不良地質(zhì)小斷面隧洞快速開挖技術(shù)

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(shè)內(nèi)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(biāo)段位于34#洞2#支洞控制段起點(diǎn)～4#支洞控制段末之間,渠系樁號(hào)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(shí)工程?？偢汕?4#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(zhì)條件

工程所處地層為新（古）近系粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖、砂巖夾砂礫巖等,呈厚層狀,巖層產(chǎn)狀較為平緩,斷裂構(gòu)造不發(fā)育。

樁號(hào)79+815.53~80+752,洞身圍巖為砂巖夾砂礫巖,泥質(zhì)含量很少,成巖程度較差,泥質(zhì)弱膠結(jié),巖石強(qiáng)度低,具弱透水性,屬極軟巖,遇水快速軟化崩解,巖石強(qiáng)度降低顯著；巖體受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微,節(jié)理裂隙不發(fā)育,總體呈中厚～巨厚層狀,局部為薄層狀。層面為主要結(jié)構(gòu)面,層面結(jié)合差,巖層產(chǎn)狀平緩,交錯(cuò)層理發(fā)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(xué)類型以 HCO3-—K++Na+型水為主,水質(zhì)良好,對(duì)普通混凝土無腐蝕性。隨著洞室開挖,地下水集中向洞內(nèi)滲流排泄,在動(dòng)靜水壓力作用下,尤其在震動(dòng)、爆破的共同影響下,塑性松動(dòng)圈巖石遇水快速軟化、崩解,巖體結(jié)構(gòu)遭到破壞,在滲流水頭作用下,局部圍巖可能產(chǎn)生流土破壞,進(jìn)而可能發(fā)生局部涌砂。若得不到及時(shí)支護(hù)和防治,將可能有更大塌方、涌砂等現(xiàn)象發(fā)生。因此,此類圍巖在地下水位以下時(shí),工程地質(zhì)條件極差,圍巖類別屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖。預(yù)測(cè)隧洞施工開挖時(shí)掌子面多不能自穩(wěn),可發(fā)生掉塊、塌方,局部涌砂等現(xiàn)象,應(yīng)以不良隧洞圍巖來設(shè)計(jì)和施工[1]。

樁號(hào)80+752~86+994.05洞身圍巖為磚紅色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖,以泥質(zhì)膠結(jié)為主,巖性軟弱,為極軟巖,遇水易軟化崩解,失水干縮,易風(fēng)化解體,干濕效應(yīng)明顯。巖體呈中～厚層狀結(jié)構(gòu),巖層平緩,結(jié)構(gòu)面以層面為主,裂隙不發(fā)育,巖體較完整~完整,巖體完整性系數(shù)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(xiàn)象。該洞段圍巖類別為Ⅴ類。圍巖極不穩(wěn)定,自穩(wěn)時(shí)間很短,易變形[2]。

2 施工中的難點(diǎn)

（1）本工程隧洞洞室斷面較小、長度較長、地質(zhì)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(jìn)行并按期完成是本工程施工難點(diǎn)。

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

3 解決方法

項(xiàng)目初期2#、3#、4#施工支洞均采用常規(guī)爆破開挖,根據(jù)爆破后巖層開挖揭露,主要現(xiàn)泥巖、泥質(zhì)粉質(zhì)砂巖,爆破開挖超欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重,支護(hù)過程中圍巖風(fēng)化掉塊,相應(yīng)的支護(hù)時(shí)間延長,且由于支洞附近為當(dāng)?shù)卮迕裣拗票?導(dǎo)致進(jìn)度緩慢。之后,3#、4#施工支洞主要采用扒渣機(jī)開挖,三輪車配合出渣。2#施工支洞采用常規(guī)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(xiàn)象得到很好控制,進(jìn)度稍有提高。后續(xù)開挖過程中,圍巖硬度較高,扒渣機(jī)開挖耗時(shí)較長,已不能滿足項(xiàng)目合同工期要求,項(xiàng)目部研究決定,采用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖施工[3]。

