輸水隧洞內主要施工工序及不良地質段施工處理

代玉旭，田樹寶

(1. 遼寧省石佛寺水庫管理局，沈陽110006;2. 遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽110006)

0 前 言

大伙房水庫輸水(二期)工程是將大伙房水庫輸水一期工程從渾江流域調來的水由大伙房水庫調節后，向遼寧省撫、沈、遼、鞍、營、盤等六城市輸水的一項大型輸水工程。

工程由取水頭部、輸水隧道、輸水管線、配水站(6 座)、加壓泵站(1 座)、加氯站(3 座)等建筑物組成，其中29.1 km輸水隧洞及連接段、231.7 km輸水管線。

采用有壓重力和加壓相結合的輸水方式，年供水量17.86 億m3。圓形斷面，成洞洞徑為6 m。供水方式為重力壓力流，隧洞設計流量60 m3/s。

大伙房水庫輸水(二期)工程三標段，是輸水隧洞的第二段，主洞起止里程為8 +363 ～18 +674，全長10.311 km，支洞有3，4，5，6，7，施工支洞工程，以及相應的棄渣場防護、場內施工道路和其他附屬臨時工程等。

項目區位于撫順市南郊，區內地形起伏較大，地勢略呈北高南低，溝谷發育，本段主洞共穿越夜海溝東溝、夜海溝谷、郎士溝谷、偏坎子溝谷、英德堡的部分溝谷，這些溝谷埋深淺，且常年有流水，洞線穿越長度為87 ～766 m，圍巖較差，主要以Ⅴ類為主，部分Ⅳ類;有些溝谷在施工中出現了大量涌水［1］。

1 正常地質段施工

1.1 地質圍巖評定

首先根據圍巖評分的5 大因素即:巖石強度，巖體完整程度，結構面狀態，地下水狀態，主要結構面產狀。

五項因素之和的總評分為基本判據，圍巖強度應力比為限定判據，并根據圍巖工程的地質分類，圍巖的總評分為T，圍巖強度應力比為S。

1)當T ＜25 分，S ≤2 時的圍巖為Ⅴ類圍巖，圍巖極不穩定，圍巖不能自穩，變形破壞嚴重。

2)當45≥T ＞25 分，S ＞2 時的圍巖為Ⅳ類圍巖，圍巖的穩定性確定為不穩定。

3)45 ＜T ≤65 分，S ＞2 時的圍巖為Ⅲ類圍巖，圍巖局部穩定性差。

4)85≥T ＞65 分，S ＞4 時的圍巖為Ⅱ類圍巖，圍巖基本穩定。

5)T ＞85 分，S ＞4 時，圍巖為Ⅰ類圍巖可長期穩定，一般無不穩定塊體。

本工程主要遇到的圍巖為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖。地質評定后，為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ開挖提供依據。

1.2 鉆爆破孔、吹孔及裝藥、聯網爆破

根據開挖方法分別采用半斷面及全斷面兩種爆破開挖方式，對于臺階開挖的Ⅳ、Ⅴ圍巖，采用弱爆破，對于Ⅱ、Ⅲ圍巖類采用全斷面光面爆破。

鉆孔采用的是2 －8YT 鉆機，鉆機釬桿內有水管沖孔，用高壓風吹孔。

1.2.1 孔眼直徑

風鉆成眼地段，裝藥炮眼直徑為Φ 42 mm;臺車成孔地段，裝藥眼直徑為48 mm，空眼直徑為65 mm。

1.2.2 炸藥

一般地段使用乳化炸藥，富水地段采用乳膠防水炸藥;藥卷直徑采用φ 32 mm和φ 25 mm兩種。

1.2.3 裝藥結構周邊炮眼采用φ 25 mm的藥卷，進行間隔裝藥，用導爆索的φ 25 mm的藥卷加工成藥串，并用電工膠布將藥串綁在竹片上，可以方便裝藥，其它炮眼采用φ 32 mm藥卷，進行連續裝藥。

1.2.4 起爆網路

采用非電毫秒雷管微差起爆網絡［2］。

1.3 通風排煙

支洞施工階段，洞內通風采取在洞口安1 臺55×2 kW的軸流通風機(圖5.4 為55 ×2 kW的軸流通風機照片)進行壓入式通風，風管Φ 1 000 mm的螺旋軟風管。

當由支洞轉入主洞施工后，主洞內通風采用壓入式和吸出式的混合通風，壓入支洞口共安裝2 臺2×55 kW的軸流通風機進行壓入式通風風管一個指向上游，一個指向下游，在主支洞交叉口安1 臺2 ×37 kW的軸流風機抽出洞內廢氣;壓入式風管采用Φ 1 000 mm的螺旋軟風管，壓入式風管在主支交叉轉彎處用同直徑的硬質鐵管度過;抽出式風管采用Φ 600 mm的螺旋軟風管。

