小斷面特長(zhǎng)引水隧洞的快速開挖施工技術(shù)分析

廖彬

摘 要：小斷面特長(zhǎng)引水隧洞開挖斷面較小，線路較長(zhǎng)，爆破散煙持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且施工工序多、干擾大，技術(shù)難度大，效率低，工期普遍較長(zhǎng)。本文以紅衛(wèi)橋水電站廠區(qū)樞紐工程引水隧洞施工為例，介紹了小斷面特長(zhǎng)引水隧洞的快速開挖施工技術(shù)。利用農(nóng)用車改裝自移式鉆孔臺(tái)車，針對(duì)不同類別的圍巖采用不同的掏槽方式，采用裝載機(jī)裝渣并設(shè)置錯(cuò)車道，采用壓入式通風(fēng)并分階段布置通風(fēng)設(shè)備，加強(qiáng)了各施工工序的有效銜接，減少了各工序作業(yè)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：引水隧洞;小斷面;掏槽方式;施工通風(fēng);出渣方式;快速開挖

中圖分類號(hào)：TV554 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）32-0062-05

Analysis on Construction Technology of Rapid Excavation of Small Section and Super Long Diversion Tunnel

LIAO Bin

（Sinohydro Bureau 8 Co.， Ltd.， Changsha Hunan 410004）

Abstract： The excavation section of the small-section super-long diversion tunnel is small， the line is long， the blasting smoke lasts for a long time， and there are many construction procedures， large interference， high technical difficulty， low efficiency， and generally long construction period. This paper takes the construction of the diversion tunnel of the Hongweiqiao Hydropower Station's pivotal project as an example， and introduces the construction technology of rapid excavation of the small section and super long diversion tunnel. In the meantime， agricultural vehicles are used to refit self-moving drilling rigs， different cutting methods are adopted for different types of surrounding rocks， slag loading is used by loader， and the wrong lane is set， and press-in ventilation is adopted and ventilation equipment is arranged in stages to strengthen the effective connection of various construction procedures and reduce the operation time of each procedure.

Keywords： diversion tunnel;small section; cutting method;construction ventilation;slag extraction method;rapid excavation

紅衛(wèi)橋水電站地處四川省阿壩藏族羌族自治州金川縣境內(nèi)的俄日河下游段，其引水隧洞沿俄日河右岸布置，總長(zhǎng)為19.175 km。進(jìn)水口底板頂面高程為2 855.95 m，至調(diào)壓室處隧洞底板頂面高程為2 795.00 m，縱向坡度為3.129‰。隧洞斷面為平底馬蹄形，斷面開挖底寬為4.50～4.89 m，高度為5.40～6.16 m。引水隧洞主要穿過三疊系上統(tǒng)侏倭組（T）和中統(tǒng)雜谷腦組上段（Tz）。地層巖性大多是變質(zhì)砂巖和板巖，隧洞圍巖工程地質(zhì)條件隨巖性的不同而有一定差異。雜谷腦組上段（Tz）為灰、深灰色變質(zhì)砂巖夾少量板巖，局部為基本不夾板巖的變質(zhì)砂巖;侏倭組（T）為變質(zhì)砂巖和板巖，多呈韻律式互層。板巖強(qiáng)度相對(duì)較低，屬較軟巖，變質(zhì)砂巖強(qiáng)度較高，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，屬堅(jiān)硬巖。圍巖主要為Ⅲ類，含部分Ⅳ類和少量Ⅴ類。

