趙翼行

（遼寧省水資源管理集團有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110003）

近年來，我國跨地區(qū)跨流域調(diào)水工程迅猛發(fā)展，相繼建成舉世矚目的水利工程，如國家的南水北調(diào)工程。當前采用長隧道調(diào)水形成多水系相互補給的水資源配置是大發(fā)展趨勢[1]。很多超長隧道采用斜并、豎井等輔助坑道方式，實施“長隧短打”施工方案，常遇幾公里的深長單車道無軌斜井。那么，一線施工人員如何在既保證安全、又保證質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)深長單車道無軌斜井快速掘進施工，是目前隧道施工技術(shù)人員急需解決的難題[2]。重難點體現(xiàn)在解決長距離施工通風(fēng)、設(shè)備配套及緩解斜井運輸壓力等方面，小斷面引水隧道開挖通常為了加快施工速度，在工序銜接和出渣設(shè)備等管理環(huán)節(jié)上努力，在一定程度上起到作用，但其生產(chǎn)效率的提高是極其有限的，即使設(shè)備和循環(huán)銜接沒有耽誤，受邊界條件限制進度仍不理想。只有盡最大可能增大循環(huán)進尺，才能有效地提高隧洞開挖效率，保證工期目標任務(wù)，在小斷面的開挖方式上如何選擇和優(yōu)化施工方案，顯得尤其重要。

1 開挖方式選擇原則

通常，從安全性、可行性、經(jīng)濟性來重點考慮地下隧道開挖施工方法。

安全性：開工前期提供的地勘資料精度不高，施工過程中如遇揭露地質(zhì)條件變化較大洞段，難免發(fā)生安全事故。在選擇開挖方法時，必須從工程施工安全可靠的角度出發(fā)，盡可能降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性。

可行性：通常開挖方法根據(jù)設(shè)計文件要求來確定，或者施工中實際揭露的地質(zhì)條件同前期地勘不一致時，開挖方法需要調(diào)整，無論哪一種情況，都必須綜合考慮承包人的現(xiàn)場實際施工條件，如資源狀況、施工能力、技術(shù)人員及作業(yè)人員的綜合素質(zhì)、資金供應(yīng)等。

經(jīng)濟性：從不同開挖方法的成本上來考慮，隧道工程的經(jīng)濟性因素是決定選擇哪種開挖方法的重要依據(jù)和基本原則[3]。

2 常規(guī)開挖施工效率

遼寧省重點輸供水工程二段12號施工支洞斷面型式為圓拱直墻型，成洞斷面尺寸為5.5m×5.5m，其中直墻高3.0m，圓弧高2.5m，斜井縱向坡度為12.05%。隧道開挖支護斷面型式見圖1。

圖1 隧洞開挖支護斷面圖（單位：mm）

地勘情況：洞室圍巖巖性主要為花崗片麻巖、新太古代混合花崗巖，無較大規(guī)模斷層通過，成洞條件較好。巖石級別大部分為II，III類圍巖，巖體完整性差-較完整，局部較破碎，屬中硬～堅硬巖，為塊狀結(jié)構(gòu)～鑲嵌結(jié)構(gòu)。節(jié)理裂隙較發(fā)育，微風(fēng)化為主,節(jié)理面多平直光滑，多呈微張～閉合狀態(tài)。巖體透水性為微～弱透水，地下水多呈現(xiàn)滲水～滴水狀態(tài)，局部線狀流水。圍巖主要物理力學(xué)指標見表1。

表1 巖石主要物理力學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

在0+029.0～0+161.0段施工過程中，按照常規(guī)設(shè)置6臺YT-28手風(fēng)鉆一次性全斷面光爆爆破開挖，中下部配合楔形掏槽，開挖鉆孔深2.5m，設(shè)置非電毫秒導(dǎo)爆管起爆，選用2號巖石乳化炸藥（φ32×150g×175mm），炸藥單耗1.33kg/m3，塑料導(dǎo)爆管1.15個/m3。

統(tǒng)計結(jié)果表明：此段平均循環(huán)進尺為2.13m，為洞寬38.1%，日平均進尺僅為4.0m/d，這對II，III類圍巖來說，效果不理想，需要試驗研究加快推進隧道施工進度的方法。

3 小導(dǎo)坑技術(shù)優(yōu)點

1）創(chuàng)造了施工空間，增加鉆孔工作面，可多投入鑿巖機施工，提高開挖速度。超前小導(dǎo)坑形成的“大掏槽區(qū)”，為后續(xù)擴挖炮孔創(chuàng)造良好臨空面，使得擴挖炮眼利用率達100%，能較大提高掘進速度。單線隧道平均月掘進速度可提高1倍以上，實現(xiàn)月進尺250m以上。

