奎屯河长距离引水隧洞快速施工技术

吴卫东

(新疆兵团水利水电工程集团有限公司,新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引 言

随着我国经济发展,水利水电行业的发展取得了很大成效[1-4],尤其是引水隧道工程应用得越来越多,如滇中引水香炉山隧洞工程、秦岭引水隧道工程等。

软弱围岩隧道施工与其他隧道施工相比,具有明显的差异性。在实施软弱围岩隧洞施工时,应当全面了解软弱围岩的地质特征及隧洞的工程特性。目前,软弱围岩隧道的施工方法主要有环形导坑、短台阶七步平行流水施工、中隔墙(CRD)施工等[5]。近年来,软岩隧道爆破技术通过不断地实践与运用,发展了微差爆破、挤压爆破、预裂爆破和光面爆破等技术,在隧道光面爆破领域的研究重点为爆破参数优化及其工程应用[6]。马双喜等[7]首先剖析了光面爆破重要参数的确定方式,并剖析了城市地铁隧道钻爆法施工后的效应。陈瑞等[8]提供了琅琊山软弱围岩大断面隧洞光面爆破的参数优选实例,并经过实践证明该优选方法的爆破效果良好,隧洞附近结构未受到破坏。陈正林等[9]采用了数值模拟技术手段,对Ⅳ级泥石段隧洞爆破方案进行了参数优选研究,并进行实际试验,选出了比较合适的爆破方案。石连松等[10]对浅埋式地铁隧洞实施爆破时所形成的震动效果进行深入研究,确认了分段爆破施工能明显降低爆破施工震动,并大大提高爆破施工准确度。刘赶平[11]对大断面隧洞光面爆破设计进行了深入研究,并针对隧洞地质条件制定了一套适合于变质岩、花岗石、细砂岩等特殊围岩条件下的光面爆破参数,经试验后发现,光面爆破效果显著提高。姚洪瑞等[12]对富水软弱围岩地区隧道光面爆破进行了深入研究,爆破施工中结合了超前地质预测、超前支护及排水等措施,有效提高了开挖与爆破安全性。董明明等[13]详尽阐述了在软弱围岩巷道的爆破过程中,炮眼孔径、炮眼数量、装药量等的估算原理和公式,为实际施工使用提出了可信的计算依据。

综上所述,众多学者在软弱围岩隧道爆破施工技术方面进行了大量研究,并取得了一定的研究成果。笔者对奎屯河长距离引水隧洞快速施工过程中所采取的技术措施以及新冠疫情对施工的影响进行了详细阐述,可为类似工程施工提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 水文地质

奎屯河引水隧洞地处欧亚大陆腹地,远离海洋,水汽来源稀少,且受蒙古高压和西风气流的影响。该工程附近将军庙水文站的观测资料如下:多年平均气温为6.0 ℃,极端最高气温36.0 ℃,最低气温-28.0 ℃,分别在6月份和1月份;最冷月平均气温为-10.4 ℃,最热月平均气温为20.8℃,分别在1月份和7月份。该站多年平均降水量为225.0 mm,6月和7月的降水量最大,12月到次年2月降水量最小。

奎屯河引水隧洞工程区地势南高北低,海拔500～4 800 m,受北天山纬向构造控制,地形具有分带性。工程区处于北天山优地槽褶皱带(Ⅱ3)中部,依据《奎屯河引水工程场地地震安全性评价报告》,根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2015)的划分,划定工程区相应地震基本烈度为Ⅷ度。

1.2 疫情影响及材料运输困难

由于新型冠状病毒的流行传播,对工程进度造成了很大阻碍,如停工、复工、疫情防控等,都需要制定合格、有效、及时、安全的措施保障施工。

天山北麓虽然交通比较便利,但该处多是软弱围岩,承载力不高,地处多地震带,多有泥石流、崩塌、溶蚀和淘金洞等不良地质现象,给材料运输增加了很多困难。

1.3 工程难度

奎屯河引水隧洞穿越天山北麓构造剥蚀区,Ⅳ、Ⅴ类围岩占比达50%,岩体强度弱,围岩稳定性差,频繁爆破导致围岩累积损伤范围大,易诱发衬砌开裂、锚杆断裂、塌方冒顶、围岩失稳等事故,严重影响爆破开挖速度与工程质量,给工程施工带来了很大挑战,各类围岩长度见表1。

