趙翼行

（遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110003）

近年來(lái)，我國(guó)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(guó)家的南水北調(diào)工程。當(dāng)前采用長(zhǎng)隧道調(diào)水形成多水系相互補(bǔ)給的水資源配置是大發(fā)展趨勢(shì)[1]。很多超長(zhǎng)隧道采用斜并、豎井等輔助坑道方式，實(shí)施“長(zhǎng)隧短打”施工方案，常遇幾公里的深長(zhǎng)單車道無(wú)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(shí)現(xiàn)深長(zhǎng)單車道無(wú)軌斜井快速掘進(jìn)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(diǎn)體現(xiàn)在解決長(zhǎng)距離施工通風(fēng)、設(shè)備配套及緩解斜井運(yùn)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(jìn)度仍不理想。只有盡最大可能增大循環(huán)進(jìn)尺，才能有效地提高隧洞開挖效率，保證工期目標(biāo)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(jì)性來(lái)重點(diǎn)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(guò)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(shí)，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(jì)文件要求來(lái)確定，或者施工中實(shí)際揭露的地質(zhì)條件同前期地勘不一致時(shí)，開挖方法需要調(diào)整，無(wú)論哪一種情況，都必須綜合考慮承包人的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jì)性：從不同開挖方法的成本上來(lái)考慮，隧道工程的經(jīng)濟(jì)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(diǎn)輸供水工程二段12號(hào)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(hù)斷面型式見圖1。

圖1 隧洞開挖支護(hù)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(wú)較大規(guī)模斷層通過(guò)，成洞條件較好。巖石級(jí)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(jiān)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(biāo)見表1。

表1 巖石主要物理力學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

在0+029.0～0+161.0段施工過(guò)程中，按照常規(guī)設(shè)置6臺(tái)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(hào)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(gè)/m3。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：此段平均循環(huán)進(jìn)尺為2.13m，為洞寬38.1%，日平均進(jìn)尺僅為4.0m/d，這對(duì)II，III類圍巖來(lái)說(shuō)，效果不理想，需要試驗(yàn)研究加快推進(jìn)隧道施工進(jìn)度的方法。

3 小導(dǎo)坑技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

1）創(chuàng)造了施工空間，增加鉆孔工作面，可多投入鑿巖機(jī)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(kuò)挖炮孔創(chuàng)造良好臨空面，使得擴(kuò)挖炮眼利用率達(dá)100%，能較大提高掘進(jìn)速度。單線隧道平均月掘進(jìn)速度可提高1倍以上，實(shí)現(xiàn)月進(jìn)尺250m以上。

2）可起到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作用，根據(jù)超前預(yù)報(bào)地質(zhì)情況，可提前安排跟進(jìn)的全斷面施工支護(hù)準(zhǔn)備相關(guān)工作?？膳袛嗍欠衽c前期地勘情況相符，如不相符，應(yīng)及時(shí)報(bào)請(qǐng)監(jiān)理單位組織變更設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際物理指標(biāo)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。

3）利于光爆，光爆效果好、質(zhì)量高?？筛鶕?jù)超前預(yù)報(bào)地質(zhì)情況，來(lái)調(diào)整后序跟進(jìn)的光爆參數(shù)設(shè)置。形成的臨空面為擴(kuò)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(bǔ)炮或用風(fēng)鎬清理欠挖，提高施工效率，同時(shí)減少襯砌回填混凝土量，降低施工成本。殘孔率較高，超過(guò)90%，炮眼痕跡均勻，炮臺(tái)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(dòng)在掏槽時(shí)刻，由于已有超前小導(dǎo)坑，為擴(kuò)挖炮孔創(chuàng)造臨空面，相當(dāng)于露天臺(tái)階爆破，擴(kuò)挖時(shí)爆破震動(dòng)小。利于爆破渣堆、渣塊均勻，便于出渣。同時(shí)，擴(kuò)挖時(shí)縱向沖擊波小，對(duì)后續(xù)工序影響小。

據(jù)實(shí)測(cè)，采用小導(dǎo)坑超前后續(xù)擴(kuò)挖法施工時(shí)，比全斷面爆破時(shí)可減輕爆破震動(dòng)量約25%，炸藥消耗量比全斷面爆破減少5%～8%。

4 效益對(duì)比分析

1）光爆減少對(duì)圍巖擾動(dòng)，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(hù)和超挖回填混凝土量、欠挖處理量，降低工程造價(jià)，縮短支護(hù)時(shí)間，加快施工進(jìn)度。

