淺談天水曲溪城鄉供水工程引水隧道出口人工鉆爆段開挖支護技術

王秀紅

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 741020）

1 工程概況

項目包括調節水庫、輸水隧洞、輸水管線、調蓄水池以及配套的大壩檢測系統、金屬結構和電氣工程等。內容如下：水庫樞紐為碾壓混凝土重力壩，最大壩高約80 m，壩頂長度385.85 m，總庫容7782 萬m3，屬中型Ⅲ等工程，從左往右依次為左岸擋水壩段、泄洪中孔壩段、溢流泄洪表孔壩段，右岸擋水壩段及右岸防滲壩段等。

引水系統由輸水隧洞、輸水管線及調蓄水池三部分組成，隧洞進水口位于壩前左岸，出口位于胡家溝右岸，接輸水管線至調蓄水池。其中輸水隧洞長21.57 km，為圓形無壓隧洞，開挖洞徑4.0 m，采用雙護盾TBM 法施工，引水隧道出口252 m 人工鉆爆段作為TMB 掘進的通過洞、始發洞，為TBM 掘進創造條件；引水管道長2.117 km，采用全封閉有壓輸水管道，管徑DN=1200 mm；調蓄水池容積為20 萬m3。

2 地質條件

引水隧洞自南向北穿過西秦嶺山地，山峰與溝谷相間發育，地質條件復雜。引水隧洞通過中泥盆統舒家壩組（D2S）、上泥盆統大草灘群（D3dc）地層及華力期侵入巖(δ4、γ4)，巖性有混合巖化片巖、云母角閃片巖、角閃斜長片巖、角閃綠泥片巖夾炭質片巖、綠泥云母片巖、大理巖、砂巖夾礫巖及泥質粉砂巖、花崗閃長巖、二云母花崗巖等。

隧洞出口252 m 人工鉆爆段有F6 斷層穿過，斷層F6 破碎帶及影響帶，為正斷層兼左旋走滑。產狀NE30°～60°NW∠60°～70°，走向與洞向夾角為45°～75°，破碎帶寬度大于200 m。組成物為碎裂巖塊、角礫巖、糜棱巖、灰黑色斷層泥，碎裂～碎屑狀結構，巖體破碎，泥鈣質膠結一般，斷面彎曲粗糙，下盤影響帶寬約80～100 m，巖體較破碎，呈碎裂結構。沿線地下水為基巖裂隙水，巖體透水性為中等～強透水，表現為線流或股流。

圍巖類別為Ⅴ類，施工中采用鉆爆法施工，局部采用機械開挖的方式施工，開挖需支護緊跟或超前支護及時襯砌；同時，采取必要的排水措施。

3 施工重難點

（1）隧洞出口段為Ⅴ類圍，薄層狀結構，結合較緊密，巖體完整性差，沿裂隙有線狀流水。局部斷層破碎帶可能存在突泥，圍巖極不穩定。

（2）引水隧洞通過三個次一級褶皺，巖層產狀變化大，斷裂構造發育，有F1～F7 等7 條區域性斷裂通過，與洞線中大角度相交。隧洞出口段F6 斷層穿過，為強風化巖體，裂隙極發育，多充填次生泥土，間距＜10cm，嵌合極松弛，巖體破碎，圍巖不穩定。

（3）Ⅴ類圍巖不能自穩，變形破壞嚴重，易塌方，開挖需支護緊跟或超前支護，及時襯砌。巖石質地松軟且遇水后變得更加松軟，這樣的地質可能會使得隧道發生變形、下沉開裂。

（4）隧洞掘進中須控制爆破炸藥量，防止隧洞圍巖沿F6 斷層下盤面發生拉裂及F6 斷層岸里邊坡發生崩塌、失穩。

4 主要施工措施

4.1 主要施工工藝流程

本工程的洞挖全部采用手風鉆造孔，全斷面掘進，毫秒微差爆破，設計周邊輪廓線上光面爆破。洞室圍巖條件較差，施工時采用管超前、短進尺、弱爆破、強支護、勤觀測的施工工藝。引水隧洞鉆爆段的洞挖出渣采用裝載機端渣至洞外裝車，20t 自卸汽車運輸，開挖后的洞段底部留渣作為施工通道。

開挖制定了采用YT-28 型風動鑿巖機造孔，鉆孔直徑φ42 mm，藥卷選用φ32 mm 乳化炸藥，全斷面開挖施工，單循環進尺控制在0.9～1.2 m 之間，周邊孔采取光面爆破，采用“多打孔、少裝藥”方式，炮孔間距為50 cm，爆破裝藥結構采用不耦合裝藥，采用導爆索引爆炸藥，毫秒雷管延時起爆的整體方案。

Ⅴ類圍巖施工，針對圍巖不能自穩，變形破壞嚴重易塌方等情況，開挖需支護緊跟或超前支護。巖石質地松軟且遇水后變得更加松軟，這樣的地質可能會使得隧道發生變形下沉開裂等情況，采用超前管棚施工技術。施工時避免爆破擾動，采用機械開挖周邊及人工橇挖的方式進行開挖。

隧洞洞挖的支護主要包括錨桿、噴混凝土以及鋼支撐等內容，洞挖施工時，洞室支護隨開挖掌子面而跟進，即洞室開挖每個工作面成形且滿足設計要求后立即進行支護施工；引水隧道出口Ⅴ類圍巖，揭露出來的地質缺陷所顯現的不穩定巖體，采取“一掘一支護”的方式。