紅衛(wèi)橋水電站主體工程分為首部樞紐工程和廠區(qū)樞紐工程，其中廠區(qū)樞紐工程引水隧洞自樁號(hào)（隧）10+154起，到（隧）19+175.02止，總長(zhǎng)為9 021.02 m。布置4條施工支洞（5#～8#），支洞長(zhǎng)度分別為279.26 m、609.68 m、775.28 m、190.13 m。廠區(qū)樞紐工程引水隧洞及其施工支洞平面布置如圖1所示。相鄰支洞之間的主洞段長(zhǎng)度如下：5#～6#施工支洞之間的主洞段長(zhǎng)為2 834.09 m，6#～7#施工支洞之間的主洞段長(zhǎng)為2 592.80 m，7#～8#施工支洞之間的主洞段長(zhǎng)為2 391.70 m。隧洞分初期支護(hù)和永久支護(hù)。其中，初期支護(hù)方式如下：Ⅲ類圍巖采用隨機(jī)錨桿+5 cm厚噴混凝土;Ⅳ類圍巖采用系統(tǒng)錨桿+掛鋼筋網(wǎng)+10 cm厚噴混凝土;Ⅴ類圍巖采用系統(tǒng)錨桿+工字鋼拱架+掛鋼筋網(wǎng)+16 cm厚噴混凝土。下面分析小斷面特長(zhǎng)引水隧洞的快速開挖技術(shù)。

1 作業(yè)臺(tái)車

隧洞開挖及支護(hù)施工一般直接采用型鋼制作作業(yè)臺(tái)車，需要另行配置動(dòng)力系統(tǒng)或輔助設(shè)備方可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能。臺(tái)車移動(dòng)操作復(fù)雜、移動(dòng)速度慢，對(duì)施工工期控制極為不利。

紅衛(wèi)橋水電站引水隧洞開挖斷面較小、高度不大，采用農(nóng)用車改裝臺(tái)車作為鉆孔平臺(tái)，主要分為農(nóng)用車和鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)兩部分。其中，鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)采用型鋼制作，并設(shè)置平臺(tái)板、爬梯及防護(hù)欄桿等輔助設(shè)施。改裝后臺(tái)車可利用平臺(tái)板與已開挖洞室底板分別形成頂部、中部、底部三層作業(yè)平臺(tái)，使作業(yè)平臺(tái)覆蓋整個(gè)掌子面區(qū)域，確保全斷面作業(yè)。作業(yè)臺(tái)車采用農(nóng)用車改裝，自身具備動(dòng)力系統(tǒng)。臺(tái)車移動(dòng)無須采用其他設(shè)備進(jìn)行輔助，且移動(dòng)靈活、方便、快速。

2 開挖方法

2.1 開洞口施工

開洞原則上采用先鎖口后開洞口的程序。鎖口采用鎖口錨桿支護(hù)，鎖口錨桿的一般規(guī)格為直徑25 mm、長(zhǎng)度4.50 m。首先按照設(shè)計(jì)圖紙由測(cè)量人員進(jìn)行放樣，并使用油漆做好標(biāo)記[1]，然后進(jìn)行定位鉆孔，由人工配合平臺(tái)車安裝鎖口錨桿，注漿機(jī)注漿。鎖口處理完成后，方可進(jìn)行洞身段開挖施工。

開挖洞口時(shí)，采用短進(jìn)尺，周邊光面爆破。嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺在1.0 m左右，爆破聯(lián)網(wǎng)時(shí)盡量多分段，以減小單響起爆藥量，降低對(duì)洞臉圍巖的振動(dòng)影響，保證洞口成形質(zhì)量[2]。開挖成形后的洞口需要及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)、封閉，必要時(shí)采用鋼支撐與掛網(wǎng)噴混凝土封閉支護(hù)，使洞臉形成整體的支撐結(jié)構(gòu)。

2.2 洞身開挖

引水隧洞斷面小，洞身開挖均采用手風(fēng)鉆鉆孔，全斷面開挖，周邊光面爆破。

2.2.1 Ⅲ類圍巖開挖。開挖工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→測(cè)量放線→鉆孔→裝藥爆破→通風(fēng)散煙、噴水除塵→安全處置→出渣及清底→初期支護(hù)→下一循環(huán)。

