引洮二期高原缺氧小斷面隧洞開挖掘進(jìn)施工實(shí)踐

劉峻嘉，吳建東

(1.甘肅省水務(wù)投資有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

引洮供水二期工程是國務(wù)院確定的全國172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，從洮河流域調(diào)水到嚴(yán)重缺水的甘肅省中部干旱地區(qū)[1-2]?？偢汕O(shè)計(jì)引水流量20m3/s，加大引水流量為22.520m3/s。2030年二期工程供水量為3.13×104m3，受水區(qū)總?cè)丝谶_(dá)到267.76萬人，新增灌溉面積1.95萬hm2。引洮供水二期工程屬Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大(2)型，包括1條總干渠，長95.091km；6條干渠(四-九干渠)及2條分干渠，總長299.968km。本文研究對象為七干渠，起始樁號39+650～49+494.167m，渠道總長9844.16m，含隧洞、暗渠及倒虹吸等建筑物。工程區(qū)沿線物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為滑坡、崩塌等不利條件。由于隧洞屬于地下工程，復(fù)雜地質(zhì)條件和開挖掘進(jìn)方案的合理性，如：高原缺氧、節(jié)理裂隙、圍巖變形等會直接影響工程施工的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性[3]?？茖W(xué)開挖掘進(jìn)設(shè)計(jì)是確保高原缺氧小斷面長隧洞開挖穩(wěn)定及安全施工的重要保障。

2 工程地質(zhì)條件

樁號39+650～41+040段為七干渠16#隧洞，長1390m；樁號41+080～43+330段為七干渠17#隧洞，長2250m；樁號43+390～46+115段為七干渠18#隧洞，長2725m。16#～18#隧洞圍巖主要有Z1變質(zhì)砂巖、大理巖，C3—P1砂巖夾頁巖。

Z1變質(zhì)砂巖、大理巖洞段為16#隧洞39+650～39+913，屬Ⅳ類圍巖。變質(zhì)砂巖、大理巖呈互層狀，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀—次塊狀構(gòu)造，在大理巖層間有溶蝕現(xiàn)象，受構(gòu)造影響巖體中小斷裂發(fā)育，且相互切割常形成不利組合，地下水活動(dòng)輕微-中等，多沿裂隙面、層面有滴滲水或線狀流水，水質(zhì)良好，對普通混凝土無腐蝕性。Ⅳ類圍巖不穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，設(shè)錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土。

C3-P1砂巖夾頁巖及耐火黏土洞段為16#隧洞39+913～41+040，17#隧洞41+080～43+330，18#隧洞43+390～45+310。除16#隧洞39+913～41+040及17#隧洞41+080～41+221段為Ⅴ類圍巖外，其余均為Ⅳ類圍巖，圍巖屬中厚層較軟巖夾薄層軟巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，層面、裂隙面相互切割形成不穩(wěn)定巖體，而且有地下水活動(dòng)，洞內(nèi)地下水活動(dòng)中等，對混凝土有硫酸鹽型弱腐蝕性，對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有弱腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。由于地下水的活動(dòng)加劇了圍巖的不穩(wěn)定性，在施工時(shí)沿結(jié)構(gòu)面有線狀流水。Ⅳ類圍巖不穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，設(shè)錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土[4-6]；Ⅴ類圍巖極不穩(wěn)定，圍巖有收斂變形問題，洞頂易掉塊，局部坍塌。隧洞開挖時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，設(shè)錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土，并設(shè)鋼拱架支護(hù)。

鑒于新近系極軟巖洞段、破碎圍巖及斷層破碎帶洞段的圍巖穩(wěn)定問題較為突出，在隧洞施工過程中要加強(qiáng)圍巖變形觀測并及時(shí)反饋觀測資料。

3 開挖掘進(jìn)方案比選

16#～18#隧洞地處黃土高原邊緣中低山梁峁丘陵區(qū)，工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，主要以強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖、大理巖和砂巖夾頁巖等極不穩(wěn)定地層構(gòu)成隧洞圍巖，自穩(wěn)性差、涌水、濕陷性黃土等問題尤為突出，并伴有一定腐蝕性的地下水活動(dòng)，使得地層更加破碎，易坍塌，施工風(fēng)險(xiǎn)高。鑒于小斷面、長隧洞在高原缺氧時(shí)的實(shí)施難度，根據(jù)隧洞地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)優(yōu)選TBM工法和鉆爆法進(jìn)行對比分析，比選成果見表1。

