隧洞下穿煤層段開挖支護施工技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

潘純

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽 110003）

1 工程概況

某水利工程進水池泄水洞全長1898.432m，城門洞型式尺寸為2.8m×3.5m（寬×高），結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。進水池泄水洞起點位于進水池，終點與沉沙池放空洞相交，起點底板高程826.0m，終點底板高程820.8m，設(shè)計縱坡0.2742%。進水池泄水洞的基本功能是承擔(dān)進水池放空及雍高水位泄水任務(wù)。該段隧洞擬計劃分上下游兩個掌子面實施開挖作業(yè)，分別朝著相反的方向?qū)嵤╅_挖，具體為進水池泄水洞施工支洞X0+207m往下游進尺，進水池泄水洞新增支洞X1+300m往上游進尺。在施工過程中發(fā)現(xiàn)，X0+425～X0+831m段煤層圍巖破碎，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，如果采取常規(guī)的鉆爆法實施開挖作業(yè)，將引發(fā)頂拱塌方等安全事故，隧道開挖支護難度系數(shù)大。

2 工程施工技術(shù)措施

2.1 地下水超前地質(zhì)勘探預(yù)報

在開挖作業(yè)前，施工人員做好地下水超前地質(zhì)勘察，落實先勘察后掘進的施工原則，并分析滲水、煤層揭露情況，同時采取超前探孔對尚未實施開挖的區(qū)域進行勘探預(yù)測?？紤]到施工現(xiàn)場圍巖破碎、節(jié)理發(fā)育的特點，超前探孔深度確定為5.0m，完成在掌子面頂拱、兩側(cè)邊墻與底板輪廓線上的超前探孔勘探檢測。編制地質(zhì)勘察報告，同時以探孔內(nèi)返水大小、呈色等信息為參考，初步判斷施工區(qū)域的施工條件，并在此基礎(chǔ)上制定相應(yīng)的施工技術(shù)方案，保證施工安全，提升工程建設(shè)的綜合效益。

2.2 超前堵水

根據(jù)超前地質(zhì)勘探報告可以發(fā)現(xiàn)，進水池泄水洞處于地下承壓水位以下，區(qū)域內(nèi)巖石節(jié)理發(fā)育，實施開挖作業(yè)后，巖壁的滲水將更加嚴重。為了解決巖石滲水問題，為隧洞開挖作業(yè)創(chuàng)造一個干燥良好的環(huán)境，采用超前堵水施工技術(shù)。在開挖掌子面的輪廓線上按照一定間距布置15個注漿孔，每一注漿孔的孔徑為42mm，深度為7.4m，并保證鉆孔方向與洞軸線的夾角大小不超出15°～19°。根據(jù)掌子面滲水實際情況調(diào)整預(yù)注漿段的距離，預(yù)注漿段為7.0m，其中開挖5.0m，預(yù)留2.0m搭接長度。進水池泄水洞超前堵水施工具體如圖1所示。

圖1 進水池泄水洞超前堵水縱斷面圖

在正式開始隧洞下穿開挖作業(yè)前，先確定預(yù)注漿堵水參數(shù)，同時采用性能、材質(zhì)等均符合施工要求的材料，確保堵水效果。在進水池泄水洞超前地質(zhì)勘探報告分析的基礎(chǔ)上，確定采用PO.42.5硅酸鹽水泥、水玻璃兩種材質(zhì)，在破碎圍巖位置設(shè)置注漿鋼管，鋼管長度為1.0～1.5m，直徑為25 mm，同時在管口位置設(shè)置球閥以提升注漿效率。

為了提升注漿效率，采用C20混凝土在掌子面噴射厚度為10cm的止?jié){環(huán)，以阻止在注漿過程中漿液溢出。嚴格按照設(shè)計規(guī)范要求開展注漿作業(yè)，遵循“先灌注線狀流水孔，再灌注涌水孔”施工原則，保持注漿壓力不超出1.5～2.0MPa的范圍。此外，為了提升漿液凝固效率，達到理想的掌子面堵水效果，施工人員在水泥漿液中添加3%～5%的水玻璃作為促凝劑。