[①]測(cè)量放線。洞內(nèi)施工測(cè)量采用水準(zhǔn)儀配合全站儀進(jìn)行，并使用紅外線激光定位技術(shù)放樣。每排炮后進(jìn)行洞室中心線、設(shè)計(jì)規(guī)格線的測(cè)放[3]，并按照爆破設(shè)計(jì)要求布設(shè)炮孔孔位。開挖斷面測(cè)量一般在噴混凝土之前進(jìn)行，測(cè)量控制間距2 m。定期進(jìn)行洞軸線的全面檢查、復(fù)測(cè)，以保證測(cè)量控制工序質(zhì)量。同時(shí)，隨著洞室開挖、支護(hù)的進(jìn)行，每隔10 m在兩側(cè)洞壁和洞頂設(shè)置樁號(hào)標(biāo)志。洞內(nèi)測(cè)量的控制點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)牢固隱蔽，并做好保護(hù)，以避免被機(jī)械設(shè)備破壞。

[②]鉆孔作業(yè)。每循環(huán)測(cè)量及放樣后，由熟練的鉆工嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)圖進(jìn)行鉆孔作業(yè)，鉆孔深度為3.0 m。每排炮均應(yīng)進(jìn)行鉆孔檢查，其中周邊孔誤差不得大于5 cm，主爆孔誤差不得大于10 cm。施工中嚴(yán)格遵循“向掏槽孔要進(jìn)尺、向崩落孔要效率、向周邊孔要質(zhì)量”的原則[1]。鉆孔完成后，要逐個(gè)把孔內(nèi)雜物清除干凈，并認(rèn)真檢查鉆孔的孔位、方向及深度。不合格鉆孔必須用黃泥堵塞，然后重新施鉆，以保證鉆孔的質(zhì)量，從而為爆破效果提供保障。

[③]裝藥、連線、起爆方式。向孔內(nèi)裝設(shè)炸藥前，先用高壓風(fēng)對(duì)炮孔進(jìn)行沖掃，炮孔經(jīng)驗(yàn)收合格后，方可實(shí)施裝藥、爆破;炮孔的裝藥、堵塞和引爆線路的連接應(yīng)由經(jīng)考核合格并持有爆破員證的炮工嚴(yán)格按已批準(zhǔn)的爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行施作，裝藥過程嚴(yán)格遵守《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）。利用平臺(tái)車作為登高設(shè)備裝藥，掏槽孔、崩落孔及底板孔均采用Φ32 mm炸藥卷連續(xù)裝藥，周邊光爆孔用Φ25 mm炸藥卷捆綁于竹片上間隔裝藥，孔口用炮泥堵塞嚴(yán)實(shí)。炮孔裝藥嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)圖進(jìn)行，堵塞良好。掏槽孔、崩落孔及底板孔采用非電毫秒雷管起爆、非電傳爆網(wǎng)絡(luò)，周邊光面孔用導(dǎo)爆索網(wǎng)絡(luò)起爆。最后，由炮工和值班技術(shù)員復(fù)核檢查，確定無誤后，撤出人員和機(jī)械設(shè)備，由炮工負(fù)責(zé)引爆[4]。

[④]通風(fēng)散煙、噴水除塵。隧洞開挖及支護(hù)施工過程中，一直開啟通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)，以確保爆破后規(guī)定時(shí)段內(nèi)將洞內(nèi)有害氣體含量降至規(guī)定范圍內(nèi)。爆破散煙完成后，對(duì)開挖面爆破渣料范圍進(jìn)行噴水除塵。

[⑤]安全處置。爆破后，可用1 m3反鏟挖掘機(jī)或人工清除掌子面和邊頂拱上的危石和碎塊，以確保進(jìn)入人員和機(jī)械設(shè)備的安全。巖石破碎段完成排危后，可先噴一層素混凝土，厚度3～5 cm，出渣后再次進(jìn)行檢查與排危。在整個(gè)施工過程中，安排專職安全員進(jìn)行安全檢查，若發(fā)現(xiàn)問題，要及時(shí)報(bào)告和處理。

