小断面特长引水隧洞的快速开挖施工技术分析

廖彬

摘 要：小断面特长引水隧洞开挖断面较小，线路较长，爆破散烟持续时间长，且施工工序多、干扰大，技术难度大，效率低，工期普遍较长。本文以红卫桥水电站厂区枢纽工程引水隧洞施工为例，介绍了小断面特长引水隧洞的快速开挖施工技术。利用农用车改装自移式钻孔台车，针对不同类别的围岩采用不同的掏槽方式，采用装载机装渣并设置错车道，采用压入式通风并分阶段布置通风设备，加强了各施工工序的有效衔接，减少了各工序作业时间。

关键词：引水隧洞;小断面;掏槽方式;施工通风;出渣方式;快速开挖

中图分类号：TV554 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）32-0062-05

Analysis on Construction Technology of Rapid Excavation of Small Section and Super Long Diversion Tunnel

LIAO Bin

（Sinohydro Bureau 8 Co.， Ltd.， Changsha Hunan 410004）

Abstract： The excavation section of the small-section super-long diversion tunnel is small， the line is long， the blasting smoke lasts for a long time， and there are many construction procedures， large interference， high technical difficulty， low efficiency， and generally long construction period. This paper takes the construction of the diversion tunnel of the Hongweiqiao Hydropower Station's pivotal project as an example， and introduces the construction technology of rapid excavation of the small section and super long diversion tunnel. In the meantime， agricultural vehicles are used to refit self-moving drilling rigs， different cutting methods are adopted for different types of surrounding rocks， slag loading is used by loader， and the wrong lane is set， and press-in ventilation is adopted and ventilation equipment is arranged in stages to strengthen the effective connection of various construction procedures and reduce the operation time of each procedure.

Keywords： diversion tunnel;small section; cutting method;construction ventilation;slag extraction method;rapid excavation

红卫桥水电站地处四川省阿坝藏族羌族自治州金川县境内的俄日河下游段，其引水隧洞沿俄日河右岸布置，总长为19.175 km。進水口底板顶面高程为2 855.95 m，至调压室处隧洞底板顶面高程为2 795.00 m，纵向坡度为3.129‰。隧洞断面为平底马蹄形，断面开挖底宽为4.50～4.89 m，高度为5.40～6.16 m。引水隧洞主要穿过三叠系上统侏倭组（T）和中统杂谷脑组上段（Tz）。地层岩性大多是变质砂岩和板岩，隧洞围岩工程地质条件随岩性的不同而有一定差异。杂谷脑组上段（Tz）为灰、深灰色变质砂岩夹少量板岩，局部为基本不夹板岩的变质砂岩;侏倭组（T）为变质砂岩和板岩，多呈韵律式互层。板岩强度相对较低，属较软岩，变质砂岩强度较高，中细粒结构，属坚硬岩。围岩主要为Ⅲ类，含部分Ⅳ类和少量Ⅴ类。

红卫桥水电站主体工程分为首部枢纽工程和厂区枢纽工程，其中厂区枢纽工程引水隧洞自桩号（隧）10+154起，到（隧）19+175.02止，总长为9 021.02 m。布置4条施工支洞（5#～8#），支洞长度分别为279.26 m、609.68 m、775.28 m、190.13 m。厂区枢纽工程引水隧洞及其施工支洞平面布置如图1所示。相邻支洞之间的主洞段长度如下：5#～6#施工支洞之间的主洞段长为2 834.09 m，6#～7#施工支洞之间的主洞段长为2 592.80 m，7#～8#施工支洞之间的主洞段长为2 391.70 m。隧洞分初期支护和永久支护。其中，初期支护方式如下：Ⅲ类围岩采用随机锚杆+5 cm厚喷混凝土;Ⅳ类围岩采用系统锚杆+挂钢筋网+10 cm厚喷混凝土;Ⅴ类围岩采用系统锚杆+工字钢拱架+挂钢筋网+16 cm厚喷混凝土。下面分析小断面特长引水隧洞的快速开挖技术。

1 作业台车

隧洞开挖及支护施工一般直接采用型钢制作作业台车，需要另行配置动力系统或辅助设备方可实现移动功能。台车移动操作复杂、移动速度慢，对施工工期控制极为不利。

红卫桥水电站引水隧洞开挖断面较小、高度不大，采用农用车改装台车作为钻孔平台，主要分为农用車和钢结构施工平台两部分。其中，钢结构施工平台采用型钢制作，并设置平台板、爬梯及防护栏杆等辅助设施。改装后台车可利用平台板与已开挖洞室底板分别形成顶部、中部、底部三层作业平台，使作业平台覆盖整个掌子面区域，确保全断面作业。作业台车采用农用车改装，自身具备动力系统。台车移动无须采用其他设备进行辅助，且移动灵活、方便、快速。

