尾礦庫長距離排洪隧洞快速掘進(jìn)技術(shù)

李亞軍

（五礦二十三冶建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000）

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)實(shí)力和綜合國力的增強(qiáng)，工業(yè)化進(jìn)程正在持續(xù)加快推進(jìn)，對于工程領(lǐng)域各行各業(yè)的隧洞（含隧道）工程建設(shè)也在大規(guī)模開展。目前，隧洞工程在公路、鐵路、管道、礦山等各行各業(yè)均有應(yīng)用。隧洞工程因土層巖層性質(zhì)的差異可分為硬巖中施工和軟巖（軟土）中施工。硬巖中施工時(shí)，因巖石性質(zhì)堅(jiān)硬，機(jī)械鉆井不僅進(jìn)度慢，而且鉆頭消耗巨大，因此往往采用爆破施工，此時(shí)因巖層較為堅(jiān)硬，一般采用噴射混凝土、錨桿、掛網(wǎng)等其中一種方式或數(shù)種方式聯(lián)合支護(hù)即可，鋼拱架支護(hù)方式只在少數(shù)巖層極為破碎情況下使用。軟巖或軟土中施工時(shí)，巖性較軟，采用機(jī)械掘進(jìn)可以提高安全性，且提高工作效率，因此一般采用機(jī)械鉆井方式進(jìn)行，但也正因?yàn)閹r性較軟，容易坍塌，因此對于支護(hù)工作要求很高，一般采用排架、鋼架、液壓支架甚至砌碹，在巖性條件極差且支護(hù)代價(jià)過高時(shí)，甚至采用明挖后填埋。

尾礦庫排洪隧洞因尾礦庫及其附屬工程一般在土層中施工，因此屬于典型的軟巖軟土工程。尾礦庫長距離排洪隧洞工程支護(hù)困難，工程施工時(shí)的工程穩(wěn)定性成為影響工程進(jìn)度、質(zhì)量及安全的關(guān)鍵因素[1，2]。除此之外，當(dāng)隧洞工程較長時(shí)，通風(fēng)、排土、水電供應(yīng)等都將成為新的挑戰(zhàn)，也成為影響工程進(jìn)度，甚至安全的新的因素，進(jìn)而直接關(guān)系到工程成敗。近年來，由于時(shí)代發(fā)展、工程技術(shù)的進(jìn)步與突破，長距離隧洞工程如雨后春筍，越建越多，在長距離軟土隧洞工程建設(shè)上積累的經(jīng)驗(yàn)也越來越多，但是大體上，軟土長距離隧洞的施工、排土及水電供應(yīng)等都相對短隧洞要困難[3，4]，需要花更多的代價(jià)才能解決，但是如果隧洞工程從設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)及支護(hù)合理性上綜合考慮，往往會將這種代價(jià)降低到最低限度。

1 工程概況

德興銅礦為全國乃至世界知名的大型露天銅礦，銅金屬儲量占全國第一位，為江西銅業(yè)股份有限公司主力礦山。德興銅礦為特大型斑巖銅礦，由銅廠、富家塢和朱砂紅三個(gè)礦區(qū)組成。建有銅廠、富家塢兩個(gè)露天采場和泗洲、大山兩個(gè)選礦廠，原采選能力10 萬t/d，其中泗洲選礦廠3.8 萬t/d，大山選礦廠6.2 萬t/d。2010 年對大山選礦廠進(jìn)行改擴(kuò)建后，大山選礦廠處理能力提高到9.2 萬t/d，礦山總的生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到了13 萬t/d。考慮到生產(chǎn)能力的增加，德興銅礦在原有的一號、二號、四號尾礦庫之后新增了五號尾礦庫以容納礦山生產(chǎn)新產(chǎn)生尾礦。五號尾礦庫工程包括尾礦庫設(shè)施、尾礦庫的排洪系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)等。其中排洪系統(tǒng)包括1#排洪系統(tǒng)、2#排洪系統(tǒng)及至樂安河排洪隧洞。1#排洪隧洞長3170m，2#排洪隧洞長3252.5m，至樂安河排洪隧洞長3373m，都屬于典型的軟土長距離隧洞，支護(hù)、通風(fēng)、排土及水電供給都面臨較大困難，需要采取專門技術(shù)措施加以處理。

