复杂地质大逆坡富水隧洞开挖施工中的技术运用

赵怒冲

伴随南水北调等一系列大型水利调水工程的施工推进，调水成为我国水资源优化配置的重大战略性基础设施,因此水工隧洞在开挖施工中的技术运用对促进我国经济社会可持续发展具有十分重大的意义。笔者就小断面大坡度水工隧洞为例，结合工程案例对开挖施工中的技术运用进行了分析探讨，旨在能够为我国水利建设调水工程提供一些参考和意见。

一、工程介绍

山西省东山供水工程是山西大水网建设的骨干项目，也是山西省“十二五”期间建设的重点水利工程。工程从晋中东部地区水资源相对丰富的左权县、榆社县、及长治市武乡县调水到晋中南部的太谷县、祁县、平遥县、介休市和灵石县，补充调入区工、农业用水。本工程输水管（洞）线路全长254.64km，其中压力管线长178.06km、隧洞长72.22km、洞穿管长3.11km。调水区工程沿线设岩南沟一级站、小寨二级站及关河水库3座泵站，设计最大扬程279m，总装机容量18150kw，受水区沿线设7座调蓄水库。其中10#隧洞长12.479km ，设3条施工支洞，其中10-2#支洞坡度为20°36′40″，支洞长585.56m，隧洞断面形式为城门洞型，净宽3.65m，净高为3.0m，采用全断面钢筋混凝土衬砌。

10-2#支洞位于晋中市平遥县程家庄东冲沟内，紧邻山谷河流，河水流量受季节降雨影响较为严重。隧洞地区属新生代断陷盆地地质构造，地层有寒武系上统崮山组（∈3 g）红褐色薄层泥质条带灰岩与竹叶状灰岩，上统长山组（∈3 c）灰紫色竹叶状灰岩为主，断层节理发育，岩体整体破碎，基岩裂隙较大。

二、防排水

1.施工技术难点

小断面大坡度涌水不良地质围岩隧洞防排水。东山供水工程10-2#支洞Ⅴ级围岩占隧道全长100%，开挖掘进至30m即出现围岩裂隙渗水，掘进至40m渗涌水量已达25m3/h，渗水水量还将随隧洞开挖掘进进一步加大，10-2#支洞坡度较大，致使洞内渗水向掌子面流集，致使洞内施工环境更加恶劣，对隧洞围岩的稳定、开挖及支护带来较大问题，排水不及时和抽排不彻底将对洞内施工设备造成浸泡损坏，威胁洞内施工作业人员的生命安全，影响施工进度。

2.防排水技术措施

做好小断面大坡度涌水不良地质围岩隧洞的防排水工作，对保证隧洞施工质量和防止产生病害危及施工作业人员的生命安全具有非常重要的意义。根据洞内的水情，实施“分段截留、清污分离、分级抽排”的系统排水方法，将大大增加隧洞开挖掘进速度，从而保证施工进度。隧洞右侧下方布设有轨侧卸矿车轨道，右侧上方布设通风带及主电缆，隧洞中间上方设置照明，左侧下方布置人行步梯及供风管，供风管线下方尚有空间可以布置排水管道，排水管线直接敷管线在底板面，隧洞左侧每隔50m开挖一处1.5×1.5m集水井,洞底的横向截留槽将各处渗水截留后流入集水井，集水井内水泵通过排水管将水排至上一级集水坑，直至排出洞外。隧洞掌子面开挖爆破后的每次出渣，扒渣机出渣工作时会将上循环初期支护回弹的喷浆混凝土与掌子面积水扰动混合形成污水，此时可通过掌子面的污水泵抽排进污水管内，通过每100m设置的分级式增压泵加压，排出洞外进入沉淀池进行净化处理。

