输水隧洞内主要施工工序及不良地质段施工处理

代玉旭，田树宝

(1. 辽宁省石佛寺水库管理局，沈阳110006;2. 辽宁水利土木工程咨询有限公司，沈阳110006)

0 前 言

大伙房水库输水(二期)工程是将大伙房水库输水一期工程从浑江流域调来的水由大伙房水库调节后，向辽宁省抚、沈、辽、鞍、营、盘等六城市输水的一项大型输水工程。

工程由取水头部、输水隧道、输水管线、配水站(6 座)、加压泵站(1 座)、加氯站(3 座)等建筑物组成，其中29.1 km输水隧洞及连接段、231.7 km输水管线。

采用有压重力和加压相结合的输水方式，年供水量17.86 亿m3。圆形断面，成洞洞径为6 m。供水方式为重力压力流，隧洞设计流量60 m3/s。

大伙房水库输水(二期)工程三标段，是输水隧洞的第二段，主洞起止里程为8 +363 ～18 +674，全长10.311 km，支洞有3，4，5，6，7，施工支洞工程，以及相应的弃渣场防护、场内施工道路和其他附属临时工程等。

项目区位于抚顺市南郊，区内地形起伏较大，地势略呈北高南低，沟谷发育，本段主洞共穿越夜海沟东沟、夜海沟谷、郎士沟谷、偏坎子沟谷、英德堡的部分沟谷，这些沟谷埋深浅，且常年有流水，洞线穿越长度为87 ～766 m，围岩较差，主要以Ⅴ类为主，部分Ⅳ类;有些沟谷在施工中出现了大量涌水［1］。

1 正常地质段施工

1.1 地质围岩评定

首先根据围岩评分的5 大因素即:岩石强度，岩体完整程度，结构面状态，地下水状态，主要结构面产状。

五项因素之和的总评分为基本判据，围岩强度应力比为限定判据，并根据围岩工程的地质分类，围岩的总评分为T，围岩强度应力比为S。

1)当T ＜25 分，S ≤2 时的围岩为Ⅴ类围岩，围岩极不稳定，围岩不能自稳，变形破坏严重。

2)当45≥T ＞25 分，S ＞2 时的围岩为Ⅳ类围岩，围岩的稳定性确定为不稳定。

3)45 ＜T ≤65 分，S ＞2 时的围岩为Ⅲ类围岩，围岩局部稳定性差。

4)85≥T ＞65 分，S ＞4 时的围岩为Ⅱ类围岩，围岩基本稳定。

5)T ＞85 分，S ＞4 时，围岩为Ⅰ类围岩可长期稳定，一般无不稳定块体。

本工程主要遇到的围岩为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩。地质评定后，为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ开挖提供依据。

1.2 钻爆破孔、吹孔及装药、联网爆破

根据开挖方法分别采用半断面及全断面两种爆破开挖方式，对于台阶开挖的Ⅳ、Ⅴ围岩，采用弱爆破，对于Ⅱ、Ⅲ围岩类采用全断面光面爆破。

钻孔采用的是2 －8YT 钻机，钻机钎杆内有水管冲孔，用高压风吹孔。

1.2.1 孔眼直径

风钻成眼地段，装药炮眼直径为Φ 42 mm;台车成孔地段，装药眼直径为48 mm，空眼直径为65 mm。

1.2.2 炸药

一般地段使用乳化炸药，富水地段采用乳胶防水炸药;药卷直径采用φ 32 mm和φ 25 mm两种。

1.2.3 装药结构周边炮眼采用φ 25 mm的药卷，进行间隔装药，用导爆索的φ 25 mm的药卷加工成药串，并用电工胶布将药串绑在竹片上，可以方便装药，其它炮眼采用φ 32 mm药卷，进行连续装药。

1.2.4 起爆网路

采用非电毫秒雷管微差起爆网络［2］。

1.3 通风排烟

支洞施工阶段，洞内通风采取在洞口安1 台55×2 kW的轴流通风机(图5.4 为55 ×2 kW的轴流通风机照片)进行压入式通风，风管Φ 1 000 mm的螺旋软风管。

当由支洞转入主洞施工后，主洞内通风采用压入式和吸出式的混合通风，压入支洞口共安装2 台2×55 kW的轴流通风机进行压入式通风风管一个指向上游，一个指向下游，在主支洞交叉口安1 台2 ×37 kW的轴流风机抽出洞内废气;压入式风管采用Φ 1 000 mm的螺旋软风管，压入式风管在主支交叉转弯处用同直径的硬质铁管度过;抽出式风管采用Φ 600 mm的螺旋软风管。

