廖彬

摘 要：小斷面特長引水隧洞開挖斷面較小，線路較長，爆破散煙持續(xù)時間長，且施工工序多、干擾大，技術難度大，效率低，工期普遍較長。本文以紅衛(wèi)橋水電站廠區(qū)樞紐工程引水隧洞施工為例，介紹了小斷面特長引水隧洞的快速開挖施工技術。利用農用車改裝自移式鉆孔臺車，針對不同類別的圍巖采用不同的掏槽方式，采用裝載機裝渣并設置錯車道，采用壓入式通風并分階段布置通風設備，加強了各施工工序的有效銜接，減少了各工序作業(yè)時間。

關鍵詞：引水隧洞;小斷面;掏槽方式;施工通風;出渣方式;快速開挖

中圖分類號：TV554 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0062-05

Analysis on Construction Technology of Rapid Excavation of Small Section and Super Long Diversion Tunnel

LIAO Bin

（Sinohydro Bureau 8 Co.， Ltd.， Changsha Hunan 410004）

Abstract： The excavation section of the small-section super-long diversion tunnel is small， the line is long， the blasting smoke lasts for a long time， and there are many construction procedures， large interference， high technical difficulty， low efficiency， and generally long construction period. This paper takes the construction of the diversion tunnel of the Hongweiqiao Hydropower Station's pivotal project as an example， and introduces the construction technology of rapid excavation of the small section and super long diversion tunnel. In the meantime， agricultural vehicles are used to refit self-moving drilling rigs， different cutting methods are adopted for different types of surrounding rocks， slag loading is used by loader， and the wrong lane is set， and press-in ventilation is adopted and ventilation equipment is arranged in stages to strengthen the effective connection of various construction procedures and reduce the operation time of each procedure.

Keywords： diversion tunnel;small section; cutting method;construction ventilation;slag extraction method;rapid excavation

紅衛(wèi)橋水電站地處四川省阿壩藏族羌族自治州金川縣境內的俄日河下游段，其引水隧洞沿俄日河右岸布置，總長為19.175 km。進水口底板頂面高程為2 855.95 m，至調壓室處隧洞底板頂面高程為2 795.00 m，縱向坡度為3.129‰。隧洞斷面為平底馬蹄形，斷面開挖底寬為4.50～4.89 m，高度為5.40～6.16 m。引水隧洞主要穿過三疊系上統(tǒng)侏倭組（T）和中統(tǒng)雜谷腦組上段（Tz）。地層巖性大多是變質砂巖和板巖，隧洞圍巖工程地質條件隨巖性的不同而有一定差異。雜谷腦組上段（Tz）為灰、深灰色變質砂巖夾少量板巖，局部為基本不夾板巖的變質砂巖;侏倭組（T）為變質砂巖和板巖，多呈韻律式互層。板巖強度相對較低，屬較軟巖，變質砂巖強度較高，中細粒結構，屬堅硬巖。圍巖主要為Ⅲ類，含部分Ⅳ類和少量Ⅴ類。

紅衛(wèi)橋水電站主體工程分為首部樞紐工程和廠區(qū)樞紐工程，其中廠區(qū)樞紐工程引水隧洞自樁號（隧）10+154起，到（隧）19+175.02止，總長為9 021.02 m。布置4條施工支洞（5#～8#），支洞長度分別為279.26 m、609.68 m、775.28 m、190.13 m。廠區(qū)樞紐工程引水隧洞及其施工支洞平面布置如圖1所示。相鄰支洞之間的主洞段長度如下：5#～6#施工支洞之間的主洞段長為2 834.09 m，6#～7#施工支洞之間的主洞段長為2 592.80 m，7#～8#施工支洞之間的主洞段長為2 391.70 m。隧洞分初期支護和永久支護。其中，初期支護方式如下：Ⅲ類圍巖采用隨機錨桿+5 cm厚噴混凝土;Ⅳ類圍巖采用系統(tǒng)錨桿+掛鋼筋網+10 cm厚噴混凝土;Ⅴ類圍巖采用系統(tǒng)錨桿+工字鋼拱架+掛鋼筋網+16 cm厚噴混凝土。下面分析小斷面特長引水隧洞的快速開挖技術。