2.3 超前小導(dǎo)管

根據(jù)超前地質(zhì)勘探報告發(fā)現(xiàn)，圍巖呈不良發(fā)育，進水池泄水洞X0+425～X0+831m段分布煤層，厚度達1.2～1.5m。若采用常規(guī)鉆爆法實施開挖，煤層段頂拱發(fā)生大面積塌方的概率較大。經(jīng)過充分研究與反復(fù)討論，確定在隧洞頂拱采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿支護技術(shù)，沿著頂拱開挖線外邊緣5cm處布設(shè)深度為4.5m的鉆孔，布置間距為30～35cm。同時，在隧洞頂拱兩側(cè)位置布置22根導(dǎo)管，采用直徑為42mm的鋼管。超前小導(dǎo)管制作與施工流程如圖2所示。

圖2 超前小導(dǎo)管示意圖

采用YT28氣腿鑿巖機為主，輔助人工作業(yè)的方式，引導(dǎo)超前小管道穿透預(yù)制鋼支撐腹板孔，并穩(wěn)固地插入小導(dǎo)管孔內(nèi)。分排完成導(dǎo)管插入作業(yè)，并保證每一排導(dǎo)管縱向搭接長度不小于1.5m。根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求，在超前堵水灌漿強度大于50%后，即可開展超前小導(dǎo)管造孔施工，同時采用雙液注漿，控制注漿壓力，確保水泥漿水灰比不超出0.8∶1～1∶1的范圍，縮短凝結(jié)時間，提升施工效率。此外，結(jié)束注漿施工后，應(yīng)選用干硬性水泥封堵導(dǎo)管孔，待在超前小導(dǎo)管水泥漿強度達到設(shè)計要求后，開展下一道施工工序，實施爆破。

2.4 爆破設(shè)計

考慮到施工現(xiàn)場的實際情況與煤層結(jié)構(gòu)的特點，采用短進尺、弱爆破、一炮一支護全斷面一次性爆破技術(shù)，確保造孔孔徑與深度達到設(shè)計要求。爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為非電毫秒雷管，采用32mm乳化炸藥實施起爆，并分段完成爆破（5段）。以下對爆破孔位的爆破設(shè)計進行簡單介紹。

2.4.1 掏槽孔

根據(jù)超前地質(zhì)揭露情況，可以確定煤層結(jié)構(gòu)圍巖等級為V類圍巖，巖石的發(fā)育方式為垂直節(jié)理發(fā)育。因而，在布置掏槽孔時也要充分結(jié)合掌子面巖層發(fā)育情況，垂直楔形布置掏槽孔。此隧洞工程共布置3對掏槽孔，按照間距為60cm的方式垂直楔形布置掏槽孔，確保掏槽孔與掌子面的夾角為75°，掏槽孔孔深為1.5m，掏槽孔之間的距離為30cm。爆破設(shè)計：采用32mm乳化炸藥連續(xù)裝藥4節(jié)，孔口采用炮泥封堵，封堵段長70cm。

2.4.2 主爆破孔

采用YT28氣腿鑿巖機完成造孔作業(yè)，確保主爆破孔孔深為1.3m，主爆破孔炮孔裝藥量計算公式：

式中：q——單眼裝藥量，kg；K——參照軟巖單耗量，取0.75kg/m3；a——炮眼間距，取0.75m；W——炮眼爆破方向的抵抗線，取0.60m；L——炮眼深度，取1.30m；λ——炮眼所在部位系數(shù)，取2。

爆破設(shè)計：按照公式（1）可以確定，主爆破孔單眼裝藥量q為0.80kg，采用4節(jié)32mm乳化炸藥連續(xù)裝藥，孔口采用炮泥封堵，封堵長度50cm。

2.4.3 底板孔

根據(jù)該隧洞工程爆破需要，按照間距為65cm布置5個底板孔。爆破設(shè)計：采用3節(jié)32mm乳化炸藥連續(xù)裝藥，孔口采用炮泥封堵，封堵長度70cm。