在爆破结束后先通风10 ～20 min，确保掌子面能正常施工，可见度和施工人员的身体健康［3］。

1.4 出 渣

洞室狭窄选好车型很重要，大了施展不开，小了施工工序增加时间。

本洞选用出渣的机械用50 侧翻装载机1 台，3台15 m3双桥自卸汽车。洞子宽7 m，装载机宽3.0 m，自卸汽车2.5 m宽，装载机和自卸汽车并排后，装载机用铲斗把渣侧翻入车内，自卸汽车装满后，运出指定地点。

一个爆破开挖进尺约2.8 m，石方开挖方量约115 m3的情况下，一排炮出渣用2.5 h。实践证明4#洞机械选型是合理的。出渣时注意的事项为，装载机、挖掘机、出渣自卸汽车的完好率要保证。应该及时检修，配备易损件，有专门的维修队伍。机械一旦故障卡在洞内将上下车辆都不通，增加出渣时间，影响工程进度。

洞室坡度15%以上时，选用有轨绞车出渣，坡度＞15%后，自卸汽车已经不能用为出渣装置，洞室内铺设铁轨。

用扒渣机上料(洞室狭小装载机和钩机选较大功率的，无法施展，较小功率的出渣时间又太长，无法满足工期)，扒渣机特点是功率高，需要的作业面不用太大，往绞车上上料非常便利。

绞车内装满渣料后，沿着铁轨，受上面的卷扬机的牵引，运送到洞外，直接卸载自卸汽车上，由自卸汽车运外指定的渣场。

当洞室的距离较长时，可以采用皮带机出渣。皮带机出渣一般适用于TBM 段施工，距离长，而且经TBM 切割的岩石碎块较小较均匀。爆破开挖不太适合用皮带机出渣。

用1 台220日立品牌的挖掘机。把断面上的大块险石排掉，然后由人工用撬棍把未排掉的险石排掉。

1.5 初期支护

1.5.1 Ⅴ类围岩

立16#钢支撑间距0.5 ～1.5 m不等，由工程地质人员根据地质情况确定钢支撑的间距。在钢支撑周边垂直岩面打系统锚杆，锚杆间距1.0 m，锚杆规格:φ22 ×3.0 m，钢筋在钢支撑外面挂φ8 ×150 mm ×150 mm钢筋网。三检制及监理检验合格后，开仓喷C30 混凝土，混凝土厚度为200 mm［3］。如图1所示。

图1 Ⅴ类围岩施工布置

1.5.2 Ⅳ类围岩

全周打系统锚杆，锚杆间距1 000 mm ×1 000 mm，锚杆规格:φ22 ×3.0 m，全周挂钢筋网，钢筋网规格:φ8 ×150 mm ×150 mm，三检检查合格及监理检验合格后，开仓喷C30 混凝土，混凝土厚度为100 mm 。如图2 所示。

图2 Ⅳ类围岩施工布置

1.5.3 Ⅲ类围岩

随机锚杆，规格:φ22 ×2.5 m，随机挂钢筋网，钢筋网规格:φ8 ×200 mm ×200 mm，三检检查及监理检验合格后，开仓喷C30 混凝土，混凝土厚度为100 mm。如图3 所示。

图3 Ⅲ类围岩施工布置

1.5.4 Ⅱ类围岩

随机锚杆，规格:φ22 ×2.5 m，随机挂钢筋网，钢筋网规格:φ8 ×200 mm ×200 mm，三检检查及监理检验合格后，开仓喷C30 混凝土，混凝土厚度为100 mm。如图4 所示。

图4 Ⅱ类围岩施工布置

2 不良地质段的施工

施工前对地下通过破碎松散、涌水、浅埋段等不良地质地段制定相应的预防措施，备足有关的应急机具和材料。不良地质段的洞室施工，应先治水，采用短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌的措施，稳步前进。

2.1 断层的处理

施工前切实掌握断层带的情况，包括破碎带的宽度、填充物、地下水一级探洞轴线与断层构造线的组合关系。

根据施工方法和设备条件选择通过断层地段的施工措施报监理人审批。

当断层规模不大，渗水量不大的情况下，可采用超前锚杆、超前小钢管支护、超前小导管注浆、管棚等超前支护的方法以及超前灌浆的方法处理。断层规模较大，或有大量涌水的情况下，先进行超前灌浆，再结合超前支护的方法处理［4］。

