復雜地質(zhì)條件下小斷面引水隧洞施工技術研究

張正貴

（中國電建集團中國水利水電第十二工程局有限公司，杭州 310000)

1 工程概述

1.1 隧洞概況

馱英東干渠東攀隧洞總長1557 m，進口樁號為TD12+907.064，出口樁號TD14+484.064；隧洞進口底部高程為161.807 m，出口底部高程為160.250 m，底板縱坡比為1‰，隧洞開挖斷面為城門洞型。Ⅲ類圍巖開挖尺寸為3.1 m×3.35 m（寬×高），巖溶地質(zhì)段圍巖開挖尺寸為3.6 m×3.95 m（寬×高），其他類型開挖尺寸均為3.4 m×3.75 m（寬×高）。

1.2 復雜地質(zhì)描述

隧洞處于巖溶區(qū)，灰?guī)r，褐色，弱～微風化，局部有溶蝕痕跡，隧洞進、出口段為強卸荷弱風化灰?guī)r和崩坡積松散堆積物，洞身主要有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖以及巖溶半填充洞段，有發(fā)育溶洞，巖體破碎。洞身巖溶發(fā)育異常帶，該段地下水位在洞頂以上，隧洞開挖過程可能出現(xiàn)滲水、滴水、流水的現(xiàn)象；隧洞出口段穿越巖溶區(qū)，易出現(xiàn)隧洞塌方和涌水涌泥現(xiàn)象。地下水類型為基巖裂隙水，隧道開挖時局部頂部呈滲～涌水狀。

（1）隧洞進口段TD12+907.064～TD12+937 圍巖類別為VI 類，覆蓋層厚2～3 m，主要為殘坡積灰褐色粘土，植被發(fā)育，坡度30°～40°，自然邊坡基本穩(wěn)定，巖溶較發(fā)育，巖體破碎，在鉆孔一定深度（地下水變幅范圍內(nèi)）發(fā)育溶洞，充填泥夾石，洞頂施工易出現(xiàn)貫穿性裂隙涌水涌泥問題。

（2）洞室Ⅲ類圍巖主要為三疊系下統(tǒng)薄層狀含泥質(zhì)條帶灰?guī)r，褐灰色，弱～微風化，局部有溶蝕痕跡，洞室段上部巖層厚為30～100 m，含泥質(zhì)條帶灰?guī)r。飽和單軸抗壓強度—般大于30 MPa，屬于中硬巖。鉆孔巖芯多呈薄餅狀，巖體較完整，發(fā)育有水平層理，微張～閉合，層理面平直粗糙，無充填為主。

（3）洞室Ⅳ類圍巖主要為二疊系上統(tǒng)合山組P2c 厚層狀灰?guī)r，弱風化，屬于硬質(zhì)巖，洞室段上部巖層厚約為20 m，為巖溶發(fā)育異常帶。此段洞室圍巖穿越巖溶區(qū)或較大裂隙帶以及方解石脈。

（4）洞室Ⅴ類圍巖主要為二疊系上統(tǒng)合山組P2c厚層狀灰?guī)r，弱風化，屬于硬質(zhì)巖。洞室段上部巖層厚為6～9 m，為巖溶發(fā)育異常帶。此類圍巖發(fā)育7 個溶洞，發(fā)育高程分別為170.63～171.93 m（泥質(zhì)充填）、166.73～167.73 m（半充填泥質(zhì)）、165.13～165.63 m（半充填泥質(zhì)）、160.73～164.33 m（泥質(zhì)充填）、155.13～159.43 m（泥質(zhì)充填）、144.73～145.83 m（半充填泥質(zhì)）、143.53～144.03 m（無充填，掉鉆）。此段洞室圍巖穿越巖溶區(qū)，溶洞發(fā)育，易出現(xiàn)隧洞塌方和涌水涌泥現(xiàn)象。

（5）隧洞出口段TD14+496.7～TD14+484.064圍巖類別為Ⅴ類，覆蓋層厚1～5 m，主要為殘坡積灰褐色粘土、含碎石粘土，較松散，植被發(fā)育，坡度30°～40°，自然邊坡基本穩(wěn)定，圍巖發(fā)育2 個溶洞，發(fā)育高程分別為157.36～161.06 m（充填泥質(zhì)）、150.46～152.36 m（充填泥質(zhì)），隧洞掘進時易出現(xiàn)隧洞塌方和涌水涌泥現(xiàn)象。