[⑥]初期支護(hù)。每排炮開挖完成后，穩(wěn)定性差的圍巖段須及時(shí)采用素噴混凝土、隨機(jī)錨桿、系統(tǒng)錨桿及掛鋼筋網(wǎng)等進(jìn)行支護(hù)。

2.2.2 Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖。Ⅳ、Ⅴ類圍巖除采用Ⅲ類圍巖開挖方法和工藝外，還應(yīng)針對(duì)圍巖實(shí)際情況，在測(cè)量放線后，采取超前小導(dǎo)管或超前錨桿等支護(hù)方式預(yù)先對(duì)圍巖進(jìn)行加固處理，確保圍巖穩(wěn)定[2]。施工嚴(yán)格按照新奧法原則進(jìn)行，Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞室段遵循“超前預(yù)測(cè)、超前支護(hù)、預(yù)灌漿、短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的工藝要求進(jìn)行施工[3]，其中Ⅳ類圍巖斷面循環(huán)掘進(jìn)深度按不大于2 m控制，Ⅴ類圍巖斷面循環(huán)掘進(jìn)深度按不大于1 m控制。爆破后暫不出渣，經(jīng)安全處置與平渣后，立即施作初期支護(hù)，采用砂漿錨桿、鋼拱架及掛網(wǎng)噴混凝土等支護(hù)手段，以確保圍巖穩(wěn)定。出渣后，按規(guī)范要求隨施工進(jìn)度設(shè)置圍巖收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，監(jiān)測(cè)頻次按規(guī)定進(jìn)行，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行匯總分析，如發(fā)現(xiàn)異常情況，及時(shí)研究應(yīng)對(duì)措施并處理。對(duì)于有控制爆破要求的區(qū)域，設(shè)置動(dòng)態(tài)觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)爆破振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此外，每次爆破后及時(shí)整理觀測(cè)成果，以指導(dǎo)爆破施工[4]。

2.3 出渣方式選擇

小斷面引水隧洞的斷面寬度及高度均較小，開挖施工通常采用扒渣機(jī)進(jìn)行裝車出渣，但其行走速度慢，避炮來回時(shí)間長(zhǎng)[5]，且洞內(nèi)作業(yè)設(shè)備故障率高，另外需要布置較長(zhǎng)的動(dòng)力電纜，對(duì)開挖施工影響較大。裝載機(jī)具有移動(dòng)速度快、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，更能適應(yīng)洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境。結(jié)合紅衛(wèi)橋水電站廠區(qū)樞紐工程引水隧洞開挖斷面尺寸，開挖采用3 m3裝載機(jī)裝渣，18 t自卸汽車運(yùn)輸出渣。同時(shí)，在洞內(nèi)每隔150～200 m設(shè)置一個(gè)錯(cuò)車道，以滿足出渣需要。

2.4 開挖循環(huán)時(shí)間及循環(huán)進(jìn)尺

洞身開挖及初期支護(hù)的循環(huán)時(shí)間如表1所示。Ⅲ類圍巖段循環(huán)進(jìn)尺為2.6 m，初期支護(hù)（素噴+隨機(jī)錨桿）緊跟開挖面，綜合月進(jìn)尺為140 m。Ⅳ類圍巖段循環(huán)進(jìn)尺為1.8 m，系統(tǒng)支護(hù)緊跟開挖面，綜合月進(jìn)尺為80 m。Ⅴ類圍巖段循環(huán)進(jìn)尺為0.95 m，系統(tǒng)支護(hù)緊跟開挖面，綜合月進(jìn)尺為40 m。

3 爆破設(shè)計(jì)

