奎屯河長距離引水隧洞快速施工技術

吳衛東

(新疆兵團水利水電工程集團有限公司,新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

隨著我國經濟發展,水利水電行業的發展取得了很大成效[1-4],尤其是引水隧道工程應用得越來越多,如滇中引水香爐山隧洞工程、秦嶺引水隧道工程等。

軟弱圍巖隧道施工與其他隧道施工相比,具有明顯的差異性。在實施軟弱圍巖隧洞施工時,應當全面了解軟弱圍巖的地質特征及隧洞的工程特性。目前,軟弱圍巖隧道的施工方法主要有環形導坑、短臺階七步平行流水施工、中隔墻(CRD)施工等[5]。近年來,軟巖隧道爆破技術通過不斷地實踐與運用,發展了微差爆破、擠壓爆破、預裂爆破和光面爆破等技術,在隧道光面爆破領域的研究重點為爆破參數優化及其工程應用[6]。馬雙喜等[7]首先剖析了光面爆破重要參數的確定方式,并剖析了城市地鐵隧道鉆爆法施工后的效應。陳瑞等[8]提供了瑯琊山軟弱圍巖大斷面隧洞光面爆破的參數優選實例,并經過實踐證明該優選方法的爆破效果良好,隧洞附近結構未受到破壞。陳正林等[9]采用了數值模擬技術手段,對Ⅳ級泥石段隧洞爆破方案進行了參數優選研究,并進行實際試驗,選出了比較合適的爆破方案。石連松等[10]對淺埋式地鐵隧洞實施爆破時所形成的震動效果進行深入研究,確認了分段爆破施工能明顯降低爆破施工震動,并大大提高爆破施工準確度。劉趕平[11]對大斷面隧洞光面爆破設計進行了深入研究,并針對隧洞地質條件制定了一套適合于變質巖、花崗石、細砂巖等特殊圍巖條件下的光面爆破參數,經試驗后發現,光面爆破效果顯著提高。姚洪瑞等[12]對富水軟弱圍巖地區隧道光面爆破進行了深入研究,爆破施工中結合了超前地質預測、超前支護及排水等措施,有效提高了開挖與爆破安全性。董明明等[13]詳盡闡述了在軟弱圍巖巷道的爆破過程中,炮眼孔徑、炮眼數量、裝藥量等的估算原理和公式,為實際施工使用提出了可信的計算依據。

綜上所述,眾多學者在軟弱圍巖隧道爆破施工技術方面進行了大量研究,并取得了一定的研究成果。筆者對奎屯河長距離引水隧洞快速施工過程中所采取的技術措施以及新冠疫情對施工的影響進行了詳細闡述,可為類似工程施工提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 水文地質

奎屯河引水隧洞地處歐亞大陸腹地,遠離海洋,水汽來源稀少,且受蒙古高壓和西風氣流的影響。該工程附近將軍廟水文站的觀測資料如下:多年平均氣溫為6.0 ℃,極端最高氣溫36.0 ℃,最低氣溫-28.0 ℃,分別在6月份和1月份;最冷月平均氣溫為-10.4 ℃,最熱月平均氣溫為20.8℃,分別在1月份和7月份。該站多年平均降水量為225.0 mm,6月和7月的降水量最大,12月到次年2月降水量最小。

奎屯河引水隧洞工程區地勢南高北低,海拔500～4 800 m,受北天山緯向構造控制,地形具有分帶性。工程區處于北天山優地槽褶皺帶(Ⅱ3)中部,依據《奎屯河引水工程場地地震安全性評價報告》,根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2015)的劃分,劃定工程區相應地震基本烈度為Ⅷ度。

1.2 疫情影響及材料運輸困難

由于新型冠狀病毒的流行傳播,對工程進度造成了很大阻礙,如停工、復工、疫情防控等,都需要制定合格、有效、及時、安全的措施保障施工。

天山北麓雖然交通比較便利,但該處多是軟弱圍巖,承載力不高,地處多地震帶,多有泥石流、崩塌、溶蝕和淘金洞等不良地質現象,給材料運輸增加了很多困難。

1.3 工程難度

奎屯河引水隧洞穿越天山北麓構造剝蝕區,Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比達50%,巖體強度弱,圍巖穩定性差,頻繁爆破導致圍巖累積損傷范圍大,易誘發襯砌開裂、錨桿斷裂、塌方冒頂、圍巖失穩等事故,嚴重影響爆破開挖速度與工程質量,給工程施工帶來了很大挑戰,各類圍巖長度見表1。