施工中遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則。開挖方式采用自下而上,自卸汽車配合運(yùn)輸,及時(shí)封閉開挖面做初期支護(hù),做好隧道監(jiān)控量測(cè)。

采用三臺(tái)激光指向儀輔助,分別在掘進(jìn)機(jī)操作手側(cè)邊墻、頂拱與邊拱連接板處及頂拱最高點(diǎn)安裝激光指向儀,這三個(gè)位置在掘進(jìn)機(jī)開挖過程中操作手均可隨時(shí)觀察、隨時(shí)量測(cè),減少洞室超挖、杜絕欠挖現(xiàn)象的發(fā)生。

4 掘進(jìn)機(jī)開挖施工方法

4.1 掘進(jìn)機(jī)選型及性能參數(shù)

本項(xiàng)目主要使用EBZ165、EBZ135、S100E三臺(tái)掘進(jìn)機(jī),掘進(jìn)機(jī)性能參數(shù)見表1。

表1 掘進(jìn)機(jī)性能參數(shù)表

4.2 掘進(jìn)作業(yè)

（1）操作工序。不良地質(zhì)小斷面隧洞的挖掘作業(yè)受到環(huán)境條件的影響,也給挖掘作業(yè)帶來一定的壓力,尤其是挖進(jìn)作業(yè)環(huán)節(jié),是施工的關(guān)鍵工序,因此,應(yīng)結(jié)合不良地質(zhì)小斷面隧洞的環(huán)境特征,嚴(yán)格按照相關(guān)的施工操作進(jìn)行挖進(jìn)操作。主要操作工作：油泵電機(jī)→開動(dòng)第一運(yùn)輸機(jī)→開動(dòng)星輪→開動(dòng)截割頭。當(dāng)然,在具體施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的調(diào)整,如在不需要裝載的情況下,則在工序第一步開動(dòng)油泵電機(jī)后便可啟動(dòng)截割電機(jī),并要求在電機(jī)運(yùn)行過程中,密切關(guān)注電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),一旦發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常,應(yīng)及時(shí)采取有效的治理措施,避免運(yùn)行不當(dāng)產(chǎn)生的機(jī)械故障而影響到挖進(jìn)工序的正常進(jìn)行。挖進(jìn)環(huán)節(jié)第一運(yùn)輸機(jī)操作過程中,應(yīng)有專業(yè)操作人員進(jìn)行操作,同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)范要求操作,避免不熟練操作人員出現(xiàn)誤操作問題。通常第一運(yùn)輸機(jī)的操作室在手柄前推動(dòng)的情況下,施工運(yùn)輸機(jī)則為正轉(zhuǎn)的工作狀態(tài),相反則是施工運(yùn)輸機(jī)逆轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)。截割頭的伸縮：將手柄向前推動(dòng),截割頭向前伸出；反之截割頭向后收縮,前后伸縮長度可達(dá)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(zhì)小斷面隧洞挖進(jìn)截割施工環(huán)節(jié)具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性,在施工前首先需要施工人員做好安全防護(hù)措施,如手套、安全帽等,其次再根據(jù)不良地質(zhì)小斷面隧洞的地質(zhì)地貌情況進(jìn)行施工。通常在截割施工中也需根據(jù)截割物體的軟硬程度適當(dāng)調(diào)整截割方式,同時(shí)還要保證截割斷面形狀以及尺寸與施工要求相符。如出現(xiàn)不相符的情況,則需要對(duì)其進(jìn)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(huán)向上的截割施工方法,可進(jìn)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(dāng)遇有硬巖時(shí),不應(yīng)勉強(qiáng)截割,對(duì)有部分露頭硬石時(shí),應(yīng)首先截割其周圍部分,使其墜落。對(duì)大塊墜落體,采用適當(dāng)辦法處理后再進(jìn)行裝載。當(dāng)掘柱窩時(shí),應(yīng)將截割頭伸到最長位置,同時(shí)將鏟板降到最低位置向下掘,在此狀態(tài)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(jìn)時(shí)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(jī)的右后側(cè),在操作臺(tái)與電控箱之間,當(dāng)開始掘進(jìn)時(shí)應(yīng)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(jī)器兩側(cè)。

