引洮二期高原缺氧小斷面隧洞開挖掘進施工實踐

劉峻嘉，吳建東

(1.甘肅省水務投資有限責任公司，甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

引洮供水二期工程是國務院確定的全國172項節水供水重大水利工程之一，從洮河流域調水到嚴重缺水的甘肅省中部干旱地區[1-2]。總干渠設計引水流量20m3/s，加大引水流量為22.520m3/s。2030年二期工程供水量為3.13×104m3，受水區總人口達到267.76萬人，新增灌溉面積1.95萬hm2。引洮供水二期工程屬Ⅱ等工程，工程規模為大(2)型，包括1條總干渠，長95.091km；6條干渠(四-九干渠)及2條分干渠，總長299.968km。本文研究對象為七干渠，起始樁號39+650～49+494.167m，渠道總長9844.16m，含隧洞、暗渠及倒虹吸等建筑物。工程區沿線物理地質現象主要表現為滑坡、崩塌等不利條件。由于隧洞屬于地下工程，復雜地質條件和開挖掘進方案的合理性，如：高原缺氧、節理裂隙、圍巖變形等會直接影響工程施工的技術經濟性[3]。科學開挖掘進設計是確保高原缺氧小斷面長隧洞開挖穩定及安全施工的重要保障。

2 工程地質條件

樁號39+650～41+040段為七干渠16#隧洞，長1390m；樁號41+080～43+330段為七干渠17#隧洞，長2250m；樁號43+390～46+115段為七干渠18#隧洞，長2725m。16#～18#隧洞圍巖主要有Z1變質砂巖、大理巖，C3—P1砂巖夾頁巖。

Z1變質砂巖、大理巖洞段為16#隧洞39+650～39+913，屬Ⅳ類圍巖。變質砂巖、大理巖呈互層狀，粒狀變晶結構，塊狀—次塊狀構造，在大理巖層間有溶蝕現象，受構造影響巖體中小斷裂發育，且相互切割常形成不利組合，地下水活動輕微-中等，多沿裂隙面、層面有滴滲水或線狀流水，水質良好，對普通混凝土無腐蝕性。Ⅳ類圍巖不穩定，應及時進行支護，設錨桿、掛網噴混凝土。

C3-P1砂巖夾頁巖及耐火黏土洞段為16#隧洞39+913～41+040，17#隧洞41+080～43+330，18#隧洞43+390～45+310。除16#隧洞39+913～41+040及17#隧洞41+080～41+221段為Ⅴ類圍巖外，其余均為Ⅳ類圍巖，圍巖屬中厚層較軟巖夾薄層軟巖，巖體節理裂隙發育，巖體破碎，層面、裂隙面相互切割形成不穩定巖體，而且有地下水活動，洞內地下水活動中等，對混凝土有硫酸鹽型弱腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋有弱腐蝕性，對鋼結構有弱腐蝕性。由于地下水的活動加劇了圍巖的不穩定性，在施工時沿結構面有線狀流水。Ⅳ類圍巖不穩定，應及時進行支護，設錨桿、掛網噴混凝土[4-6]；Ⅴ類圍巖極不穩定，圍巖有收斂變形問題，洞頂易掉塊，局部坍塌。隧洞開挖時應及時進行支護，設錨桿、掛網噴混凝土，并設鋼拱架支護。

鑒于新近系極軟巖洞段、破碎圍巖及斷層破碎帶洞段的圍巖穩定問題較為突出，在隧洞施工過程中要加強圍巖變形觀測并及時反饋觀測資料。

3 開挖掘進方案比選

16#～18#隧洞地處黃土高原邊緣中低山梁峁丘陵區，工程地質條件十分復雜，主要以強風化變質砂巖、大理巖和砂巖夾頁巖等極不穩定地層構成隧洞圍巖，自穩性差、涌水、濕陷性黃土等問題尤為突出，并伴有一定腐蝕性的地下水活動，使得地層更加破碎，易坍塌，施工風險高。鑒于小斷面、長隧洞在高原缺氧時的實施難度，根據隧洞地質條件，設計優選TBM工法和鉆爆法進行對比分析，比選成果見表1。

