奎屯河長(zhǎng)距離引水隧洞快速施工技術(shù)

吳衛(wèi)東

(新疆兵團(tuán)水利水電工程集團(tuán)有限公司,新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,水利水電行業(yè)的發(fā)展取得了很大成效[1-4],尤其是引水隧道工程應(yīng)用得越來(lái)越多,如滇中引水香爐山隧洞工程、秦嶺引水隧道工程等。

軟弱圍巖隧道施工與其他隧道施工相比,具有明顯的差異性。在實(shí)施軟弱圍巖隧洞施工時(shí),應(yīng)當(dāng)全面了解軟弱圍巖的地質(zhì)特征及隧洞的工程特性。目前,軟弱圍巖隧道的施工方法主要有環(huán)形導(dǎo)坑、短臺(tái)階七步平行流水施工、中隔墻(CRD)施工等[5]。近年來(lái),軟巖隧道爆破技術(shù)通過(guò)不斷地實(shí)踐與運(yùn)用,發(fā)展了微差爆破、擠壓爆破、預(yù)裂爆破和光面爆破等技術(shù),在隧道光面爆破領(lǐng)域的研究重點(diǎn)為爆破參數(shù)優(yōu)化及其工程應(yīng)用[6]。馬雙喜等[7]首先剖析了光面爆破重要參數(shù)的確定方式,并剖析了城市地鐵隧道鉆爆法施工后的效應(yīng)。陳瑞等[8]提供了瑯琊山軟弱圍巖大斷面隧洞光面爆破的參數(shù)優(yōu)選實(shí)例,并經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明該優(yōu)選方法的爆破效果良好,隧洞附近結(jié)構(gòu)未受到破壞。陳正林等[9]采用了數(shù)值模擬技術(shù)手段,對(duì)Ⅳ級(jí)泥石段隧洞爆破方案進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)選研究,并進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn),選出了比較合適的爆破方案。石連松等[10]對(duì)淺埋式地鐵隧洞實(shí)施爆破時(shí)所形成的震動(dòng)效果進(jìn)行深入研究,確認(rèn)了分段爆破施工能明顯降低爆破施工震動(dòng),并大大提高爆破施工準(zhǔn)確度。劉趕平[11]對(duì)大斷面隧洞光面爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究,并針對(duì)隧洞地質(zhì)條件制定了一套適合于變質(zhì)巖、花崗石、細(xì)砂巖等特殊圍巖條件下的光面爆破參數(shù),經(jīng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),光面爆破效果顯著提高。姚洪瑞等[12]對(duì)富水軟弱圍巖地區(qū)隧道光面爆破進(jìn)行了深入研究,爆破施工中結(jié)合了超前地質(zhì)預(yù)測(cè)、超前支護(hù)及排水等措施,有效提高了開(kāi)挖與爆破安全性。董明明等[13]詳盡闡述了在軟弱圍巖巷道的爆破過(guò)程中,炮眼孔徑、炮眼數(shù)量、裝藥量等的估算原理和公式,為實(shí)際施工使用提出了可信的計(jì)算依據(jù)。

綜上所述,眾多學(xué)者在軟弱圍巖隧道爆破施工技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究,并取得了一定的研究成果。筆者對(duì)奎屯河長(zhǎng)距離引水隧洞快速施工過(guò)程中所采取的技術(shù)措施以及新冠疫情對(duì)施工的影響進(jìn)行了詳細(xì)闡述,可為類似工程施工提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 水文地質(zhì)

奎屯河引水隧洞地處歐亞大陸腹地,遠(yuǎn)離海洋,水汽來(lái)源稀少,且受蒙古高壓和西風(fēng)氣流的影響。該工程附近將軍廟水文站的觀測(cè)資料如下:多年平均氣溫為6.0 ℃,極端最高氣溫36.0 ℃,最低氣溫-28.0 ℃,分別在6月份和1月份;最冷月平均氣溫為-10.4 ℃,最熱月平均氣溫為20.8℃,分別在1月份和7月份。該站多年平均降水量為225.0 mm,6月和7月的降水量最大,12月到次年2月降水量最小。