2 技術(shù)措施

2.1 設(shè)計(jì)措施

考慮到軟土隧洞周圍圍巖（或圍土）自穩(wěn)能力很弱，因此需要采取小斷面形式才能掘進(jìn)。因此斷面形式需要在滿足排洪能力與掘進(jìn)施工的前提下要求盡可能小的斷面，而斷面小的最直接的反應(yīng)是就斷面寬度小。鑒于此種考慮，1#排洪隧洞及2#排洪隧洞斷面凈寬均為2m，而至樂安河隧洞因?yàn)闉?#排洪隧洞及2#排洪隧洞匯流后輸送，因此其排洪能力為1#排洪隧洞及2#排洪隧洞泄洪能力之和，其斷面較之于1#排洪隧洞及2#排洪隧洞斷面要大，因此其斷面凈寬為3m。同時(shí)，考慮到隧洞頂部來壓的受力均勻性，未采用較為常用的矩形斷面與梯形斷面設(shè)計(jì)方式，甚至連受力較為合理的拱形斷面也未采用，而是將隧洞頂部設(shè)計(jì)為受力最為均衡，能夠有效平衡各向壓力，即最為穩(wěn)固的半圓形斷面。兩種隧洞斷面形式見圖1。

圖1 排洪隧洞設(shè)計(jì)斷面圖（一般地段）

2.2 施工組織措施

德興銅礦五號尾礦庫排洪隧洞的施工，因土質(zhì)松軟，自穩(wěn)性差，需對施工組織進(jìn)行精心籌劃，方能保證施工過程中的高效安全。為此，在施工中特采取了如下措施：

（1）在掘進(jìn)前堅(jiān)持對地下水及堅(jiān)硬巖及地下埋藏不明物等進(jìn)行“有疑必探、先探后掘”，在掘進(jìn)面向前方，在頂與兩幫側(cè)各鉆進(jìn)一鉆孔進(jìn)行探水探物，確認(rèn)物異常后再行掘進(jìn)。

（2）為保證隧洞工程的整體穩(wěn)定性，支護(hù)采用混凝土襯砌支護(hù)，混凝土厚度為300mm ～800mm，厚度較大，通過厚混凝土襯砌，形成巨大的支撐力，以保證隧洞穩(wěn)定，同時(shí)考慮到隧洞邊角易底鼓，在隧洞兩幫底部的混凝土進(jìn)行了加厚處理。

（3）為避免隧洞掘進(jìn)過程中及掘進(jìn)后不均勻沉降而導(dǎo)致的隧洞破壞，對隧洞進(jìn)行分段襯砌，即一般以10m 為一節(jié)進(jìn)行分段，遇斷層、破碎帶及不穩(wěn)定地段時(shí)，可考慮小于10m 為一節(jié)進(jìn)行分段，在分段處設(shè)2cm 寬的沉降縫，縫內(nèi)設(shè)TnE2-2 型橡膠整體止水帶。

（4）為保證隧洞的穩(wěn)定性，同時(shí)也兼顧工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，排洪隧洞施工過程中，根據(jù)區(qū)域工程地質(zhì)設(shè)計(jì)不同的支護(hù)方式及支護(hù)厚度，共設(shè)計(jì)A 類、B 類、C 類三種襯砌方式。A 類襯砌支護(hù)厚度800mm，B 類襯砌支護(hù)厚度500mm，C 類襯砌支護(hù)厚度300mm。排洪隧洞一般情況下采用C 類襯砌；當(dāng)遇到斷層、破碎帶等滲水嚴(yán)重地段時(shí)，采用B 類襯砌；當(dāng)周邊圍巖或圍土極度軟弱，基本不具備自穩(wěn)能力時(shí)，采用A 類襯砌。此種支護(hù)選擇方式，既能有效保證工程施工質(zhì)量及安全，又能兼顧經(jīng)濟(jì)性。

