地下长距离大纵坡斜井小导坑开挖技术研究

赵翼行

（辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁沈阳110003）

近年来，我国跨地区跨流域调水工程迅猛发展，相继建成举世瞩目的水利工程，如国家的南水北调工程。当前采用长隧道调水形成多水系相互补给的水资源配置是大发展趋势[1]。很多超长隧道采用斜并、竖井等辅助坑道方式，实施“长隧短打”施工方案，常遇几公里的深长单车道无轨斜井。那么，一线施工人员如何在既保证安全、又保证质量的前提下，实现深长单车道无轨斜井快速掘进施工，是目前隧道施工技术人员急需解决的难题[2]。重难点体现在解决长距离施工通风、设备配套及缓解斜井运输压力等方面，小断面引水隧道开挖通常为了加快施工速度，在工序衔接和出渣设备等管理环节上努力，在一定程度上起到作用，但其生产效率的提高是极其有限的，即使设备和循环衔接没有耽误，受边界条件限制进度仍不理想。只有尽最大可能增大循环进尺，才能有效地提高隧洞开挖效率，保证工期目标任务，在小断面的开挖方式上如何选择和优化施工方案，显得尤其重要。

1 开挖方式选择原则

通常，从安全性、可行性、经济性来重点考虑地下隧道开挖施工方法。

安全性：开工前期提供的地勘资料精度不高，施工过程中如遇揭露地质条件变化较大洞段，难免发生安全事故。在选择开挖方法时，必须从工程施工安全可靠的角度出发，尽可能降低地质灾害发生的可能性。

可行性：通常开挖方法根据设计文件要求来确定，或者施工中实际揭露的地质条件同前期地勘不一致时，开挖方法需要调整，无论哪一种情况，都必须综合考虑承包人的现场实际施工条件，如资源状况、施工能力、技术人员及作业人员的综合素质、资金供应等。

经济性：从不同开挖方法的成本上来考虑，隧道工程的经济性因素是决定选择哪种开挖方法的重要依据和基本原则[3]。

2 常规开挖施工效率

辽宁省重点输供水工程二段12号施工支洞断面型式为圆拱直墙型，成洞断面尺寸为5.5m×5.5m，其中直墙高3.0m，圆弧高2.5m，斜井纵向坡度为12.05%。隧道开挖支护断面型式见图1。

图1 隧洞开挖支护断面图（单位：mm）

地勘情况：洞室围岩岩性主要为花岗片麻岩、新太古代混合花岗岩，无较大规模断层通过，成洞条件较好。岩石级别大部分为II，III类围岩，岩体完整性差-较完整，局部较破碎，属中硬～坚硬岩，为块状结构～镶嵌结构。节理裂隙较发育，微风化为主,节理面多平直光滑，多呈微张～闭合状态。岩体透水性为微～弱透水，地下水多呈现渗水～滴水状态，局部线状流水。围岩主要物理力学指标见表1。

表1 岩石主要物理力学数据统计表

在0+029.0～0+161.0段施工过程中，按照常规设置6台YT-28手风钻一次性全断面光爆爆破开挖，中下部配合楔形掏槽，开挖钻孔深2.5m，设置非电毫秒导爆管起爆，选用2号岩石乳化炸药（φ32×150g×175mm），炸药单耗1.33kg/m3，塑料导爆管1.15个/m3。

统计结果表明：此段平均循环进尺为2.13m，为洞宽38.1%，日平均进尺仅为4.0m/d，这对II，III类围岩来说，效果不理想，需要试验研究加快推进隧道施工进度的方法。

3 小导坑技术优点

1）创造了施工空间，增加钻孔工作面，可多投入凿岩机施工，提高开挖速度。超前小导坑形成的“大掏槽区”，为后续扩挖炮孔创造良好临空面，使得扩挖炮眼利用率达100%，能较大提高掘进速度。单线隧道平均月掘进速度可提高1倍以上，实现月进尺250m以上。

2）可起到超前地质预报作用，根据超前预报地质情况，可提前安排跟进的全断面施工支护准备相关工作。可判断是否与前期地勘情况相符，如不相符，应及时报请监理单位组织变更设计，可根据实际物理指标调整设计参数。

3）利于光爆，光爆效果好、质量高。可根据超前预报地质情况，来调整后序跟进的光爆参数设置。形成的临空面为扩大光爆预留了光爆层，为提高爆破效果创造条件，开挖轮廓整齐、岩面平整，围岩成拱形状好、自稳性好，岩石应力二次分布均匀，充分发挥岩体自承能力，保证安全，降低塌方可能性。

爆破后不欠挖，超挖尺寸小，可控制在10cm内（规范上限15cm），不必补炮或用风镐清理欠挖，提高施工效率，同时减少衬砌回填混凝土量，降低施工成本。残孔率较高，超过90%，炮眼痕迹均匀，炮台衔接尺寸小，外观轮廓整齐美观，纵向成线，给人安全感。

4）利于爆破减震。最大爆破震动在掏槽时刻，由于已有超前小导坑，为扩挖炮孔创造临空面，相当于露天台阶爆破，扩挖时爆破震动小。利于爆破渣堆、渣块均匀，便于出渣。同时，扩挖时纵向冲击波小，对后续工序影响小。

