浅谈天水曲溪城乡供水工程引水隧道出口人工钻爆段开挖支护技术

王秀红

（中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 741020）

1 工程概况

项目包括调节水库、输水隧洞、输水管线、调蓄水池以及配套的大坝检测系统、金属结构和电气工程等。内容如下：水库枢纽为碾压混凝土重力坝，最大坝高约80 m，坝顶长度385.85 m，总库容7782 万m3，属中型Ⅲ等工程，从左往右依次为左岸挡水坝段、泄洪中孔坝段、溢流泄洪表孔坝段，右岸挡水坝段及右岸防渗坝段等。

引水系统由输水隧洞、输水管线及调蓄水池三部分组成，隧洞进水口位于坝前左岸，出口位于胡家沟右岸，接输水管线至调蓄水池。其中输水隧洞长21.57 km，为圆形无压隧洞，开挖洞径4.0 m，采用双护盾TBM 法施工，引水隧道出口252 m 人工钻爆段作为TMB 掘进的通过洞、始发洞，为TBM 掘进创造条件；引水管道长2.117 km，采用全封闭有压输水管道，管径DN=1200 mm；调蓄水池容积为20 万m3。

2 地质条件

引水隧洞自南向北穿过西秦岭山地，山峰与沟谷相间发育，地质条件复杂。引水隧洞通过中泥盆统舒家坝组（D2S）、上泥盆统大草滩群（D3dc）地层及华力期侵入岩(δ4、γ4)，岩性有混合岩化片岩、云母角闪片岩、角闪斜长片岩、角闪绿泥片岩夹炭质片岩、绿泥云母片岩、大理岩、砂岩夹砾岩及泥质粉砂岩、花岗闪长岩、二云母花岗岩等。

隧洞出口252 m 人工钻爆段有F6 断层穿过，断层F6 破碎带及影响带，为正断层兼左旋走滑。产状NE30°～60°NW∠60°～70°，走向与洞向夹角为45°～75°，破碎带宽度大于200 m。组成物为碎裂岩块、角砾岩、糜棱岩、灰黑色断层泥，碎裂～碎屑状结构，岩体破碎，泥钙质胶结一般，断面弯曲粗糙，下盘影响带宽约80～100 m，岩体较破碎，呈碎裂结构。沿线地下水为基岩裂隙水，岩体透水性为中等～强透水，表现为线流或股流。

围岩类别为Ⅴ类，施工中采用钻爆法施工，局部采用机械开挖的方式施工，开挖需支护紧跟或超前支护及时衬砌；同时，采取必要的排水措施。

3 施工重难点

（1）隧洞出口段为Ⅴ类围，薄层状结构，结合较紧密，岩体完整性差，沿裂隙有线状流水。局部断层破碎带可能存在突泥，围岩极不稳定。

（2）引水隧洞通过三个次一级褶皱，岩层产状变化大，断裂构造发育，有F1～F7 等7 条区域性断裂通过，与洞线中大角度相交。隧洞出口段F6 断层穿过，为强风化岩体，裂隙极发育，多充填次生泥土，间距＜10cm，嵌合极松弛，岩体破碎，围岩不稳定。

（3）Ⅴ类围岩不能自稳，变形破坏严重，易塌方，开挖需支护紧跟或超前支护，及时衬砌。岩石质地松软且遇水后变得更加松软，这样的地质可能会使得隧道发生变形、下沉开裂。

（4）隧洞掘进中须控制爆破炸药量，防止隧洞围岩沿F6 断层下盘面发生拉裂及F6 断层岸里边坡发生崩塌、失稳。

4 主要施工措施

4.1 主要施工工艺流程

本工程的洞挖全部采用手风钻造孔，全断面掘进，毫秒微差爆破，设计周边轮廓线上光面爆破。洞室围岩条件较差，施工时采用管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤观测的施工工艺。引水隧洞钻爆段的洞挖出渣采用装载机端渣至洞外装车，20t 自卸汽车运输，开挖后的洞段底部留渣作为施工通道。

开挖制定了采用YT-28 型风动凿岩机造孔，钻孔直径φ42 mm，药卷选用φ32 mm 乳化炸药，全断面开挖施工，单循环进尺控制在0.9～1.2 m 之间，周边孔采取光面爆破，采用“多打孔、少装药”方式，炮孔间距为50 cm，爆破装药结构采用不耦合装药，采用导爆索引爆炸药，毫秒雷管延时起爆的整体方案。

Ⅴ类围岩施工，针对围岩不能自稳，变形破坏严重易塌方等情况，开挖需支护紧跟或超前支护。岩石质地松软且遇水后变得更加松软，这样的地质可能会使得隧道发生变形下沉开裂等情况，采用超前管棚施工技术。施工时避免爆破扰动，采用机械开挖周边及人工橇挖的方式进行开挖。

隧洞洞挖的支护主要包括锚杆、喷混凝土以及钢支撑等内容，洞挖施工时，洞室支护随开挖掌子面而跟进，即洞室开挖每个工作面成形且满足设计要求后立即进行支护施工；引水隧道出口Ⅴ类围岩，揭露出来的地质缺陷所显现的不稳定岩体，采取“一掘一支护”的方式。