表1 各類圍巖長度

2 鉆爆施工

2.1 鉆爆技術

鉆爆法是現階段隧洞開挖采用的最普遍方式,本工程根據設計特點應用預裂開挖爆破、光面爆破技術,使開挖的實際輪廓線達到設計條件時,超欠挖量較少,減小了對巷道圍巖的干擾與損傷,更有利于安全施工。

鉆爆設計應依據工程地質條件、開挖斷面、施工方式、掘進循環進尺、鉆眼設備和出渣技術等各種因素綜合考量,尤其是Ⅳ、Ⅴ類圍巖鉆爆作業,要根據圍巖類別制定出行之有效的鉆爆方案。

2.2 爆破施工方案

本隧洞采用“新奧法”施工,采用楔型掏槽方法與光面爆破技術,全斷面掘進,鉆眼施工時使用自制鉆爆臺車,利用YT-28型氣腿式鑿巖鉆機造孔,裝2#巖石乳化炸藥,采用毫秒微差爆破施工,出渣使用HL50型裝載機配4臺10 t自卸型車輛,將渣石經施工道路直接運到存渣場。初期支護按設計要求(錨桿+掛網+10～15 cm 厚噴射混凝土或16#工字鋼拱架+錨桿+掛網+15 cm厚噴射混凝土)進行。

隧洞鉆孔及爆破裝藥作業在自制的臺車上進行。為減少圍巖擾動,采取密孔距、小藥量裝藥或控制循環進尺等方法進行施工。對Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用“弱爆破、勤觀察、強支護”原則,避免發生大的塌方,保證施工安全,且開挖成型后,立即進行 初期支護。鉆爆開挖流程如圖1所示。

圖1 施工流程

2.3 爆破參數設計

以Ⅳ類圍巖為例,其炮孔布置如圖2 所示。根據不同圍巖類型,采用不同的爆破方案,部分爆破參數如表2所示。

圖2 Ⅳ類圍巖炮孔布置(單位:cm)

表2 爆破施工參數

3 工程關鍵技術

3.1 支洞設置與工區劃分

奎屯河是新疆天山北坡經濟帶西緣的一條主要河流,為加快施工速度,縮短施工工期,根據奎屯河自然環境以及施工條件影響,將奎屯河長距離引水隧道工程分為3個標段,設置3支洞雙向施工,各支洞平面位置如圖3所示,工程3個標段工區劃分如下:

圖3 施工支洞平面布置

(1)第一標段:隧洞全長3 420 m,設計縱坡0.1%、樁號(2+095～3+880)、1#支洞(3+880)、山區隧洞(3+880～5+515),在樁號3+880處設置1#施工支洞,1#施工支洞長325 m。

(2)第二標段:隧洞全長2 690 m,設計縱坡0.1%、樁號(5+515～7+330)、2#支洞(7+330)、山區隧洞(7+330～8+205),在樁號7+330處設置2#施工支洞,2#施工支洞長484.2 m。

(3)第三標段:隧洞全長2 085 m,設計縱坡0.1%、樁號(9+400～8+205)、2#增支洞(9+400)、山區隧洞(9+400～10+290),在樁號9+400處設置2#增施工支洞,2#增支洞長380 m。

3.2 特殊不良地質洞段施工技術

(1)控制超挖措施

采取毫秒微差爆破施工,并嚴格控制單次爆破數量。按測量放點,精確標出周邊孔的孔位和方向,均采用光面開挖爆破方式,對地質軟弱面和重要部位預留保護層,周邊采取密孔弱爆破開挖措施。所有的周邊孔都在設計輪廓線上開孔,鉆孔向外傾斜2～3°,各鉆孔相互保持平行,孔底落于同一平面上。周邊孔采用間隔不耦合裝藥結構,通過導爆索引爆。而相鄰的輔助孔則采用較小藥量、不耦合裝藥,進行減振爆破。