根據(jù)遼寧省重點(diǎn)輸供水工程二段12號(hào)施工支洞統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，隧道可節(jié)約噴混凝土400元/延米，其他支護(hù)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(hù)總造價(jià)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(jì)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(gè)工作面，可增加3臺(tái)風(fēng)槍施工，加快掘進(jìn)速度。Ⅲ，Ⅳ類圍巖中，以往采用自制鉆孔臺(tái)車配備風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)掘進(jìn)，單掌子面月進(jìn)尺最高140m，平均120m左右。采用小導(dǎo)坑超前掘進(jìn)以后，單掌子面月進(jìn)尺最高達(dá)到175m，平均145m左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 試驗(yàn)及成果創(chuàng)新點(diǎn)

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(biāo)合同主體工程為輸水隧道工程。輸水主洞長(zhǎng)29.365km，10號(hào)施工支洞投影長(zhǎng)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(chǎng)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(jī)牽引側(cè)卸式礦車有軌運(yùn)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(hù)滯后開挖進(jìn)行。濕噴混凝土拌制完成后，運(yùn)至洞口保溫棚內(nèi)（東北地區(qū)冬季嚴(yán)寒，為確?；炷翜囟葷M足噴護(hù)要求，混凝土倒卸均在洞口搭設(shè)保溫棚內(nèi)進(jìn)行），卸入礦斗車內(nèi)的料斗中后通過(guò)礦井提升機(jī)牽引下送至掌子面，再由裝載機(jī)將料斗吊至濕噴機(jī)處，進(jìn)行噴混凝土作業(yè)。

5.2 小導(dǎo)洞法施工試驗(yàn)

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(jìn)。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(shí)間，尺寸能夠保證出渣正常進(jìn)行。小導(dǎo)洞超前預(yù)留光爆層控制在10m長(zhǎng)，光爆層同步跟進(jìn)。開挖間隔一個(gè)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(xiǎn)→出渣→測(cè)量放線→小導(dǎo)洞→光爆層鉆爆→通風(fēng)→排險(xiǎn)→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(guó)內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于地下隧道施工，半秒非電雷管爆破進(jìn)尺普遍大于毫秒雷管，同時(shí)價(jià)格稍便宜，決定采用半秒非電導(dǎo)爆管。火工材料2號(hào)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(jiǎn)易鉆架，鉆孔深3.0m，循環(huán)進(jìn)尺2.2～2.5m；光爆層采用自制鉆爆臺(tái)架施工。光爆層孔深4.5m，循環(huán)進(jìn)尺大于4.0m。

5.2.5 掏槽方式

小導(dǎo)洞鉆孔深2.7m，達(dá)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(yàn)過(guò)程及結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)段為2012年9月20日—12月20日，歷時(shí)共92d，進(jìn)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(jì)算，日平均循環(huán)進(jìn)尺4.37m，平均日進(jìn)尺5.89m。炸藥單耗為1.26kg/m3，塑料導(dǎo)爆管為1.11個(gè)/m3。比采用常規(guī)方法加快進(jìn)尺1.89m/d，炸藥用量減少0.07kg/m3，雷管用量減少0.02個(gè)/m3，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.4 效益分析

3條大坡度斜井全長(zhǎng)累計(jì)3721m，按原進(jìn)度日進(jìn)尺4m計(jì)算，累計(jì)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(jì)開挖3721×30.25=11.26萬(wàn)m3，炸藥用量累計(jì)減少7879kg，雷管用量累計(jì)減少2252個(gè)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5.5 創(chuàng)新點(diǎn)

通過(guò)對(duì)地下隧道工程開挖方法對(duì)比分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shí)采用導(dǎo)坑法，項(xiàng)目計(jì)劃在小斷面隧洞施工中針對(duì)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(jìn)度目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)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(jìn)，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(shí)間縮短。

2）導(dǎo)洞先行還可起到超前地勘預(yù)報(bào)作用。根據(jù)超前預(yù)報(bào)地質(zhì)情況，可提前安排跟進(jìn)的全斷面施工支護(hù)準(zhǔn)備相關(guān)工作。

3）試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該方案制約條件相對(duì)較多。小導(dǎo)洞先行通常不考慮安全支護(hù)，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(shí)，是否運(yùn)用小導(dǎo)洞施工方法，應(yīng)充分考慮其適用條件。