1 作業(yè)臺車

隧洞開挖及支護施工一般直接采用型鋼制作作業(yè)臺車，需要另行配置動力系統(tǒng)或輔助設備方可實現移動功能。臺車移動操作復雜、移動速度慢，對施工工期控制極為不利。

紅衛(wèi)橋水電站引水隧洞開挖斷面較小、高度不大，采用農用車改裝臺車作為鉆孔平臺，主要分為農用車和鋼結構施工平臺兩部分。其中，鋼結構施工平臺采用型鋼制作，并設置平臺板、爬梯及防護欄桿等輔助設施。改裝后臺車可利用平臺板與已開挖洞室底板分別形成頂部、中部、底部三層作業(yè)平臺，使作業(yè)平臺覆蓋整個掌子面區(qū)域，確保全斷面作業(yè)。作業(yè)臺車采用農用車改裝，自身具備動力系統(tǒng)。臺車移動無須采用其他設備進行輔助，且移動靈活、方便、快速。

2 開挖方法

2.1 開洞口施工

開洞原則上采用先鎖口后開洞口的程序。鎖口采用鎖口錨桿支護，鎖口錨桿的一般規(guī)格為直徑25 mm、長度4.50 m。首先按照設計圖紙由測量人員進行放樣，并使用油漆做好標記[1]，然后進行定位鉆孔，由人工配合平臺車安裝鎖口錨桿，注漿機注漿。鎖口處理完成后，方可進行洞身段開挖施工。

開挖洞口時，采用短進尺，周邊光面爆破。嚴格控制循環(huán)進尺在1.0 m左右，爆破聯網時盡量多分段，以減小單響起爆藥量，降低對洞臉圍巖的振動影響，保證洞口成形質量[2]。開挖成形后的洞口需要及時進行噴錨支護、封閉，必要時采用鋼支撐與掛網噴混凝土封閉支護，使洞臉形成整體的支撐結構。

2.2 洞身開挖

引水隧洞斷面小，洞身開挖均采用手風鉆鉆孔，全斷面開挖，周邊光面爆破。

2.2.1 Ⅲ類圍巖開挖。開挖工藝流程如下：施工準備→測量放線→鉆孔→裝藥爆破→通風散煙、噴水除塵→安全處置→出渣及清底→初期支護→下一循環(huán)。

[①]測量放線。洞內施工測量采用水準儀配合全站儀進行，并使用紅外線激光定位技術放樣。每排炮后進行洞室中心線、設計規(guī)格線的測放[3]，并按照爆破設計要求布設炮孔孔位。開挖斷面測量一般在噴混凝土之前進行，測量控制間距2 m。定期進行洞軸線的全面檢查、復測，以保證測量控制工序質量。同時，隨著洞室開挖、支護的進行，每隔10 m在兩側洞壁和洞頂設置樁號標志。洞內測量的控制點埋設應牢固隱蔽，并做好保護，以避免被機械設備破壞。

[②]鉆孔作業(yè)。每循環(huán)測量及放樣后，由熟練的鉆工嚴格按照爆破設計圖進行鉆孔作業(yè)，鉆孔深度為3.0 m。每排炮均應進行鉆孔檢查，其中周邊孔誤差不得大于5 cm，主爆孔誤差不得大于10 cm。施工中嚴格遵循“向掏槽孔要進尺、向崩落孔要效率、向周邊孔要質量”的原則[1]。鉆孔完成后，要逐個把孔內雜物清除干凈，并認真檢查鉆孔的孔位、方向及深度。不合格鉆孔必須用黃泥堵塞，然后重新施鉆，以保證鉆孔的質量，從而為爆破效果提供保障。

