復(fù)雜地質(zhì)條件下小斷面引水隧洞施工技術(shù)研究

張正貴

（中國(guó)電建集團(tuán)中國(guó)水利水電第十二工程局有限公司，杭州 310000)

1 工程概述

1.1 隧洞概況

馱英東干渠東攀隧洞總長(zhǎng)1557 m，進(jìn)口樁號(hào)為T(mén)D12+907.064，出口樁號(hào)TD14+484.064；隧洞進(jìn)口底部高程為161.807 m，出口底部高程為160.250 m，底板縱坡比為1‰，隧洞開(kāi)挖斷面為城門(mén)洞型。Ⅲ類(lèi)圍巖開(kāi)挖尺寸為3.1 m×3.35 m（寬×高），巖溶地質(zhì)段圍巖開(kāi)挖尺寸為3.6 m×3.95 m（寬×高），其他類(lèi)型開(kāi)挖尺寸均為3.4 m×3.75 m（寬×高）。

1.2 復(fù)雜地質(zhì)描述

隧洞處于巖溶區(qū)，灰?guī)r，褐色，弱～微風(fēng)化，局部有溶蝕痕跡，隧洞進(jìn)、出口段為強(qiáng)卸荷弱風(fēng)化灰?guī)r和崩坡積松散堆積物，洞身主要有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖以及巖溶半填充洞段，有發(fā)育溶洞，巖體破碎。洞身巖溶發(fā)育異常帶，該段地下水位在洞頂以上，隧洞開(kāi)挖過(guò)程可能出現(xiàn)滲水、滴水、流水的現(xiàn)象；隧洞出口段穿越巖溶區(qū)，易出現(xiàn)隧洞塌方和涌水涌泥現(xiàn)象。地下水類(lèi)型為基巖裂隙水，隧道開(kāi)挖時(shí)局部頂部呈滲～涌水狀。

（1）隧洞進(jìn)口段TD12+907.064～TD12+937 圍巖類(lèi)別為VI 類(lèi)，覆蓋層厚2～3 m，主要為殘坡積灰褐色粘土，植被發(fā)育，坡度30°～40°，自然邊坡基本穩(wěn)定，巖溶較發(fā)育，巖體破碎，在鉆孔一定深度（地下水變幅范圍內(nèi)）發(fā)育溶洞，充填泥夾石，洞頂施工易出現(xiàn)貫穿性裂隙涌水涌泥問(wèn)題。

（2）洞室Ⅲ類(lèi)圍巖主要為三疊系下統(tǒng)薄層狀含泥質(zhì)條帶灰?guī)r，褐灰色，弱～微風(fēng)化，局部有溶蝕痕跡，洞室段上部巖層厚為30～100 m，含泥質(zhì)條帶灰?guī)r。飽和單軸抗壓強(qiáng)度—般大于30 MPa，屬于中硬巖。鉆孔巖芯多呈薄餅狀，巖體較完整，發(fā)育有水平層理，微張～閉合，層理面平直粗糙，無(wú)充填為主。

（3）洞室Ⅳ類(lèi)圍巖主要為二疊系上統(tǒng)合山組P2c 厚層狀灰?guī)r，弱風(fēng)化，屬于硬質(zhì)巖，洞室段上部巖層厚約為20 m，為巖溶發(fā)育異常帶。此段洞室圍巖穿越巖溶區(qū)或較大裂隙帶以及方解石脈。

（4）洞室Ⅴ類(lèi)圍巖主要為二疊系上統(tǒng)合山組P2c厚層狀灰?guī)r，弱風(fēng)化，屬于硬質(zhì)巖。洞室段上部巖層厚為6～9 m，為巖溶發(fā)育異常帶。此類(lèi)圍巖發(fā)育7 個(gè)溶洞，發(fā)育高程分別為170.63～171.93 m（泥質(zhì)充填）、166.73～167.73 m（半充填泥質(zhì)）、165.13～165.63 m（半充填泥質(zhì)）、160.73～164.33 m（泥質(zhì)充填）、155.13～159.43 m（泥質(zhì)充填）、144.73～145.83 m（半充填泥質(zhì)）、143.53～144.03 m（無(wú)充填，掉鉆）。此段洞室圍巖穿越巖溶區(qū)，溶洞發(fā)育，易出現(xiàn)隧洞塌方和涌水涌泥現(xiàn)象。