表1 TBM工法與鉆爆法技術經濟比選成果

綜合分析比選成果，TBM工法優缺點為：優點為TBM工法先進，一次成洞對圍巖擾動小，成洞快，工期短，施工安全有保障；缺點為投資高，國內可供選擇的經驗豐富的隊伍少，受外匯匯率變化影響大，要求施工管理技術水平高。鉆爆法優缺點為：優點為投資低，對地質條件適應性強，可供選擇的有成熟施工經驗的施工隊伍較多，便于相互協作，施工工廠要求標準低；缺點為進度較慢，工期較長，爆破作業對圍巖擾動較大，施工安全保障性較差。根據16#～18#隧洞洞長、設計斷面、圍巖情況和施工支洞條件，考慮到TBM工法投資偏大，需較高技術水平的工人和必要的檢修力量，外在風險較高，同時受其它長隧洞工期的影響，該方案雖可實現工期提前，但經濟效益不明顯。而常規鉆爆法投資低，可供選擇的施工隊伍較多，施工工廠要求標準低，施工裝備簡單，通用性強，與其它長隧洞工期相比滯后負面作用小，優選常規鉆爆方案。

4 巖石隧洞開挖

4.1 洞口石方開挖

引洮供水二期工程七干渠16#～18#隧洞洞口地質條件較差，洞口及隧洞淺埋段施工時采取鋼支撐和管棚支護等提前進洞措施，盡量減少高邊坡和對洞口植被的破壞。洞口石方開挖采用臺階法淺孔松動爆破。爆破參考參數為：按設計邊坡預留保護層0.6～0.8m，炮孔直徑Φ42mm，孔距1.0m，眼深2.0m，采用19#巖石硝銨炸藥(有水炮孔用乳化炸藥)。石方開挖采用移動式空壓機配YT-28型氣腿式鑿巖機鉆孔。施工時設立標志牌，必須做好爆破安全警戒工作，確保施工安全和行人安全，爆破后及時清理道路上的石渣。

4.2 Ⅳ類圍巖鉆爆設計

4.2.1炮眼數及裝藥量

炮眼鉆孔前準確測畫出隧洞爆破開挖后的輪廓線，并詳實標出掏槽眼和周邊眼的具體位置[7-8]。炮眼直徑為Φ42mm，掏槽眼1.7m，輔助眼1.5m，底眼1.5m。巷道斷面和巖石堅固性系數采用簡易經驗公式進行計算，即：

(1)

式中，N—炮眼數量；f—巖石堅硬系數，此處f=8；S—開挖面積，此處為15.6m2。

經計算炮眼數量為41個，考慮光面爆破，實際布置48個。

每個炮眼裝藥量計算公式為：

Q=η·L·r

(2)

式中，η—炮眼裝藥系數，取η=0.6；L—爆破眼眼深，掏槽眼1.7m，輔助眼1.5m；r—每米長度炸藥的重量，r=0.78kg/m。

經計算掏槽眼單眼爆破裝藥量為0.79kg；輔助眼單眼爆破裝藥量為0.70kg。

4.2.2炮眼布置及起爆順序

根據施工現場實際情況，每循環進尺1.5m循環方量約為23.4m3，炸藥單耗為1.14kg/m3，周邊眼采用Φ25×300藥卷，其余炮眼采用Φ32×200藥卷，如圖1所示，見表2。

圖1 炮眼布置及聯接示意

表2 圍巖起爆順序及爆破參數

4.2.3爆破網絡連接

按圖1劃定區域裝藥連線，“先上后下、先兩側后中間”。炮眼裝藥結構，如圖2所示。

圖2 炮眼裝藥結構

導爆管連線采用“簇聯”法，配2發非電毫秒雷管連接通過四通和塑料導爆管與電容式(MFD型)起爆器端頭聯結，電容式(MFD型)起爆器引爆塑料導爆管，非電毫秒雷管起爆。裝藥結束經安全檢查合格后才能起爆。