2）可起到超前地質(zhì)預(yù)報作用，根據(jù)超前預(yù)報地質(zhì)情況，可提前安排跟進的全斷面施工支護準備相關(guān)工作。可判斷是否與前期地勘情況相符，如不相符，應(yīng)及時報請監(jiān)理單位組織變更設(shè)計，可根據(jù)實際物理指標調(diào)整設(shè)計參數(shù)。

3）利于光爆，光爆效果好、質(zhì)量高。可根據(jù)超前預(yù)報地質(zhì)情況，來調(diào)整后序跟進的光爆參數(shù)設(shè)置。形成的臨空面為擴大光爆預(yù)留了光爆層，為提高爆破效果創(chuàng)造條件，開挖輪廓整齊、巖面平整，圍巖成拱形狀好、自穩(wěn)性好，巖石應(yīng)力二次分布均勻，充分發(fā)揮巖體自承能力，保證安全，降低塌方可能性。

爆破后不欠挖，超挖尺寸小，可控制在10cm內(nèi)（規(guī)范上限15cm），不必補炮或用風(fēng)鎬清理欠挖，提高施工效率，同時減少襯砌回填混凝土量，降低施工成本。殘孔率較高，超過90%，炮眼痕跡均勻，炮臺銜接尺寸小，外觀輪廓整齊美觀，縱向成線，給人安全感。

4）利于爆破減震。最大爆破震動在掏槽時刻，由于已有超前小導(dǎo)坑，為擴挖炮孔創(chuàng)造臨空面，相當于露天臺階爆破，擴挖時爆破震動小。利于爆破渣堆、渣塊均勻，便于出渣。同時，擴挖時縱向沖擊波小，對后續(xù)工序影響小。

據(jù)實測，采用小導(dǎo)坑超前后續(xù)擴挖法施工時，比全斷面爆破時可減輕爆破震動量約25%，炸藥消耗量比全斷面爆破減少5%～8%。

4 效益對比分析

1）光爆減少對圍巖擾動，超欠挖大大減少，較好發(fā)揮圍巖自承能力，節(jié)約初期支護和超挖回填混凝土量、欠挖處理量，降低工程造價，縮短支護時間，加快施工進度。

根據(jù)遼寧省重點輸供水工程二段12號施工支洞統(tǒng)計數(shù)據(jù)，隧道可節(jié)約噴混凝土400元/延米，其他支護方式（如錨桿、掛鋼筋網(wǎng)等）平均可節(jié)約120元/延米，隧道施工支護總造價可降低約520元/延米；超挖回填方面，保守按減少平均線性超挖5cm計算，隧道可少開挖巖石1.1m3/延米，少回填混凝土1.1m3/延米，降低由于超挖回填混凝土460元/延米。

2）增加一個工作面，可增加3臺風(fēng)槍施工，加快掘進速度。Ⅲ，Ⅳ類圍巖中，以往采用自制鉆孔臺車配備風(fēng)動鑿巖機掘進，單掌子面月進尺最高140m，平均120m左右。采用小導(dǎo)坑超前掘進以后，單掌子面月進尺最高達到175m，平均145m左右，經(jīng)濟效益顯著。

5 試驗及成果創(chuàng)新點

5.1 工程概況

工程位于遼寧省撫順市清原縣境內(nèi)，二段四標合同主體工程為輸水隧道工程。輸水主洞長29.365km，10號施工支洞投影長1160.86m，坡度為25.19%，里程0+000-1+160.86，斷面形式為圓拱直墻型，成洞斷面尺寸為5.5m×5.5m。結(jié)合現(xiàn)場資源情況，開挖采用YT-28氣腿式手風(fēng)鉆全斷面開挖，光面爆破，采用礦井提升機牽引側(cè)卸式礦車有軌運輸出渣。初支采取先噴后錨再網(wǎng)噴的順序施工，系統(tǒng)支護滯后開挖進行。濕噴混凝土拌制完成后，運至洞口保溫棚內(nèi)（東北地區(qū)冬季嚴寒，為確保混凝土溫度滿足噴護要求，混凝土倒卸均在洞口搭設(shè)保溫棚內(nèi)進行），卸入礦斗車內(nèi)的料斗中后通過礦井提升機牽引下送至掌子面，再由裝載機將料斗吊至濕噴機處，進行噴混凝土作業(yè)。