（5）隧洞出口段TD14+496.7～TD14+484.064圍巖類(lèi)別為Ⅴ類(lèi)，覆蓋層厚1～5 m，主要為殘坡積灰褐色粘土、含碎石粘土，較松散，植被發(fā)育，坡度30°～40°，自然邊坡基本穩(wěn)定，圍巖發(fā)育2 個(gè)溶洞，發(fā)育高程分別為157.36～161.06 m（充填泥質(zhì)）、150.46～152.36 m（充填泥質(zhì)），隧洞掘進(jìn)時(shí)易出現(xiàn)隧洞塌方和涌水涌泥現(xiàn)象。

1.3 小斷面長(zhǎng)隧洞施工特點(diǎn)

小斷面隧洞施工效率較低，通常需完成前一道施工工序后，方可進(jìn)行下一道工序的施工，施工循環(huán)周期較長(zhǎng)，并且在這樣長(zhǎng)而窄的隧洞環(huán)境下進(jìn)行鉆孔、爆破以及出渣施工會(huì)形成一定的安全隱患，還存在各種機(jī)械設(shè)備展開(kāi)操作的傷人事故隱患，還可能因隧洞開(kāi)挖而造成的崩塌、瓦斯爆炸等安全事故，而且小斷面長(zhǎng)隧洞內(nèi)的空氣會(huì)隨著掘進(jìn)深度的增加而不斷減少，為保證安全施工，需要加大對(duì)隧洞通風(fēng)的措施。

由于該隧洞施工斷面小，因此在隧洞的鉆孔、爆破、出渣作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高濃度有害氣體和大量粉塵，這些物質(zhì)都會(huì)影響作業(yè)人員的身體健康，而且在洞內(nèi)測(cè)量時(shí)，煙塵濃度大，粉塵的折射和反射會(huì)使測(cè)量成果質(zhì)量下降，測(cè)量數(shù)據(jù)存在誤差，最終影響隧洞開(kāi)挖質(zhì)量。隧洞內(nèi)的空氣短時(shí)間內(nèi)流通不暢容易出現(xiàn)施工作業(yè)人員窒息等事故，而且長(zhǎng)隧洞內(nèi)的進(jìn)行通風(fēng)施工還受距離限制，不能更好地應(yīng)用供水、供電等設(shè)施，影響機(jī)械通風(fēng)施工的效率。

由于小斷面隧洞出渣過(guò)程中農(nóng)用車(chē)（運(yùn)輸車(chē)）只能單車(chē)單向行駛，且挖掘深度較長(zhǎng)，因此在隧洞每隔200 m 布置一個(gè)錯(cuò)車(chē)道，方便農(nóng)用車(chē)在錯(cuò)車(chē)道處掉頭出渣。

2 施工布置

2.1 施工供風(fēng)

根據(jù)該隧洞施工特點(diǎn)，隧洞采用兩頭掘進(jìn)方式進(jìn)行開(kāi)挖，在進(jìn)洞口和出洞口處分別布設(shè)一臺(tái)電動(dòng)移動(dòng)式空壓機(jī)，用于進(jìn)出口邊坡開(kāi)挖及洞室開(kāi)挖施工供風(fēng)。

2.1.1 工作面需風(fēng)量計(jì)算

按工作面未實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的施工情況和空氣質(zhì)量基本要求計(jì)算：

式中：QP為施工人員所需風(fēng)量，m3/min；qp 為洞室內(nèi)每人所需空氣量，按每人3 m3/min計(jì)算；m為洞室內(nèi)同時(shí)工作人數(shù)；k為風(fēng)量備用系數(shù)，取1.15。

每個(gè)工作面同時(shí)施工人數(shù)可達(dá)15人，需風(fēng)量為51.75 m3/min。

2.1.2 爆破散煙需風(fēng)量計(jì)算

式中：QL為爆破散煙計(jì)算風(fēng)量，m3/min；q為同時(shí)爆炸藥量，kg；t為通風(fēng)時(shí)間，取20 min；

隧洞開(kāi)挖時(shí)最大爆破藥量（同時(shí)）為65 kg，排煙需風(fēng)量為117 m3/min。

2.1.3 按燃油機(jī)械單位功率需風(fēng)量計(jì)算

式中：QG為使用燃油機(jī)械時(shí)通風(fēng)量，m3/min；Q0為單位功率需風(fēng)量指標(biāo)，按每分鐘4 m3/kW 計(jì)算；N為洞內(nèi)同時(shí)工作的燃油機(jī)械總功率，kW。

開(kāi)挖出渣時(shí)，工作面同時(shí)工作的燃油設(shè)備為1臺(tái)扒渣機(jī)，同時(shí)工作的燃油機(jī)械總功率為1×135=135 kW，總需風(fēng)量540 m3/min。

