長距離小斷面透水洞段開挖技術研究

董伏平

【摘要】四川理縣梭羅溝二級水電站1#引水隧洞位于峽谷高海拔地區，施工區域冬季氣溫極低。1#引水隧洞1#施工支洞在開挖過程中遭遇嚴重透水，進入1#引水隧洞主洞后，因下游約200m處有一常年有流水的深切割沖溝，再次遭遇嚴重透水，因透水為高山地表積雪融化水，氣溫過低，作業人員幾乎無法適應該作業環境。

【關鍵詞】裂隙發育嚴重透水 煤礦用全液壓單臂鉆車鏈條刮板式扒渣機大空孔、“四（三）眼”小孔直眼掏槽

中圖分類號：X752文獻標識碼： A

1.工程概況

梭羅溝二級水電站1#引水隧洞全長4443m，共設置3個施工支洞，因環保問題，2#施工支洞取消，1#施工支洞至3#施工支洞之間1#引水主洞長2659m。隧洞開挖斷面為馬蹄形，開挖尺寸為2.589m×3.2m，斷面面積為8.9m2。

1.1.工程地質條件

工程巖體的主要特點是工程處在峽谷高海拔地區，隧洞距離長，工作面分散, 隧洞斷面小。隧洞地質情況復雜，穿過的地層有三疊系上統新都橋組、三疊系上統侏倭組、三疊系中統雜谷腦組，巖性主要以深灰色粉砂巖、細砂巖為主，局部分布有灰巖、白云巖。巖體呈厚至巨厚層狀，地表出露巖體為弱風化。洞室所處巖體為微新巖體，節理裂隙微發育，地下水主要表現為基巖裂隙水，無區域性斷裂通過。

1.2.工程施工現狀

在1#施工支洞開挖至0+230時，隧洞掌子面遇到地下水。地下水從隧洞掌子面多個爆破孔內噴出，屬承壓水。爆破后，隧洞邊頂拱存在多條裂隙，節理較發育，地下水從裂隙中透出。因臨近冬季，裂隙水水溫接近0℃，鉆爆人員因水下作業出現感冒發燒現象，職業健康無保障，隧洞開挖推進緩慢。為避開透水洞段開挖，設計方案多次進行優化調整，原支洞向主洞下游方向偏移15°繼續延伸。后在1#施工支洞延伸72m，總共掘進310m的部位，圍巖條件變好，透水消失，確定了1#施工支洞與主洞的交叉部位，1#引水隧洞軸線進行了調整。

進入1#引水隧洞后，人工向下游（沖溝方向）鉆爆約50m后，隧洞掌子面再次出現透水，隨著與沖溝的距離不斷縮小，透水量逐漸增大。當開挖至距離沖溝約100m時，隧洞掌子面透水點十分分散，水量大，每小時透水量達400m3/h。工程技術人員多次進入沖溝內進行踏勘調查，發現沖溝上游來水經過一段堆積體后水量明顯減少，隧洞掌子面透水量和水壓力隨洞外天氣變化而變化，遇到降雨時明顯加大。該沖溝補充水源為高山積雪融化水，進入隧洞內的裂隙水多為地表補水，水溫較低，接近0℃。因作業環境差作業人員無法承受，該段隧洞被迫暫停施工。

1.3施工難點分析

1#引水隧洞縱坡i=0.0077166，因透水量增大，隨著開挖的推進，積水無法自流排出，需進行強排，排水困難，洞內積水較深，施工中出現以下難題：

（1）作業面透水點分散，透水量大，作業人員無法進行鉆孔和爆破裝藥。

（2）隧洞隨著開挖的推進，底板為順坡，積水無法自流，強排受施工供電不穩定和隧洞斷面過小的影響，積水對施工作業影響較大，每天的排水時間較長，其他工序有效時間短，影響施工進度。

（3）因隧洞內長期積水，前期采用的皮帶式扒渣機因水的影響，石渣無法扒上皮帶送入出渣車輛。

2.施工方案選擇

因透水嚴重，鉆爆出渣過程均遇到難題，怎樣選擇合理的施工方案是本條隧洞能否繼續掘進的關鍵。工程施工項目部技術人員結合國內的煤礦作業特點，選擇了機械作業替代人工作業的方式，同時要求設備廠家改進設備，優化參數，以滿足本工程長距離小斷面透水洞段開挖作業的要求。通過優化設計斷面，調整設計縱坡，優化爆破設計等方法，最終實現了該洞段的繼續快速掘進。

