大坡度長距離小斷面引水隧洞掘進技術

聶彥春

(山西省中部引黃工程建設管理局，山西太原030002)

1 工程概況

引水隧洞是輸水工程的重要組成部分之一，往往具有坡度大、單個工作面施工距離長、地質復雜、施工斷面小，并且出渣難、通風難等特點，施工難度非常大，嚴重制約著隧洞掘進速度。山西省中部引黃工程25標引水隧洞位于山西省呂梁市石樓縣境內，隧洞施工總長29.13 km，其中引水主洞長22.81 km，支洞與主洞均為城門形斷面，支洞凈寬3.65 m，凈高3.2 m；主洞凈寬2.5 m，凈高3.24 m。其中，17#隧洞工程施工支洞長605 m，坡度43.71%，出渣方式為有軌運輸，圍巖巖性為三疊系中統二馬營組上段砂巖與泥巖互層，主要為Ⅳ類圍巖。因該工程支洞及主洞開挖斷面均較小、施工距離長且支洞坡度較大，導致洞內可利用作業空間有限，工序干擾大、出渣及人員運輸困難，采用傳統工藝，掘進速度慢，施工成本高，而且工期無法保證。

為確保施工任務順利完成，建設單位及時組織各參建單位及專家研究制定加快引水隧洞施工進度的措施，并通過在實際施工過程中的不斷實踐和探索，對爆破、通風、出渣、噴錨

支護工藝以及施工管理等各環節或工序中出現的問題及時解決和優化，有效保證施工任務的按期完成。

2 引水隧洞爆破工藝

隧洞開挖主要為石方開挖，采用光面爆破的方法一次成型。原施工采用“八字掏心”爆破法，存在施工進尺不理想，洞渣拋射距離長等不足。對此，根據隧洞圍巖特性，采用“直眼掏心”爆破法(圖1和圖2)， 每個循環總布孔數45個左右， 其中布置9個孔深為3 m掏心孔，輔助孔及周邊孔為36個左右，

圖1 直眼掏心法的掏心眼布置

圖2 導爆管雷管起爆網絡

孔深2.5 m。此方法較“八字掏心”爆破法施工的總孔數增加約9個，但是采取“直眼掏心”具有鉆孔作業角度小、方便4臺鉆機上下同時作業、相互干擾小等優點，每循環鉆孔爆破時間縮短至2.1小時左右，使得鉆孔工效顯著提高，此外對比“八字掏心法”，單循環有效進尺由1.8 m提高至2.3 m。采用“直眼掏心”爆破法后，洞渣的拋射距離由“八字掏心”時的50 m～60 m降低至現在的10 m左右，因此通風風帶可以與掌子面保持較小的距離，有利于提高通風效率，縮短通風散煙時間，通風時間由原來的60 min縮短至36 min左右，爆破與出渣工序銜接更緊湊，施工工效明顯提高。

3 洞內通風工藝

由于引水隧洞通風距離長，對通風設備和通風效率提出了更高的要求。17#隧洞支洞長605.35 m，上游控制主洞段長1791.91 m，下游控制主洞段長1939.09 m，隧洞通風距離為2397.26 m～2544.44 m。洞口采用Y-200L2-2型的3級軸流通風機(圖3)，每一級功率37 kW，總功率111 kW。在主洞上游及下游距交叉段800 m左右的位置分別布置一臺SF-I-NO.6.0型軸流風機進行洞內通風接力，風機功率15 kW。支洞風袋直徑80 cm，主洞風袋直徑60 cm。洞內設有風袋臨時存放點，需要時及時取用。風帶隨施工進尺及時安裝，由2名專業人員每天對通風系統進行檢查。發現風帶破損時，將該段破損風袋整體拆下，用洞內備用風袋進行更換(圖4)，17#隧洞通風系統基本上無漏風現象，拆卸后的風袋在洞外統一修補。此外，17#工區在每臺出渣車輛上均安裝了尾氣凈化裝置，有效地過濾了大顆粒物，改善了洞內通風作業條件，也減小了主洞內的通風壓力。

圖3 洞外通風

圖4 洞內通風

總之，通過采用“直眼掏心、增壓風機、風帶跟進掌子面、汽車尾氣凈化裝置”等綜合措施，將洞內通風時間由60 min降低至36 min，大大縮短了通風排煙時間，節省了成本，提高了工效。

4 隧洞出渣工藝

主洞和支洞采用有軌運輸的出渣方式，出渣時間長，效率低，工序間不能緊密銜接，爆破后圍巖暴露時間長，不能及時進行錨噴支護，施工安全難以保證。對此，提出對出渣工藝進行優化。

4.1 支洞出渣工藝

交叉段設置轉渣系統，對交叉段進行適度擴挖后形成儲料倉(圖5)，儲料倉具備2～3車的存渣能力約6 m3，礦車可運行到儲料倉底部接料，通過閘門控制，將渣料卸至礦車內，料滿后由絞車直接運出，往返一次需要9 min，可24h持續不間斷作業，絞車出渣工效不影響整體出渣時間。因此，出渣效率得到大幅提高。

圖5 交叉段出渣料倉

4.2 主洞出渣工藝

通風散煙后，洞內扒渣機運行到掌子面，洞內4臺三輪車依次開行至掌子面或避車洞出渣(圖6)。每輛三輪車的主洞段運渣時間大概為每車20 min，按每循環2 m計，每次出渣量為33 m3～42 m3，需要19車左右，掌子面的渣可以在1.3 h～1.5 h之內轉至交叉段內。交叉段設置存渣系統，消除了絞車等待三輪車的時間，實現了出渣三輪車和礦車出渣零干擾，絞車出渣可24 h持續作業，可大大縮短每循環出渣時間。