2 开挖方法

2.1 开洞口施工

开洞原则上采用先锁口后开洞口的程序。锁口采用锁口锚杆支护，锁口锚杆的一般规格为直径25 mm、长度4.50 m。首先按照设计图纸由测量人员进行放样，并使用油漆做好标记[1]，然后进行定位钻孔，由人工配合平台车安装锁口锚杆，注浆机注浆。锁口处理完成后，方可进行洞身段开挖施工。

开挖洞口时，采用短进尺，周边光面爆破。严格控制循环进尺在1.0 m左右，爆破联网时尽量多分段，以减小单响起爆药量，降低对洞脸围岩的振动影响，保证洞口成形质量[2]。开挖成形后的洞口需要及时进行喷锚支护、封闭，必要时采用钢支撑与挂网喷混凝土封闭支护，使洞脸形成整体的支撑结构。

2.2 洞身开挖

引水隧洞断面小，洞身开挖均采用手风钻钻孔，全断面开挖，周边光面爆破。

2.2.1 Ⅲ类围岩开挖。开挖工艺流程如下：施工准备→测量放线→钻孔→装药爆破→通风散烟、喷水除尘→安全处置→出渣及清底→初期支护→下一循环。

[①]测量放线。洞内施工测量采用水准仪配合全站仪进行，并使用红外线激光定位技术放样。每排炮后进行洞室中心线、设计规格线的测放[3]，并按照爆破设计要求布设炮孔孔位。开挖断面测量一般在喷混凝土之前进行，测量控制间距2 m。定期进行洞轴线的全面检查、复测，以保证测量控制工序质量。同时，随着洞室开挖、支护的进行，每隔10 m在两侧洞壁和洞顶设置桩号标志。洞内测量的控制点埋设应牢固隐蔽，并做好保护，以避免被机械设备破坏。

[②]钻孔作业。每循环测量及放样后，由熟练的钻工严格按照爆破设计图进行钻孔作业，钻孔深度为3.0 m。每排炮均应进行钻孔检查，其中周边孔误差不得大于5 cm，主爆孔误差不得大于10 cm。施工中严格遵循“向掏槽孔要进尺、向崩落孔要效率、向周边孔要质量”的原则[1]。钻孔完成后，要逐个把孔内杂物清除干净，并认真检查钻孔的孔位、方向及深度。不合格钻孔必须用黄泥堵塞，然后重新施钻，以保证钻孔的质量，从而为爆破效果提供保障。

[③]装药、连线、起爆方式。向孔内装设炸药前，先用高压风对炮孔进行冲扫，炮孔经验收合格后，方可实施装药、爆破;炮孔的装药、堵塞和引爆线路的连接应由经考核合格并持有爆破员证的炮工严格按已批准的爆破设计进行施作，装药过程严格遵守《爆破安全规程》（GB 6722—2014）。利用平台车作为登高设备装药，掏槽孔、崩落孔及底板孔均采用Φ32 mm炸药卷连续装药，周边光爆孔用Φ25 mm炸药卷捆绑于竹片上间隔装药，孔口用炮泥堵塞严实。炮孔装药严格按照爆破设计图进行，堵塞良好。掏槽孔、崩落孔及底板孔采用非电毫秒雷管起爆、非电传爆网络，周边光面孔用导爆索网络起爆。最后，由炮工和值班技术员复核检查，确定无误后，撤出人员和机械设备，由炮工负责引爆[4]。

[④]通风散烟、喷水除尘。隧洞开挖及支护施工过程中，一直开启通风设备进行通风，以确保爆破后规定时段内将洞内有害气体含量降至规定范围内。爆破散烟完成后，对开挖面爆破渣料范围进行喷水除尘。

[⑤]安全处置。爆破后，可用1 m3反铲挖掘机或人工清除掌子面和边顶拱上的危石和碎块，以确保进入人员和机械设备的安全。岩石破碎段完成排危后，可先喷一层素混凝土，厚度3～5 cm，出渣后再次进行检查与排危。在整个施工过程中，安排专职安全员进行安全检查，若发现问题，要及时报告和处理。