4.2 超前管棚施工技术

超前小管棚适用于特殊困难地段，如在极破碎岩体、断层破碎岩体、塌方体、岩锥地段、砂土质地层、裂隙发育岩体、等围岩的隧道施工中。在软弱及破碎岩层施工中，超前小管棚对松散岩层起到加固作用，注浆后增强了松散、软弱围岩的稳定性。有利于完成开挖后与完成初期支护时间内围岩的稳定，不至于围岩失稳破坏直至坍塌。超前小导管注浆适用于隧道拱部软弱围岩，松散、无黏结土层、自稳能力差的砂层及砂砾（卵）石层级破碎岩层。

超前小管棚为带孔的钢花管，施工要求一般沿隧顶拱部均匀布设，按照一定角度打入地层进行注浆。在工作面周边形成一个环向的薄壳。设计管棚环向间距为30～50 cm，外插角宜为10°～15°。长度L=6 m 采用，42 mm 的无缝钢管，前端做成圆锥状，在后端焊接钢筋箍筋，管体布设梅花形溢浆孔。施工时应与钢构架成联合支护，采用引孔顶入法施工。导管长度应大于2 倍循环进尺，宜为3.5～5.0 m，搭接长度不应小于2.0 m。施工时注浆水灰比为1:1，灌浆压力0.5～1.0 MPa。施工时严格控制超前管棚的角度、深度、注浆质量和焊接质量。

4.3 根据围岩类别采用全断面或上下半洞开挖类型

引水隧道出口段属西秦岭山地，地质结构复杂。隧洞开挖施工，根据揭露出不同的岩石类型和产状，采用不同的开挖方式。区域断层破碎带由碎裂岩块、角砾岩、糜棱岩及断层泥组成，泥钙质胶结一般。其中Ⅰ类为：围岩自稳较好、胶结状相对好较洞段，采用全断面开挖施工。单循环进尺控制在0.9～1.2 m 之间，开挖设备采用1.2 m3的液压反铲开挖，局部采用人工橇挖方式进行。Ⅱ类为：围岩不能自稳，挤压、变形破坏严重，岩石呈现泥钙质，胶结一般或较差且有地下水活动洞段采用上下半开挖支护，单循环进尺控制在0.9～1.2 m 之间。

局部出现的硬岩和孤石采用破碎锤免爆拆除和弱爆破的方式解决。施工时，严格控制台阶长度和开挖进尺，避免长时间暴露，尽早完成初期支护闭合。下台阶采用单侧错位开挖，防止发生上部结构两侧同时悬空。

4.4 自进式锚固施工技术

设计顶拱180°范围内布置HRB400 直径22 mm全长粘结式砂浆锚杆，锚杆长度L=2.5 m，排距为1.5 m，间距与钢拱架间距保持一致。钻孔使用YT-28 型手风钻进行施工，孔径42 mm，钻孔深度为2.3 m。F6断层穿过，为强风化岩体，裂隙极发育，多充填次生泥土等特殊部位，普通砂浆锚杆施工成孔难度大，砂浆注浆不密实等情况。自进式锚固锚杆施工有效的解决了软弱夹层、断层破碎带等不利地质条件。自进式锚杆施工时，锚杆无需拔出，中控部位作为注浆通道自里向外灌浆填筑锚杆孔，充分的填充空间、裂隙，达到支护的目的。

4.5 特殊部位灌浆处理

针对软弱夹层、软岩、有地下水活动的特殊部位，采用超前固结灌浆施工技术，对前方松散体及软弱夹层进行预先固结灌浆，使其改变围岩结构，提高围岩的整体性和自承能力。改善围岩的物理力学性能。有效防止开挖过程中出现局部小塌方，掉块的等现象。

灌浆采用三缸灌浆泵进行，技术性能和灌浆压力与浆液类型、浓度相适应。浆液浓度水灰比从1∶1逐步调整到0.5∶1 由稀到浓逐级转换。

5 取得主要成效

（1）Ⅴ类围属软岩，薄层状结构，结合较紧密，岩体完整性差，沿裂隙有线状流水。超前小管棚施工使工作面周边形成一个环向的薄壳，达到加固地层的目的。防止出现掉块或局部小塌方等情况，有效解决施工安全。

（2）上下半洞开挖施工拱架时，应采用扩大拱脚和做锁扣锚杆等措施，控制围岩和初期支护的变形。下半洞施工应在上半洞系统支护完成后再进行施工，并要求左右两侧错位开挖，及时做好初期支护和仰拱,有效确保施工安全和工程质量。

（3）综合采用超前管棚、上下半开挖、自进式锚杆加工等技术。有效克服软弱岩体、断层破碎带等复杂的地质条件。通过几种施工技术的综合作用，有利改善水工隧洞周边岩体的力学性质。

（4）有效采用变形观测和地表变形观测，通过对洞内工作面的围岩观测和支护面的位移观测和洞口变形，洞外地表沉陷等洞外观测，采集相应数据。及时掌握围岩变形和支护动态的信息，施工时做到及时反馈，指导施工作业。

6 结语

引水隧洞自南向北穿过西秦岭山地，山峰与沟谷相间发育，地质条件复杂。Ⅴ类围岩不能自稳，变形破坏严重，易塌方，开挖需支护紧跟或超前支护，及时衬砌。岩石质地松软且遇水后变得更加松软。在以上复杂的地质条件下，工程引水隧洞出口段人工钻爆段综合采用超前管棚、上下半开挖、自进式锚杆加工等技术。遵循管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测的施工工艺。克服了软弱岩体变形、局部掉块、塌方等不利地质条件，顺利完成开挖和初期支护。为下一步TBM 掘进创造条件，同时也对同类型地质条件水工隧洞施工有一定的借鉴意义。