表1 TBM工法與鉆爆法技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選成果

綜合分析比選成果，TBM工法優(yōu)缺點(diǎn)為：優(yōu)點(diǎn)為TBM工法先進(jìn)，一次成洞對圍巖擾動(dòng)小，成洞快，工期短，施工安全有保障；缺點(diǎn)為投資高，國內(nèi)可供選擇的經(jīng)驗(yàn)豐富的隊(duì)伍少，受外匯匯率變化影響大，要求施工管理技術(shù)水平高。鉆爆法優(yōu)缺點(diǎn)為：優(yōu)點(diǎn)為投資低，對地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，可供選擇的有成熟施工經(jīng)驗(yàn)的施工隊(duì)伍較多，便于相互協(xié)作，施工工廠要求標(biāo)準(zhǔn)低；缺點(diǎn)為進(jìn)度較慢，工期較長，爆破作業(yè)對圍巖擾動(dòng)較大，施工安全保障性較差。根據(jù)16#～18#隧洞洞長、設(shè)計(jì)斷面、圍巖情況和施工支洞條件，考慮到TBM工法投資偏大，需較高技術(shù)水平的工人和必要的檢修力量，外在風(fēng)險(xiǎn)較高，同時(shí)受其它長隧洞工期的影響，該方案雖可實(shí)現(xiàn)工期提前，但經(jīng)濟(jì)效益不明顯。而常規(guī)鉆爆法投資低，可供選擇的施工隊(duì)伍較多，施工工廠要求標(biāo)準(zhǔn)低，施工裝備簡單，通用性強(qiáng)，與其它長隧洞工期相比滯后負(fù)面作用小，優(yōu)選常規(guī)鉆爆方案。

4 巖石隧洞開挖

4.1 洞口石方開挖

引洮供水二期工程七干渠16#～18#隧洞洞口地質(zhì)條件較差，洞口及隧洞淺埋段施工時(shí)采取鋼支撐和管棚支護(hù)等提前進(jìn)洞措施，盡量減少高邊坡和對洞口植被的破壞。洞口石方開挖采用臺階法淺孔松動(dòng)爆破。爆破參考參數(shù)為：按設(shè)計(jì)邊坡預(yù)留保護(hù)層0.6～0.8m，炮孔直徑Φ42mm，孔距1.0m，眼深2.0m，采用19#巖石硝銨炸藥(有水炮孔用乳化炸藥)。石方開挖采用移動(dòng)式空壓機(jī)配YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔。施工時(shí)設(shè)立標(biāo)志牌，必須做好爆破安全警戒工作，確保施工安全和行人安全，爆破后及時(shí)清理道路上的石渣。

4.2 Ⅳ類圍巖鉆爆設(shè)計(jì)

4.2.1炮眼數(shù)及裝藥量

炮眼鉆孔前準(zhǔn)確測畫出隧洞爆破開挖后的輪廓線，并詳實(shí)標(biāo)出掏槽眼和周邊眼的具體位置[7-8]。炮眼直徑為Φ42mm，掏槽眼1.7m，輔助眼1.5m，底眼1.5m。巷道斷面和巖石堅(jiān)固性系數(shù)采用簡易經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，即：

(1)

式中，N—炮眼數(shù)量；f—巖石堅(jiān)硬系數(shù)，此處f=8；S—開挖面積，此處為15.6m2。

經(jīng)計(jì)算炮眼數(shù)量為41個(gè)，考慮光面爆破，實(shí)際布置48個(gè)。

每個(gè)炮眼裝藥量計(jì)算公式為：

Q=η·L·r

(2)

式中，η—炮眼裝藥系數(shù)，取η=0.6；L—爆破眼眼深，掏槽眼1.7m，輔助眼1.5m；r—每米長度炸藥的重量，r=0.78kg/m。

經(jīng)計(jì)算掏槽眼單眼爆破裝藥量為0.79kg；輔助眼單眼爆破裝藥量為0.70kg。

4.2.2炮眼布置及起爆順序

根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況，每循環(huán)進(jìn)尺1.5m循環(huán)方量約為23.4m3，炸藥單耗為1.14kg/m3，周邊眼采用Φ25×300藥卷，其余炮眼采用Φ32×200藥卷，如圖1所示，見表2。

圖1 炮眼布置及聯(lián)接示意

表2 圍巖起爆順序及爆破參數(shù)

4.2.3爆破網(wǎng)絡(luò)連接

按圖1劃定區(qū)域裝藥連線，“先上后下、先兩側(cè)后中間”。炮眼裝藥結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

導(dǎo)爆管連線采用“簇聯(lián)”法，配2發(fā)非電毫秒雷管連接通過四通和塑料導(dǎo)爆管與電容式(MFD型)起爆器端頭聯(lián)結(jié)，電容式(MFD型)起爆器引爆塑料導(dǎo)爆管，非電毫秒雷管起爆。裝藥結(jié)束經(jīng)安全檢查合格后才能起爆。

4.3 Ⅴ類圍巖開挖

遵循“管超前、少擾動(dòng)、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、嚴(yán)治水、強(qiáng)支護(hù)、勤量測，緊封閉”的原則，V級圍巖采用正臺階先拱后墻法施工。正臺階先拱墻、拱部環(huán)形法開挖，工作面多，進(jìn)度快，保留核心土便于支撐，保證圍巖穩(wěn)定，避免塌方，施工安全[9-10]。為避免塌方，貫徹短開挖原則，上導(dǎo)坑掘進(jìn)循環(huán)0.6～1.0m，并根據(jù)圍巖狀況，隨時(shí)調(diào)整。

