关于跃峰渠隧洞施工的技术问题综述

2018-04-15 作者： 张培良

关于跃峰渠隧洞施工的技术问题综述

李树声

水利工程中的隧洞开挖，由于受到自然条件、工作条件的影响与限制，无论在开挖方式、眼孔布置以及施工组织、施工布置等方面都与一般的露天开挖很不相同。Www.Pinwenba.Com 吧现结合河北省邯郸地区大跃峰渠十里隧洞（全长5200米）、向阳洞（全长300米）、群英洞（全长400米）、天眼斜井27眼的实际工程情况，对跃峰渠隧洞施工中技术、质量、安全管理等九个方面的有关问题着重进行回忆阐述。

一、水工隧洞的施工组织设计

水工隧洞开挖不同于一般明挖工程，而是要复杂得多，这是因为：

1．工程地质和水文地质条件对隧洞开挖有严重影响；2．隧洞的断面规格的限制，不可大量开辟同时作业的工作面，影响掘进速度；3．爆破凌空面少，也影响到爆破效果；4．钻眼、爆破、支撑、出渣、通讯、排水、提升、衬砌等工作使施工组织复杂化；鉴于上述原因，就必须对隧洞穿过地段的地形、地质、水文地质条件进行很好的调查了解，并根据施工机械化情况和电源情况，编制周密可行的施工组织设计，确定符合实际的科学施工方案，充分做好施工准备工作，按规划设计文件和上级党委政府、指挥部的要求进行水工隧洞的施工技术、质量、安全管理等工作。

水工隧洞开挖衬砌施工的组织设计，主要应包括：

1．合理确定进出口、天井、斜井数目，尽可能多开工作面；2．计算工程量，确定开挖方式，典型断面的眼孔布置和爆破顺序，计算装药量；3．选定临时支撑的借过形式和方法，以便加快支撑速度和节约支撑费用；4．确定出渣方式、运输路线的布置和提升方法；5．设计通水、照明和排水等辅助工作，改善通风条件，采用少烟烈性炸药，缩短放炮后的散烟时间，保证新鲜空气的供应，使施工人员有良好的工作条件；6．编制施工计划图标；7．编拟进出口、天井、斜井等出渣口，每个工作面的劳动力、机械设备和器材供应的需用计划，以利各项工作有节奏地进行；8．规定土石方开挖、衬砌、机电设备等方面的安全防护措施，加强安全技术、劳动保护和卫生工作，防止伤亡事故，改善工作条件，以提高工作效率；9．编制施工进度计划和施工总平面布置图，做好施工准备工作，修建交通道路，架设通讯线路和高压线路，设置各项临时设施（动力机房、仓库、修配厂），敷设配电系统、通风和给水、排水系统等；10．尽一切可能使出渣工作机械化和半机械化，并注意机械设备和工具的技术革新和改良；11．采用断发性（毫秒迟发雷管）引爆，控制放炮程序，以提高爆破效果；12．一定注意在地质条件和设备能力允许的情况下，尽可能采用全断石开挖法。

总之，要把隧洞快速施工的要求充分反映到施工组织设计之中。

二、水工隧洞的开挖方式

如能对水工隧洞开挖方式因地制宜地选择，对于加快施工进度，节约投资，简化施工组织，保证施工安全将能起到重要作用。

常用的隧洞开挖方法为钻眼爆破法，另外还有一种护架开挖法，（护架开挖法以开挖沙土、粘土为宜，但此法耗用设备费用很高，技术操作比较复杂，不便于群众性施工，不适合跃峰渠遂洞施工采用，不多赘述），着重叙述钻眼爆破法。

（一）全断面开挖

全断面开挖即钻眼掘进工作系统按隧洞整个断石进行。适用于山岩压力很小根本不需要临时支撑加固的地质情况良好的开挖地段，在隧洞开挖断面不大的情况下，而且还尚要具备有较高的施工机械化程度。