1.3 小斷面長隧洞施工特點

小斷面隧洞施工效率較低，通常需完成前一道施工工序后，方可進行下一道工序的施工，施工循環(huán)周期較長，并且在這樣長而窄的隧洞環(huán)境下進行鉆孔、爆破以及出渣施工會形成一定的安全隱患，還存在各種機械設備展開操作的傷人事故隱患，還可能因隧洞開挖而造成的崩塌、瓦斯爆炸等安全事故，而且小斷面長隧洞內(nèi)的空氣會隨著掘進深度的增加而不斷減少，為保證安全施工，需要加大對隧洞通風的措施。

由于該隧洞施工斷面小，因此在隧洞的鉆孔、爆破、出渣作業(yè)時會產(chǎn)生高濃度有害氣體和大量粉塵，這些物質(zhì)都會影響作業(yè)人員的身體健康，而且在洞內(nèi)測量時，煙塵濃度大，粉塵的折射和反射會使測量成果質(zhì)量下降，測量數(shù)據(jù)存在誤差，最終影響隧洞開挖質(zhì)量。隧洞內(nèi)的空氣短時間內(nèi)流通不暢容易出現(xiàn)施工作業(yè)人員窒息等事故，而且長隧洞內(nèi)的進行通風施工還受距離限制，不能更好地應用供水、供電等設施，影響機械通風施工的效率。

由于小斷面隧洞出渣過程中農(nóng)用車（運輸車）只能單車單向行駛，且挖掘深度較長，因此在隧洞每隔200 m 布置一個錯車道，方便農(nóng)用車在錯車道處掉頭出渣。

2 施工布置

2.1 施工供風

根據(jù)該隧洞施工特點，隧洞采用兩頭掘進方式進行開挖，在進洞口和出洞口處分別布設一臺電動移動式空壓機，用于進出口邊坡開挖及洞室開挖施工供風。

2.1.1 工作面需風量計算

按工作面未實現(xiàn)自然通風的施工情況和空氣質(zhì)量基本要求計算：

式中：QP為施工人員所需風量，m3/min；qp 為洞室內(nèi)每人所需空氣量，按每人3 m3/min計算；m為洞室內(nèi)同時工作人數(shù)；k為風量備用系數(shù)，取1.15。

每個工作面同時施工人數(shù)可達15人，需風量為51.75 m3/min。

2.1.2 爆破散煙需風量計算

式中：QL為爆破散煙計算風量，m3/min；q為同時爆炸藥量，kg；t為通風時間，取20 min；

隧洞開挖時最大爆破藥量（同時）為65 kg，排煙需風量為117 m3/min。

2.1.3 按燃油機械單位功率需風量計算

式中：QG為使用燃油機械時通風量，m3/min；Q0為單位功率需風量指標，按每分鐘4 m3/kW 計算；N為洞內(nèi)同時工作的燃油機械總功率，kW。

開挖出渣時，工作面同時工作的燃油設備為1臺扒渣機，同時工作的燃油機械總功率為1×135=135 kW，總需風量540 m3/min。

開挖階段出渣作業(yè)時，柴油動力運輸車輛排出的有害氣體使得洞室群內(nèi)的空氣混濁，選擇的空壓機應滿足該時段用風量。

2.1.4 空壓機供風量計算

通風機的供風量為工作面需風量、爆破散煙需風量以及使用燃油機械需風量之和，即709 m3/min，因此選擇30 kW，最大供風量750 m3/min 的空壓機布置于隧洞進、出口。

2.2 施工排水

隧洞位于地下水位線以下，隧洞分為兩頭掘進，出口因自然開挖坡比關系可以自流進行排水。在隧洞出口位置開挖排水井進行匯流后通過抽水泵連接排水管將沉淀后洞內(nèi)積水抽排至東攀水庫。進口方向開挖因坡比因素會出現(xiàn)一定的積水，隧洞開挖時每隔200 m 設置一個接力排水井，并設置水泵向隧洞進口方向引排。并在洞口附近設置沉淀池，將沉淀后的積水引排至隧洞外截水溝中。

3 施工技術措施

3.1 隧洞開挖支護施工工藝流程

隧洞開挖支護施工工藝流程圖見圖1。

圖1 開挖支護施工工藝流程圖

3.2 洞室開挖支護施工

3.2.1 施工準備

洞內(nèi)風、水、電須準備就緒，施工人員、機具準備就位，采用鋼管搭設操作平臺或準備升降式工作平臺，以便鉆孔施工。

3.2.2 測量放樣

由專業(yè)測量人員采用全站儀進行洞室內(nèi)控制網(wǎng)測量并放樣出洞室開挖輪廓線，然后施工員用油漆標出各鉆爆孔位，并在現(xiàn)場立牌標明本循環(huán)的鉆孔深度、角度、孔距、排距等參數(shù)，便于施鉆人員操作，每循環(huán)爆破后進行設計規(guī)格線檢查，并根據(jù)爆破設計參數(shù)放樣出布孔位。斷面測量滯后開挖面10～15 m，按5 m間距進行，每個月進行一次洞軸線及坡度的全面檢查、復測，確保測量控制開挖工序質(zhì)量。同時隨洞室開挖、支護進度，每隔20 m 在兩側(cè)洞壁設置樁號標志。