据实测，采用小导坑超前后续扩挖法施工时，比全断面爆破时可减轻爆破震动量约25%，炸药消耗量比全断面爆破减少5%～8%。

4 效益对比分析

1）光爆减少对围岩扰动，超欠挖大大减少，较好发挥围岩自承能力，节约初期支护和超挖回填混凝土量、欠挖处理量，降低工程造价，缩短支护时间，加快施工进度。

根据辽宁省重点输供水工程二段12号施工支洞统计数据，隧道可节约喷混凝土400元/延米，其他支护方式（如锚杆、挂钢筋网等）平均可节约120元/延米，隧道施工支护总造价可降低约520元/延米；超挖回填方面，保守按减少平均线性超挖5cm计算，隧道可少开挖岩石1.1m3/延米，少回填混凝土1.1m3/延米，降低由于超挖回填混凝土460元/延米。

2）增加一个工作面，可增加3台风枪施工，加快掘进速度。Ⅲ，Ⅳ类围岩中，以往采用自制钻孔台车配备风动凿岩机掘进，单掌子面月进尺最高140m，平均120m左右。采用小导坑超前掘进以后，单掌子面月进尺最高达到175m，平均145m左右，经济效益显著。

5 试验及成果创新点

5.1 工程概况

工程位于辽宁省抚顺市清原县境内，二段四标合同主体工程为输水隧道工程。输水主洞长29.365km，10号施工支洞投影长1160.86m，坡度为25.19%，里程0+000-1+160.86，断面形式为圆拱直墙型，成洞断面尺寸为5.5m×5.5m。结合现场资源情况，开挖采用YT-28气腿式手风钻全断面开挖，光面爆破，采用矿井提升机牵引侧卸式矿车有轨运输出渣。初支采取先喷后锚再网喷的顺序施工，系统支护滞后开挖进行。湿喷混凝土拌制完成后，运至洞口保温棚内（东北地区冬季严寒，为确保混凝土温度满足喷护要求，混凝土倒卸均在洞口搭设保温棚内进行），卸入矿斗车内的料斗中后通过矿井提升机牵引下送至掌子面，再由装载机将料斗吊至湿喷机处，进行喷混凝土作业。

5.2 小导洞法施工试验

5.2.1 总体布置方案

直孔掏槽小导洞先行，顶拱和侧墙预留光爆层跟进。预留周边光爆层中下部小导洞施工，尺寸为4.0m×4.0m，减少小导洞钻孔数量，缩短小导洞钻孔时间，尺寸能够保证出渣正常进行。小导洞超前预留光爆层控制在10m长，光爆层同步跟进。开挖间隔一个循环跟一次，使小导洞和光爆层始终保持10m左右距离。炮孔布置图见图2。

5.2.2 施工程序

小导洞钻爆→通风→排险→出渣→测量放线→小导洞→光爆层钻爆→通风→排险→出渣→小导洞钻爆。

5.2.3 爆破器材

图2 炮孔布置图

根据国内外施工经验，对于地下隧道施工，半秒非电雷管爆破进尺普遍大于毫秒雷管，同时价格稍便宜，决定采用半秒非电导爆管。火工材料2号岩石乳化炸药（φ32×150g×175mm），雷管采用1～10段半秒非电导爆管。

5.2.4 施工方法

钻孔采用YT-28气腿式手风钻，受断面制约采用9孔直眼掏槽，钻孔搭设简易钻架，钻孔深3.0m，循环进尺2.2～2.5m；光爆层采用自制钻爆台架施工。光爆层孔深4.5m，循环进尺大于4.0m。

5.2.5 掏槽方式

小导洞钻孔深2.7m，达洞宽68%，小导洞洞宽仅4.0m，若采用楔形掏槽受工作面所限。遂采用直孔掏槽，8空孔平行直孔掏槽，非电半秒雷管引爆。掏槽孔大样图见图3。

图3 掏槽孔大样图

5.2.6 爆破参数

钻爆开挖参数见表2，3。

表2 小导坑钻爆开挖参数表

表3 光爆层爆破开挖参数表

5.3 试验过程及结果

试验时段为2012年9月20日—12月20日，历时共92d，进行了0+267.5～0+809.2段开挖施工，完成隧道开挖541.70m，消耗炸药20151.8kg，塑料导爆管14166发。经计算，日平均循环进尺4.37m，平均日进尺5.89m。炸药单耗为1.26kg/m3，塑料导爆管为1.11个/m3。比采用常规方法加快进尺1.89m/d，炸药用量减少0.07kg/m3，雷管用量减少0.02个/m3，经济效益显著。

5.4 效益分析

3条大坡度斜井全长累计3721m，按原进度日进尺4m计算，累计930d完成，采用小导洞法，可以632 d完成，节省工期298d；开挖断面为5.5m×5.5m，即每延米面积30.25m2，累计开挖3721×30.25=11.26万m3，炸药用量累计减少7879kg，雷管用量累计减少2252个，经济效益明显。

5.5 创新点

通过对地下隧道工程开挖方法对比分析，结合现场实际困境，提出大胆想法，突破常规，以往施工仅在围岩条件差、埋深浅的地下隧道开挖时采用导坑法，项目计划在小断面隧洞施工中针对地质条件较好的洞段采用小导洞法超前爆破开挖技术，取得了良好的进度目标和经济效果。

6 结论

1）小断面隧道开挖施工，采用小导洞先开挖周边光爆层跟进，不仅可提高开挖速度，且还可降低火工材料消耗，提高隧道开挖质量。小导洞钻孔数量减少，时间缩短。

2）导洞先行还可起到超前地勘预报作用。根据超前预报地质情况，可提前安排跟进的全断面施工支护准备相关工作。

3）试验过程中发现该方案制约条件相对较多。小导洞先行通常不考虑安全支护，只在岩体条件较好情况下才能确保施工安全。

综上所述，在地下隧道开挖施工时，是否运用小导洞施工方法，应充分考虑其适用条件。