不良地質小斷面隧洞快速開挖技術

張松艷,李凱亞,李江毅

（中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450001）

1 工程概述

1.1 基本情況

引洮供水二期工程屬Ⅱ等大（2）型工程。建設內容包括1 條總干渠,6 條干渠及2條分干渠,18條供水管（渠）線。本標段位于34#洞2#支洞控制段起點～4#支洞控制段末之間,渠系樁號為總干79+815.53~86+994.05,洞段長7178.52 m；34#洞2#平洞、3#平洞、4#平洞等臨時工程。總干渠34#隧洞為三心圓斷面型式,縱坡 1/1250,凈斷面尺寸寬×高=2.65 m×2.719 m。

1.2 地質條件

工程所處地層為新（古）近系粉砂質泥巖夾泥質粉砂巖、砂巖夾砂礫巖等,呈厚層狀,巖層產狀較為平緩,斷裂構造不發育。

樁號79+815.53~80+752,洞身圍巖為砂巖夾砂礫巖,泥質含量很少,成巖程度較差,泥質弱膠結,巖石強度低,具弱透水性,屬極軟巖,遇水快速軟化崩解,巖石強度降低顯著；巖體受地質構造影響輕微,節理裂隙不發育,總體呈中厚～巨厚層狀,局部為薄層狀。層面為主要結構面,層面結合差,巖層產狀平緩,交錯層理發育,巖相變化劇烈,基巖中含有孔隙裂隙水,洞身處于地下水位以下,地下水位高于洞頂 20 m~50 m,地下水以滴滲為主,局部洞段有線狀流水,地下水的礦化度 250 mg/L~983 mg/L,pH值 7.53~8.73,SO42-含量74.5 mg/L~103.7 mg/L,Cl-含量7.4 mg/L~40.6 mg/L,水化學類型以 HCO3-—K++Na+型水為主,水質良好,對普通混凝土無腐蝕性。隨著洞室開挖,地下水集中向洞內滲流排泄,在動靜水壓力作用下,尤其在震動、爆破的共同影響下,塑性松動圈巖石遇水快速軟化、崩解,巖體結構遭到破壞,在滲流水頭作用下,局部圍巖可能產生流土破壞,進而可能發生局部涌砂。若得不到及時支護和防治,將可能有更大塌方、涌砂等現象發生。因此,此類圍巖在地下水位以下時,工程地質條件極差,圍巖類別屬極不穩定的Ⅴ類圍巖。預測隧洞施工開挖時掌子面多不能自穩,可發生掉塊、塌方,局部涌砂等現象,應以不良隧洞圍巖來設計和施工[1]。

樁號80+752~86+994.05洞身圍巖為磚紅色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖,以泥質膠結為主,巖性軟弱,為極軟巖,遇水易軟化崩解,失水干縮,易風化解體,干濕效應明顯。巖體呈中～厚層狀結構,巖層平緩,結構面以層面為主,裂隙不發育,巖體較完整~完整,巖體完整性系數0.73~0.78,巖體縱波波速1800 m/s~2100 m/s。圍巖中基本無地下水,局部淺埋段有滴滲水現象。該洞段圍巖類別為Ⅴ類。圍巖極不穩定,自穩時間很短,易變形[2]。

2 施工中的難點

（1）本工程隧洞洞室斷面較小、長度較長、地質條件較差、工期較緊,如何采用合理的施工程序和施工方法,如何確保輸水隧洞施工順利、安全進行并按期完成是本工程施工難點。

（2）本標段隧洞圍巖多為新近系泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和古近系砂巖夾砂礫巖,圍巖類別屬極不穩定的Ⅴ類圍巖,工程地質條件極差。隧洞施工開挖時掌子面多不能自穩,可發生掉塊、塌方,局部涌砂等現象,洞室超欠挖嚴重是本工程施工難點。

3 解決方法

項目初期2#、3#、4#施工支洞均采用常規爆破開挖,根據爆破后巖層開挖揭露,主要現泥巖、泥質粉質砂巖,爆破開挖超欠挖現象嚴重,支護過程中圍巖風化掉塊,相應的支護時間延長,且由于支洞附近為當地村民限制爆破,導致進度緩慢。之后,3#、4#施工支洞主要采用扒渣機開挖,三輪車配合出渣。2#施工支洞采用常規爆破開挖,三輪車配合出渣。從開挖成洞效果來看,3#、4#施工支洞開挖成洞容易,且超欠挖現象得到很好控制,進度稍有提高。后續開挖過程中,圍巖硬度較高,扒渣機開挖耗時較長,已不能滿足項目合同工期要求,項目部研究決定,采用掘進機進行開挖施工[3]。

施工中遵循“短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則。開挖方式采用自下而上,自卸汽車配合運輸,及時封閉開挖面做初期支護,做好隧道監控量測。

采用三臺激光指向儀輔助,分別在掘進機操作手側邊墻、頂拱與邊拱連接板處及頂拱最高點安裝激光指向儀,這三個位置在掘進機開挖過程中操作手均可隨時觀察、隨時量測,減少洞室超挖、杜絕欠挖現象的發生。