2.3 工程輔助措施

工程輔助措施主要包括為施工高效安全而必要配合的通風(fēng)、供電、排土以及排水等措施。

2.3.1 通風(fēng)措施

對于長距離通風(fēng)技術(shù)而言，其廣泛地應(yīng)用于獨(dú)頭掘進(jìn)工作面，依據(jù)工況選用的通風(fēng)技術(shù)也存在一定的差異性。有如下幾個(gè)技術(shù)可供選擇：風(fēng)機(jī)聯(lián)合風(fēng)筒及多級風(fēng)庫接力通風(fēng)技術(shù)、多臺局部風(fēng)機(jī)配合風(fēng)庫多條風(fēng)筒通風(fēng)技術(shù)、大功率局部通風(fēng)機(jī)配合長風(fēng)筒通風(fēng)技術(shù)、通風(fēng)鉆孔與風(fēng)庫中轉(zhuǎn)聯(lián)合供風(fēng)通風(fēng)技術(shù)以及間隔串連通風(fēng)技術(shù)。德興銅礦五號尾礦庫排洪系統(tǒng)單條隧洞長度超過3000m，比較適用的通風(fēng)技術(shù)有：風(fēng)機(jī)聯(lián)合風(fēng)筒及多級風(fēng)庫接力通風(fēng)技術(shù)；多臺局部風(fēng)機(jī)配合風(fēng)庫多條風(fēng)筒通風(fēng)技術(shù)以及間隔串連通風(fēng)技術(shù)。經(jīng)過對比，因場地局限等原因，選擇了間隔串連通風(fēng)技術(shù)。

一般而言，當(dāng)單巷掘進(jìn)長度為3000m ～5000m 時(shí)，為了能夠有效地保證風(fēng)筒的正常工作，因此必須選擇合適的保護(hù)機(jī)制，這樣才可以有效地降低所受到的風(fēng)壓，從而選擇間隔串聯(lián)的形式進(jìn)行通風(fēng)。具體做法是：在安裝局部風(fēng)機(jī)時(shí)，兩臺風(fēng)機(jī)之間的距離必須不能大于風(fēng)筒長度的1/3，同時(shí)必須保證兩臺風(fēng)機(jī)的負(fù)壓保持一致，這樣不會產(chǎn)生相互影響。如此進(jìn)行風(fēng)壓接力，局部風(fēng)機(jī)之間間隔400m ～500m，實(shí)現(xiàn)間隔串連通風(fēng)，保證新鮮風(fēng)流持續(xù)不斷地輸送到工作面。

2.3.2 供電措施

受到隧洞或井巷掘進(jìn)工作面自身實(shí)際情況影響，以往所采用的通電方式通常都是就近供電的方式，此種供電方式便是在掘進(jìn)設(shè)備逐漸推進(jìn)的過程中，供電設(shè)備隨之也向前移動，同時(shí)變電站也會隨之向前移動。采用此類供電模式情況下，能夠使得掘進(jìn)工作面之中各個(gè)機(jī)電設(shè)備均能夠獲得更加穩(wěn)定的電壓，同時(shí)對于過流保護(hù)裝置來說，也具有更好的靈敏性。但此種模式下，因變電站所占的體積相對較多，而且在配電位置處機(jī)電設(shè)備非常的多，若是采用移動供電方式，需要的隧洞或井段斷面尺寸相對來說也要更大，對于巷道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量便提出了更高的要求，很顯然，德興銅礦五號尾礦庫排洪系統(tǒng)隧洞施工，并不滿足此類條件。故本次采用長距離供電方式，考慮到隧洞斷面尺寸較小，將移動變電站作為固定變電站放置于隧洞洞口，但隨著隧洞掘進(jìn)不斷向前延伸，供電距離不斷增加，供電線路壓降不斷增加，當(dāng)工作面動力電源電壓小于掘進(jìn)面全部設(shè)備所需的最大同時(shí)啟動電壓，有可能會導(dǎo)致部分設(shè)備無法正常工作，因此在長距離供電時(shí)，降低功率損耗及電壓降，為保障掘進(jìn)工作面供電的有效措施。為此，本次掘進(jìn)采用了低溫低阻大直徑阻燃型電纜，不僅保證了工作面的供電電壓、還降低了電纜起火的可能性，同時(shí)，大直徑也增加了電纜強(qiáng)度，有利于電纜線的自我保護(hù)。