開(kāi)挖階段出渣作業(yè)時(shí)，柴油動(dòng)力運(yùn)輸車(chē)輛排出的有害氣體使得洞室群內(nèi)的空氣混濁，選擇的空壓機(jī)應(yīng)滿足該時(shí)段用風(fēng)量。

2.1.4 空壓機(jī)供風(fēng)量計(jì)算

通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量為工作面需風(fēng)量、爆破散煙需風(fēng)量以及使用燃油機(jī)械需風(fēng)量之和，即709 m3/min，因此選擇30 kW，最大供風(fēng)量750 m3/min 的空壓機(jī)布置于隧洞進(jìn)、出口。

2.2 施工排水

隧洞位于地下水位線以下，隧洞分為兩頭掘進(jìn)，出口因自然開(kāi)挖坡比關(guān)系可以自流進(jìn)行排水。在隧洞出口位置開(kāi)挖排水井進(jìn)行匯流后通過(guò)抽水泵連接排水管將沉淀后洞內(nèi)積水抽排至東攀水庫(kù)。進(jìn)口方向開(kāi)挖因坡比因素會(huì)出現(xiàn)一定的積水，隧洞開(kāi)挖時(shí)每隔200 m 設(shè)置一個(gè)接力排水井，并設(shè)置水泵向隧洞進(jìn)口方向引排。并在洞口附近設(shè)置沉淀池，將沉淀后的積水引排至隧洞外截水溝中。

3 施工技術(shù)措施

3.1 隧洞開(kāi)挖支護(hù)施工工藝流程

隧洞開(kāi)挖支護(hù)施工工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)挖支護(hù)施工工藝流程圖

3.2 洞室開(kāi)挖支護(hù)施工

3.2.1 施工準(zhǔn)備

洞內(nèi)風(fēng)、水、電須準(zhǔn)備就緒，施工人員、機(jī)具準(zhǔn)備就位，采用鋼管搭設(shè)操作平臺(tái)或準(zhǔn)備升降式工作平臺(tái)，以便鉆孔施工。

3.2.2 測(cè)量放樣

由專業(yè)測(cè)量人員采用全站儀進(jìn)行洞室內(nèi)控制網(wǎng)測(cè)量并放樣出洞室開(kāi)挖輪廓線，然后施工員用油漆標(biāo)出各鉆爆孔位，并在現(xiàn)場(chǎng)立牌標(biāo)明本循環(huán)的鉆孔深度、角度、孔距、排距等參數(shù)，便于施鉆人員操作，每循環(huán)爆破后進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)格線檢查，并根據(jù)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)放樣出布孔位。斷面測(cè)量滯后開(kāi)挖面10～15 m，按5 m間距進(jìn)行，每個(gè)月進(jìn)行一次洞軸線及坡度的全面檢查、復(fù)測(cè)，確保測(cè)量控制開(kāi)挖工序質(zhì)量。同時(shí)隨洞室開(kāi)挖、支護(hù)進(jìn)度，每隔20 m 在兩側(cè)洞壁設(shè)置樁號(hào)標(biāo)志。

3.2.3 鉆孔、清孔

測(cè)量將輪廓線放樣完畢，由熟練鉆工手持YT28手風(fēng)鉆嚴(yán)格按照測(cè)量定出的中線、腰線、開(kāi)挖輪廓線和測(cè)量布孔進(jìn)行鉆孔作業(yè)（見(jiàn)圖2），每排炮孔按“平、直、齊”的要求進(jìn)行檢查（見(jiàn)圖3），單循環(huán)進(jìn)尺控制在1.0～3.0 m，具體進(jìn)尺深度根據(jù)圍巖類(lèi)別進(jìn)行控制，并嚴(yán)格控制裝藥量。周邊孔及掏槽孔的偏差不得大于5 cm，其它炮孔孔位偏差不得大于10 cm。為了獲得較完整平順的開(kāi)挖輪廓，降低轟動(dòng)波對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)和減少開(kāi)挖量，所有周邊孔均采用光面爆破，周邊孔鉆孔要求間距均勻、外插角相等，炮孔相互平行、深度一致，鉆孔傾角分別沿兩側(cè)墻的外側(cè)和拱頂向外側(cè)傾斜2°～3°。周邊孔使用低爆速炸藥，采用導(dǎo)爆索串聯(lián)間隔裝藥，不耦合系數(shù)應(yīng)不小于1.3，確保周邊爆破成型，提高殘孔率和爆破效果。開(kāi)挖過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行臨時(shí)安全支護(hù)封閉圍巖，以確保施工安全，鉆孔完畢采用高風(fēng)壓對(duì)爆破孔進(jìn)行清孔。

圖2 鉆孔作業(yè)

