帕米尔高原深埋小断面隧洞开挖经验总结

王世华 陆胜军

摘要：本文简要介召了地处帕米尔高原的新疆下坂地引水发电隧洞，在深埋、强岩暴、高温、强渗水等极端不利条件下的开挖施工，对类似隧洞开挖施工具有指导意义。

关键词：高原、深埋小断面隧洞开挖经验总结

中图分类号：U175文献标识码： A 文章编号：

1 工程概况及水文地质条件

新疆下坂地水利枢纽工程是塔里木河流域近期综合治理规划中唯一的山区水利枢纽工程。该工程位于新疆塔里木河源流叶尔羌河主要支流之一的塔什库尔干河中下游，距喀什市315km。

该枢纽工程是以生态补水及春旱供水为主，结合发电的Ⅱ等大(2)型工程,总库容8.67亿m3。引水隧洞进水口位于坝轴线上游左岸240m处，采用竖井式进水口，底板高程为2905m，洞底纵坡i=0.003，末端底板高程2891.32m。引水发电洞全长4637m。衬砌后洞径5.2m，设计最大流量89.69m3/s。

引水发电隧洞进口位于大坝上游左岸，通过处山体的绝对高程2750～4250m，隧洞最大埋深1380m。整个隧洞位于元古界第一岩性段的角闪黑云二长片麻岩及华力西期的片麻状黑云斜长花岗岩中，围岩以二、三类围岩为主，在埋深大于550m洞段会发生中等岩爆，局部洞段会发生严重岩爆。

隧洞中地下水类型为基岩裂隙水，受高山冰雪融水补给，多以潜流向河谷排泄。涌水点最大出水量120L/min，渗水量较稳定，季节性影响不明显。

2 隧洞开挖施工方法及相关参数的选择

引水发电洞为马蹄形断面开挖，断面面积为36.29m2，全洞一次开挖掘进。开挖采用TY－28手风钻孔，0.2m3短臂挖掘机或侧翻装载机装渣，5－8t自卸汽车运输出渣，人工配合清理的方式施工。钻爆方法：根据勘探地质资料，选用岩石乳化炸药和2#硝氨炸药，采用周边光爆的钻爆方法。

⑴ 通风排烟

根据隧洞设计方案，由1#施工支洞进入主洞施工区最大长度1500m，支洞必须承担主洞两个工作面的通风、排烟及出渣任务，使其成为咽喉部位,易形成“瓶

颈效应”,即主洞两个工作面的通风、排烟呈“倒漏斗”状从支洞部位排出，必然导致支洞内烟尘量大，通风时间延长，使通风效率降低。根据上述分析，1#支洞口高程2957m，与主洞分岔口高程2900m，高差57m，具备自然通风“烟囱”效应。采用2×55KW轴流通风机将低温新鲜空气压入洞内掌子面，将洞内原有高温油烟和粉尘通过隧洞顶部由1#支洞排除洞外。进入主洞后，自岔洞口向上下游主洞方向分设通风机，接力向掌子面压风。具体通风设计如下：

随着洞挖深度的增加，轴流式通风机加至三级，但压入掌子面的新鲜空气仍很微弱，主要靠从支洞自然排烟。爆破后通风排烟时间增加至2小时。为了加速油烟和粉尘有效排出，还采取了用空压机向掌子面压入新鲜空气的办法。

⑵ 排水设计

隧洞开挖施工，主要施工排水集中在1#施工支洞与主洞交汇处，以及下游平洞段。施工时，在一侧沿纵向开挖排水沟和积水坑集中排水，抽水方法采用接力传递，利用3KW、7.5KW小水泵将地下水集中到2+250部位积水坑，再利用15kw多级水泵从2+250抽排到1#施工支洞三岔口1+710部位积水坑，最后利用三台55KW离心泵抽出洞外。

⑶ 施工用电布置

根据380V供电线路的有效供电距离理论上为800m左右，超过1000m后，洞内电压降太大，洞内电压只能达到300~320V，不能满足洞内抽排水等设备运行需要。确定采用高压电缆将洞外10kv高压引入洞内，在洞内设200kvA相式变压器，将电压变至380v，解决洞内电压降的问题。

⑷ 测量放线

引水隧洞采取全断面一次开挖成型的方法，掌子面采用带免棱镜的全站仪进行放样，每循环准确测放出周边孔孔位，或测放出中心点和结构变化点。

由于洞径小，单向掘进距离长、洞内温度高（达31℃）、湿度大，造成洞内水汽重、排烟难，能见度只有十多米，给测量工作造成了很大困难。洞挖断面轮廓检测原本可以用全站仪，利用免棱镜，一站多断面测量，但是受水汽影响，只能先放样出断面中点和左右边点，用塔尺上顶逐断面测量，工作效率很低。洞内控制点的间距，按照规范要求可以控制在50～100m，但是因能见度低，控制点间距只能设在30～50m，并且由于水汽折光影响，放样精度降低很多。为保证掌子面放样的精确度，只能在保证测量设备良好的前提下，多进行复测；控制测量只能选择在爆破出渣通风2小时后进行，且仪器及棱镜要尽可能架低，减小水雾影响，方可确保观测成象清晰、测量结果准确。