2.4.4 周邊孔

根據(jù)施工現(xiàn)場的具體情況和巖層的穩(wěn)定性調(diào)整周邊孔間距與造孔孔距，造孔孔徑為42mm，按照50cm的間距布置，同時最小抵抗線取值為75cm，采用光面爆破的方式。爆破設(shè)計：周邊孔炮孔深度為1.3m，底部裝1節(jié)32mm炸藥，端部放置1/232mm炸藥，平均線裝藥密度為0.375kg/m，采用不耦合裝藥，用竹片加導(dǎo)爆索連接，孔口采用炮泥封堵，封堵長度50cm。

2.5 出渣支護

綜合考慮進水池泄水洞尺寸及各類清渣設(shè)備的性能與規(guī)格，確定采用1臺電動履帶式扒渣機YZ-LDZ100，輔助2臺5t自卸車完成出渣任務(wù)。煤層遇水后易脫落軟化，加上受到自卸車輛與其他施工設(shè)備的碾壓，煤層會被碾壓成泥，影響出渣效率。針對這一問題，施工人員先將底板面煤層淤泥挖除干凈，同時采用中硬度級配碎石實施回填，保證底板面的平整度與密實度。此外，根據(jù)掌子面揭露情況，可以發(fā)現(xiàn)煤層頂拱與邊墻的穩(wěn)定性較差，出現(xiàn)塌方掉塊的概率較大，因而在完成出渣作業(yè)后，及時對開挖斷面進行初期支護。

3 瓦斯監(jiān)測

煤層段中含有瓦斯氣體的概率較大，預(yù)見難度較高，為保證施工場所的安全性，必須重視瓦斯監(jiān)測。選擇在施工支洞X0+207m與Xl+300m進洞口邊墻、掌子面位置各放置1臺壁掛式瓦斯檢測儀，并在實施爆破時把瓦斯檢測儀轉(zhuǎn)移到其他安全位置。同時，為施工人員提供JCB4便攜式甲烷檢測報警儀，便于進入施工現(xiàn)場的工作人員檢查瓦斯?jié)舛?，保證施工人員人身安全。若在施工過程中，檢測儀器發(fā)出警報，施工人員要立刻查看儀器，確定瓦斯?jié)舛?，并立即中止施工，及時撤離施工現(xiàn)場，配合臨時軸流風(fēng)機與風(fēng)袋提升掌子面的通風(fēng)效率，降低瓦斯?jié)舛取Ｔ谡谱用嫱咚節(jié)舛认♂屩?.3%以下時，施工人員才能夠進入施工現(xiàn)場，重新啟動施工電源，繼續(xù)實施掌子面開挖作業(yè)。在完成掌子面開挖施工后，配合超前堵水灌漿，在實施開挖的掌子面范圍噴射混凝土，形成厚度為10cm的密封空間，防止因瓦斯外泄而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

4 通風(fēng)排水

為了保證掌子面的通風(fēng)效率與排水性能，選擇在進水池泄水洞X0+207m與X1+300m兩側(cè)布置軸流風(fēng)機，配合風(fēng)袋鼓風(fēng)，確保掌子面的空氣流動性，降低空氣中的瓦斯?jié)舛?。考慮到開挖巖體破碎、節(jié)理發(fā)育，加上地下水豐富這一實際情況，在隧洞邊墻設(shè)計臨時排水溝，并按照30.0m為一間距單位布置集水坑，優(yōu)化排水設(shè)計，提升排水效率，統(tǒng)一將積水排出地下洞室。

5 結(jié)語

綜上所述，水利工程是事關(guān)民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施，對保證水利工程的建設(shè)安全與建設(shè)質(zhì)量具有重要意義。在水利工程隧洞下穿作業(yè)時，若遭遇煤層段等不良地質(zhì)區(qū)域，應(yīng)做好超前地下勘探，并根據(jù)勘探信息確定地下水、煤層分布情況，選擇科學(xué)的開挖支護施工技術(shù)，有效提升穿越煤層、富水層區(qū)等不良地質(zhì)的施工效率與安全性，從而保證隧洞作業(yè)順利開展，提升水利工程建設(shè)質(zhì)量。