4.3 Ⅴ類圍巖開挖

遵循“管超前、少擾動、嚴注漿、短進尺、嚴治水、強支護、勤量測，緊封閉”的原則，V級圍巖采用正臺階先拱后墻法施工。正臺階先拱墻、拱部環形法開挖，工作面多，進度快，保留核心土便于支撐，保證圍巖穩定，避免塌方，施工安全[9-10]。為避免塌方，貫徹短開挖原則，上導坑掘進循環0.6～1.0m，并根據圍巖狀況，隨時調整。

4.4 施工支護

16#～18#隧洞斷面尺寸較小，開挖、出渣、支護及襯砌等作業工序很難或無法同步進行。另外，隧洞部分沿線，在斷層和節理裂隙發育地段，洞內地下水呈線流狀，可能會發生涌水，不利于施工開挖掘進。為了適應圍巖的變形，防止隧洞在施工開挖過程中出現塌方，洞身總體采用復合式支護襯砌結構型式進行工程設計和施工處理。

隧洞沿線Ⅳ、Ⅴ類圍巖占的比例較大，同時還有數條規模大小不等的斷層破碎帶，為防止隧洞在施工開挖過程中出現塌方，對自穩時間很短的圍巖及斷層破碎帶等地段采用超前小導管注漿、管棚預注漿等措施。小導管周壁預注漿是沿開挖外輪廓線，以10°～30°角度，打入管壁帶小孔的小導管，并以一定壓力向管內壓注漿液的施工措施。既能將洞周巖體預加固，又能起到超前預支護作用。小導管采用Ф42熱軋無縫鋼管，長度3～5m。Ⅳ(Ⅴ)類圍巖一次支護方式為：頂拱、側墻噴C20混凝土厚100mm(150mm)，頂拱120°范圍內噴混凝土層中布設Φ6.5mm×200mm×200mm鋼筋網，頂拱、側墻范圍內布設Φ20mm、長度1.5～2.0m@1.0m系統錨桿，局部圍巖破碎帶緊貼巖面隨機架設Ⅰ12～Ⅰ16@0.8～1.2m鋼拱架；2個榀鋼拱架之間設Φ25mm環向間距500mm的連接筋；有地下水洞段頂拱180°范圍內加超前Φ42超前鋼管管棚(環向間距300mm，L=3000mm)。二次襯砌頂拱、側拱現澆C25鋼筋混凝土厚300mm(350mm)，底拱現澆C25鋼筋混凝土厚350mm(400mm)。二襯結束后，在隧洞頂拱120°范圍內進行回填灌漿。

4.5 出渣運輸

隧洞開挖出渣通常包括無軌運輸和有軌運輸2種。經測算，同一隧洞當洞內出渣運距為0.5km時，無軌、有軌2種出渣方式每方渣料洞內裝運直接費用分別為18.94、21.55元/m3，無軌出渣較為經濟；同理，運距1km時費用分別為22.42、22.11元/m3，基本相當；運距1.5km時費用分別為25.64、22.68元/m3，有軌出渣較為經濟。鑒于16#～18#隧洞單工作面平均控制主洞長度在1km以下，確定隧洞出渣采用無軌方式，如圖3所示。

圖3 平洞無軌出渣單車道斷面示意(單位：mm)

巖石隧洞洞內出碴采用挖裝機或PB60耙碴機配5m3農用車運輸，隧道開挖每隔150m設一個錯車洞，以供運輸車輛調頭，每隔40m設一個躲避洞(1.2m×1.8m×1m)以供人員躲避。

5 結論

引洮供水二期工程七干渠16#～18#隧洞工程具有地質條件復雜多變、自穩性差、涌水、濕陷性黃土、施工作業點多等特點。根據隧洞軟弱圍巖條件，鑒于小斷面、長隧洞在高原缺氧時的實施難度，經與TBM工法對比設計選定技術經濟均較優的鉆爆開挖掘進方式，并按“短進尺、弱爆破、少擾動”原則確定了控制爆破參數、施工支護和出渣運輸方案。在類似工程建設中，除了要結合現場爆破試驗合理確定設計技術參數和施工組織方案外，還需采取超前探測、超前支護及排水等安全措施，做到高標準嚴要求的隧洞爆破開挖掘進，確保隧洞施工安全。