三、超前支护

1.施工技术难点

小断面大坡度涌水不良地质围岩隧洞支护因受小断面空间和隧洞大坡度的限制，大管棚超前支护施工难以展开。

2.超前支护措施

小导管超前支护具有灵活易操作的特点，在小段断面大坡度隧洞超前支护施工中优势作用十分明显。10-2#支洞采用φ42×3.5mm超前小导管配合Ⅰ14钢拱架使用。导管钢管长3m，钢管沿Ⅰ14钢拱架拱部环向布置间距为400mm，钢管与隧洞轴线环向外插角为10°，小导管是受力杆件，因此在纵向的两排小导管应有一定搭接长度，小导管沿隧道纵向的搭接长度一般不小于1m。采用小导管加固时，为保证工作面稳定和掘进安全，应确保小导管安装位置正确和足够的有效长度，严格控制好小导管的钻设角度。用作小导管的φ42×3.5mm钢管钻有注浆孔，以便向岩体裂隙进行注浆加固减少涌水量，也有利于提高小导管自身刚度和强度。小导管在涌水不良地质围岩岩体注浆浆液宜采用双液浆。浆液必须填充满周围岩体裂隙，双液浆配合比、注浆量和注浆压力由试验确定。为保证灌浆质量防止漏浆，小导管的尾部需设置封堵闸阀。支护布置示意图见图1。

四、隧洞爆破施工技术

1.施工技术难点

隧洞断面小、施工坡度较大，施工空间有限，不利于大型机械化作业。受涌水不良地质围岩影响，控制不好容易出现超欠挖，给初期支护带来麻烦，严重影响施工进度。

2.爆破设计

小断面隧洞爆破参数按照全断面进行光面爆破设计，受涌水不良地质围岩影响，炮眼深度不易过长，每次进尺控制在两榀钢架内。在炮眼深度不变的情况下，采用理论、工程类比法与现场爆破试验相结合，确定炮眼钻爆参数、各个炮眼装药结构及装药量、起爆顺序等，由此得到设计和规范要求的开挖轮廓面，减少超欠挖，减轻对围岩的破坏作用，达到爆破后岩面平顺，同时节省炸药，确保施工安全和加快施工进度，不给后期支护工程留下隐患，提高工程质量和降低工程成本。隧洞断面小、施工坡度较大，施工空间有限，不利于大型机械化作业，因此采用5台YT-28手持气腿凿岩机钻孔进行钻孔，炮眼直径40mm，孔深根据两榀钢架间距确定。

（1）减震爆破技术措施

利用萨氏公式Qmax=R3min（V安全/K）3/a，以及对已浇注好的砼结构及初期支护结构规范允许安全震速，反算出单段最大装药量，必要时适当增加雷管段数，减少单段最大装药量。

根据《爆破安全规程》并结工程合工程实际情况，既要保证施工半成品的安全，又要消除施工人员的恐惧心理，以质点允许振速控制在[Vmax]=10cm/s为计算依据，检算最大装药量（Q）的合理性，确保振速得以控制。

（2）钻孔与爆破施工

①钻爆设计

根据围岩情况设计爆破参数和钻爆图，经监理工程师同意，先进行光面爆破试验，从而选择合理的爆破参数，以确定钻孔和爆破符合规定要求。

a.爆破网络选择：

采用孔外微差导爆管爆破网络、非电毫秒雷管起爆。

b.参数及器材选择：

塑料导爆管，非电毫秒雷管起爆系统，引爆采用火雷管。炸药选用2#岩石硝铵炸药和乳化炸药（有水地段用乳化炸药），药卷掏槽眼选用ф22、ф32二种规格，周边眼采用ф22的小药卷，掏槽眼及辅助眼采用ф32药卷。