奎屯河引水隧洞工程區(qū)地勢(shì)南高北低,海拔500～4 800 m,受北天山緯向構(gòu)造控制,地形具有分帶性。工程區(qū)處于北天山優(yōu)地槽褶皺帶(Ⅱ3)中部,依據(jù)《奎屯河引水工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》,根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)的劃分,劃定工程區(qū)相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。

1.2 疫情影響及材料運(yùn)輸困難

由于新型冠狀病毒的流行傳播,對(duì)工程進(jìn)度造成了很大阻礙,如停工、復(fù)工、疫情防控等,都需要制定合格、有效、及時(shí)、安全的措施保障施工。

天山北麓雖然交通比較便利,但該處多是軟弱圍巖,承載力不高,地處多地震帶,多有泥石流、崩塌、溶蝕和淘金洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象,給材料運(yùn)輸增加了很多困難。

1.3 工程難度

奎屯河引水隧洞穿越天山北麓構(gòu)造剝蝕區(qū),Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比達(dá)50%,巖體強(qiáng)度弱,圍巖穩(wěn)定性差,頻繁爆破導(dǎo)致圍巖累積損傷范圍大,易誘發(fā)襯砌開(kāi)裂、錨桿斷裂、塌方冒頂、圍巖失穩(wěn)等事故,嚴(yán)重影響爆破開(kāi)挖速度與工程質(zhì)量,給工程施工帶來(lái)了很大挑戰(zhàn),各類圍巖長(zhǎng)度見(jiàn)表1。

表1 各類圍巖長(zhǎng)度

2 鉆爆施工

2.1 鉆爆技術(shù)

鉆爆法是現(xiàn)階段隧洞開(kāi)挖采用的最普遍方式,本工程根據(jù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)應(yīng)用預(yù)裂開(kāi)挖爆破、光面爆破技術(shù),使開(kāi)挖的實(shí)際輪廓線達(dá)到設(shè)計(jì)條件時(shí),超欠挖量較少,減小了對(duì)巷道圍巖的干擾與損傷,更有利于安全施工。

鉆爆設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)工程地質(zhì)條件、開(kāi)挖斷面、施工方式、掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺、鉆眼設(shè)備和出渣技術(shù)等各種因素綜合考量,尤其是Ⅳ、Ⅴ類圍巖鉆爆作業(yè),要根據(jù)圍巖類別制定出行之有效的鉆爆方案。

2.2 爆破施工方案

本隧洞采用“新奧法”施工,采用楔型掏槽方法與光面爆破技術(shù),全斷面掘進(jìn),鉆眼施工時(shí)使用自制鉆爆臺(tái)車,利用YT-28型氣腿式鑿巖鉆機(jī)造孔,裝2#巖石乳化炸藥,采用毫秒微差爆破施工,出渣使用HL50型裝載機(jī)配4臺(tái)10 t自卸型車輛,將渣石經(jīng)施工道路直接運(yùn)到存渣場(chǎng)。初期支護(hù)按設(shè)計(jì)要求(錨桿+掛網(wǎng)+10～15 cm 厚噴射混凝土或16#工字鋼拱架+錨桿+掛網(wǎng)+15 cm厚噴射混凝土)進(jìn)行。

隧洞鉆孔及爆破裝藥作業(yè)在自制的臺(tái)車上進(jìn)行。為減少圍巖擾動(dòng),采取密孔距、小藥量裝藥或控制循環(huán)進(jìn)尺等方法進(jìn)行施工。對(duì)Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用“弱爆破、勤觀察、強(qiáng)支護(hù)”原則,避免發(fā)生大的塌方,保證施工安全,且開(kāi)挖成型后,立即進(jìn)行 初期支護(hù)。鉆爆開(kāi)挖流程如圖1所示。

圖1 施工流程

2.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

以Ⅳ類圍巖為例,其炮孔布置如圖2 所示。根據(jù)不同圍巖類型,采用不同的爆破方案,部分爆破參數(shù)如表2所示。

圖2 Ⅳ類圍巖炮孔布置(單位:cm)

表2 爆破施工參數(shù)

3 工程關(guān)鍵技術(shù)

