不良地质小断面隧洞快速开挖技术

张松艳,李凯亚,李江毅

（中国水利水电第十一工程局有限公司,河南 郑州 450001）

1 工程概述

1.1 基本情况

引洮供水二期工程属Ⅱ等大（2）型工程。建设内容包括1 条总干渠,6 条干渠及2条分干渠,18条供水管（渠）线。本标段位于34#洞2#支洞控制段起点～4#支洞控制段末之间,渠系桩号为总干79+815.53~86+994.05,洞段长7178.52 m；34#洞2#平洞、3#平洞、4#平洞等临时工程。总干渠34#隧洞为三心圆断面型式,纵坡 1/1250,净断面尺寸宽×高=2.65 m×2.719 m。

1.2 地质条件

工程所处地层为新（古）近系粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩、砂岩夹砂砾岩等,呈厚层状,岩层产状较为平缓,断裂构造不发育。

桩号79+815.53~80+752,洞身围岩为砂岩夹砂砾岩,泥质含量很少,成岩程度较差,泥质弱胶结,岩石强度低,具弱透水性,属极软岩,遇水快速软化崩解,岩石强度降低显著；岩体受地质构造影响轻微,节理裂隙不发育,总体呈中厚～巨厚层状,局部为薄层状。层面为主要结构面,层面结合差,岩层产状平缓,交错层理发育,岩相变化剧烈,基岩中含有孔隙裂隙水,洞身处于地下水位以下,地下水位高于洞顶 20 m~50 m,地下水以滴渗为主,局部洞段有线状流水,地下水的矿化度 250 mg/L~983 mg/L,pH值 7.53~8.73,SO42-含量74.5 mg/L~103.7 mg/L,Cl-含量7.4 mg/L~40.6 mg/L,水化学类型以 HCO3-—K++Na+型水为主,水质良好,对普通混凝土无腐蚀性。随着洞室开挖,地下水集中向洞内渗流排泄,在动静水压力作用下,尤其在震动、爆破的共同影响下,塑性松动圈岩石遇水快速软化、崩解,岩体结构遭到破坏,在渗流水头作用下,局部围岩可能产生流土破坏,进而可能发生局部涌砂。若得不到及时支护和防治,将可能有更大塌方、涌砂等现象发生。因此,此类围岩在地下水位以下时,工程地质条件极差,围岩类别属极不稳定的Ⅴ类围岩。预测隧洞施工开挖时掌子面多不能自稳,可发生掉块、塌方,局部涌砂等现象,应以不良隧洞围岩来设计和施工[1]。

桩号80+752~86+994.05洞身围岩为砖红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩,以泥质胶结为主,岩性软弱,为极软岩,遇水易软化崩解,失水干缩,易风化解体,干湿效应明显。岩体呈中～厚层状结构,岩层平缓,结构面以层面为主,裂隙不发育,岩体较完整~完整,岩体完整性系数0.73~0.78,岩体纵波波速1800 m/s~2100 m/s。围岩中基本无地下水,局部浅埋段有滴渗水现象。该洞段围岩类别为Ⅴ类。围岩极不稳定,自稳时间很短,易变形[2]。

2 施工中的难点

（1）本工程隧洞洞室断面较小、长度较长、地质条件较差、工期较紧,如何采用合理的施工程序和施工方法,如何确保输水隧洞施工顺利、安全进行并按期完成是本工程施工难点。

（2）本标段隧洞围岩多为新近系泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和古近系砂岩夹砂砾岩,围岩类别属极不稳定的Ⅴ类围岩,工程地质条件极差。隧洞施工开挖时掌子面多不能自稳,可发生掉块、塌方,局部涌砂等现象,洞室超欠挖严重是本工程施工难点。

3 解决方法

项目初期2#、3#、4#施工支洞均采用常规爆破开挖,根据爆破后岩层开挖揭露,主要现泥岩、泥质粉质砂岩,爆破开挖超欠挖现象严重,支护过程中围岩风化掉块,相应的支护时间延长,且由于支洞附近为当地村民限制爆破,导致进度缓慢。之后,3#、4#施工支洞主要采用扒渣机开挖,三轮车配合出渣。2#施工支洞采用常规爆破开挖,三轮车配合出渣。从开挖成洞效果来看,3#、4#施工支洞开挖成洞容易,且超欠挖现象得到很好控制,进度稍有提高。后续开挖过程中,围岩硬度较高,扒渣机开挖耗时较长,已不能满足项目合同工期要求,项目部研究决定,采用掘进机进行开挖施工[3]。

施工中遵循“短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。开挖方式采用自下而上,自卸汽车配合运输,及时封闭开挖面做初期支护,做好隧道监控量测。

采用三台激光指向仪辅助,分别在掘进机操作手侧边墙、顶拱与边拱连接板处及顶拱最高点安装激光指向仪,这三个位置在掘进机开挖过程中操作手均可随时观察、随时量测,减少洞室超挖、杜绝欠挖现象的发生。