4 掘進機開挖施工方法

4.1 掘進機選型及性能參數

本項目主要使用EBZ165、EBZ135、S100E三臺掘進機,掘進機性能參數見表1。

表1 掘進機性能參數表

4.2 掘進作業

（1）操作工序。不良地質小斷面隧洞的挖掘作業受到環境條件的影響,也給挖掘作業帶來一定的壓力,尤其是挖進作業環節,是施工的關鍵工序,因此,應結合不良地質小斷面隧洞的環境特征,嚴格按照相關的施工操作進行挖進操作。主要操作工作：油泵電機→開動第一運輸機→開動星輪→開動截割頭。當然,在具體施工中應根據實際情況進行合理的調整,如在不需要裝載的情況下,則在工序第一步開動油泵電機后便可啟動截割電機,并要求在電機運行過程中,密切關注電機的運行狀態,一旦發現運行異常,應及時采取有效的治理措施,避免運行不當產生的機械故障而影響到挖進工序的正常進行。挖進環節第一運輸機操作過程中,應有專業操作人員進行操作,同時應嚴格按照相關的規范要求操作,避免不熟練操作人員出現誤操作問題。通常第一運輸機的操作室在手柄前推動的情況下,施工運輸機則為正轉的工作狀態,相反則是施工運輸機逆轉的工作狀態。截割頭的伸縮：將手柄向前推動,截割頭向前伸出；反之截割頭向后收縮,前后伸縮長度可達550 mm。后支撐的升降：將手柄向前推,后支撐抬起；反之后支撐下降。

（2）截割。不良地質小斷面隧洞挖進截割施工環節具有一定的風險性,在施工前首先需要施工人員做好安全防護措施,如手套、安全帽等,其次再根據不良地質小斷面隧洞的地質地貌情況進行施工。通常在截割施工中也需根據截割物體的軟硬程度適當調整截割方式,同時還要保證截割斷面形狀以及尺寸與施工要求相符。如出現不相符的情況,則需要對其進行二次修正。在切割中如切割部位較軟的情況下,則需采用左右循環向上的截割施工方法,可進一步提高截割施工效率。而如果遇到切割物體較硬的情況下,如較硬的巖石,則需要更換截割施工方法,可由上向下的左右截割方式。當遇有硬巖時,不應勉強截割,對有部分露頭硬石時,應首先截割其周圍部分,使其墜落。對大塊墜落體,采用適當辦法處理后再進行裝載。當掘柱窩時,應將截割頭伸到最長位置,同時將鏟板降到最低位置向下掘,在此狀態下將截割頭向回收縮,將煤巖拖拉到鏟板附近,以便裝載。

（3）噴霧。在掘進時如何控制粉塵是非常重要的。截割頭外噴霧控制閥位于司機的右后側,在操作臺與電控箱之間,當開始掘進時應開此閥,使截割頭處噴霧,其水量可控制。其外噴霧噴嘴位于截割頭后部和機器兩側。

另外,當欲進行截割頭內噴霧時,打開控制閥,即實現截割頭的內噴霧。但應注意不能單一的只使用內噴霧,而必須內、外噴霧同時使用。

4.3 出渣

掘進機在掘進過程中,截割部截割巖石后,由星形鏟板通過第一運輸機把石渣運至掘進機尾部,自卸汽車在此等候和跟進,洞渣直接卸于車廂里,然后自卸汽車將渣運出洞外。在保證開挖速度的情況下,也可采用裝載機、挖掘機等設備輔助進行出渣。隧洞出渣可在開挖同期進行[4]。

4.4 安全檢查

開挖出渣完成后安全人員進入洞內進行安全檢查,對發現的掛渣、險石等進行處理,對由于地質原因形成的塌方,應立即報告主管人員,確定處理方法。

4.5 支護施工

對于圍巖較為破碎的洞段,經安全人員檢查,應立即進行混凝土噴射、錨桿及掛網等支護,以保證洞室穩定安全,并根據情況按“新奧法”支護方法及時進行支護施工。

4.6 安全觀測

開挖支護之后,對開挖面附近洞壁應加強安全檢查,并按照設計及時進行巖石收斂觀測,保證圍巖的穩定。對遠離掌子面的已開挖洞壁也應進行安全檢查,布設巖石變形觀測儀器,派專人進行安全監測和資料分析,發現異常情況立即發出警告,通知施工人員撤離現場,同時采取必要的處理措施。如果在已進行設計噴錨支護情況下,仍存在圍巖不穩定的情況,采用花拱架或鋼支撐進行加強支護,確保洞身、人身及設備安全[5]。

5 結論

5.1 開挖效果

（1）從開挖成洞效果來看,掘進機開挖相比常規爆破與銑挖機開挖震動小,對開挖輪廓線以外圍巖擾動較小,掉塊現象明顯減少。

（2）有效控制了超挖現象,減少因不合理超挖造成的材料浪費、影響工程施工質量等問題,亦不會出現欠挖、侵占二襯斷面的現象。

（3）掘進過程中揚塵較大,通過加大風機功率和道路灑水來控制。

5.2 開挖施工進度

本工程以2017年3月~10月對三種掘進機單個工作面開挖進尺進行舉例說明（該數據來源為引洮供水二期工程總干渠34#隧洞開挖數據,數據僅作論文分析對比使用）（見表2）。

表2 三種掘進機開挖進尺統計表 單位：m

不良地質小斷面隧洞開挖技術,受斷面尺寸及地質條件的限制,已優質、高效完成隧洞開挖任務,截止2018 年4 月17 日,本標段已全面完成開挖及一次支護施工。合同工期中洞挖及一次支護完成時間為2018年11月11日,較合同工期相比提前了6 個月有余,加快了項目開挖施工進度,為今后類似工程施工提供了很好的借鑒。