（二）断面分部开挖

断面分部开挖即首先开挖整个隧洞断面的一部分（小断面、导洞），导洞的大小视支撑、出渣、运输条件而定。当导洞前进一定距离或全部凿通后，再向整个断面扩大。导洞的长度要根据地质条件、支撑情况、出渣提升、照明、通风条件而定。此法在施工中能够更好地了解岩层结构情况，便于研究和采取必要措施，保证安全施工，使工程顺利进行。

导洞的具体布置方式，根据其所处位置、数目可分为：下导洞（拱下掘进、摸底开挖）、上导洞（拱上掘进、摸顶开挖）、中导洞或侧导洞，双导洞（双孔掘进）。

1．下导洞（拱下掘进、摸底开挖）

下导洞开挖适用于岩层坚固稳定、支撑简单或不需要支撑、隧洞较长、地下水严重的条件。

下导洞开挖的优点是：

（1）洞内装运石渣比较方便，出渣道路不用移动；在整个开凿过程中，均可利用爆下的石渣做为脚手，以进行第二次的钻眼工作，而且钻眼与出渣不致互相干扰，因而增加了纯钻眼的工作时间，在导洞打通以后，进行挑顶时，可先开凿第二部分。第一次放炮后，不立即清渣，利用爆下的石渣做脚手，继续向前掘进。待第二部分往前推进2～3米后，即可进行第三部分的开凿。第三部分开凿后放炮后的浮渣可利用料槽将渣直接装入停放在导洞中的车子上，如此出渣即省力、又减少再倒一次手的困难，待第三部往前推进2～3米时，即可进行第四部分的开挖。如此循环前进。如遇岩层较差时，支撑工作也紧跟着将已扩大的断面架上棚子，这样即省力又不互相干扰。衬砌与否视具体情况而定。

（2）施工时排水方便

（3）设计开挖断面规格容易掌握，并能减少不必要的开挖量，纵导洞以至扩大，整个开凿过程中都是横向钻眼，因而对周界的规格容易掌握。

（4）比较安全，因先开挖了导洞，导洞面较小，顶部暴漏在空气中的面积也较小，遇到岩层不佳之处也易于支撑，加之下导洞的开凿，系由低处逐步往高处扩大，施工人员经常可以接触到顶部，如发现顶部有浮石或裂痕现象，可以利用尚未清出的浮渣当做脚手脚来处理顶部，因此可以保证顶部随时受到检查。

（5）根据施工经验上导洞扩大时装药为眼深的45％，而下导洞仅为25％，大大减少炸药用量，还可提高爆破效率。

下导洞开挖的缺点是：

（1）遇到顶部岩石破碎，就影响施工安全。

（2）排水、照明等在导洞掘通后，均需将其拆除，待扩大时，又要跟着扩大速度向前逐步接送，自然增加了辅助工作。但比较安全可靠。

2．上导洞（拱上掘进，摸顶开挖）

上导洞开挖适用于容层松软、破碎且不稳定的地质条件，隧洞较短，顶部支撑安装好后不需移动，无地下水或地下水不严重的条件。

上导洞开挖的优点是，顶部规格易于掌握，但由于开凿面逐步降低，运渣道路的铺设整修也需一直变动，增加了投资，排水比较困难，底部开挖规格较难掌握，施工人员也逐渐远离顶部，如发现顶部有意外情况，处理比较困难。采用此法时，开挖与衬砌同时进行为好，以便施工人员始终在衬砌加固保护下工作，安全工作有保证。其开挖顺序。

3．中导洞与侧导洞

此种方法主要视地质情况来确定。如洞中部或侧部有一部较为松软的岩脉，纵通洞中或洞侧，则将导洞布置于此地层中，在开凿时可减少困难，并可减少爆破的消耗量，但存在以下缺点：

