復(fù)雜地質(zhì)大逆坡富水隧洞開挖施工中的技術(shù)運(yùn)用

趙怒沖

伴隨南水北調(diào)等一系列大型水利調(diào)水工程的施工推進(jìn)，調(diào)水成為我國水資源優(yōu)化配置的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施,因此水工隧洞在開挖施工中的技術(shù)運(yùn)用對(duì)促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(jié)合工程案例對(duì)開挖施工中的技術(shù)運(yùn)用進(jìn)行了分析探討，旨在能夠?yàn)槲覈ㄔO(shè)調(diào)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(wǎng)建設(shè)的骨干項(xiàng)目，也是山西省“十二五”期間建設(shè)的重點(diǎn)水利工程。工程從晉中東部地區(qū)水資源相對(duì)豐富的左權(quán)縣、榆社縣、及長(zhǎng)治市武鄉(xiāng)縣調(diào)水到晉中南部的太谷縣、祁縣、平遙縣、介休市和靈石縣，補(bǔ)充調(diào)入?yún)^(qū)工、農(nóng)業(yè)用水。本工程輸水管（洞）線路全長(zhǎng)254.64km，其中壓力管線長(zhǎng)178.06km、隧洞長(zhǎng)72.22km、洞穿管長(zhǎng)3.11km。調(diào)水區(qū)工程沿線設(shè)巖南溝一級(jí)站、小寨二級(jí)站及關(guān)河水庫3座泵站，設(shè)計(jì)最大揚(yáng)程279m，總裝機(jī)容量18150kw，受水區(qū)沿線設(shè)7座調(diào)蓄水庫。其中10#隧洞長(zhǎng)12.479km ，設(shè)3條施工支洞，其中10-2#支洞坡度為20°36′40″，支洞長(zhǎng)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(nèi)，緊鄰山谷河流，河水流量受季節(jié)降雨影響較為嚴(yán)重。隧洞地區(qū)屬新生代斷陷盆地地質(zhì)構(gòu)造，地層有寒武系上統(tǒng)崮山組（∈3 g）紅褐色薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r與竹葉狀灰?guī)r，上統(tǒng)長(zhǎng)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(shù)難點(diǎn)

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

2.防排水技術(shù)措施

做好小斷面大坡度涌水不良地質(zhì)圍巖隧洞的防排水工作，對(duì)保證隧洞施工質(zhì)量和防止產(chǎn)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(jù)洞內(nèi)的水情，實(shí)施“分段截留、清污分離、分級(jí)抽排”的系統(tǒng)排水方法，將大大增加隧洞開挖掘進(jìn)速度，從而保證施工進(jìn)度。隧洞右側(cè)下方布設(shè)有軌側(cè)卸礦車軌道，右側(cè)上方布設(shè)通風(fēng)帶及主電纜，隧洞中間上方設(shè)置照明，左側(cè)下方布置人行步梯及供風(fēng)管，供風(fēng)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(cè)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(nèi)水泵通過排水管將水排至上一級(jí)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(jī)出渣工作時(shí)會(huì)將上循環(huán)初期支護(hù)回彈的噴漿混凝土與掌子面積水?dāng)_動(dòng)混合形成污水，此時(shí)可通過掌子面的污水泵抽排進(jìn)污水管內(nèi)，通過每100m設(shè)置的分級(jí)式增壓泵加壓，排出洞外進(jìn)入沉淀池進(jìn)行凈化處理。

三、超前支護(hù)

1.施工技術(shù)難點(diǎn)

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

2.超前支護(hù)措施

小導(dǎo)管超前支護(hù)具有靈活易操作的特點(diǎn)，在小段斷面大坡度隧洞超前支護(hù)施工中優(yōu)勢(shì)作用十分明顯。10-2#支洞采用φ42×3.5mm超前小導(dǎo)管配合Ⅰ14鋼拱架使用。導(dǎo)管鋼管長(zhǎng)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(dǎo)管是受力桿件，因此在縱向的兩排小導(dǎo)管應(yīng)有一定搭接長(zhǎng)度，小導(dǎo)管沿隧道縱向的搭接長(zhǎng)度一般不小于1m。采用小導(dǎo)管加固時(shí)，為保證工作面穩(wěn)定和掘進(jìn)安全，應(yīng)確保小導(dǎo)管安裝位置正確和足夠的有效長(zhǎng)度，嚴(yán)格控制好小導(dǎo)管的鉆設(shè)角度。用作小導(dǎo)管的φ42×3.5mm鋼管鉆有注漿孔，以便向巖體裂隙進(jìn)行注漿加固減少涌水量，也有利于提高小導(dǎo)管自身剛度和強(qiáng)度。小導(dǎo)管在涌水不良地質(zhì)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(yàn)確定。為保證灌漿質(zhì)量防止漏漿，小導(dǎo)管的尾部需設(shè)置封堵閘閥。支護(hù)布置示意圖見圖1。

四、隧洞爆破施工技術(shù)

1.施工技術(shù)難點(diǎn)

隧洞斷面小、施工坡度較大，施工空間有限，不利于大型機(jī)械化作業(yè)。受涌水不良地質(zhì)圍巖影響，控制不好容易出現(xiàn)超欠挖，給初期支護(hù)帶來麻煩，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

2.爆破設(shè)計(jì)