圖3 洞室圍巖開(kāi)挖斷面炮孔布置圖

3.2.4 裝藥爆破

炮工在裝藥平臺(tái)上按鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)裝藥（見(jiàn)圖4）。崩落孔及掏槽孔采用Φ32 mm 藥卷連續(xù)裝藥，周邊光面爆破采用Φ25 mm 藥卷，竹片綁扎間隔裝藥，孔口用黃泥堵塞嚴(yán)實(shí)；裝藥完成后，由技術(shù)員和專業(yè)炮工分區(qū)分片檢查，聯(lián)結(jié)爆破網(wǎng)絡(luò)，撤退工作面設(shè)備、材料至安全位置，非電毫秒雷管引爆，周邊光面齊爆。為了提高爆破效率和爆破效果，爆破孔采取全偶合裝藥，頂拱及兩側(cè)墻的爆破周邊孔采取傳統(tǒng)的人工串狀不偶合裝藥，炸藥采用乳化炸藥，數(shù)碼起爆系統(tǒng)起爆。

圖4 光面爆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.5 通風(fēng)散煙、灑水除塵

施工過(guò)程中持續(xù)啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)，待爆破散煙結(jié)束后，進(jìn)行開(kāi)挖面爆破渣堆灑水除塵。

3.2.6 排險(xiǎn)

爆破后為了安全考慮，人工清除掌子面及周邊頂拱上殘留的懸石及破碎體，保證進(jìn)入人員及設(shè)備的安全，巖面破碎洞段在進(jìn)行排險(xiǎn)后，可先噴一層5 cm 厚素混凝土，出渣后再次進(jìn)行安全檢查及處理。在整個(gè)施工過(guò)程中，安排安全員每天進(jìn)行安全檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

3.2.7 出渣清理

洞室內(nèi)采用扒渣機(jī)配合8 t 農(nóng)用汽車(chē)（運(yùn)輸車(chē)）運(yùn)至棄渣場(chǎng)（見(jiàn)圖5），有大孤石裝載機(jī)無(wú)法裝運(yùn)時(shí)應(yīng)解爆后再裝車(chē)，隧洞出渣時(shí)粉塵濃度大，能見(jiàn)度較低，導(dǎo)致機(jī)械出渣效率下降，且易發(fā)生安全事故，因此持續(xù)啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，出渣完畢后對(duì)巖溶地段及不穩(wěn)定圍巖段進(jìn)行鋼拱架安裝施工，進(jìn)入下一循環(huán)之前采用反鏟對(duì)圍巖危石進(jìn)行排險(xiǎn)，并延長(zhǎng)風(fēng)、水電線路，同時(shí)對(duì)穩(wěn)定性較差的巖體進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)施工。

圖5 洞室開(kāi)挖出渣示意圖

3.2.8 錨噴支護(hù)

由于隧洞地質(zhì)條件差，洞室不穩(wěn)定巖體多，為保證施工安全，每循環(huán)爆破開(kāi)挖結(jié)束后，在2～3 h內(nèi)完成錨噴支護(hù)施工，且噴錨支護(hù)滯后開(kāi)挖作業(yè)面不大于50 m，對(duì)局部穩(wěn)定性較差的巖體在開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行臨時(shí)錨噴支護(hù)。

3.3 隧洞特殊地質(zhì)段施工

（1）斷層破碎帶施工。斷層破碎帶段洞身開(kāi)挖宜采用分部臺(tái)階法進(jìn)行，對(duì)于風(fēng)化嚴(yán)重，且裂隙內(nèi)有大量填充物的斷層破碎帶，洞身掘進(jìn)宜采用人工配合風(fēng)鎬的方式進(jìn)行施工，其它的斷層破碎帶洞身掘進(jìn)宜采用預(yù)裂爆破。

（2）巖爆地段施工。預(yù)先在工作面有可能發(fā)生巖爆的部位有規(guī)則的打一些孔眼，布設(shè)錨桿后注水，以便釋放應(yīng)力，阻止圍巖達(dá)到極限應(yīng)力而產(chǎn)生巖爆。對(duì)于巖爆較弱地段，洞身開(kāi)挖后采取在巖面上灑水消除巖爆。對(duì)于巖爆較強(qiáng)地段，宜采用摩擦型錨桿，增大錨桿的初錨固力，采用噴射鋼釬維砼抑制開(kāi)挖面拱部的脫落，必要時(shí)采取掛鋼筋網(wǎng)并設(shè)置鋼支撐進(jìn)行支護(hù)。