3.2.3 鉆孔、清孔

測量將輪廓線放樣完畢，由熟練鉆工手持YT28手風鉆嚴格按照測量定出的中線、腰線、開挖輪廓線和測量布孔進行鉆孔作業(yè)（見圖2），每排炮孔按“平、直、齊”的要求進行檢查（見圖3），單循環(huán)進尺控制在1.0～3.0 m，具體進尺深度根據(jù)圍巖類別進行控制，并嚴格控制裝藥量。周邊孔及掏槽孔的偏差不得大于5 cm，其它炮孔孔位偏差不得大于10 cm。為了獲得較完整平順的開挖輪廓，降低轟動波對周邊圍巖的擾動和減少開挖量，所有周邊孔均采用光面爆破，周邊孔鉆孔要求間距均勻、外插角相等，炮孔相互平行、深度一致，鉆孔傾角分別沿兩側(cè)墻的外側(cè)和拱頂向外側(cè)傾斜2°～3°。周邊孔使用低爆速炸藥，采用導爆索串聯(lián)間隔裝藥，不耦合系數(shù)應不小于1.3，確保周邊爆破成型，提高殘孔率和爆破效果。開挖過程中及時進行臨時安全支護封閉圍巖，以確保施工安全，鉆孔完畢采用高風壓對爆破孔進行清孔。

圖2 鉆孔作業(yè)

圖3 洞室圍巖開挖斷面炮孔布置圖

3.2.4 裝藥爆破

炮工在裝藥平臺上按鉆爆設計參數(shù)裝藥（見圖4）。崩落孔及掏槽孔采用Φ32 mm 藥卷連續(xù)裝藥，周邊光面爆破采用Φ25 mm 藥卷，竹片綁扎間隔裝藥，孔口用黃泥堵塞嚴實；裝藥完成后，由技術員和專業(yè)炮工分區(qū)分片檢查，聯(lián)結(jié)爆破網(wǎng)絡，撤退工作面設備、材料至安全位置，非電毫秒雷管引爆，周邊光面齊爆。為了提高爆破效率和爆破效果，爆破孔采取全偶合裝藥，頂拱及兩側(cè)墻的爆破周邊孔采取傳統(tǒng)的人工串狀不偶合裝藥，炸藥采用乳化炸藥，數(shù)碼起爆系統(tǒng)起爆。

圖4 光面爆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.5 通風散煙、灑水除塵

施工過程中持續(xù)啟動通風設備進行通風，待爆破散煙結(jié)束后，進行開挖面爆破渣堆灑水除塵。

3.2.6 排險

爆破后為了安全考慮，人工清除掌子面及周邊頂拱上殘留的懸石及破碎體，保證進入人員及設備的安全，巖面破碎洞段在進行排險后，可先噴一層5 cm 厚素混凝土，出渣后再次進行安全檢查及處理。在整個施工過程中，安排安全員每天進行安全檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

3.2.7 出渣清理

洞室內(nèi)采用扒渣機配合8 t 農(nóng)用汽車（運輸車）運至棄渣場（見圖5），有大孤石裝載機無法裝運時應解爆后再裝車，隧洞出渣時粉塵濃度大，能見度較低，導致機械出渣效率下降，且易發(fā)生安全事故，因此持續(xù)啟動通風機進行通風，出渣完畢后對巖溶地段及不穩(wěn)定圍巖段進行鋼拱架安裝施工，進入下一循環(huán)之前采用反鏟對圍巖危石進行排險，并延長風、水電線路，同時對穩(wěn)定性較差的巖體進行臨時支護施工。

圖5 洞室開挖出渣示意圖

3.2.8 錨噴支護

由于隧洞地質(zhì)條件差，洞室不穩(wěn)定巖體多，為保證施工安全，每循環(huán)爆破開挖結(jié)束后，在2～3 h內(nèi)完成錨噴支護施工，且噴錨支護滯后開挖作業(yè)面不大于50 m，對局部穩(wěn)定性較差的巖體在開挖后及時進行臨時錨噴支護。