表1 各类围岩长度

2 钻爆施工

2.1 钻爆技术

钻爆法是现阶段隧洞开挖采用的最普遍方式,本工程根据设计特点应用预裂开挖爆破、光面爆破技术,使开挖的实际轮廓线达到设计条件时,超欠挖量较少,减小了对巷道围岩的干扰与损伤,更有利于安全施工。

钻爆设计应依据工程地质条件、开挖断面、施工方式、掘进循环进尺、钻眼设备和出渣技术等各种因素综合考量,尤其是Ⅳ、Ⅴ类围岩钻爆作业,要根据围岩类别制定出行之有效的钻爆方案。

2.2 爆破施工方案

本隧洞采用“新奥法”施工,采用楔型掏槽方法与光面爆破技术,全断面掘进,钻眼施工时使用自制钻爆台车,利用YT-28型气腿式凿岩钻机造孔,装2#岩石乳化炸药,采用毫秒微差爆破施工,出渣使用HL50型装载机配4台10 t自卸型车辆,将渣石经施工道路直接运到存渣场。初期支护按设计要求(锚杆+挂网+10～15 cm 厚喷射混凝土或16#工字钢拱架+锚杆+挂网+15 cm厚喷射混凝土)进行。

隧洞钻孔及爆破装药作业在自制的台车上进行。为减少围岩扰动,采取密孔距、小药量装药或控制循环进尺等方法进行施工。对Ⅳ、Ⅴ类围岩采用“弱爆破、勤观察、强支护”原则,避免发生大的塌方,保证施工安全,且开挖成型后,立即进行 初期支护。钻爆开挖流程如图1所示。

图1 施工流程

2.3 爆破参数设计

以Ⅳ类围岩为例,其炮孔布置如图2 所示。根据不同围岩类型,采用不同的爆破方案,部分爆破参数如表2所示。

图2 Ⅳ类围岩炮孔布置(单位:cm)

表2 爆破施工参数

3 工程关键技术

3.1 支洞设置与工区划分

奎屯河是新疆天山北坡经济带西缘的一条主要河流,为加快施工速度,缩短施工工期,根据奎屯河自然环境以及施工条件影响,将奎屯河长距离引水隧道工程分为3个标段,设置3支洞双向施工,各支洞平面位置如图3所示,工程3个标段工区划分如下:

图3 施工支洞平面布置

(1)第一标段:隧洞全长3 420 m,设计纵坡0.1%、桩号(2+095～3+880)、1#支洞(3+880)、山区隧洞(3+880～5+515),在桩号3+880处设置1#施工支洞,1#施工支洞长325 m。

(2)第二标段:隧洞全长2 690 m,设计纵坡0.1%、桩号(5+515～7+330)、2#支洞(7+330)、山区隧洞(7+330～8+205),在桩号7+330处设置2#施工支洞,2#施工支洞长484.2 m。

(3)第三标段:隧洞全长2 085 m,设计纵坡0.1%、桩号(9+400～8+205)、2#增支洞(9+400)、山区隧洞(9+400～10+290),在桩号9+400处设置2#增施工支洞,2#增支洞长380 m。

3.2 特殊不良地质洞段施工技术

(1)控制超挖措施

采取毫秒微差爆破施工,并严格控制单次爆破数量。按测量放点,精确标出周边孔的孔位和方向,均采用光面开挖爆破方式,对地质软弱面和重要部位预留保护层,周边采取密孔弱爆破开挖措施。所有的周边孔都在设计轮廓线上开孔,钻孔向外倾斜2～3°,各钻孔相互保持平行,孔底落于同一平面上。周边孔采用间隔不耦合装药结构,通过导爆索引爆。而相邻的辅助孔则采用较小药量、不耦合装药,进行减振爆破。