引水隧洞采用孔眼法爆破，爆破孔分為掏槽孔、崩落孔、底孔和周邊孔。

3.1 掏槽方式及掏槽孔布置

隧洞開挖工程中，掏槽效果是決定循環(huán)進(jìn)尺大小的關(guān)鍵，而影響掏槽爆破效果的主要因素是掏槽方式和爆破參數(shù)[5]。

Ⅲ類圍巖開挖寬度小、鉆孔深度較大，受兩側(cè)洞壁夾制影響大。為提高爆破效率，確保每循環(huán)掘進(jìn)深度，采用直孔掏槽方式。直孔掏槽由一組垂直于工作面、相互平行、間距小且有2個(gè)空心的炮孔組成。炮孔裝藥系數(shù)為0.7～0.8。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，軟巖層孔距一般為150 mm左右，中硬巖層孔距為100～300 mm，硬巖層孔距為100 mm。本例中，直孔掏槽采用六邊形布置，孔距為25 cm，共布置9個(gè)炮孔。其中中間上下2個(gè)中空孔不裝藥，孔深均為3.2 m，炮孔直徑為42 mm，經(jīng)爆破后形成500 mm×1 000 mm的自由面，炮孔布置如圖2所示。

Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖循環(huán)進(jìn)尺要求較短，受兩側(cè)洞壁夾制影響不大，選擇楔形掏槽方式，可減少鉆孔數(shù)量，減少一定的鉆孔時(shí)間。楔形掏槽又被稱V形掏槽，通常由2～4對(duì)對(duì)稱的相向傾斜的掏槽炮孔組成，爆破后能形成V形槽。楔形掏槽可以分為水平楔形掏槽和垂直楔形掏槽兩種形式。楔形掏槽孔的傾角通常為55°～80°。巖石越堅(jiān)硬，傾角越小?？椎拙嚯x通常為0.1～0.3 m，巖石越堅(jiān)硬，距離也越小。本例中，Ⅳ類圍巖、Ⅴ類圍巖均采用楔形掏槽，其中Ⅳ類圍巖采用二級(jí)復(fù)式楔形掏槽，排距為0.3 m，傾角為60°～66°，孔底距離為20 cm，如圖3所示。

3.2 炮孔孔距和裝藥參數(shù)

3.2.1 周邊孔。Ⅲ類圍巖周邊孔孔距為50 cm，抵抗線長(zhǎng)度為60 cm，孔內(nèi)采用1/2節(jié)Φ25 mm藥卷間隔20 cm裝藥，孔底采用1節(jié)半Φ32 mm藥卷加強(qiáng)裝藥，線裝藥密度為210 g/m;Ⅳ類圍巖周邊孔孔距為45 cm，抵抗線長(zhǎng)度為55 cm，孔內(nèi)采用1/2節(jié)Φ25 mm藥卷間隔30 cm裝藥，孔底采用1節(jié)Φ32 mm藥卷加強(qiáng)裝藥，線裝藥密度為155 g/m;Ⅴ類圍巖周邊孔孔距為40 cm，抵抗線長(zhǎng)度為50 cm，孔內(nèi)采用1/2節(jié)Φ25 mm藥卷間隔40 cm裝藥，線裝藥密度為125 g/m。

3.2.2 崩落孔?？拙酁?0～110 cm，圈距為70～100 cm，孔內(nèi)采用Φ32 mm藥卷連續(xù)裝藥，裝藥系數(shù)為0.55～0.40。

3.2.3 底孔?？拙酁?0～80 cm，孔內(nèi)采用Φ32 mm藥卷連續(xù)裝藥，裝藥系數(shù)為0.60～0.40。

3.3 裝藥結(jié)構(gòu)及起爆順序

隧洞開挖掏槽孔、崩落孔、底孔均采用連續(xù)、耦合裝藥結(jié)構(gòu)，周邊孔采用間隔、不耦合裝藥。炮孔堵塞一般采用鉆孔石屑、黃泥等，并利用木棍進(jìn)行封堵。掌子面的炮孔應(yīng)按掏槽孔、崩落孔（輔助擴(kuò)槽孔、主崩落孔）、底孔、周邊孔的先后順序起爆。

4 初期支護(hù)