在爆破結束后先通風10 ～20 min，確保掌子面能正常施工，可見度和施工人員的身體健康［3］。

1.4 出 渣

洞室狹窄選好車型很重要，大了施展不開，小了施工工序增加時間。

本洞選用出渣的機械用50 側翻裝載機1 臺，3臺15 m3雙橋自卸汽車。洞子寬7 m，裝載機寬3.0 m，自卸汽車2.5 m寬，裝載機和自卸汽車并排后，裝載機用鏟斗把渣側翻入車內，自卸汽車裝滿后，運出指定地點。

一個爆破開挖進尺約2.8 m，石方開挖方量約115 m3的情況下，一排炮出渣用2.5 h。實踐證明4#洞機械選型是合理的。出渣時注意的事項為，裝載機、挖掘機、出渣自卸汽車的完好率要保證。應該及時檢修，配備易損件，有專門的維修隊伍。機械一旦故障卡在洞內將上下車輛都不通，增加出渣時間，影響工程進度。

洞室坡度15%以上時，選用有軌絞車出渣，坡度＞15%后，自卸汽車已經不能用為出渣裝置，洞室內鋪設鐵軌。

用扒渣機上料(洞室狹小裝載機和鉤機選較大功率的，無法施展，較小功率的出渣時間又太長，無法滿足工期)，扒渣機特點是功率高，需要的作業面不用太大，往絞車上上料非常便利。

絞車內裝滿渣料后，沿著鐵軌，受上面的卷揚機的牽引，運送到洞外，直接卸載自卸汽車上，由自卸汽車運外指定的渣場。

當洞室的距離較長時，可以采用皮帶機出渣。皮帶機出渣一般適用于TBM 段施工，距離長，而且經TBM 切割的巖石碎塊較小較均勻。爆破開挖不太適合用皮帶機出渣。

用1 臺220日立品牌的挖掘機。把斷面上的大塊險石排掉，然后由人工用撬棍把未排掉的險石排掉。

1.5 初期支護

1.5.1 Ⅴ類圍巖

立16#鋼支撐間距0.5 ～1.5 m不等，由工程地質人員根據地質情況確定鋼支撐的間距。在鋼支撐周邊垂直巖面打系統錨桿，錨桿間距1.0 m，錨桿規格:φ22 ×3.0 m，鋼筋在鋼支撐外面掛φ8 ×150 mm ×150 mm鋼筋網。三檢制及監理檢驗合格后，開倉噴C30 混凝土，混凝土厚度為200 mm［3］。如圖1所示。

圖1 Ⅴ類圍巖施工布置

1.5.2 Ⅳ類圍巖

全周打系統錨桿，錨桿間距1 000 mm ×1 000 mm，錨桿規格:φ22 ×3.0 m，全周掛鋼筋網，鋼筋網規格:φ8 ×150 mm ×150 mm，三檢檢查合格及監理檢驗合格后，開倉噴C30 混凝土，混凝土厚度為100 mm 。如圖2 所示。

圖2 Ⅳ類圍巖施工布置

1.5.3 Ⅲ類圍巖

隨機錨桿，規格:φ22 ×2.5 m，隨機掛鋼筋網，鋼筋網規格:φ8 ×200 mm ×200 mm，三檢檢查及監理檢驗合格后，開倉噴C30 混凝土，混凝土厚度為100 mm。如圖3 所示。

圖3 Ⅲ類圍巖施工布置

1.5.4 Ⅱ類圍巖

隨機錨桿，規格:φ22 ×2.5 m，隨機掛鋼筋網，鋼筋網規格:φ8 ×200 mm ×200 mm，三檢檢查及監理檢驗合格后，開倉噴C30 混凝土，混凝土厚度為100 mm。如圖4 所示。

圖4 Ⅱ類圍巖施工布置

2 不良地質段的施工

施工前對地下通過破碎松散、涌水、淺埋段等不良地質地段制定相應的預防措施，備足有關的應急機具和材料。不良地質段的洞室施工，應先治水，采用短開挖、弱爆破、強支護、早襯砌的措施，穩步前進。

2.1 斷層的處理

施工前切實掌握斷層帶的情況，包括破碎帶的寬度、填充物、地下水一級探洞軸線與斷層構造線的組合關系。

根據施工方法和設備條件選擇通過斷層地段的施工措施報監理人審批。

當斷層規模不大，滲水量不大的情況下，可采用超前錨桿、超前小鋼管支護、超前小導管注漿、管棚等超前支護的方法以及超前灌漿的方法處理。斷層規模較大，或有大量涌水的情況下，先進行超前灌漿，再結合超前支護的方法處理［4］。