(2)不良地質段施工措施

首先進行超前地質預測;通過采用超前小導管支護,降低了爆破對圍巖的擾動,并采用短鉆孔、弱爆破施工和多循環的作業措施;進行排水,鎖好洞口,清理危巖,及時錨噴支護并盡早模筑襯砌;實行分區施工、分項保護,有不良地質問題及時采取相應的支護措施;做好質量監督、檢測,準確分析檢測結果。

(3)斷層破碎帶開挖措施

在斷層破碎地段施工,需要進行超前地質預報,采用超前管棚、超前注漿、徑向注漿等措施,相互配合形成穩定圈,在采用超強加固后再進行施工。

(4)塌方及較大溶隙、裂隙處理措施

加強的管理措施可與永久保護相組合。當塌落物未將洞室完全封閉或遇較大溶隙空洞時,先保護頂板,再清理殘留落石。當塌落物將洞室封閉時,用小導管加注漿方法以及其他預注漿方式固定,然后再按邊推進、邊支護、邊模筑襯砌的方式施工。冒頂塌陷時,首先應將土層與地表陷落的洞口撐固或用不透水土夯填密實,陷穴四周做好排水設施,以避免進一步塌陷,對塌落物宜用花管灌漿膠結,其施工方式應進行專門工程設計。有地下水出現時,首先應完成治水后,再進行溶隙空洞和塌方處理。

3.3 快速施工措施

天山北麓奎屯河引水隧洞不僅施工困難且工期緊張,再加上新冠疫情的影響,施工更加艱難,所以,應制定嚴格、縝密、安全的施工措施以推進工程進度。

(1)積極配合監理工作,與其建立穩固的合作關系,創造最優施工環境以及爭取各方最大的支持。

(2)與設計單位及時溝通反饋,及時向設計單位認證設計信息及現場情況,保證工程質量。

(3)積極與地方部門進行協調,減少施工干擾,爭取良好的施工環境,推進施工順利高效進行。

(4)成立精簡高效的項目部,制定合理、高效的施工組織管理,合理優化施工工序,在保證人員安全及施工質量的前提下采用“兩班倒”工作制。

(5)采取精準爆破參數,快速噴錨;自建沙場與鋼筋棚,縮短運輸距離;協同作業,縮短循環時間,實現軟巖隧洞快速掘進。

3.4 質量與安全保證措施

(1)質量保證措施

根據圍巖種類、地質條件制定科學合理的施工方法,并根據實際施工效果隨時調整與完善。同時,嚴格保證鉆孔質量,密切監控超欠挖狀況,并適時改善與提升鉆爆工程質量。由下至上、分層噴射混凝土,混凝土初凝后,澆筑時限不得低于7 d。所用的各類主材須“三證”齊備,嚴禁“三無”建筑材料和不合格建筑材料流入施工現場。

(2)安全保證措施

隧洞內爆破施工作業,應統一指令、專人指導警戒、將人員設備撤到安全距離。爆破后會產生大量CO、氮氧化物等有害氣體,為保障施工人員安全,在爆破30 min以后,經安全員與班組長檢查無危險后,其他施工人員方可佩戴防毒面罩進入工作面施工,通風設施也在爆破后開始運轉通風。洞內出碴時,一定要保證行車安全、嚴禁超載、堅決執行行車安全方針。

4 總結

筆者通過對奎屯河長距離隧道引水快速施工的研究分析得出如下主要結論。

(1)根據地質類別以及環境影響,施工隧洞采取“新奧法”,運用楔型掏槽方法與光面爆破技術,全斷面掘進施工。

(2)根據不同的圍巖類型,合理優化爆破參數。Ⅲ、Ⅳ類圍巖循環進尺為3 m,Ⅴ類圍巖循環進尺為2 m,使用爆破時進尺最優,節省了施工時間,縮短了工期。

(3)在特殊不良地質洞段施工時,要做好統籌規劃、提前預防、嚴格控制超挖,做好人員保護,保證施工安全平穩實施。

(4)施工組織方面,科學協調,各部門之間緊密聯系、內外部保證措施嚴密實施。特別在新冠疫情階段,要做好人員保護、材料運輸、施工安全等。通過優化施工流程,使工程進度大大加快,月施工進尺達到500 m。