[③]裝藥、連線、起爆方式。向孔內裝設炸藥前，先用高壓風對炮孔進行沖掃，炮孔經驗收合格后，方可實施裝藥、爆破;炮孔的裝藥、堵塞和引爆線路的連接應由經考核合格并持有爆破員證的炮工嚴格按已批準的爆破設計進行施作，裝藥過程嚴格遵守《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）。利用平臺車作為登高設備裝藥，掏槽孔、崩落孔及底板孔均采用Φ32 mm炸藥卷連續(xù)裝藥，周邊光爆孔用Φ25 mm炸藥卷捆綁于竹片上間隔裝藥，孔口用炮泥堵塞嚴實。炮孔裝藥嚴格按照爆破設計圖進行，堵塞良好。掏槽孔、崩落孔及底板孔采用非電毫秒雷管起爆、非電傳爆網絡，周邊光面孔用導爆索網絡起爆。最后，由炮工和值班技術員復核檢查，確定無誤后，撤出人員和機械設備，由炮工負責引爆[4]。

[④]通風散煙、噴水除塵。隧洞開挖及支護施工過程中，一直開啟通風設備進行通風，以確保爆破后規(guī)定時段內將洞內有害氣體含量降至規(guī)定范圍內。爆破散煙完成后，對開挖面爆破渣料范圍進行噴水除塵。

[⑤]安全處置。爆破后，可用1 m3反鏟挖掘機或人工清除掌子面和邊頂拱上的危石和碎塊，以確保進入人員和機械設備的安全。巖石破碎段完成排危后，可先噴一層素混凝土，厚度3～5 cm，出渣后再次進行檢查與排危。在整個施工過程中，安排專職安全員進行安全檢查，若發(fā)現問題，要及時報告和處理。

[⑥]初期支護。每排炮開挖完成后，穩(wěn)定性差的圍巖段須及時采用素噴混凝土、隨機錨桿、系統(tǒng)錨桿及掛鋼筋網等進行支護。

2.2.2 Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖。Ⅳ、Ⅴ類圍巖除采用Ⅲ類圍巖開挖方法和工藝外，還應針對圍巖實際情況，在測量放線后，采取超前小導管或超前錨桿等支護方式預先對圍巖進行加固處理，確保圍巖穩(wěn)定[2]。施工嚴格按照新奧法原則進行，Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞室段遵循“超前預測、超前支護、預灌漿、短進尺、弱爆破、少擾動、早封閉、強支護、勤量測”的工藝要求進行施工[3]，其中Ⅳ類圍巖斷面循環(huán)掘進深度按不大于2 m控制，Ⅴ類圍巖斷面循環(huán)掘進深度按不大于1 m控制。爆破后暫不出渣，經安全處置與平渣后，立即施作初期支護，采用砂漿錨桿、鋼拱架及掛網噴混凝土等支護手段，以確保圍巖穩(wěn)定。出渣后，按規(guī)范要求隨施工進度設置圍巖收斂監(jiān)測點位，監(jiān)測頻次按規(guī)定進行，對監(jiān)測數據及時進行匯總分析，如發(fā)現異常情況，及時研究應對措施并處理。對于有控制爆破要求的區(qū)域，設置動態(tài)觀測點，對爆破振動情況進行監(jiān)測。此外，每次爆破后及時整理觀測成果，以指導爆破施工[4]。

2.3 出渣方式選擇

小斷面引水隧洞的斷面寬度及高度均較小，開挖施工通常采用扒渣機進行裝車出渣，但其行走速度慢，避炮來回時間長[5]，且洞內作業(yè)設備故障率高，另外需要布置較長的動力電纜，對開挖施工影響較大。裝載機具有移動速度快、故障率低等優(yōu)點，更能適應洞內作業(yè)環(huán)境。結合紅衛(wèi)橋水電站廠區(qū)樞紐工程引水隧洞開挖斷面尺寸，開挖采用3 m3裝載機裝渣，18 t自卸汽車運輸出渣。同時，在洞內每隔150～200 m設置一個錯車道，以滿足出渣需要。