4.2 超前管棚施工技術

超前小管棚適用于特殊困難地段，如在極破碎巖體、斷層破碎巖體、塌方體、巖錐地段、砂土質地層、裂隙發育巖體、等圍巖的隧道施工中。在軟弱及破碎巖層施工中，超前小管棚對松散巖層起到加固作用，注漿后增強了松散、軟弱圍巖的穩定性。有利于完成開挖后與完成初期支護時間內圍巖的穩定，不至于圍巖失穩破壞直至坍塌。超前小導管注漿適用于隧道拱部軟弱圍巖，松散、無黏結土層、自穩能力差的砂層及砂礫（卵）石層級破碎巖層。

超前小管棚為帶孔的鋼花管，施工要求一般沿隧頂拱部均勻布設，按照一定角度打入地層進行注漿。在工作面周邊形成一個環向的薄殼。設計管棚環向間距為30～50 cm，外插角宜為10°～15°。長度L=6 m 采用，42 mm 的無縫鋼管，前端做成圓錐狀，在后端焊接鋼筋箍筋，管體布設梅花形溢漿孔。施工時應與鋼構架成聯合支護，采用引孔頂入法施工。導管長度應大于2 倍循環進尺，宜為3.5～5.0 m，搭接長度不應小于2.0 m。施工時注漿水灰比為1:1，灌漿壓力0.5～1.0 MPa。施工時嚴格控制超前管棚的角度、深度、注漿質量和焊接質量。

4.3 根據圍巖類別采用全斷面或上下半洞開挖類型

引水隧道出口段屬西秦嶺山地，地質結構復雜。隧洞開挖施工，根據揭露出不同的巖石類型和產狀，采用不同的開挖方式。區域斷層破碎帶由碎裂巖塊、角礫巖、糜棱巖及斷層泥組成，泥鈣質膠結一般。其中Ⅰ類為：圍巖自穩較好、膠結狀相對好較洞段，采用全斷面開挖施工。單循環進尺控制在0.9～1.2 m 之間，開挖設備采用1.2 m3的液壓反鏟開挖，局部采用人工橇挖方式進行。Ⅱ類為：圍巖不能自穩，擠壓、變形破壞嚴重，巖石呈現泥鈣質，膠結一般或較差且有地下水活動洞段采用上下半開挖支護，單循環進尺控制在0.9～1.2 m 之間。

局部出現的硬巖和孤石采用破碎錘免爆拆除和弱爆破的方式解決。施工時，嚴格控制臺階長度和開挖進尺，避免長時間暴露，盡早完成初期支護閉合。下臺階采用單側錯位開挖，防止發生上部結構兩側同時懸空。

4.4 自進式錨固施工技術

設計頂拱180°范圍內布置HRB400 直徑22 mm全長粘結式砂漿錨桿，錨桿長度L=2.5 m，排距為1.5 m，間距與鋼拱架間距保持一致。鉆孔使用YT-28 型手風鉆進行施工，孔徑42 mm，鉆孔深度為2.3 m。F6斷層穿過，為強風化巖體，裂隙極發育，多充填次生泥土等特殊部位，普通砂漿錨桿施工成孔難度大，砂漿注漿不密實等情況。自進式錨固錨桿施工有效的解決了軟弱夾層、斷層破碎帶等不利地質條件。自進式錨桿施工時，錨桿無需拔出，中控部位作為注漿通道自里向外灌漿填筑錨桿孔，充分的填充空間、裂隙，達到支護的目的。

4.5 特殊部位灌漿處理

針對軟弱夾層、軟巖、有地下水活動的特殊部位，采用超前固結灌漿施工技術，對前方松散體及軟弱夾層進行預先固結灌漿，使其改變圍巖結構，提高圍巖的整體性和自承能力。改善圍巖的物理力學性能。有效防止開挖過程中出現局部小塌方，掉塊的等現象。

灌漿采用三缸灌漿泵進行，技術性能和灌漿壓力與漿液類型、濃度相適應。漿液濃度水灰比從1∶1逐步調整到0.5∶1 由稀到濃逐級轉換。

5 取得主要成效

（1）Ⅴ類圍屬軟巖，薄層狀結構，結合較緊密，巖體完整性差，沿裂隙有線狀流水。超前小管棚施工使工作面周邊形成一個環向的薄殼，達到加固地層的目的。防止出現掉塊或局部小塌方等情況，有效解決施工安全。

（2）上下半洞開挖施工拱架時，應采用擴大拱腳和做鎖扣錨桿等措施，控制圍巖和初期支護的變形。下半洞施工應在上半洞系統支護完成后再進行施工，并要求左右兩側錯位開挖，及時做好初期支護和仰拱,有效確保施工安全和工程質量。

（3）綜合采用超前管棚、上下半開挖、自進式錨桿加工等技術。有效克服軟弱巖體、斷層破碎帶等復雜的地質條件。通過幾種施工技術的綜合作用，有利改善水工隧洞周邊巖體的力學性質。

（4）有效采用變形觀測和地表變形觀測，通過對洞內工作面的圍巖觀測和支護面的位移觀測和洞口變形，洞外地表沉陷等洞外觀測，采集相應數據。及時掌握圍巖變形和支護動態的信息，施工時做到及時反饋，指導施工作業。

6 結語

引水隧洞自南向北穿過西秦嶺山地，山峰與溝谷相間發育，地質條件復雜。Ⅴ類圍巖不能自穩，變形破壞嚴重，易塌方，開挖需支護緊跟或超前支護，及時襯砌。巖石質地松軟且遇水后變得更加松軟。在以上復雜的地質條件下，工程引水隧洞出口段人工鉆爆段綜合采用超前管棚、上下半開挖、自進式錨桿加工等技術。遵循管超前、短進尺、弱爆破、強支護、勤量測的施工工藝。克服了軟弱巖體變形、局部掉塊、塌方等不利地質條件，順利完成開挖和初期支護。為下一步TBM 掘進創造條件，同時也對同類型地質條件水工隧洞施工有一定的借鑒意義。