为确保周边孔在造孔时，入孔方向能尽量与洞轴线平行，避免出现大的超久挖，每次放样出周边孔位后，还需要放样出入孔定向点。

经采取上述措施，确保了各贯通面的贯通精度均符合规范要求。

⑸ 钻爆作业

根据设计单位提供的岩石物理力学性质试验分析成果，引水发电洞洞内岩石主要是片麻岩和花岗岩，岩石坚硬，抗压强度均在100MPa以上，最高达166MPa，给洞挖造孔和爆破均造成了很大困难。洞挖造孔按照定额每100m3用6个钻头，换算到每循环爆破73 m3，应该用4个钻头，实际情况是每循环要用到60多个钻头（更换打磨后再用），造孔时间需要6个小时左右，钻孔时间大大延长。主洞开挖原设计爆破方案，炸药单耗1.8kg/m3,每循环进尺2.3m，实际炸药单耗均在2.0kg/m3以上，每循环进尺只有2m左右。开挖过程中，经多次试验，对掏槽形式、周边孔间距、孔深进行调整，最终确定爆破参数如下：

掏槽孔布置如下图所示：

⑹ 排险

引水发电洞每循环爆破后，除对掌子面及拱顶危石清排外，最主要的是排除岩爆松动片帮。受自重应力与构造应力影响，在洞挖施工过程中，在拱顶及两侧拱角，因岩爆引起层片脱落，严重时导致大面积崩塌，对风水管路、钻孔台车及作业人员造成极大安全隐患，对施工进度和安全影响较大。为加快岩爆应力释放，降低岩爆所产生的危害，洞挖过程中，经反复试验，采取了以下有效措施：

常规处理：先向掌子面喷水，再沿掌子面轮廓线打超前锚杆孔，孔深4m，第一循环间距0.4m，从第二循环起间距0.8m，每进尺2m,打一循超前锚杆孔，并与前一排超前锚杆孔错位，方向向顶部与洞轴线呈25—30度倾角。接着向超前锚杆内注水，时间不少于10分钟，软化岩石。将超前锚杆孔内注入4.1m超前锚杆，外留0.1m，外留部分与钢丝筛网片（20cm×20cm）连接，用φ22钢筋与外留0.1m超前锚杆焊接加固。防止岩爆碎片崩落，并利于观察和及时排险。

超常处理：爆破周边孔布孔加密，孔距小于0.4m，增加周边孔单孔药量，线药量由200g/m调至300g/m，以后根据试验情况进行调整，增加周边孔残孔裂隙，将围岩应力向内转移。

经采取上述措施后，排险时间明显缩短，安全得到有效保证。

⑺ 每循环作业时间

引水发电洞开挖，因岩石硬度大、布孔密、岩爆排险久、缺氧造成出渣效率低等原因，导致每一循环进尺所用时间远超正常范围。小断面隧洞掘进，正常应该是每天完成两循环，进尺5~6m，每月完成150m进尺。而在此，每天只能完成一个循环，进尺2.5m左右，每月正常情况下仅能完成65~75m进尺。隧洞开挖支护作业循环时间见下表：

Ⅱ、Ⅲ类围岩开挖支护作业循环时间表

施工工艺 测量放线 钻孔 装药引爆 通风散烟 出碴 排险 合计

时间(min) 40 360 60 70 440 180 1150(19h)

注：1、每日按两班计，每班按19小时作业，日进尺2.5m（2.0m/每循环）,日完成工作量75m3。

Ⅳ、Ⅴ类、断层围岩开挖支护作业循环时间表

施工工艺 测量放线 钻孔 装药引爆 通风散烟 排险出碴 拱架支护 合计

时间(min) 30 300 60 70 500 480 1440(24h)

注：每日按两班计，每班按12小时作业，日进尺2m（2m/每循环）,日完成工作量62m3。

3 结束语

在帕米尔高原（海拔3000m以上），进行深埋小断面隧洞开挖，因无相关经验借鉴，施工中遇到了诸多想像不到的困难，如高寒、缺氧、交通不便的条件下，人员和机械作业工效只相当于通常的2/3，降效严重；资源配置和进度计划编排较一般情况相差较大；岩爆、高温、排烟困难等诸多无法预测的因素，对施工进度和安全均造成了较大影响。本文通过对洞挖风水电布置、各道工序相关参数的选择等的总结，为类似隧洞开挖提供了借鉴经验。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。