2.4 開挖循環(huán)時間及循環(huán)進尺

洞身開挖及初期支護的循環(huán)時間如表1所示。Ⅲ類圍巖段循環(huán)進尺為2.6 m，初期支護（素噴+隨機錨桿）緊跟開挖面，綜合月進尺為140 m。Ⅳ類圍巖段循環(huán)進尺為1.8 m，系統(tǒng)支護緊跟開挖面，綜合月進尺為80 m。Ⅴ類圍巖段循環(huán)進尺為0.95 m，系統(tǒng)支護緊跟開挖面，綜合月進尺為40 m。

3 爆破設計

引水隧洞采用孔眼法爆破，爆破孔分為掏槽孔、崩落孔、底孔和周邊孔。

3.1 掏槽方式及掏槽孔布置

隧洞開挖工程中，掏槽效果是決定循環(huán)進尺大小的關鍵，而影響掏槽爆破效果的主要因素是掏槽方式和爆破參數[5]。

Ⅲ類圍巖開挖寬度小、鉆孔深度較大，受兩側洞壁夾制影響大。為提高爆破效率，確保每循環(huán)掘進深度，采用直孔掏槽方式。直孔掏槽由一組垂直于工作面、相互平行、間距小且有2個空心的炮孔組成。炮孔裝藥系數為0.7～0.8。根據經驗，軟巖層孔距一般為150 mm左右，中硬巖層孔距為100～300 mm，硬巖層孔距為100 mm。本例中，直孔掏槽采用六邊形布置，孔距為25 cm，共布置9個炮孔。其中中間上下2個中空孔不裝藥，孔深均為3.2 m，炮孔直徑為42 mm，經爆破后形成500 mm×1 000 mm的自由面，炮孔布置如圖2所示。

Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖循環(huán)進尺要求較短，受兩側洞壁夾制影響不大，選擇楔形掏槽方式，可減少鉆孔數量，減少一定的鉆孔時間。楔形掏槽又被稱V形掏槽，通常由2～4對對稱的相向傾斜的掏槽炮孔組成，爆破后能形成V形槽。楔形掏槽可以分為水平楔形掏槽和垂直楔形掏槽兩種形式。楔形掏槽孔的傾角通常為55°～80°。巖石越堅硬，傾角越小。孔底距離通常為0.1～0.3 m，巖石越堅硬，距離也越小。本例中，Ⅳ類圍巖、Ⅴ類圍巖均采用楔形掏槽，其中Ⅳ類圍巖采用二級復式楔形掏槽，排距為0.3 m，傾角為60°～66°，孔底距離為20 cm，如圖3所示。

3.2 炮孔孔距和裝藥參數

3.2.1 周邊孔。Ⅲ類圍巖周邊孔孔距為50 cm，抵抗線長度為60 cm，孔內采用1/2節(jié)Φ25 mm藥卷間隔20 cm裝藥，孔底采用1節(jié)半Φ32 mm藥卷加強裝藥，線裝藥密度為210 g/m;Ⅳ類圍巖周邊孔孔距為45 cm，抵抗線長度為55 cm，孔內采用1/2節(jié)Φ25 mm藥卷間隔30 cm裝藥，孔底采用1節(jié)Φ32 mm藥卷加強裝藥，線裝藥密度為155 g/m;Ⅴ類圍巖周邊孔孔距為40 cm，抵抗線長度為50 cm，孔內采用1/2節(jié)Φ25 mm藥卷間隔40 cm裝藥，線裝藥密度為125 g/m。

3.2.2 崩落孔。孔距為80～110 cm，圈距為70～100 cm，孔內采用Φ32 mm藥卷連續(xù)裝藥，裝藥系數為0.55～0.40。

3.2.3 底孔?？拙酁?0～80 cm，孔內采用Φ32 mm藥卷連續(xù)裝藥，裝藥系數為0.60～0.40。

3.3 裝藥結構及起爆順序

隧洞開挖掏槽孔、崩落孔、底孔均采用連續(xù)、耦合裝藥結構，周邊孔采用間隔、不耦合裝藥。炮孔堵塞一般采用鉆孔石屑、黃泥等，并利用木棍進行封堵。掌子面的炮孔應按掏槽孔、崩落孔（輔助擴槽孔、主崩落孔）、底孔、周邊孔的先后順序起爆。