4 掘进机开挖施工方法

4.1 掘进机选型及性能参数

本项目主要使用EBZ165、EBZ135、S100E三台掘进机,掘进机性能参数见表1。

表1 掘进机性能参数表

4.2 掘进作业

（1）操作工序。不良地质小断面隧洞的挖掘作业受到环境条件的影响,也给挖掘作业带来一定的压力,尤其是挖进作业环节,是施工的关键工序,因此,应结合不良地质小断面隧洞的环境特征,严格按照相关的施工操作进行挖进操作。主要操作工作：油泵电机→开动第一运输机→开动星轮→开动截割头。当然,在具体施工中应根据实际情况进行合理的调整,如在不需要装载的情况下,则在工序第一步开动油泵电机后便可启动截割电机,并要求在电机运行过程中,密切关注电机的运行状态,一旦发现运行异常,应及时采取有效的治理措施,避免运行不当产生的机械故障而影响到挖进工序的正常进行。挖进环节第一运输机操作过程中,应有专业操作人员进行操作,同时应严格按照相关的规范要求操作,避免不熟练操作人员出现误操作问题。通常第一运输机的操作室在手柄前推动的情况下,施工运输机则为正转的工作状态,相反则是施工运输机逆转的工作状态。截割头的伸缩：将手柄向前推动,截割头向前伸出；反之截割头向后收缩,前后伸缩长度可达550 mm。后支撑的升降：将手柄向前推,后支撑抬起；反之后支撑下降。

（2）截割。不良地质小断面隧洞挖进截割施工环节具有一定的风险性,在施工前首先需要施工人员做好安全防护措施,如手套、安全帽等,其次再根据不良地质小断面隧洞的地质地貌情况进行施工。通常在截割施工中也需根据截割物体的软硬程度适当调整截割方式,同时还要保证截割断面形状以及尺寸与施工要求相符。如出现不相符的情况,则需要对其进行二次修正。在切割中如切割部位较软的情况下,则需采用左右循环向上的截割施工方法,可进一步提高截割施工效率。而如果遇到切割物体较硬的情况下,如较硬的岩石,则需要更换截割施工方法,可由上向下的左右截割方式。当遇有硬岩时,不应勉强截割,对有部分露头硬石时,应首先截割其周围部分,使其坠落。对大块坠落体,采用适当办法处理后再进行装载。当掘柱窝时,应将截割头伸到最长位置,同时将铲板降到最低位置向下掘,在此状态下将截割头向回收缩,将煤岩拖拉到铲板附近,以便装载。

（3）喷雾。在掘进时如何控制粉尘是非常重要的。截割头外喷雾控制阀位于司机的右后侧,在操作台与电控箱之间,当开始掘进时应开此阀,使截割头处喷雾,其水量可控制。其外喷雾喷嘴位于截割头后部和机器两侧。

另外,当欲进行截割头内喷雾时,打开控制阀,即实现截割头的内喷雾。但应注意不能单一的只使用内喷雾,而必须内、外喷雾同时使用。

4.3 出渣

掘进机在掘进过程中,截割部截割岩石后,由星形铲板通过第一运输机把石渣运至掘进机尾部,自卸汽车在此等候和跟进,洞渣直接卸于车厢里,然后自卸汽车将渣运出洞外。在保证开挖速度的情况下,也可采用装载机、挖掘机等设备辅助进行出渣。隧洞出渣可在开挖同期进行[4]。

4.4 安全检查

开挖出渣完成后安全人员进入洞内进行安全检查,对发现的挂渣、险石等进行处理,对由于地质原因形成的塌方,应立即报告主管人员,确定处理方法。

4.5 支护施工

对于围岩较为破碎的洞段,经安全人员检查,应立即进行混凝土喷射、锚杆及挂网等支护,以保证洞室稳定安全,并根据情况按“新奥法”支护方法及时进行支护施工。

4.6 安全观测

开挖支护之后,对开挖面附近洞壁应加强安全检查,并按照设计及时进行岩石收敛观测,保证围岩的稳定。对远离掌子面的已开挖洞壁也应进行安全检查,布设岩石变形观测仪器,派专人进行安全监测和资料分析,发现异常情况立即发出警告,通知施工人员撤离现场,同时采取必要的处理措施。如果在已进行设计喷锚支护情况下,仍存在围岩不稳定的情况,采用花拱架或钢支撑进行加强支护,确保洞身、人身及设备安全[5]。

5 结论

5.1 开挖效果

（1）从开挖成洞效果来看,掘进机开挖相比常规爆破与铣挖机开挖震动小,对开挖轮廓线以外围岩扰动较小,掉块现象明显减少。

（2）有效控制了超挖现象,减少因不合理超挖造成的材料浪费、影响工程施工质量等问题,亦不会出现欠挖、侵占二衬断面的现象。

（3）掘进过程中扬尘较大,通过加大风机功率和道路洒水来控制。

5.2 开挖施工进度

本工程以2017年3月~10月对三种掘进机单个工作面开挖进尺进行举例说明（该数据来源为引洮供水二期工程总干渠34#隧洞开挖数据,数据仅作论文分析对比使用）（见表2）。

表2 三种掘进机开挖进尺统计表 单位：m

不良地质小断面隧洞开挖技术,受断面尺寸及地质条件的限制,已优质、高效完成隧洞开挖任务,截止2018 年4 月17 日,本标段已全面完成开挖及一次支护施工。合同工期中洞挖及一次支护完成时间为2018年11月11日,较合同工期相比提前了6 个月有余,加快了项目开挖施工进度,为今后类似工程施工提供了很好的借鉴。