另外,當(dāng)欲進(jìn)行截割頭內(nèi)噴霧時(shí),打開控制閥,即實(shí)現(xiàn)截割頭的內(nèi)噴霧。但應(yīng)注意不能單一的只使用內(nèi)噴霧,而必須內(nèi)、外噴霧同時(shí)使用。

4.3 出渣

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

4.4 安全檢查

開挖出渣完成后安全人員進(jìn)入洞內(nèi)進(jìn)行安全檢查,對(duì)發(fā)現(xiàn)的掛渣、險(xiǎn)石等進(jìn)行處理,對(duì)由于地質(zhì)原因形成的塌方,應(yīng)立即報(bào)告主管人員,確定處理方法。

4.5 支護(hù)施工

對(duì)于圍巖較為破碎的洞段,經(jīng)安全人員檢查,應(yīng)立即進(jìn)行混凝土噴射、錨桿及掛網(wǎng)等支護(hù),以保證洞室穩(wěn)定安全,并根據(jù)情況按“新奧法”支護(hù)方法及時(shí)進(jìn)行支護(hù)施工。

4.6 安全觀測(cè)

開挖支護(hù)之后,對(duì)開挖面附近洞壁應(yīng)加強(qiáng)安全檢查,并按照設(shè)計(jì)及時(shí)進(jìn)行巖石收斂觀測(cè),保證圍巖的穩(wěn)定。對(duì)遠(yuǎn)離掌子面的已開挖洞壁也應(yīng)進(jìn)行安全檢查,布設(shè)巖石變形觀測(cè)儀器,派專人進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)和資料分析,發(fā)現(xiàn)異常情況立即發(fā)出警告,通知施工人員撤離現(xiàn)場(chǎng),同時(shí)采取必要的處理措施。如果在已進(jìn)行設(shè)計(jì)噴錨支護(hù)情況下,仍存在圍巖不穩(wěn)定的情況,采用花拱架或鋼支撐進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),確保洞身、人身及設(shè)備安全[5]。

5 結(jié)論

5.1 開挖效果

（1）從開挖成洞效果來看,掘進(jìn)機(jī)開挖相比常規(guī)爆破與銑挖機(jī)開挖震動(dòng)小,對(duì)開挖輪廓線以外圍巖擾動(dòng)較小,掉塊現(xiàn)象明顯減少。

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

（3）掘進(jìn)過程中揚(yáng)塵較大,通過加大風(fēng)機(jī)功率和道路灑水來控制。

5.2 開挖施工進(jìn)度

本工程以2017年3月~10月對(duì)三種掘進(jìn)機(jī)單個(gè)工作面開挖進(jìn)尺進(jìn)行舉例說明（該數(shù)據(jù)來源為引洮供水二期工程總干渠34#隧洞開挖數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)僅作論文分析對(duì)比使用）（見表2）。

表2 三種掘進(jìn)機(jī)開挖進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)表 單位：m

不良地質(zhì)小斷面隧洞開挖技術(shù),受斷面尺寸及地質(zhì)條件的限制,已優(yōu)質(zhì)、高效完成隧洞開挖任務(wù),截止2018 年4 月17 日,本標(biāo)段已全面完成開挖及一次支護(hù)施工。合同工期中洞挖及一次支護(hù)完成時(shí)間為2018年11月11日,較合同工期相比提前了6 個(gè)月有余,加快了項(xiàng)目開挖施工進(jìn)度,為今后類似工程施工提供了很好的借鑒。