[⑥]初期支护。每排炮开挖完成后，稳定性差的围岩段须及时采用素喷混凝土、随机锚杆、系统锚杆及挂钢筋网等进行支护。

2.2.2 Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖。Ⅳ、Ⅴ类围岩除采用Ⅲ类围岩开挖方法和工艺外，还应针对围岩实际情况，在测量放线后，采取超前小导管或超前锚杆等支护方式预先对围岩进行加固处理，确保围岩稳定[2]。施工严格按照新奥法原则进行，Ⅳ、Ⅴ类围岩洞室段遵循“超前预测、超前支护、预灌浆、短进尺、弱爆破、少扰动、早封闭、强支护、勤量测”的工艺要求进行施工[3]，其中Ⅳ类围岩断面循环掘进深度按不大于2 m控制，Ⅴ类围岩断面循环掘进深度按不大于1 m控制。爆破后暂不出渣，经安全处置与平渣后，立即施作初期支护，采用砂浆锚杆、钢拱架及挂网喷混凝土等支护手段，以确保围岩稳定。出渣后，按规范要求随施工进度设置围岩收敛监测点位，监测频次按规定进行，对监测数据及时进行汇总分析，如发现异常情况，及时研究应对措施并处理。对于有控制爆破要求的区域，设置动态观测点，对爆破振动情况进行监测。此外，每次爆破后及时整理观测成果，以指导爆破施工[4]。

2.3 出渣方式选择

小断面引水隧洞的断面宽度及高度均较小，开挖施工通常采用扒渣机进行装车出渣，但其行走速度慢，避炮来回时间长[5]，且洞内作业设备故障率高，另外需要布置较长的动力电缆，对开挖施工影响较大。装载机具有移动速度快、故障率低等优点，更能适应洞内作业环境。结合红卫桥水电站厂区枢纽工程引水隧洞开挖断面尺寸，开挖采用3 m3装载机装渣，18 t自卸汽车运输出渣。同时，在洞内每隔150～200 m设置一个错车道，以满足出渣需要。

2.4 开挖循环时间及循环进尺

洞身开挖及初期支护的循环时间如表1所示。Ⅲ类围岩段循环进尺为2.6 m，初期支护（素喷+随机锚杆）紧跟开挖面，综合月进尺为140 m。Ⅳ类围岩段循环进尺为1.8 m，系统支护紧跟开挖面，综合月进尺为80 m。Ⅴ类围岩段循环进尺为0.95 m，系统支护紧跟开挖面，综合月进尺为40 m。

3 爆破设计

引水隧洞采用孔眼法爆破，爆破孔分为掏槽孔、崩落孔、底孔和周邊孔。

3.1 掏槽方式及掏槽孔布置

隧洞开挖工程中，掏槽效果是决定循环进尺大小的关键，而影响掏槽爆破效果的主要因素是掏槽方式和爆破参数[5]。

Ⅲ类围岩开挖宽度小、钻孔深度较大，受两侧洞壁夹制影响大。为提高爆破效率，确保每循环掘进深度，采用直孔掏槽方式。直孔掏槽由一组垂直于工作面、相互平行、间距小且有2个空心的炮孔组成。炮孔装药系数为0.7～0.8。根据经验，软岩层孔距一般为150 mm左右，中硬岩层孔距为100～300 mm，硬岩层孔距为100 mm。本例中，直孔掏槽采用六边形布置，孔距为25 cm，共布置9个炮孔。其中中间上下2个中空孔不装药，孔深均为3.2 m，炮孔直径为42 mm，经爆破后形成500 mm×1 000 mm的自由面，炮孔布置如图2所示。

Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖循环进尺要求较短，受两侧洞壁夹制影响不大，选择楔形掏槽方式，可减少钻孔数量，减少一定的钻孔时间。楔形掏槽又被称V形掏槽，通常由2～4对对称的相向倾斜的掏槽炮孔组成，爆破后能形成V形槽。楔形掏槽可以分为水平楔形掏槽和垂直楔形掏槽两种形式。楔形掏槽孔的倾角通常为55°～80°。岩石越坚硬，倾角越小。孔底距离通常为0.1～0.3 m，岩石越坚硬，距离也越小。本例中，Ⅳ类围岩、Ⅴ类围岩均采用楔形掏槽，其中Ⅳ类围岩采用二级复式楔形掏槽，排距为0.3 m，倾角为60°～66°，孔底距离为20 cm，如图3所示。

3.2 炮孔孔距和装药参数

3.2.1 周边孔。Ⅲ类围岩周边孔孔距为50 cm，抵抗线长度为60 cm，孔内采用1/2节Φ25 mm药卷间隔20 cm装药，孔底采用1节半Φ32 mm药卷加强装药，线装药密度为210 g/m;Ⅳ类围岩周边孔孔距为45 cm，抵抗线长度为55 cm，孔内采用1/2节Φ25 mm药卷间隔30 cm装药，孔底采用1节Φ32 mm药卷加强装药，线装药密度为155 g/m;Ⅴ类围岩周边孔孔距为40 cm，抵抗线长度为50 cm，孔内采用1/2节Φ25 mm药卷间隔40 cm装药，线装药密度为125 g/m。