初期支護(hù)隨作業(yè)面開挖跟進(jìn)施工，錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土等作業(yè)均直接利用開挖施工臺(tái)車。小斷面引水隧洞錨桿長(zhǎng)度一般為3 m，采用手風(fēng)鉆鉆孔、“先注漿后插桿”的施工方法，噴混凝土采用濕噴法。鋼拱架采用冷彎或熱彎方法在加工廠加工，按照洞室不同圍巖類別段形狀、規(guī)格采取分段、分節(jié)方式進(jìn)行制作，按實(shí)際尺寸放樣，設(shè)立同比例胎模的工作臺(tái)，節(jié)間采用螺栓連接，立柱底部設(shè)置鋼墊板，相鄰拱架之間設(shè)置連接鋼筋。

5 施工通風(fēng)

為滿足隧洞施工通風(fēng)要求，每個(gè)掌子面均采用獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，以保證供應(yīng)給洞內(nèi)每一作業(yè)人員不少于3 m3/min的新鮮空氣，并保持空氣流通速率在15 m/min以上、二氧化硅粉塵含量低于1 mg/m，且開挖作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)空氣中煙霧的亞硝酸、一氧化碳和二氧化碳的含量均不超過有關(guān)勞動(dòng)法規(guī)要求的標(biāo)準(zhǔn)。

在5#～8#支洞口分別布置型號(hào)SDDY-Ⅲ-11、功率55×2 kW、風(fēng)量1 417 m/min的三速對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)，采用Φ1 200 mm軟風(fēng)筒進(jìn)行壓入式通風(fēng)。在各工作面洞內(nèi)開挖深度達(dá)1 500 m后，為加快洞內(nèi)爆破排煙，另行增加一臺(tái)22×2 kW軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行加強(qiáng)通風(fēng)。

6 實(shí)施效果

紅衛(wèi)橋水電站廠區(qū)樞紐工程引水隧洞圍巖以Ⅲ類為主且存在部分Ⅳ類，最大月開挖強(qiáng)度達(dá)125 m，達(dá)到了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了小斷面特長(zhǎng)引水隧洞的快速開挖施工。

7 結(jié)語

對(duì)于小斷面特長(zhǎng)引水隧洞開挖，建議采用農(nóng)用車改裝自移式臺(tái)車作為鉆孔平臺(tái)。它不僅能覆蓋全斷面施工，而且具有更高的靈活性，使用方便、快捷，同時(shí)可用于支護(hù)施工，減少循環(huán)作業(yè)時(shí)間。小斷面引水隧洞開挖應(yīng)根據(jù)不同圍巖類別的開挖特性及開挖尺寸選擇合理的掏槽方式，以達(dá)到提高爆破效率、降低施工成本的目的，建議Ⅲ類圍巖采用直孔掏槽，Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用楔形掏槽。

小斷面引水隧洞采用全斷面開挖的方法，底板部位不留保護(hù)層，對(duì)施工設(shè)備的選型較為有利，但應(yīng)做好底板孔爆破參數(shù)控制，避免底板欠挖，減小超挖。對(duì)于小斷面長(zhǎng)隧洞開挖，建議采用裝載機(jī)裝渣，裝載機(jī)選型可根據(jù)隧洞斷面尺寸確定，并在洞內(nèi)每隔150～200 m設(shè)置錯(cuò)車道，以提高出渣效率。在隧洞進(jìn)尺深度較大時(shí)，錯(cuò)車道可提供良好的錯(cuò)車及避炮場(chǎng)所，提高設(shè)備工作效率。對(duì)于小斷面特長(zhǎng)引水隧洞開挖及支護(hù)施工，建議直接采用壓入式通風(fēng)。當(dāng)開挖深度較大時(shí)，在近作業(yè)面適當(dāng)位置另行增設(shè)風(fēng)機(jī)對(duì)掌子面進(jìn)行加強(qiáng)通風(fēng)，可加快爆破排煙速度。

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