3.設備選型與改進

因透水量大且透水點分散，采用常規的人工風鉆鉆爆實施難度極大。因積水較深，采用常規的皮帶式扒渣機出渣效率極低，出渣速度慢，因此選擇合適的鉆爆設備和出渣設備是本工程的關鍵。

3.1鉆孔設備

（1）設備選型

根據本工程的施工特點，擬采用全封閉式的單臂或雙臂液壓鉆車替代人工鉆孔作業。經過設備選型及經濟比較，最終確定唐山市豐潤區東方液壓機電研究所生產的液壓單臂鑿巖臺車（DF10-1BD）適合本工程隧洞斷面鉆爆。（2）設備改進

因透水量大且透水點分散，為確保作業人員的職業健康安全，擬對液壓單臂鑿巖臺車進行密封改進，確保作業人員在封閉環境中操作。經與設備廠家溝通，最終確定增加封閉駕駛室。

3.2扒渣設備

結合本工程隧洞底板存在積水的特點，最終選擇四川戴克機械設備有限公司生產的WZT-80雙鏈條刮板式輪胎扒渣機。因透水作業環境，對扒渣機的駕駛室進行封閉，設備電機采用防爆電機。

4.排水方案選擇

因1#施工支洞下游作業面主洞縱坡為順坡，水無法自流至支洞，與設計單位協商意見，從①引1+116.7（支洞與主洞交接部位）開始往下游300m，即①引1+416.7按平坡開挖，透水洞段通過后再調整設計縱坡。透水洞段內應設置排水溝和集水井進行引排，降低隧洞內積水深度。因1#引水隧洞斷面為馬蹄形，底寬僅2.586m，如再設置排水溝，車輛行駛寬度不夠。因此透水洞段按城門型斷面開挖，即底寬擴挖到3.2m（斷面圓弧直徑）。在隧洞左側設置寬50cm，深50cm的排水溝，隧洞平坡段通過排水溝引出至施工支洞，自流出洞外。如開挖至①引1+416.7，透水點仍未結束，則每隔50m設置一個2m（長）×1m（寬）×0.5m（深）的集水坑，上面鋪鋼板，確保車輛通行，集水坑內設置潛水泵進行強排。

為減小裝藥過程中承壓水對乳化炸藥的推出力，在每循環爆破孔造孔完成后，沿透水點造Φ102mm的泄水孔，從而到達減壓的效果。

5.爆破方案的選擇

采用液壓單臂鑿巖臺車（DF10-1BD）鉆孔，直徑根據需要可造成Φ33mm～102mm。采用大空孔、“四（三）眼”小孔直眼掏槽的爆破方案改進原爆破工藝.

因透水洞段節理發育，爆破成型效果差，采用液壓鉆車鉆孔后，鉆孔速度快，成孔率高，可采取加密周邊孔，降低線裝藥密度的方式增加爆破殘孔率。經爆破試驗確定，周邊孔間距控制在40cm～45cm，線裝藥密度控制在250g/m～300 g/m，本工程Ⅲ類圍巖，節理較發育的透水洞段爆破成型較好，殘孔率較高。

6.結論與建議

小型水利水電工程因投資規模較小，設計深度無法達到大型水電工程要求。小型水電工程一般引水隧洞較長，斷面較小，隧洞內的地質條件無法準確判斷，怎樣做到施工周期短，見效快，合理選擇隧洞施工方案是關鍵。而長距離小斷面隧洞不可避免的會遇見透水洞段，透水洞段開挖支護關鍵在于施工設備的正確選型、鉆爆工藝的合理改進和排水方案的合理選擇。通過本工程的小斷面透水洞段開挖技術研究，我們可以得出以下結論與建議：

1）遇到隧洞內透水時，先調查清楚水源、水脈走勢以及分析下一步可能出現的地質條件。

2）遇到較大透水影響人工作業時，可根據隧洞的斷面選擇適合的液壓鉆車替代普通人工風鉆作業，從而加快鉆孔進度和改進鉆孔質量。

3）結合隧洞斷面大小和出渣設備，選擇合理的排水方案，具備條件時，盡量選擇自流方式排水，即排水溝槽引排的方式，不具備條件時，合理集水坑大小和間距，減少排水對隧洞出渣工序的影響。

4）根據隧洞斷面的大小和造孔設備的技術參數，選擇合理的鉆爆工藝，可以有效加快施工進度。因此遇到類似地質條件時，應根據工程實際的施工方案選擇合理的鉆爆工藝后，不斷進行爆破試驗總結，確定最優的爆破參數，最大限度的降低施工成本，加快施工進度。