通過斷層地段的各施工工序之間的間隔宜盡量縮短，盡快使全斷面支護或襯砌封閉，減少巖層暴露、松動的時間。

鉆爆施工中嚴格掌握炮眼數量、深度和裝藥量，原則上應盡量減少爆破對巖層的震動。斷層地段的支護應寧強勿弱，并經常檢查加固。

2.2 塌方的預防和處理

防止塌方，是保證施工安全和施工進度的關鍵，應隨時觀察和監測地質有無異?，F象，研究巖體和地下水變化規律，采取必要的支護手段，避免產生塌方。

1)在不良地質段施工時，應根據監理人的指示進行勘探孔及地質測試孔德鉆孔工作，并根據此進行超前地質預報。

2)在不良地質段施工中，應堅持弱爆破、短開挖、強支護和勤觀測的施工方法。

3)對未擾動而破碎的巖層、結構面裂隙發育的塊狀巖層或松散滲水的圍巖段，宜采用超前錨桿支護。

2.3 巖爆的特征

在隧洞施工中，容易發生巖爆的地段，一般埋深在260 ～600 m左右，而且易發生在干燥無水的花崗巖帶中，有水地段的花崗巖不發生巖爆或者說發生巖爆的幾率幾乎為零，在洞線的閃長巖、石英富集的巖帶中也都幾乎不發生巖爆。發生巖爆的部位在隧洞起拱線以上，頂部以下部位。

隧洞內圍巖的內部發生巖爆時，一般有2 種情況:

1)爆裂的聲音清脆、聲響很大時，巖爆主要表現為劈裂破壞，其規模不大，多呈片狀或貝殼狀從母體巖中以劈裂的形式剝落下來，且巖塊下落的時間幾乎與爆裂聲同步。

2)當圍巖內部發生的爆裂聲沉悶、聲響較小的時，巖爆主要表現為剪切破壞，其規模大，并伴隨有煙狀粉末彈射。

此時由巖爆產生破壞的巖體一般都滯后于爆裂聲20 ～60 min才會從母體巖上掉落，而且掉落的巖石塊都比較大，因此危害也非常大。

2.4 巖爆的處理

采取先進、合理的設備配合地質人員做好巖爆易發生區域的地質預測預報工作，預報人員根據檢測成果，從圍巖完整性、強度、地下水、是否存在斷層等情況，超前地質預報掌子面前方圍巖是否產生巖爆［5］。

開挖后，根據已發生巖爆的特征，盡快對巖爆進行分級，并有針對性的采取以下幾種處理措施:

2.4.1 施作應力釋放孔

當地質預報前方有中等及以上強度的巖爆時，在鉆爆破孔前根據巖爆可能發生的部位，施作超前應力釋放孔，要求孔深大于掘進開挖進尺的兩倍;在錨桿的鉆孔的時候，對可能產生巖爆的部位，作徑向應力釋放孔，孔深不小于圍巖的松動圈。應力釋放孔的孔徑原則上力求大些為好，但結合鉆孔方便考慮，不宜＜Φ 48 mm。

2.4.2 合理避讓

巖爆段在掘進爆破后，利用前期通風工序時間先躲避，待巖爆減弱后噴水、找頂。對掌子面、洞起拱線以上的壁面及時噴水，保持巖面潮濕與巡回找頂。

對于中等巖爆，應該停止施工作業，撤至50 m以外安全區，并設法遠離向巖爆區巖面噴水，待巖爆緩解至基本無巖爆跡象后進行找頂，撬除已松裂的巖片、巖塊，進行打錨桿掛網噴混凝土加固處理。

3 結 語

本文主要介紹了洞內主要的施工工序及不良地質段施工處理;Ⅴ類圍巖，立16#鋼支撐間距0.5 ～1.5 m不等，由工程地質人員根據地質情況確定鋼支撐的間距。Ⅳ類圍巖，全周打系統錨桿，錨桿間距1 000 mm×1 000 mm。Ⅲ類圍巖，隨機錨桿。Ⅱ類圍巖，隨機錨桿。

施工前對地下通過破碎松散、涌水、淺埋段等不良地質地段制定相應的預防措施，備足有關的應急機具和材料。對于不良地質段的洞室施工，應該先治水，采用短開挖、弱爆破、強支護、早襯砌的措施，穩步前進。

［1］劉永新，馬思烈，羅健. 輸水隧洞工程臨時支護設計和不良地質洞段處理［J］. 貴州水力發電，2003，17(02):53 －56.

［2］李瑜. 淺談東深供水改造工程施工中的臨時支護設計［J］. 廣東水利電力職業技術學院學報，2004，2(04):49 －52.

［3］章楊松，羅國煜，李曉昭，閻長虹. 巖體質量分級的風險分析方法［J］. 工程地質學報，2002(03):331 －336.

［4］張敏. 復雜地形、地質情況下大跨度隧道洞口段設計［J］.鐵道工程學報，2007(02):69 －73.

［5］張斌，符文熹，任光明，聶德新. 深埋長隧道巖爆的預測預報及防治初探［J］. 地質災害與環境保護，1999，10(01):25 －28.