2.3.3 排土措施

長距離隧洞排土?xí)r，由于排土距離長，因此一般傾向于采用載重量較大的汽車，但是載重量較大的汽車一般尺寸較大，要求隧洞斷面積也較大，鑒于本次排洪隧洞斷面實(shí)際，本次施工選擇的還是載重量較小的汽車，但是出于快速排土需要，對汽車運(yùn)行速度及靈活性有較高要求，選擇了速度快靈活機(jī)動性強(qiáng)的小型汽車。

2.3.4 排水措施

由于是淺地表掘進(jìn)，且掘進(jìn)地處于南方地區(qū)，地下水位較淺，因此在掘進(jìn)中經(jīng)常遇到涌水。為便于高效經(jīng)濟(jì)地排水，應(yīng)盡量要求從低處向上掘進(jìn)，縱坡一般設(shè)定為7‰左右，以便于自流排水。

2.3.5 其他措施

為保證隧洞施工的穩(wěn)定性，在施工過程中采取了如下措施：

（1）斜槽施工采用滑動模板施工，混凝土采用泵送，不得從上部直接傾倒。

（2）要求混凝土的耐久性設(shè)計(jì)使用年限為100 年，最小水泥用量340kg/m3，最大水灰比0.45，最大氯離子含量0.06%，最大堿含量2.5kg/m3。混凝土不得采用堿活性骨料。

（3）隧洞進(jìn)口100m 范圍內(nèi)混凝土抗?jié)B等級為W10，隧洞其余段抗?jié)B等級為W4。

3 結(jié)論

德興銅礦五號尾礦庫排洪系統(tǒng)額1#排洪系統(tǒng)、2#排洪系統(tǒng)及至樂安河排洪隧洞等長距離隧洞工程，設(shè)計(jì)采用半圓拱小尺寸斷面，施工掘進(jìn)時(shí)采用“有疑必探、先探后掘”，并采用了厚達(dá)300mm ～800mm 的混凝土襯砌支護(hù)以保證掘進(jìn)施工的安全。為防止不均勻沉降對隧洞襯砌的破壞，一般每隔10m 對隧洞分節(jié)，節(jié)間采用橡膠整體止水帶柔性填塞。混凝土襯砌厚度根據(jù)穩(wěn)固需要及經(jīng)濟(jì)性確定了300mm、500mm 及800mm 三種襯砌厚度。

為保證掘進(jìn)的順利，掘進(jìn)時(shí)通風(fēng)采用間隔串連通風(fēng)技術(shù)、供電時(shí)根據(jù)隧洞工程實(shí)際，將移動變電站作為固定變電站放置于隧洞洞口，并采用低溫低阻大直徑阻燃型電纜保證工作面供電，擇了速度快靈活機(jī)動性強(qiáng)的小型汽車進(jìn)行排土，采用逆行向上掘進(jìn)的方式，保證了自流穩(wěn)定排水。加上對混凝土的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求，最終保證了隧洞掘進(jìn)工程的順利完成。