3.2.2 崩落孔。孔距为80～110 cm，圈距为70～100 cm，孔内采用Φ32 mm药卷连续装药，装药系数为0.55～0.40。

3.2.3 底孔。孔距为70～80 cm，孔内采用Φ32 mm药卷连续装药，装药系数为0.60～0.40。

3.3 装药结构及起爆顺序

隧洞开挖掏槽孔、崩落孔、底孔均采用连续、耦合装药结构，周边孔采用间隔、不耦合装药。炮孔堵塞一般采用钻孔石屑、黄泥等，并利用木棍进行封堵。掌子面的炮孔应按掏槽孔、崩落孔（辅助扩槽孔、主崩落孔）、底孔、周边孔的先后顺序起爆。

4 初期支护

初期支护随作业面开挖跟进施工，锚杆、挂钢筋网、喷混凝土等作业均直接利用开挖施工台车。小断面引水隧洞锚杆长度一般为3 m，采用手风钻钻孔、“先注浆后插杆”的施工方法，喷混凝土采用湿喷法。钢拱架采用冷弯或热弯方法在加工厂加工，按照洞室不同围岩类别段形状、规格采取分段、分节方式进行制作，按实际尺寸放样，设立同比例胎模的工作台，节间采用螺栓连接，立柱底部设置钢垫板，相邻拱架之间设置连接钢筋。

5 施工通风

为满足隧洞施工通风要求，每个掌子面均采用独立的通风系统，以保证供应给洞内每一作业人员不少于3 m3/min的新鲜空气，并保持空气流通速率在15 m/min以上、二氧化硅粉尘含量低于1 mg/m，且开挖作业现场空气中烟雾的亚硝酸、一氧化碳和二氧化碳的含量均不超过有关劳动法规要求的标准。

在5#～8#支洞口分别布置型号SDDY-Ⅲ-11、功率55×2 kW、风量1 417 m/min的三速对旋轴流风机，采用Φ1 200 mm软风筒进行压入式通风。在各工作面洞内开挖深度达1 500 m后，为加快洞内爆破排烟，另行增加一台22×2 kW轴流风机进行加强通风。

6 实施效果

红卫桥水电站厂区枢纽工程引水隧洞围岩以Ⅲ类为主且存在部分Ⅳ类，最大月开挖强度达125 m，达到了预期效果，实现了小断面特长引水隧洞的快速开挖施工。

7 结语

对于小断面特长引水隧洞开挖，建议采用农用车改装自移式台车作为钻孔平台。它不仅能覆盖全断面施工，而且具有更高的灵活性，使用方便、快捷，同时可用于支护施工，减少循环作业时间。小断面引水隧洞开挖应根据不同围岩类别的开挖特性及开挖尺寸选择合理的掏槽方式，以达到提高爆破效率、降低施工成本的目的，建议Ⅲ类围岩采用直孔掏槽，Ⅳ、Ⅴ类围岩采用楔形掏槽。

小断面引水隧洞采用全断面开挖的方法，底板部位不留保护层，对施工设备的选型较为有利，但应做好底板孔爆破参数控制，避免底板欠挖，减小超挖。对于小断面长隧洞开挖，建议采用装载机装渣，装载机选型可根据隧洞断面尺寸确定，并在洞内每隔150～200 m设置错车道，以提高出渣效率。在隧洞进尺深度较大时，错车道可提供良好的错车及避炮场所，提高设备工作效率。对于小断面特长引水隧洞开挖及支护施工，建议直接采用压入式通风。当开挖深度较大时，在近作业面适当位置另行增设风机对掌子面进行加强通风，可加快爆破排烟速度。

参考文献：

[1]李玉龙.引水隧洞开挖施工技术探析[J].农业科技与信息，2017（15）：120-121.

[2]朱永花.引水隧洞开挖施工技术[J].绿色环保建材，2017（12）：216.

[3]咸伟.观音阁输水工程新奥法施工的质量控制与管理[J].黑龙江水利科技，2014（12）：69-71.

[4]程龙.锦屏一级水电站压力管道开挖支护技术[J].城市建设理论研究，2012（26）：1-6.

[5]谭海文，吴仲雄.坚硬岩石巷道掏槽爆破技术研究与应用[J].中国矿业，2007（2）：70-72.