小斷面隧洞爆破參數(shù)按照全斷面進(jìn)行光面爆破設(shè)計(jì)，受涌水不良地質(zhì)圍巖影響，炮眼深度不易過長(zhǎng)，每次進(jìn)尺控制在兩榀鋼架內(nèi)。在炮眼深度不變的情況下，采用理論、工程類比法與現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)相結(jié)合，確定炮眼鉆爆參數(shù)、各個(gè)炮眼裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥量、起爆順序等，由此得到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的開挖輪廓面，減少超欠挖，減輕對(duì)圍巖的破壞作用，達(dá)到爆破后巖面平順，同時(shí)節(jié)省炸藥，確保施工安全和加快施工進(jìn)度，不給后期支護(hù)工程留下隱患，提高工程質(zhì)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(jī)械化作業(yè)，因此采用5臺(tái)YT-28手持氣腿鑿巖機(jī)鉆孔進(jìn)行鉆孔，炮眼直徑40mm，孔深根據(jù)兩榀鋼架間距確定。

（1）減震爆破技術(shù)措施

利用薩氏公式Qmax=R3min（V安全/K）3/a，以及對(duì)已澆注好的砼結(jié)構(gòu)及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)范允許安全震速，反算出單段最大裝藥量，必要時(shí)適當(dāng)增加雷管段數(shù)，減少單段最大裝藥量。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》并結(jié)工程合工程實(shí)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(zhì)點(diǎn)允許振速控制在[Vmax]=10cm/s為計(jì)算依據(jù)，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(shè)計(jì)

根據(jù)圍巖情況設(shè)計(jì)爆破參數(shù)和鉆爆圖，經(jīng)監(jiān)理工程師同意，先進(jìn)行光面爆破試驗(yàn)，從而選擇合理的爆破參數(shù)，以確定鉆孔和爆破符合規(guī)定要求。

a.爆破網(wǎng)絡(luò)選擇：

采用孔外微差導(dǎo)爆管爆破網(wǎng)絡(luò)、非電毫秒雷管起爆。

b.參數(shù)及器材選擇：

塑料導(dǎo)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(shè)計(jì)詳見下圖：

a）炮眼數(shù)量：

N1=qs/αγ=（2.04×9.8）/（0.65×0.6）=52個(gè)

其中： q---單位耗藥量取2.04㎏/m3（進(jìn)場(chǎng)后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選?。?/p>

s---開挖面積（10#隧洞圍巖開挖斷面為9.8m2）

α---裝藥系數(shù)取0.65

γ---炸藥每米質(zhì)量,采用φ32藥卷單位質(zhì)量為0.6㎏/m

因隧洞開挖采取光面爆破，周邊眼數(shù)量要比一般爆破多，增加系數(shù)一般取α=1.10～1.20,現(xiàn)取1.2，因而炮眼數(shù)量為：

N= N1×α=1×1.2=62個(gè)(實(shí)際數(shù)量將在進(jìn)場(chǎng)后試驗(yàn)最終確定)

b）各種炮眼深度計(jì)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(jì)劃進(jìn)尺數(shù)

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(jì)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(jì)算及炮眼裝藥量的計(jì)算

為了確保光面爆破的效果,掏槽眼的裝藥系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.7～0.9,現(xiàn)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(jīng)驗(yàn)系數(shù)為0.65～0.85,現(xiàn)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(jù)裝藥集中度計(jì)算：

光面爆破裝藥集中度參數(shù)：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(shù)：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(duì)距離E/W=0.83，裝藥集中度為0.2-0.3kg/m，采用導(dǎo)爆索連接間隔裝藥，孔口堵塞長(zhǎng)度不小于20cm。施工中根據(jù)爆破效果及時(shí)修正鉆爆參數(shù)，以期達(dá)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(zhǎng)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(shí)施爆破，其平均循環(huán)進(jìn)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(yù)期效果。

5.出碴工況

小斷面大坡度隧道出碴運(yùn)輸是施工中的一大難題，受斷面面積及坡度限制載機(jī)不能夠進(jìn)出行走，卷揚(yáng)機(jī)配合有軌自卸礦車出渣較為實(shí)用，有軌自卸礦車出渣優(yōu)點(diǎn)較多，占用空間小、進(jìn)出隧洞不產(chǎn)生油煙污染、實(shí)用靈活故障少等。出渣完畢后，可運(yùn)輸鋼拱架、噴漿設(shè)備和噴漿料進(jìn)行初期支護(hù)施工作業(yè)。

10-2#支洞掌子面扒渣采用履帶式160m3/h扒渣機(jī)，斜井段采用JK1.6*1.2礦井提升機(jī)牽引有軌礦車出渣、送料。開挖施工進(jìn)入主洞后，主洞內(nèi)采用無軌運(yùn)輸，農(nóng)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(yùn)輸至渣場(chǎng)?；炷敛捎?.5m3混凝土專用礦斗裝至支洞口，裝載機(jī)將礦斗調(diào)入有軌礦車，礦車運(yùn)送至支洞底后，用電動(dòng)葫蘆或裝載機(jī)卸入自卸車內(nèi)，運(yùn)至工作面。

有軌出渣運(yùn)輸方式如下圖所示：

五、結(jié)語

東山供水工程10-2#支洞采用適合小斷面的爆破技術(shù)和裝碴設(shè)備，平均月進(jìn)尺120m，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jìn)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(guān)鍵技術(shù)可為同類工程提供相關(guān)參考。