炮眼设计详见下图：

a）炮眼数量：

N1=qs/αγ=（2.04×9.8）/（0.65×0.6）=52个

其中： q---单位耗药量取2.04㎏/m3（进场后现场试验选取）

s---开挖面积（10#隧洞围岩开挖断面为9.8m2）

α---装药系数取0.65

γ---炸药每米质量,采用φ32药卷单位质量为0.6㎏/m

因隧洞开挖采取光面爆破，周边眼数量要比一般爆破多，增加系数一般取α=1.10～1.20,现取1.2，因而炮眼数量为：

N= N1×α=1×1.2=62个(实际数量将在进场后试验最终确定)

b）各种炮眼深度计算

掏槽炮眼深度为：

L=l/η+0.2=2.5/0.90+0.2=3m其中：L----炮眼深度

l----每循环计划进尺数

η----炮眼利用率,一般不低于0.85，取0.9炮眼垂直深度取3m。周边眼深度计算：

L=l/η=2.5/0.9=2.8m

炮眼深度取2.8m.

c）每一循环装药量Q的计算及炮眼装药量的计算

为了确保光面爆破的效果,掏槽眼的装药系数根据经验取0.7～0.9,现取0.8。掏槽眼每眼装药量为：q1=3.0×0.8×0.6=1.44㎏掏槽眼总装药量为：

Q1=1.44×14=23.04㎏

其中掏槽眼为14眼。

辅助眼、底板眼的装药经验系数为0.65～0.85,现取0.81。辅助眼、底板眼每眼装药量：q2=3.0×0.81×0.6=1.46㎏辅助眼装药总量：

Q2=1.46×18=26.28㎏底板眼装药总量：

Q3=1.46×6=8.76㎏

周边眼每眼装药量根据装药集中度计算：

光面爆破装药集中度参数：硬岩0.30～0.35㎏/m；中硬岩0.20～0.30㎏/m；软岩0.07～0.12㎏/m

取装药集中度为：0.32

周边眼每眼装药量：

q4=2.8×0.32=0.9㎏

周边眼装药总量：

Q4=0.9×24=21.6㎏

总装药量： Q=Q1+Q2+Q3+Q4=79.68㎏

光面爆破参数：周边眼采用ф22小直径光爆药卷，周边眼间距E=40～60cm，最小抵抗线W=50～70cm，相对距离E/W=0.83，装药集中度为0.2-0.3kg/m，采用导爆索连接间隔装药，孔口堵塞长度不小于20cm。施工中根据爆破效果及时修正钻爆参数，以期达到最佳爆破效果。

②炮眼堵塞

堵塞作用是使炸药在约束条件下能充分爆炸，提高炸药利用率。不同部位的炮眼，其堵塞长度不同。采用炮泥堵塞，为确保爆破效果，堵塞不得留有空隙。

③爆破效果

10-2#支洞按上述方法实施爆破，其平均循环进尺2.3m，平均炮眼利用率90%；炮眼残留率为70%（拱部）和65%（边墙）；平均线性超挖7cm。取得了预期效果。

5.出碴工况

小断面大坡度隧道出碴运输是施工中的一大难题，受断面面积及坡度限制载机不能够进出行走，卷扬机配合有轨自卸矿车出渣较为实用，有轨自卸矿车出渣优点较多，占用空间小、进出隧洞不产生油烟污染、实用灵活故障少等。出渣完毕后，可运输钢拱架、喷浆设备和喷浆料进行初期支护施工作业。

10-2#支洞掌子面扒渣采用履带式160m3/h扒渣机，斜井段采用JK1.6*1.2矿井提升机牵引有轨矿车出渣、送料。开挖施工进入主洞后，主洞内采用无轨运输，农用自卸车将渣卸入4m3矿斗，矿斗提升至支洞口，倒入绞车下等候的自卸车运输至渣场。混凝土采用2.5m3混凝土专用矿斗装至支洞口，装载机将矿斗调入有轨矿车，矿车运送至支洞底后，用电动葫芦或装载机卸入自卸车内，运至工作面。

有轨出渣运输方式如下图所示：

五、结语

东山供水工程10-2#支洞采用适合小断面的爆破技术和装碴设备，平均月进尺120m，取得了良好的经济效益和社会效益。目前我国小断面隧道还比较多，如排污隧洞、煤矿巷道、地铁站进出口等其它地下工程。东山供水工程10-2#支洞隧洞的开挖施工中的一些关键技术可为同类工程提供相关参考。