（1）导洞以下的石方随开凿进度更变高程，其通风照明设备等需频繁移动，增加施工麻烦。

（2）导洞以下石方开凿时，多需采用下挑眼的形式，虽钻眼方便省力，但规格往往不易掌握，不是高程不够，就是超挖石方，大大造成浪费。其开挖顺序。

4．双导洞（双孔掘进）

两侧导洞开挖，适用岩层破碎、松软、地下水比较严重、断面较大，需要边开挖边衬砌的情况。其开挖顺序。两侧边篛先衬砌，紧接砌拱顶部，随着开挖工作的推进，应立即加以衬砌加固，以保证施工安全。此法缺点是：工作面狭小，出渣、材料运输堆放、支撑、通风和排水等产生干扰、在粘土质地层中开挖断石较大的隧洞时，宜采用小断石（高2.5米，宽1.8米）双导洞前进留土柱的掘进浆砌施工方案，这样导洞小、支撑力大，施工比较安全，同时15～20米土柱中开挖一个联络眼，解决通风和安全出口，便于施工顺利进行。双导洞前进的距离一般宜掌握在50～70米。上下导洞开挖，适用于岩层较好，断面很大的情况。其开挖顺序。上下导洞之间用斜井或直井（断面为1×1米或1×1.5米）连通起来，以便出渣和递送支撑材料。下导洞担负排水和出渣运输任务。此法可大大加快断面很大的隧洞施工进度，但是导洞的支撑工作是比较复杂的。

（三）导洞专进开挖

导洞专进开挖即在开挖的隧洞断面中，先将导洞整个凿通，再依一定顺序逐步进行扩大。这样能够改善扩大断面时通风条件，并能较详细地探明隧洞穿过地段的岩层性质，以便扩大断面时采用必要的施工措施，保证材料及时供应，保证施工安全。

导洞专进式根据位置选择不同，分为上导洞、下导洞、中导洞或侧导洞。至于导洞的形式、大小与尺寸，视导洞应有的设备与对运料、出渣的交通要求和提升设备能力而定。一般手凿导洞高和宽各为1.8～2.5米，机械开凿时高为2～3米，宽为2.5～3.5米，遇到坚石可不做支撑，遇到一般较松散岩石均需做好支撑工作。

关于导洞断面形状的选择，应根据地质条件、顶侧岩石压力和支撑情况而定。当顶部压力较大而侧压力较小时，一般宜采用矩形；当侧压力较大时，一般宜采用梯形断面。

关于导洞断面尺寸的考虑，则必须依据运渣工具外形尺寸、支撑形式、通风管路和电线照明需占空间大小以及保留的安全高度和宽度来决定。断面过大，虽然对施工有利，但开挖速度受到影响，自然会增加施工费用。导洞的净高一般宜在2.0～3.5米之间，洞内行人预留高度不得少于0.3米，洞内行渣车预留高度不得少于0.5米。导洞的宽度：底宽一般确定在3.0米左右，顶宽一般不超过2.5米，当山岩压力较大时，尽量减少为好。（排车运输时人行道宽一般不少于0.6米，渣车运输时人行道宽一般不小于0.7米，渣车、较大点的车边缘距离洞壁或支撑边缘距离不小于0.25米）。

三、导洞钻眼、药量、爆炸、回采扩帮

科学布置眼孔，能提高钻眼效率和眼孔的利用系数，即可保证爆破质量，又可保证安全施工。

眼孔的布置方式，必须根据岩石性质和构造、断面大小和钻爆方法进行选择。眼孔布置按其作用一般可分为掏心眼（掏槽眼、拉槽眼）和崩落眼两种，掏心眼的作用是增加自由面，崩落眼的作用是爆破岩石。

掏心眼采用的方法有单向眼、多向眼、垂直眼、混合眼。具体采用何种眼孔布置型式，系根据开挖断面大小，岩石坚硬程度、层理、节理等状况在施工时实地试验来确定。

现将单项眼、多项眼掏槽的眼孔布置及适用范围列成表，单项眼掏槽的眼孔布置及适用范围项眼掏槽的眼孔布置及适用范围。

关于垂直掏槽方法适用于导洞导面较小，一般4平方以下时采用。且岩石完整坚硬、韧性较高而层理平行于工作面的情况。其眼孔布置形式（见图示6），有时中间加一个不装药的空炮眼，作为凌空面构成其它炮眼的爆破方向。眼距一般掌握在0.1～0.3米之间。