3.3 隧洞特殊地質(zhì)段施工

（1）斷層破碎帶施工。斷層破碎帶段洞身開挖宜采用分部臺階法進行，對于風化嚴重，且裂隙內(nèi)有大量填充物的斷層破碎帶，洞身掘進宜采用人工配合風鎬的方式進行施工，其它的斷層破碎帶洞身掘進宜采用預裂爆破。

（2）巖爆地段施工。預先在工作面有可能發(fā)生巖爆的部位有規(guī)則的打一些孔眼，布設錨桿后注水，以便釋放應力，阻止圍巖達到極限應力而產(chǎn)生巖爆。對于巖爆較弱地段，洞身開挖后采取在巖面上灑水消除巖爆。對于巖爆較強地段，宜采用摩擦型錨桿，增大錨桿的初錨固力，采用噴射鋼釬維砼抑制開挖面拱部的脫落，必要時采取掛鋼筋網(wǎng)并設置鋼支撐進行支護。

（3）隧洞涌水溶洞施工。隧洞邊墻及頂拱局部有涌水的溶洞，可采用灌注水泥+水玻璃進行封堵處理；對不涌水的溶洞，采用泵送C20（2）混凝土封堵，封堵體的厚度（長度）不小于溶洞洞徑的5 倍且不小于2 m；對于空溶洞，如果溶洞底部高于底板開挖線，則按底板開挖線開挖，上部溶洞空腔根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況采取隨機錨噴支護措施；如果溶洞底部低于底板開挖線，則需要根據(jù)溶洞大小規(guī)模，對底板溶洞采取混凝土充填、或采取鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)架橋穿越、或針對大跨度溶洞采取架設多跨渡槽的形式穿越溶洞空腔，同時對溶洞上部空腔采取隨機錨噴支護措施。

（4）隧洞坍方及應急措施。小塌方采用錨桿和噴射砼聯(lián)合支護，封閉隧洞頂部和側(cè)墻，再進行清渣；大坍方、塌渣數(shù)大，坍渣體完全堵住洞身時，采用先支護后清渣的方法。處理塌方的同時，加強防排水工作。當掘進到地質(zhì)不良圍巖破碎地段，應采取“先排水、短開挖、弱爆破、強支護、早襯砌、勤量測”的施工方法。

4 施工質(zhì)量與安全

4.1 施工質(zhì)量

（1）配置專業(yè)的測量人員、儀器和設備，按本工程精度要求，合理設置測量控制點，建立施工控制網(wǎng)，并做好保護，防止被破壞，建立定期復核制度，保證測量控制點的精度。

（2）開挖過程中測繪開挖斷面，進行測量導線復測，每循環(huán)進行測量放樣時，均對上一循環(huán)開挖斷面進行規(guī)格檢查，并將超欠挖情況及時通知鉆孔人員，以便對鉆孔角度進行調(diào)整，避免超欠挖。

（3）鉆孔嚴格按照設計鉆爆圖施工，每排炮孔按“平、直、齊”的要求進行檢查。

（4）周邊孔在斷面輪廓線上開孔，沿輪廊線的調(diào)整范圍和掏槽孔的孔位偏差不大于5 cm，其它炮孔孔位偏差不得大于10 cm，在一定程度上降低轟動波對周邊圍巖的擾動。

4.2 施工安全

（1）鉆孔時注意身體與風槍保持距離，不得定靠在腰部以上，雙手緊握把手保持用力均衡，并保持身體穩(wěn)定。

（2）每次爆破時，由安全員鳴放警笛，提示有關人員離開警戒區(qū)，并在主要路口由安全人員警戒，嚴禁任何人進入爆破區(qū)域。

（3）爆破后必須經(jīng)過通風排煙后，檢查人員方可進入工作面，檢查照明線路是否安全，有無“盲炮”及可疑現(xiàn)象，頂拱及邊墻有無松動石塊，支護有無損壞與變形。在進行安全處理并確認無誤后，其他施工人員才可進入工作面。

（4）在鉆孔、出渣作業(yè)時，隧洞內(nèi)必須持續(xù)通風，降低粉塵的濃度，保證作業(yè)人員身體安全。

5 結(jié)論

復雜地質(zhì)條件下小斷面隧洞施工在隧洞工程中為數(shù)不多，本文結(jié)合東攀隧洞的施工特點及其地質(zhì)條件，對隧洞開挖施工技術進行研究，此技術措施可應用在類似隧洞工程中，可有效減少因施工工藝不合理或技術不成熟而導致質(zhì)量事故的發(fā)生或經(jīng)濟效益的損失，同時也需要在實踐中不斷改進工藝，進一步提高工程質(zhì)量。