3.1 支洞設(shè)置與工區(qū)劃分

奎屯河是新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶西緣的一條主要河流,為加快施工速度,縮短施工工期,根據(jù)奎屯河自然環(huán)境以及施工條件影響,將奎屯河長(zhǎng)距離引水隧道工程分為3個(gè)標(biāo)段,設(shè)置3支洞雙向施工,各支洞平面位置如圖3所示,工程3個(gè)標(biāo)段工區(qū)劃分如下:

圖3 施工支洞平面布置

(1)第一標(biāo)段:隧洞全長(zhǎng)3 420 m,設(shè)計(jì)縱坡0.1%、樁號(hào)(2+095～3+880)、1#支洞(3+880)、山區(qū)隧洞(3+880～5+515),在樁號(hào)3+880處設(shè)置1#施工支洞,1#施工支洞長(zhǎng)325 m。

(2)第二標(biāo)段:隧洞全長(zhǎng)2 690 m,設(shè)計(jì)縱坡0.1%、樁號(hào)(5+515～7+330)、2#支洞(7+330)、山區(qū)隧洞(7+330～8+205),在樁號(hào)7+330處設(shè)置2#施工支洞,2#施工支洞長(zhǎng)484.2 m。

(3)第三標(biāo)段:隧洞全長(zhǎng)2 085 m,設(shè)計(jì)縱坡0.1%、樁號(hào)(9+400～8+205)、2#增支洞(9+400)、山區(qū)隧洞(9+400～10+290),在樁號(hào)9+400處設(shè)置2#增施工支洞,2#增支洞長(zhǎng)380 m。

3.2 特殊不良地質(zhì)洞段施工技術(shù)

(1)控制超挖措施

采取毫秒微差爆破施工,并嚴(yán)格控制單次爆破數(shù)量。按測(cè)量放點(diǎn),精確標(biāo)出周邊孔的孔位和方向,均采用光面開(kāi)挖爆破方式,對(duì)地質(zhì)軟弱面和重要部位預(yù)留保護(hù)層,周邊采取密孔弱爆破開(kāi)挖措施。所有的周邊孔都在設(shè)計(jì)輪廓線上開(kāi)孔,鉆孔向外傾斜2～3°,各鉆孔相互保持平行,孔底落于同一平面上。周邊孔采用間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu),通過(guò)導(dǎo)爆索引爆。而相鄰的輔助孔則采用較小藥量、不耦合裝藥,進(jìn)行減振爆破。

(2)不良地質(zhì)段施工措施

首先進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)測(cè);通過(guò)采用超前小導(dǎo)管支護(hù),降低了爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng),并采用短鉆孔、弱爆破施工和多循環(huán)的作業(yè)措施;進(jìn)行排水,鎖好洞口,清理危巖,及時(shí)錨噴支護(hù)并盡早模筑襯砌;實(shí)行分區(qū)施工、分項(xiàng)保護(hù),有不良地質(zhì)問(wèn)題及時(shí)采取相應(yīng)的支護(hù)措施;做好質(zhì)量監(jiān)督、檢測(cè),準(zhǔn)確分析檢測(cè)結(jié)果。

(3)斷層破碎帶開(kāi)挖措施

在斷層破碎地段施工,需要進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào),采用超前管棚、超前注漿、徑向注漿等措施,相互配合形成穩(wěn)定圈,在采用超強(qiáng)加固后再進(jìn)行施工。

(4)塌方及較大溶隙、裂隙處理措施

加強(qiáng)的管理措施可與永久保護(hù)相組合。當(dāng)塌落物未將洞室完全封閉或遇較大溶隙空洞時(shí),先保護(hù)頂板,再清理殘留落石。當(dāng)塌落物將洞室封閉時(shí),用小導(dǎo)管加注漿方法以及其他預(yù)注漿方式固定,然后再按邊推進(jìn)、邊支護(hù)、邊模筑襯砌的方式施工。冒頂塌陷時(shí),首先應(yīng)將土層與地表陷落的洞口撐固或用不透水土夯填密實(shí),陷穴四周做好排水設(shè)施,以避免進(jìn)一步塌陷,對(duì)塌落物宜用花管灌漿膠結(jié),其施工方式應(yīng)進(jìn)行專門工程設(shè)計(jì)。有地下水出現(xiàn)時(shí),首先應(yīng)完成治水后,再進(jìn)行溶隙空洞和塌方處理。