通过断层地段的各施工工序之间的间隔宜尽量缩短，尽快使全断面支护或衬砌封闭，减少岩层暴露、松动的时间。

钻爆施工中严格掌握炮眼数量、深度和装药量，原则上应尽量减少爆破对岩层的震动。断层地段的支护应宁强勿弱，并经常检查加固。

2.2 塌方的预防和处理

防止塌方，是保证施工安全和施工进度的关键，应随时观察和监测地质有无异常现象，研究岩体和地下水变化规律，采取必要的支护手段，避免产生塌方。

1)在不良地质段施工时，应根据监理人的指示进行勘探孔及地质测试孔德钻孔工作，并根据此进行超前地质预报。

2)在不良地质段施工中，应坚持弱爆破、短开挖、强支护和勤观测的施工方法。

3)对未扰动而破碎的岩层、结构面裂隙发育的块状岩层或松散渗水的围岩段，宜采用超前锚杆支护。

2.3 岩爆的特征

在隧洞施工中，容易发生岩爆的地段，一般埋深在260 ～600 m左右，而且易发生在干燥无水的花岗岩带中，有水地段的花岗岩不发生岩爆或者说发生岩爆的几率几乎为零，在洞线的闪长岩、石英富集的岩带中也都几乎不发生岩爆。发生岩爆的部位在隧洞起拱线以上，顶部以下部位。

隧洞内围岩的内部发生岩爆时，一般有2 种情况:

1)爆裂的声音清脆、声响很大时，岩爆主要表现为劈裂破坏，其规模不大，多呈片状或贝壳状从母体岩中以劈裂的形式剥落下来，且岩块下落的时间几乎与爆裂声同步。

2)当围岩内部发生的爆裂声沉闷、声响较小的时，岩爆主要表现为剪切破坏，其规模大，并伴随有烟状粉末弹射。

此时由岩爆产生破坏的岩体一般都滞后于爆裂声20 ～60 min才会从母体岩上掉落，而且掉落的岩石块都比较大，因此危害也非常大。

2.4 岩爆的处理

采取先进、合理的设备配合地质人员做好岩爆易发生区域的地质预测预报工作，预报人员根据检测成果，从围岩完整性、强度、地下水、是否存在断层等情况，超前地质预报掌子面前方围岩是否产生岩爆［5］。

开挖后，根据已发生岩爆的特征，尽快对岩爆进行分级，并有针对性的采取以下几种处理措施:

2.4.1 施作应力释放孔

当地质预报前方有中等及以上强度的岩爆时，在钻爆破孔前根据岩爆可能发生的部位，施作超前应力释放孔，要求孔深大于掘进开挖进尺的两倍;在锚杆的钻孔的时候，对可能产生岩爆的部位，作径向应力释放孔，孔深不小于围岩的松动圈。应力释放孔的孔径原则上力求大些为好，但结合钻孔方便考虑，不宜＜Φ 48 mm。

2.4.2 合理避让

岩爆段在掘进爆破后，利用前期通风工序时间先躲避，待岩爆减弱后喷水、找顶。对掌子面、洞起拱线以上的壁面及时喷水，保持岩面潮湿与巡回找顶。

对于中等岩爆，应该停止施工作业，撤至50 m以外安全区，并设法远离向岩爆区岩面喷水，待岩爆缓解至基本无岩爆迹象后进行找顶，撬除已松裂的岩片、岩块，进行打锚杆挂网喷混凝土加固处理。

3 结 语

本文主要介绍了洞内主要的施工工序及不良地质段施工处理;Ⅴ类围岩，立16#钢支撑间距0.5 ～1.5 m不等，由工程地质人员根据地质情况确定钢支撑的间距。Ⅳ类围岩，全周打系统锚杆，锚杆间距1 000 mm×1 000 mm。Ⅲ类围岩，随机锚杆。Ⅱ类围岩，随机锚杆。

施工前对地下通过破碎松散、涌水、浅埋段等不良地质地段制定相应的预防措施，备足有关的应急机具和材料。对于不良地质段的洞室施工，应该先治水，采用短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌的措施，稳步前进。

［1］刘永新，马思烈，罗健. 输水隧洞工程临时支护设计和不良地质洞段处理［J］. 贵州水力发电，2003，17(02):53 －56.

［2］李瑜. 浅谈东深供水改造工程施工中的临时支护设计［J］. 广东水利电力职业技术学院学报，2004，2(04):49 －52.

［3］章杨松，罗国煜，李晓昭，阎长虹. 岩体质量分级的风险分析方法［J］. 工程地质学报，2002(03):331 －336.

［4］张敏. 复杂地形、地质情况下大跨度隧道洞口段设计［J］.铁道工程学报，2007(02):69 －73.

［5］张斌，符文熹，任光明，聂德新. 深埋长隧道岩爆的预测预报及防治初探［J］. 地质灾害与环境保护，1999，10(01):25 －28.