关于钻孔与自由面之倾角大小的确定、需视岩石的坚硬程度而定，往往在实际施工中，为了打眼迅速，常凭经验确定，一般掌握在60°～75°之间。具体确定原则锥形掏槽眼孔布置与岩石强度关系的参考数据，楔形掏槽眼孔布置与岩石强度关系的参考数据。

各眼底之间距离，对于软岩石为400毫米，中硬岩石为300毫米、坚硬岩石为200毫米。

关于眼孔的深度确定，这决定于掏槽方法、导洞的断面、岩石硬度、钻眼形式（人工或风钻）和工作循环的时间分配等因素。

根据掏槽方法和断面大小所确定的眼孔深度、应该便于钻眼和换钎，他等于：

Ｗ＝φＢ或Ｗ＝ΦＨ

式中：Ｗ—眼孔设计爆破深度（米）

Φ—限制系数：单项眼掏槽时为0.5－0.9；楔形掏槽时为0.25－0.66；锥形掏槽时为0.5；垂直掏槽时则不受限制；Ｂ—导洞断面的宽度（米）Ｈ—导洞断面的高度（米）

合理的眼孔深度，应由爆破循环时间决定，例如每昼夜三班制，要求每班能完成五个爆破循环，每个循环进0.4米，则每天15个循环，可进6米（根据对坚硬岩石采用打浅眼放小炮的情况）。

为了提高崩落眼的利用系数和减少它的残眼深度，一般情况下掏槽眼应比崩落眼深10％～20％。

关于每个炮眼装药量计算，据查有关资料，并无正确的计算方法，都是根据炮眼深度的百分比来装药。因岩石性质及炮眼类别不同，百分比也不同。这个百分比常用装药系数来表示。

如用最基本的方式进行计算是：

Ｑ＝ＫＳＷ

式中Ｑ—一次掘进时的总装药量（公斤）

Ｋ—单位体积的炸药消耗量（公斤(立方米）Ｓ—导洞断面积（平方米）Ｗ—炮眼深度（米）通常，掏槽眼装药深度为眼深的60％～66％，也有达50％～70％，崩落眼则为40％～60％。

导洞的爆炸宜用断发性雷管，实行“三步放炮法”和“五步放炮法”，其优点为：大大降低爆破地震增加运渣率，降低单位炸药消耗量，这是很值得提倡的一种施工技术。

三步放炮法：即先爆炸中间掏心眼，使掘进面中间形成一个洞，次炸帮眼、顶眼（齐炸），最后炸底眼。

五步放炮法：即先爆炸中间掏心眼，使掘进面中间形成一个洞，次炸帮眼，再炸掀小帮眼，然后炸顶眼，最后炸底眼。

1、掏心眼，2、帮眼，3、顶眼，4、底眼

1、掏心眼，2、帮眼，3、小帮眼4、顶眼，5底眼为了适应上述放炮法的炸裂顺序，可将导火线切成各种长度进行。

导洞炮眼数的确定，实际施工中炮眼往往要根据岩石强度、炸药性质、爆破时自由面的数目、导洞断面大小、装药方式及眼孔大小等多方面因素加以考虑。具体确定时可参照下列公式计算：

Ｎ＝ｑＳ／ｒｂ（个）

式中：Ｎ—炮眼数目（个）；

ｑ—导洞开挖每立方米炸药消耗量，常经实践经验决定，一般为1.2～2.4公斤Ｓ—导洞断面积（平方米）；ｂ—装药系数；ｒ—每米炸药的重量。

或Ｎ＝Ｋ1

式中Ｋ1—系数，当有两个自由面时取2.0，当有一个自由面时取2.7；Ｆｋ—岩石普氏系数；上述公式计算出的炮眼数目，仅可做为一个大概数，初次开挖时做参考，随着施工不断修正。

导洞爆破之前，要注意先鼓风，后放炮，炮一响过，再次鼓风排烟，便于迅速排烟雾，可争取掘进时间。这是一条成功的经验。通过通风散烟，必须先由炮工和石工进入洞内，检查和处理瞎炮，检查爆破质量，遇有已经爆破松动但未脱落的岩石，必须在检查时将其撬下，确保继续施工时的安全。