5.2 小導(dǎo)洞法施工試驗

5.2.1 總體布置方案

直孔掏槽小導(dǎo)洞先行，頂拱和側(cè)墻預(yù)留光爆層跟進。預(yù)留周邊光爆層中下部小導(dǎo)洞施工，尺寸為4.0m×4.0m，減少小導(dǎo)洞鉆孔數(shù)量，縮短小導(dǎo)洞鉆孔時間，尺寸能夠保證出渣正常進行。小導(dǎo)洞超前預(yù)留光爆層控制在10m長，光爆層同步跟進。開挖間隔一個循環(huán)跟一次，使小導(dǎo)洞和光爆層始終保持10m左右距離。炮孔布置圖見圖2。

5.2.2 施工程序

小導(dǎo)洞鉆爆→通風(fēng)→排險→出渣→測量放線→小導(dǎo)洞→光爆層鉆爆→通風(fēng)→排險→出渣→小導(dǎo)洞鉆爆。

5.2.3 爆破器材

圖2 炮孔布置圖

根據(jù)國內(nèi)外施工經(jīng)驗，對于地下隧道施工，半秒非電雷管爆破進尺普遍大于毫秒雷管，同時價格稍便宜，決定采用半秒非電導(dǎo)爆管?；鸸げ牧?號巖石乳化炸藥（φ32×150g×175mm），雷管采用1～10段半秒非電導(dǎo)爆管。

5.2.4 施工方法

鉆孔采用YT-28氣腿式手風(fēng)鉆，受斷面制約采用9孔直眼掏槽，鉆孔搭設(shè)簡易鉆架，鉆孔深3.0m，循環(huán)進尺2.2～2.5m；光爆層采用自制鉆爆臺架施工。光爆層孔深4.5m，循環(huán)進尺大于4.0m。

5.2.5 掏槽方式

小導(dǎo)洞鉆孔深2.7m，達洞寬68%，小導(dǎo)洞洞寬僅4.0m，若采用楔形掏槽受工作面所限。遂采用直孔掏槽，8空孔平行直孔掏槽，非電半秒雷管引爆。掏槽孔大樣圖見圖3。

圖3 掏槽孔大樣圖

5.2.6 爆破參數(shù)

鉆爆開挖參數(shù)見表2，3。

表2 小導(dǎo)坑鉆爆開挖參數(shù)表

表3 光爆層爆破開挖參數(shù)表

5.3 試驗過程及結(jié)果

試驗時段為2012年9月20日—12月20日，歷時共92d，進行了0+267.5～0+809.2段開挖施工，完成隧道開挖541.70m，消耗炸藥20151.8kg，塑料導(dǎo)爆管14166發(fā)。經(jīng)計算，日平均循環(huán)進尺4.37m，平均日進尺5.89m。炸藥單耗為1.26kg/m3，塑料導(dǎo)爆管為1.11個/m3。比采用常規(guī)方法加快進尺1.89m/d，炸藥用量減少0.07kg/m3，雷管用量減少0.02個/m3，經(jīng)濟效益顯著。

5.4 效益分析

3條大坡度斜井全長累計3721m，按原進度日進尺4m計算，累計930d完成，采用小導(dǎo)洞法，可以632 d完成，節(jié)省工期298d；開挖斷面為5.5m×5.5m，即每延米面積30.25m2，累計開挖3721×30.25=11.26萬m3，炸藥用量累計減少7879kg，雷管用量累計減少2252個，經(jīng)濟效益明顯。

5.5 創(chuàng)新點

通過對地下隧道工程開挖方法對比分析，結(jié)合現(xiàn)場實際困境，提出大膽想法，突破常規(guī)，以往施工僅在圍巖條件差、埋深淺的地下隧道開挖時采用導(dǎo)坑法，項目計劃在小斷面隧洞施工中針對地質(zhì)條件較好的洞段采用小導(dǎo)洞法超前爆破開挖技術(shù)，取得了良好的進度目標和經(jīng)濟效果。

6 結(jié)論

1）小斷面隧道開挖施工，采用小導(dǎo)洞先開挖周邊光爆層跟進，不僅可提高開挖速度，且還可降低火工材料消耗，提高隧道開挖質(zhì)量。小導(dǎo)洞鉆孔數(shù)量減少，時間縮短。

2）導(dǎo)洞先行還可起到超前地勘預(yù)報作用。根據(jù)超前預(yù)報地質(zhì)情況，可提前安排跟進的全斷面施工支護準備相關(guān)工作。

3）試驗過程中發(fā)現(xiàn)該方案制約條件相對較多。小導(dǎo)洞先行通常不考慮安全支護，只在巖體條件較好情況下才能確保施工安全。

綜上所述，在地下隧道開挖施工時，是否運用小導(dǎo)洞施工方法，應(yīng)充分考慮其適用條件。