4.4 施工支護(hù)

16#～18#隧洞斷面尺寸較小，開挖、出渣、支護(hù)及襯砌等作業(yè)工序很難或無法同步進(jìn)行。另外，隧洞部分沿線，在斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育地段，洞內(nèi)地下水呈線流狀，可能會發(fā)生涌水，不利于施工開挖掘進(jìn)。為了適應(yīng)圍巖的變形，防止隧洞在施工開挖過程中出現(xiàn)塌方，洞身總體采用復(fù)合式支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和施工處理。

隧洞沿線Ⅳ、Ⅴ類圍巖占的比例較大，同時(shí)還有數(shù)條規(guī)模大小不等的斷層破碎帶，為防止隧洞在施工開挖過程中出現(xiàn)塌方，對自穩(wěn)時(shí)間很短的圍巖及斷層破碎帶等地段采用超前小導(dǎo)管注漿、管棚預(yù)注漿等措施。小導(dǎo)管周壁預(yù)注漿是沿開挖外輪廓線，以10°～30°角度，打入管壁帶小孔的小導(dǎo)管，并以一定壓力向管內(nèi)壓注漿液的施工措施。既能將洞周巖體預(yù)加固，又能起到超前預(yù)支護(hù)作用。小導(dǎo)管采用Ф42熱軋無縫鋼管，長度3～5m。Ⅳ(Ⅴ)類圍巖一次支護(hù)方式為：頂拱、側(cè)墻噴C20混凝土厚100mm(150mm)，頂拱120°范圍內(nèi)噴混凝土層中布設(shè)Φ6.5mm×200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，頂拱、側(cè)墻范圍內(nèi)布設(shè)Φ20mm、長度1.5～2.0m@1.0m系統(tǒng)錨桿，局部圍巖破碎帶緊貼巖面隨機(jī)架設(shè)Ⅰ12～Ⅰ16@0.8～1.2m鋼拱架；2個(gè)榀鋼拱架之間設(shè)Φ25mm環(huán)向間距500mm的連接筋；有地下水洞段頂拱180°范圍內(nèi)加超前Φ42超前鋼管管棚(環(huán)向間距300mm，L=3000mm)。二次襯砌頂拱、側(cè)拱現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土厚300mm(350mm)，底拱現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土厚350mm(400mm)。二襯結(jié)束后，在隧洞頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿。

4.5 出渣運(yùn)輸

隧洞開挖出渣通常包括無軌運(yùn)輸和有軌運(yùn)輸2種。經(jīng)測算，同一隧洞當(dāng)洞內(nèi)出渣運(yùn)距為0.5km時(shí)，無軌、有軌2種出渣方式每方渣料洞內(nèi)裝運(yùn)直接費(fèi)用分別為18.94、21.55元/m3，無軌出渣較為經(jīng)濟(jì)；同理，運(yùn)距1km時(shí)費(fèi)用分別為22.42、22.11元/m3，基本相當(dāng)；運(yùn)距1.5km時(shí)費(fèi)用分別為25.64、22.68元/m3，有軌出渣較為經(jīng)濟(jì)。鑒于16#～18#隧洞單工作面平均控制主洞長度在1km以下，確定隧洞出渣采用無軌方式，如圖3所示。

圖3 平洞無軌出渣單車道斷面示意(單位：mm)

巖石隧洞洞內(nèi)出碴采用挖裝機(jī)或PB60耙碴機(jī)配5m3農(nóng)用車運(yùn)輸，隧道開挖每隔150m設(shè)一個(gè)錯(cuò)車洞，以供運(yùn)輸車輛調(diào)頭，每隔40m設(shè)一個(gè)躲避洞(1.2m×1.8m×1m)以供人員躲避。

5 結(jié)論

引洮供水二期工程七干渠16#～18#隧洞工程具有地質(zhì)條件復(fù)雜多變、自穩(wěn)性差、涌水、濕陷性黃土、施工作業(yè)點(diǎn)多等特點(diǎn)。根據(jù)隧洞軟弱圍巖條件，鑒于小斷面、長隧洞在高原缺氧時(shí)的實(shí)施難度，經(jīng)與TBM工法對比設(shè)計(jì)選定技術(shù)經(jīng)濟(jì)均較優(yōu)的鉆爆開挖掘進(jìn)方式，并按“短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)”原則確定了控制爆破參數(shù)、施工支護(hù)和出渣運(yùn)輸方案。在類似工程建設(shè)中，除了要結(jié)合現(xiàn)場爆破試驗(yàn)合理確定設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)和施工組織方案外，還需采取超前探測、超前支護(hù)及排水等安全措施，做到高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求的隧洞爆破開挖掘進(jìn)，確保隧洞施工安全。