圖6 主洞出渣

5 噴錨支護工藝

為提高噴錨支護效率，在斜洞段末端設置了人字形軌道(圖7)，一條通向洞渣儲料倉，另一條通向噴錨料儲料倉。需要噴錨支護時，卸掉出渣礦斗的鋼絲繩，將鋼絲繩連接到停放在洞內的側翻式噴錨料斗上，由絞車拖出洞外。洞外拌制好的干料由裝載機卸至噴錨料斗，絞車運送到噴錨料卸料臺后直接側翻到儲料倉內(圖8)。三輪車后退至儲料倉下方的出料口接料，然后用三輪車直接運至噴護作業面。此方法提高了工效，消除了人工裝、卸工序，實現了全部機械化施工，降低了人工使用量和工作時間。

圖7 人字形軌道

圖8 噴錨料儲料倉

6 施工管理措施

在施工管理方面，由于缺乏具體獎懲措施，管理人員和施工人員工作積極性不高，存在“吃大鍋飯”現象，施工管理成本高，工期無法保證。對此，建設單位加強了施工管理，明確了施工管理模式，加強了施工人員保障以及機械設備保障，并設立了完善的安全保障系統。

6.1 管理模式與人員保障

①管理模式

17#洞派駐一名工區長和一名施工員，管理現場的作業班組。班組為工序承包制，由班組長總負責，并對考核獎勵有支配權利。作業班組下設炮工班組和雜工班組。

②人員保障

17#洞作業班組人員共計54人，其中管理人員4人，鉆爆班18人，雜工班32人。雜工班包含噴錨工7人，運輸班10人，機械維修班6人，抽水工3人，電工1人，焊工1人，后勤4人。

6.2 機械設備保障

①備用設備

17#隧洞工程主要設備均有備用，可保證在突發設備故障時如鉆機、發電機，及時啟用備用設備，保持了正常生產，提高每月的有效工作時間。

②設備維修

項目部專門從生產廠家高薪聘請了扒渣機、絞車等維修的專門維修人員，成立了十幾人的維修班組。維修班組每天巡查設備運行狀況如扒渣機油管、絞車剎車系統，一旦出現故障立即檢修解決；在項目部駐地配備車床等加工設備，對于急需的機械及設備配件維修人員可立即進行加工，及時更換、維修、特殊部件現場加工，可有效提高機械設備的保障率與完好率。

③電力保障

為保證洞內設備正常使用和應急抽水用電，項目部為所有六條洞口超標準配置了大功率柴油發電機，變頻增壓器。其中17#隧洞配置了3臺大功率柴油發電機，發電功率共1000 kW，保障停電零影響，可保證洞內正常的開挖作業。

7 取得的效果

采用改進后的施工工藝和施工管理辦法后，隧洞掘進速度、施工質量和施工安全等均得到了有效保障。

①鉆孔與爆破用時統計

17#主洞采用直眼掏心布孔方式，單個掌子面每循環約45個孔，用4臺鉆機鉆孔(另有2臺備用)，每臺鉆機平均鉆孔數為11個，每個孔用時大約7 min，單個掌子面鉆孔用時約為80 min；吹孔與裝藥用時約為50 min。鉆孔與爆破總用時約2.1 h。

②通風散煙用時統計

爆破后通風用時約0.6 h，洞內空氣經檢測各項指標滿足施工要求，可進入下道工序施工。

③排險與出渣用時統計

由于在交叉段采用轉渣系統，支洞出渣不影響總體出渣工效，出渣時間主要受主洞三輪車運輸時間控制。17#主洞每循環開挖進尺約為2.0 m～2.2 m，爆破虛方量約33 m3～42 m3，出渣采用2 m3農用三輪車6輛(2輛備用)，需17～21車，每車需運輸4～5次，每車次平均用時約20 min。排險與出渣總用時約1.3 h～1.5 h。

④噴錨支護用時統計

單作業面每循環開挖與支護共需要6.0 h～6.2 h完成(表1)。24 h(三班制)單面能完成3～4個循環，主洞雙作業面每天能完成6～8個循環，每天總進尺約12 m～16 m。

表1 每循環平均各工序用時統計表

經統計，17#隧洞主洞月平均開挖進尺達到324 m，單作業面月平均開挖進尺為162 m。主洞日平均開挖進尺為10.8 m，單面作業日平均開挖進尺5.4 m，最高單作業面日開挖進尺為8 m，最高單作業面月進尺為198 m，超額完成了進度計劃。同時，通過采用考核制度，建立獎懲機制，明確責任分工，項目管理人員和施工人員積極性明顯提高，在施工進度提高的同時，施工質量、安全、工期等方面也得到了有效保障。以上成果贏得了各參建單位和社會各界的高度贊賞和信賴，并在中部引黃工程全線推廣應用。

8 結論

本文依托中部引黃工程25標17#隧洞，針對大坡度長距離小斷面引水隧洞施工存在的問題，通過在實際施工過程中的不斷實踐和探索，對隧洞施工中的爆破、通風、出渣、噴錨支護等工藝進行優化，改進施工管理，建立明確的施工管理模式，加強施工人員保障以及機械設備保障，并設立完善的安全保障系統，使隧洞掘進速度、施工質量和施工安全等均得到了有效保障。本文實踐研究成果對類似的大坡度長距離小斷面引水隧洞施工具有很好的借鑒和參考意義。