长距离小断面透水洞段开挖技术研究

董伏平

【摘要】四川理县梭罗沟二级水电站1#引水隧洞位于峡谷高海拔地区，施工区域冬季气温极低。1#引水隧洞1#施工支洞在开挖过程中遭遇严重透水，进入1#引水隧洞主洞后，因下游约200m处有一常年有流水的深切割冲沟，再次遭遇严重透水，因透水为高山地表积雪融化水，气温过低，作业人员几乎无法适应该作业环境。

【关键词】裂隙发育严重透水 煤矿用全液压单臂钻车链条刮板式扒渣机大空孔、“四（三）眼”小孔直眼掏槽

中图分类号：X752文献标识码： A

1.工程概况

梭罗沟二级水电站1#引水隧洞全长4443m，共设置3个施工支洞，因环保问题，2#施工支洞取消，1#施工支洞至3#施工支洞之间1#引水主洞长2659m。隧洞开挖断面为马蹄形，开挖尺寸为2.589m×3.2m，断面面积为8.9m2。

1.1.工程地质条件

工程岩体的主要特点是工程处在峡谷高海拔地区，隧洞距离长，工作面分散, 隧洞断面小。隧洞地质情况复杂，穿过的地层有三叠系上统新都桥组、三叠系上统侏倭组、三叠系中统杂谷脑组，岩性主要以深灰色粉砂岩、细砂岩为主，局部分布有灰岩、白云岩。岩体呈厚至巨厚层状，地表出露岩体为弱风化。洞室所处岩体为微新岩体，节理裂隙微发育，地下水主要表现为基岩裂隙水，无区域性断裂通过。

1.2.工程施工现状

在1#施工支洞开挖至0+230时，隧洞掌子面遇到地下水。地下水从隧洞掌子面多个爆破孔内喷出，属承压水。爆破后，隧洞边顶拱存在多条裂隙，节理较发育，地下水从裂隙中透出。因临近冬季，裂隙水水温接近0℃，钻爆人员因水下作业出现感冒发烧现象，职业健康无保障，隧洞开挖推进缓慢。为避开透水洞段开挖，设计方案多次进行优化调整，原支洞向主洞下游方向偏移15°继续延伸。后在1#施工支洞延伸72m，总共掘进310m的部位，围岩条件变好，透水消失，确定了1#施工支洞与主洞的交叉部位，1#引水隧洞轴线进行了调整。

进入1#引水隧洞后，人工向下游（冲沟方向）钻爆约50m后，隧洞掌子面再次出现透水，随着与冲沟的距离不断缩小，透水量逐渐增大。当开挖至距离冲沟约100m时，隧洞掌子面透水点十分分散，水量大，每小时透水量达400m3/h。工程技术人员多次进入冲沟内进行踏勘调查，发现冲沟上游来水经过一段堆积体后水量明显减少，隧洞掌子面透水量和水压力随洞外天气变化而变化，遇到降雨时明显加大。该冲沟补充水源为高山积雪融化水，进入隧洞内的裂隙水多为地表补水，水温较低，接近0℃。因作业环境差作业人员无法承受，该段隧洞被迫暂停施工。

1.3施工难点分析

1#引水隧洞纵坡i=0.0077166，因透水量增大，随着开挖的推进，积水无法自流排出，需进行强排，排水困难，洞内积水较深，施工中出现以下难题：

（1）作业面透水点分散，透水量大，作业人员无法进行钻孔和爆破装药。

（2）隧洞随着开挖的推进，底板为顺坡，积水无法自流，强排受施工供电不稳定和隧洞断面过小的影响，积水对施工作业影响较大，每天的排水时间较长，其他工序有效时间短，影响施工进度。

（3）因隧洞内长期积水，前期采用的皮带式扒渣机因水的影响，石渣无法扒上皮带送入出渣车辆。

2.施工方案选择

因透水严重，钻爆出渣过程均遇到难题，怎样选择合理的施工方案是本条隧洞能否继续掘进的关键。工程施工项目部技术人员结合国内的煤矿作业特点，选择了机械作业替代人工作业的方式，同时要求设备厂家改进设备，优化参数，以满足本工程长距离小断面透水洞段开挖作业的要求。通过优化设计断面，调整设计纵坡，优化爆破设计等方法，最终实现了该洞段的继续快速掘进。