3.3 快速施工措施

天山北麓奎屯河引水隧洞不僅施工困難且工期緊張,再加上新冠疫情的影響,施工更加艱難,所以,應(yīng)制定嚴(yán)格、縝密、安全的施工措施以推進(jìn)工程進(jìn)度。

(1)積極配合監(jiān)理工作,與其建立穩(wěn)固的合作關(guān)系,創(chuàng)造最優(yōu)施工環(huán)境以及爭(zhēng)取各方最大的支持。

(2)與設(shè)計(jì)單位及時(shí)溝通反饋,及時(shí)向設(shè)計(jì)單位認(rèn)證設(shè)計(jì)信息及現(xiàn)場(chǎng)情況,保證工程質(zhì)量。

(3)積極與地方部門進(jìn)行協(xié)調(diào),減少施工干擾,爭(zhēng)取良好的施工環(huán)境,推進(jìn)施工順利高效進(jìn)行。

(4)成立精簡(jiǎn)高效的項(xiàng)目部,制定合理、高效的施工組織管理,合理優(yōu)化施工工序,在保證人員安全及施工質(zhì)量的前提下采用“兩班倒”工作制。

(5)采取精準(zhǔn)爆破參數(shù),快速噴錨;自建沙場(chǎng)與鋼筋棚,縮短運(yùn)輸距離;協(xié)同作業(yè),縮短循環(huán)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)軟巖隧洞快速掘進(jìn)。

3.4 質(zhì)量與安全保證措施

(1)質(zhì)量保證措施

根據(jù)圍巖種類、地質(zhì)條件制定科學(xué)合理的施工方法,并根據(jù)實(shí)際施工效果隨時(shí)調(diào)整與完善。同時(shí),嚴(yán)格保證鉆孔質(zhì)量,密切監(jiān)控超欠挖狀況,并適時(shí)改善與提升鉆爆工程質(zhì)量。由下至上、分層噴射混凝土,混凝土初凝后,澆筑時(shí)限不得低于7 d。所用的各類主材須“三證”齊備,嚴(yán)禁“三無(wú)”建筑材料和不合格建筑材料流入施工現(xiàn)場(chǎng)。

(2)安全保證措施

隧洞內(nèi)爆破施工作業(yè),應(yīng)統(tǒng)一指令、專人指導(dǎo)警戒、將人員設(shè)備撤到安全距離。爆破后會(huì)產(chǎn)生大量CO、氮氧化物等有害氣體,為保障施工人員安全,在爆破30 min以后,經(jīng)安全員與班組長(zhǎng)檢查無(wú)危險(xiǎn)后,其他施工人員方可佩戴防毒面罩進(jìn)入工作面施工,通風(fēng)設(shè)施也在爆破后開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)通風(fēng)。洞內(nèi)出碴時(shí),一定要保證行車安全、嚴(yán)禁超載、堅(jiān)決執(zhí)行行車安全方針。

4 總結(jié)

筆者通過(guò)對(duì)奎屯河長(zhǎng)距離隧道引水快速施工的研究分析得出如下主要結(jié)論。

(1)根據(jù)地質(zhì)類別以及環(huán)境影響,施工隧洞采取“新奧法”,運(yùn)用楔型掏槽方法與光面爆破技術(shù),全斷面掘進(jìn)施工。

(2)根據(jù)不同的圍巖類型,合理優(yōu)化爆破參數(shù)。Ⅲ、Ⅳ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺為3 m,Ⅴ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺為2 m,使用爆破時(shí)進(jìn)尺最優(yōu),節(jié)省了施工時(shí)間,縮短了工期。

(3)在特殊不良地質(zhì)洞段施工時(shí),要做好統(tǒng)籌規(guī)劃、提前預(yù)防、嚴(yán)格控制超挖,做好人員保護(hù),保證施工安全平穩(wěn)實(shí)施。

(4)施工組織方面,科學(xué)協(xié)調(diào),各部門之間緊密聯(lián)系、內(nèi)外部保證措施嚴(yán)密實(shí)施。特別在新冠疫情階段,要做好人員保護(hù)、材料運(yùn)輸、施工安全等。通過(guò)優(yōu)化施工流程,使工程進(jìn)度大大加快,月施工進(jìn)尺達(dá)到500 m。