(2)不良地质段施工措施

首先进行超前地质预测;通过采用超前小导管支护,降低了爆破对围岩的扰动,并采用短钻孔、弱爆破施工和多循环的作业措施;进行排水,锁好洞口,清理危岩,及时锚喷支护并尽早模筑衬砌;实行分区施工、分项保护,有不良地质问题及时采取相应的支护措施;做好质量监督、检测,准确分析检测结果。

(3)断层破碎带开挖措施

在断层破碎地段施工,需要进行超前地质预报,采用超前管棚、超前注浆、径向注浆等措施,相互配合形成稳定圈,在采用超强加固后再进行施工。

(4)塌方及较大溶隙、裂隙处理措施

加强的管理措施可与永久保护相组合。当塌落物未将洞室完全封闭或遇较大溶隙空洞时,先保护顶板,再清理残留落石。当塌落物将洞室封闭时,用小导管加注浆方法以及其他预注浆方式固定,然后再按边推进、边支护、边模筑衬砌的方式施工。冒顶塌陷时,首先应将土层与地表陷落的洞口撑固或用不透水土夯填密实,陷穴四周做好排水设施,以避免进一步塌陷,对塌落物宜用花管灌浆胶结,其施工方式应进行专门工程设计。有地下水出现时,首先应完成治水后,再进行溶隙空洞和塌方处理。

3.3 快速施工措施

天山北麓奎屯河引水隧洞不仅施工困难且工期紧张,再加上新冠疫情的影响,施工更加艰难,所以,应制定严格、缜密、安全的施工措施以推进工程进度。

(1)积极配合监理工作,与其建立稳固的合作关系,创造最优施工环境以及争取各方最大的支持。

(2)与设计单位及时沟通反馈,及时向设计单位认证设计信息及现场情况,保证工程质量。

(3)积极与地方部门进行协调,减少施工干扰,争取良好的施工环境,推进施工顺利高效进行。

(4)成立精简高效的项目部,制定合理、高效的施工组织管理,合理优化施工工序,在保证人员安全及施工质量的前提下采用“两班倒”工作制。

(5)采取精准爆破参数,快速喷锚;自建沙场与钢筋棚,缩短运输距离;协同作业,缩短循环时间,实现软岩隧洞快速掘进。

3.4 质量与安全保证措施

(1)质量保证措施

根据围岩种类、地质条件制定科学合理的施工方法,并根据实际施工效果随时调整与完善。同时,严格保证钻孔质量,密切监控超欠挖状况,并适时改善与提升钻爆工程质量。由下至上、分层喷射混凝土,混凝土初凝后,浇筑时限不得低于7 d。所用的各类主材须“三证”齐备,严禁“三无”建筑材料和不合格建筑材料流入施工现场。

(2)安全保证措施

隧洞内爆破施工作业,应统一指令、专人指导警戒、将人员设备撤到安全距离。爆破后会产生大量CO、氮氧化物等有害气体,为保障施工人员安全,在爆破30 min以后,经安全员与班组长检查无危险后,其他施工人员方可佩戴防毒面罩进入工作面施工,通风设施也在爆破后开始运转通风。洞内出碴时,一定要保证行车安全、严禁超载、坚决执行行车安全方针。

4 总结

笔者通过对奎屯河长距离隧道引水快速施工的研究分析得出如下主要结论。

(1)根据地质类别以及环境影响,施工隧洞采取“新奥法”,运用楔型掏槽方法与光面爆破技术,全断面掘进施工。

(2)根据不同的围岩类型,合理优化爆破参数。Ⅲ、Ⅳ类围岩循环进尺为3 m,Ⅴ类围岩循环进尺为2 m,使用爆破时进尺最优,节省了施工时间,缩短了工期。

(3)在特殊不良地质洞段施工时,要做好统筹规划、提前预防、严格控制超挖,做好人员保护,保证施工安全平稳实施。

(4)施工组织方面,科学协调,各部门之间紧密联系、内外部保证措施严密实施。特别在新冠疫情阶段,要做好人员保护、材料运输、施工安全等。通过优化施工流程,使工程进度大大加快,月施工进尺达到500 m。