（3）隧洞涌水溶洞施工。隧洞邊墻及頂拱局部有涌水的溶洞，可采用灌注水泥+水玻璃進(jìn)行封堵處理；對(duì)不涌水的溶洞，采用泵送C20（2）混凝土封堵，封堵體的厚度（長(zhǎng)度）不小于溶洞洞徑的5 倍且不小于2 m；對(duì)于空溶洞，如果溶洞底部高于底板開(kāi)挖線，則按底板開(kāi)挖線開(kāi)挖，上部溶洞空腔根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況采取隨機(jī)錨噴支護(hù)措施；如果溶洞底部低于底板開(kāi)挖線，則需要根據(jù)溶洞大小規(guī)模，對(duì)底板溶洞采取混凝土充填、或采取鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)架橋穿越、或針對(duì)大跨度溶洞采取架設(shè)多跨渡槽的形式穿越溶洞空腔，同時(shí)對(duì)溶洞上部空腔采取隨機(jī)錨噴支護(hù)措施。

（4）隧洞坍方及應(yīng)急措施。小塌方采用錨桿和噴射砼聯(lián)合支護(hù)，封閉隧洞頂部和側(cè)墻，再進(jìn)行清渣；大坍方、塌渣數(shù)大，坍渣體完全堵住洞身時(shí)，采用先支護(hù)后清渣的方法。處理塌方的同時(shí)，加強(qiáng)防排水工作。當(dāng)掘進(jìn)到地質(zhì)不良圍巖破碎地段，應(yīng)采取“先排水、短開(kāi)挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早襯砌、勤量測(cè)”的施工方法。

4 施工質(zhì)量與安全

4.1 施工質(zhì)量

（1）配置專業(yè)的測(cè)量人員、儀器和設(shè)備，按本工程精度要求，合理設(shè)置測(cè)量控制點(diǎn)，建立施工控制網(wǎng)，并做好保護(hù)，防止被破壞，建立定期復(fù)核制度，保證測(cè)量控制點(diǎn)的精度。

（2）開(kāi)挖過(guò)程中測(cè)繪開(kāi)挖斷面，進(jìn)行測(cè)量導(dǎo)線復(fù)測(cè)，每循環(huán)進(jìn)行測(cè)量放樣時(shí)，均對(duì)上一循環(huán)開(kāi)挖斷面進(jìn)行規(guī)格檢查，并將超欠挖情況及時(shí)通知鉆孔人員，以便對(duì)鉆孔角度進(jìn)行調(diào)整，避免超欠挖。

（3）鉆孔嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)鉆爆圖施工，每排炮孔按“平、直、齊”的要求進(jìn)行檢查。

（4）周邊孔在斷面輪廓線上開(kāi)孔，沿輪廊線的調(diào)整范圍和掏槽孔的孔位偏差不大于5 cm，其它炮孔孔位偏差不得大于10 cm，在一定程度上降低轟動(dòng)波對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)。

4.2 施工安全

（1）鉆孔時(shí)注意身體與風(fēng)槍保持距離，不得定靠在腰部以上，雙手緊握把手保持用力均衡，并保持身體穩(wěn)定。

（2）每次爆破時(shí)，由安全員鳴放警笛，提示有關(guān)人員離開(kāi)警戒區(qū)，并在主要路口由安全人員警戒，嚴(yán)禁任何人進(jìn)入爆破區(qū)域。

（3）爆破后必須經(jīng)過(guò)通風(fēng)排煙后，檢查人員方可進(jìn)入工作面，檢查照明線路是否安全，有無(wú)“盲炮”及可疑現(xiàn)象，頂拱及邊墻有無(wú)松動(dòng)石塊，支護(hù)有無(wú)損壞與變形。在進(jìn)行安全處理并確認(rèn)無(wú)誤后，其他施工人員才可進(jìn)入工作面。

（4）在鉆孔、出渣作業(yè)時(shí)，隧洞內(nèi)必須持續(xù)通風(fēng)，降低粉塵的濃度，保證作業(yè)人員身體安全。

5 結(jié)論

復(fù)雜地質(zhì)條件下小斷面隧洞施工在隧洞工程中為數(shù)不多，本文結(jié)合東攀隧洞的施工特點(diǎn)及其地質(zhì)條件，對(duì)隧洞開(kāi)挖施工技術(shù)進(jìn)行研究，此技術(shù)措施可應(yīng)用在類(lèi)似隧洞工程中，可有效減少因施工工藝不合理或技術(shù)不成熟而導(dǎo)致質(zhì)量事故的發(fā)生或經(jīng)濟(jì)效益的損失，同時(shí)也需要在實(shí)踐中不斷改進(jìn)工藝，進(jìn)一步提高工程質(zhì)量。