3.设备选型与改进

因透水量大且透水点分散，采用常规的人工风钻钻爆实施难度极大。因积水较深，采用常规的皮带式扒渣机出渣效率极低，出渣速度慢，因此选择合适的钻爆设备和出渣设备是本工程的关键。

3.1钻孔设备

（1）设备选型

根据本工程的施工特点，拟采用全封闭式的单臂或双臂液压钻车替代人工钻孔作业。经过设备选型及经济比较，最终确定唐山市丰润区东方液压机电研究所生产的液压单臂凿岩台车（DF10-1BD）适合本工程隧洞断面钻爆。（2）设备改进

因透水量大且透水点分散，为确保作业人员的职业健康安全，拟对液压单臂凿岩台车进行密封改进，确保作业人员在封闭环境中操作。经与设备厂家沟通，最终确定增加封闭驾驶室。

3.2扒渣设备

结合本工程隧洞底板存在积水的特点，最终选择四川戴克机械设备有限公司生产的WZT-80双链条刮板式轮胎扒渣机。因透水作业环境，对扒渣机的驾驶室进行封闭，设备电机采用防爆电机。

4.排水方案选择

因1#施工支洞下游作业面主洞纵坡为顺坡，水无法自流至支洞，与设计单位协商意见，从①引1+116.7（支洞与主洞交接部位）开始往下游300m，即①引1+416.7按平坡开挖，透水洞段通过后再调整设计纵坡。透水洞段内应设置排水沟和集水井进行引排，降低隧洞内积水深度。因1#引水隧洞断面为马蹄形，底宽仅2.586m，如再设置排水沟，车辆行驶宽度不够。因此透水洞段按城门型断面开挖，即底宽扩挖到3.2m（断面圆弧直径）。在隧洞左侧设置宽50cm，深50cm的排水沟，隧洞平坡段通过排水沟引出至施工支洞，自流出洞外。如开挖至①引1+416.7，透水点仍未结束，则每隔50m设置一个2m（长）×1m（宽）×0.5m（深）的集水坑，上面铺钢板，确保车辆通行，集水坑内设置潜水泵进行强排。

为减小装药过程中承压水对乳化炸药的推出力，在每循环爆破孔造孔完成后，沿透水点造Φ102mm的泄水孔，从而到达减压的效果。

5.爆破方案的选择

采用液压单臂凿岩台车（DF10-1BD）钻孔，直径根据需要可造成Φ33mm～102mm。采用大空孔、“四（三）眼”小孔直眼掏槽的爆破方案改进原爆破工艺.

因透水洞段节理发育，爆破成型效果差，采用液压钻车钻孔后，钻孔速度快，成孔率高，可采取加密周边孔，降低线装药密度的方式增加爆破残孔率。经爆破试验确定，周边孔间距控制在40cm～45cm，线装药密度控制在250g/m～300 g/m，本工程Ⅲ类围岩，节理较发育的透水洞段爆破成型较好，残孔率较高。

6.结论与建议

小型水利水电工程因投资规模较小，设计深度无法达到大型水电工程要求。小型水电工程一般引水隧洞较长，断面较小，隧洞内的地质条件无法准确判断，怎样做到施工周期短，见效快，合理选择隧洞施工方案是关键。而长距离小断面隧洞不可避免的会遇见透水洞段，透水洞段开挖支护关键在于施工设备的正确选型、钻爆工艺的合理改进和排水方案的合理选择。通过本工程的小断面透水洞段开挖技术研究，我们可以得出以下结论与建议：

1）遇到隧洞内透水时，先调查清楚水源、水脉走势以及分析下一步可能出现的地质条件。

2）遇到较大透水影响人工作业时，可根据隧洞的断面选择适合的液压钻车替代普通人工风钻作业，从而加快钻孔进度和改进钻孔质量。

3）结合隧洞断面大小和出渣设备，选择合理的排水方案，具备条件时，尽量选择自流方式排水，即排水沟槽引排的方式，不具备条件时，合理集水坑大小和间距，减少排水对隧洞出渣工序的影响。

4）根据隧洞断面的大小和造孔设备的技术参数，选择合理的钻爆工艺，可以有效加快施工进度。因此遇到类似地质条件时，应根据工程实际的施工方案选择合理的钻爆工艺后，不断进行爆破试验总结，确定最优的爆破参数，最大限度的降低施工成本，加快施工进度。