4 初期支護

初期支護隨作業(yè)面開挖跟進施工，錨桿、掛鋼筋網、噴混凝土等作業(yè)均直接利用開挖施工臺車。小斷面引水隧洞錨桿長度一般為3 m，采用手風鉆鉆孔、“先注漿后插桿”的施工方法，噴混凝土采用濕噴法。鋼拱架采用冷彎或熱彎方法在加工廠加工，按照洞室不同圍巖類別段形狀、規(guī)格采取分段、分節(jié)方式進行制作，按實際尺寸放樣，設立同比例胎模的工作臺，節(jié)間采用螺栓連接，立柱底部設置鋼墊板，相鄰拱架之間設置連接鋼筋。

5 施工通風

為滿足隧洞施工通風要求，每個掌子面均采用獨立的通風系統(tǒng)，以保證供應給洞內每一作業(yè)人員不少于3 m3/min的新鮮空氣，并保持空氣流通速率在15 m/min以上、二氧化硅粉塵含量低于1 mg/m，且開挖作業(yè)現場空氣中煙霧的亞硝酸、一氧化碳和二氧化碳的含量均不超過有關勞動法規(guī)要求的標準。

在5#～8#支洞口分別布置型號SDDY-Ⅲ-11、功率55×2 kW、風量1 417 m/min的三速對旋軸流風機，采用Φ1 200 mm軟風筒進行壓入式通風。在各工作面洞內開挖深度達1 500 m后，為加快洞內爆破排煙，另行增加一臺22×2 kW軸流風機進行加強通風。

6 實施效果

紅衛(wèi)橋水電站廠區(qū)樞紐工程引水隧洞圍巖以Ⅲ類為主且存在部分Ⅳ類，最大月開挖強度達125 m，達到了預期效果，實現了小斷面特長引水隧洞的快速開挖施工。

7 結語

對于小斷面特長引水隧洞開挖，建議采用農用車改裝自移式臺車作為鉆孔平臺。它不僅能覆蓋全斷面施工，而且具有更高的靈活性，使用方便、快捷，同時可用于支護施工，減少循環(huán)作業(yè)時間。小斷面引水隧洞開挖應根據不同圍巖類別的開挖特性及開挖尺寸選擇合理的掏槽方式，以達到提高爆破效率、降低施工成本的目的，建議Ⅲ類圍巖采用直孔掏槽，Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用楔形掏槽。

小斷面引水隧洞采用全斷面開挖的方法，底板部位不留保護層，對施工設備的選型較為有利，但應做好底板孔爆破參數控制，避免底板欠挖，減小超挖。對于小斷面長隧洞開挖，建議采用裝載機裝渣，裝載機選型可根據隧洞斷面尺寸確定，并在洞內每隔150～200 m設置錯車道，以提高出渣效率。在隧洞進尺深度較大時，錯車道可提供良好的錯車及避炮場所，提高設備工作效率。對于小斷面特長引水隧洞開挖及支護施工，建議直接采用壓入式通風。當開挖深度較大時，在近作業(yè)面適當位置另行增設風機對掌子面進行加強通風，可加快爆破排煙速度。

參考文獻：

[1]李玉龍.引水隧洞開挖施工技術探析[J].農業(yè)科技與信息，2017（15）：120-121.

[2]朱永花.引水隧洞開挖施工技術[J].綠色環(huán)保建材，2017（12）：216.

[3]咸偉.觀音閣輸水工程新奧法施工的質量控制與管理[J].黑龍江水利科技，2014（12）：69-71.

[4]程龍.錦屏一級水電站壓力管道開挖支護技術[J].城市建設理論研究，2012（26）：1-6.

[5]譚海文，吳仲雄.堅硬巖石巷道掏槽爆破技術研究與應用[J].中國礦業(yè)，2007（2）：70-72.