）鉆孔與爆破施工

①鉆爆設計

根據圍巖情況設計爆破參數和鉆爆圖，經監(jiān)理工程師同意，先進行光面爆破試驗，從而選擇合理的爆破參數，以確定鉆孔和爆破符合規(guī)定要求。

a.爆破網絡選擇：

采用孔外微差導爆管爆破網絡、非電毫秒雷管起爆。

b.參數及器材選擇：

塑料導爆管，非電毫秒雷管起爆系統(tǒng)，引爆采用火雷管。炸藥選用2#巖石硝銨炸藥和乳化炸藥（有水地段用乳化炸藥），藥卷掏槽眼選用ф22、ф32二種規(guī)格，周邊眼采用ф22的小藥卷，掏槽眼及輔助眼采用ф32藥卷。

炮眼設計詳見下圖：

a）炮眼數量：

N1=qs/αγ=（2.04×9.8）/（0.65×0.6）=52個

其中： q---單位耗藥量取2.04㎏/m3（進場后現場試驗選取）

s---開挖面積（10#隧洞圍巖開挖斷面為9.8m2）

α---裝藥系數取0.65

γ---炸藥每米質量,采用φ32藥卷單位質量為0.6㎏/m

因隧洞開挖采取光面爆破，周邊眼數量要比一般爆破多，增加系數一般取α=1.10～1.20,現取1.2，因而炮眼數量為：

N= N1×α=1×1.2=62個(實際數量將在進場后試驗最終確定)

b）各種炮眼深度計算

掏槽炮眼深度為：

L=l/η+0.2=2.5/0.90+0.2=3m其中：L----炮眼深度

l----每循環(huán)計劃進尺數

η----炮眼利用率,一般不低于0.85，取0.9炮眼垂直深度取3m。周邊眼深度計算：

L=l/η=2.5/0.9=2.8m

炮眼深度取2.8m.

c）每一循環(huán)裝藥量Q的計算及炮眼裝藥量的計算

為了確保光面爆破的效果,掏槽眼的裝藥系數根據經驗取0.7～0.9,現取0.8。掏槽眼每眼裝藥量為：q1=3.0×0.8×0.6=1.44㎏掏槽眼總裝藥量為：

Q1=1.44×14=23.04㎏

其中掏槽眼為14眼。

輔助眼、底板眼的裝藥經驗系數為0.65～0.85,現取0.81。輔助眼、底板眼每眼裝藥量：q2=3.0×0.81×0.6=1.46㎏輔助眼裝藥總量：

Q2=1.46×18=26.28㎏底板眼裝藥總量：

Q3=1.46×6=8.76㎏

周邊眼每眼裝藥量根據裝藥集中度計算：

光面爆破裝藥集中度參數：硬巖0.30～0.35㎏/m；中硬巖0.20～0.30㎏/m；軟巖0.07～0.12㎏/m

取裝藥集中度為：0.32

周邊眼每眼裝藥量：

q4=2.8×0.32=0.9㎏

周邊眼裝藥總量：

Q4=0.9×24=21.6㎏

總裝藥量： Q=Q1+Q2+Q3+Q4=79.68㎏

光面爆破參數：周邊眼采用ф22小直徑光爆藥卷，周邊眼間距E=40～60cm，最小抵抗線W=50～70cm，相對距離E/W=0.83，裝藥集中度為0.2-0.3kg/m，采用導爆索連接間隔裝藥，孔口堵塞長度不小于20cm。施工中根據爆破效果及時修正鉆爆參數，以期達到最佳爆破效果。

②炮眼堵塞

堵塞作用是使炸藥在約束條件下能充分爆炸，提高炸藥利用率。不同部位的炮眼，其堵塞長度不同。采用炮泥堵塞，為確保爆破效果，堵塞不得留有空隙。

③爆破效果

10-2#支洞按上述方法實施爆破，其平均循環(huán)進尺2.3m，平均炮眼利用率90%；炮眼殘留率為70%（拱部）和65%（邊墻）；平均線性超挖7cm。取得了預期效果。

5.出碴工況

小斷面大坡度隧道出碴運輸是施工中的一大難題，受斷面面積及坡度限制載機不能夠進出行走，卷揚機配合有軌自卸礦車出渣較為實用，有軌自卸礦車出渣優(yōu)點較多，占用空間小、進出隧洞不產生油煙污染、實用靈活故障少等。出渣完畢后，可運輸鋼拱架、噴漿設備和噴漿料進行初期支護施工作業(yè)。

10-2#支洞掌子面扒渣采用履帶式160m3/h扒渣機，斜井段采用JK1.6*1.2礦井提升機牽引有軌礦車出渣、送料。開挖施工進入主洞后，主洞內采用無軌運輸，農用自卸車將渣卸入4m3礦斗，礦斗提升至支洞口，倒入絞車下等候的自卸車運輸至渣場。混凝土采用2.5m3混凝土專用礦斗裝至支洞口，裝載機將礦斗調入有軌礦車，礦車運送至支洞底后，用電動葫蘆或裝載機卸入自卸車內，運至工作面。

有軌出渣運輸方式如下圖所示：

五、結語

東山供水工程10-2#支洞采用適合小斷面的爆破技術和裝碴設備，平均月進尺120m，取得了良好的經濟效益和社會效益。目前我國小斷面隧道還比較多，如排污隧洞、煤礦巷道、地鐵站進出口等其它地下工程。東山供水工程10-2#支洞隧洞的開挖施工中的一些關鍵技術可為同類工程提供相關參考。