大坡度长距离小断面引水隧洞掘进技术

聂彦春

(山西省中部引黄工程建设管理局，山西太原030002)

1 工程概况

引水隧洞是输水工程的重要组成部分之一，往往具有坡度大、单个工作面施工距离长、地质复杂、施工断面小，并且出渣难、通风难等特点，施工难度非常大，严重制约着隧洞掘进速度。山西省中部引黄工程25标引水隧洞位于山西省吕梁市石楼县境内，隧洞施工总长29.13 km，其中引水主洞长22.81 km，支洞与主洞均为城门形断面，支洞净宽3.65 m，净高3.2 m；主洞净宽2.5 m，净高3.24 m。其中，17#隧洞工程施工支洞长605 m，坡度43.71%，出渣方式为有轨运输，围岩岩性为三叠系中统二马营组上段砂岩与泥岩互层，主要为Ⅳ类围岩。因该工程支洞及主洞开挖断面均较小、施工距离长且支洞坡度较大，导致洞内可利用作业空间有限，工序干扰大、出渣及人员运输困难，采用传统工艺，掘进速度慢，施工成本高，而且工期无法保证。

为确保施工任务顺利完成，建设单位及时组织各参建单位及专家研究制定加快引水隧洞施工进度的措施，并通过在实际施工过程中的不断实践和探索，对爆破、通风、出渣、喷锚

支护工艺以及施工管理等各环节或工序中出现的问题及时解决和优化，有效保证施工任务的按期完成。

2 引水隧洞爆破工艺

隧洞开挖主要为石方开挖，采用光面爆破的方法一次成型。原施工采用“八字掏心”爆破法，存在施工进尺不理想，洞渣抛射距离长等不足。对此，根据隧洞围岩特性，采用“直眼掏心”爆破法(图1和图2)， 每个循环总布孔数45个左右， 其中布置9个孔深为3 m掏心孔，辅助孔及周边孔为36个左右，

图1 直眼掏心法的掏心眼布置

图2 导爆管雷管起爆网络

孔深2.5 m。此方法较“八字掏心”爆破法施工的总孔数增加约9个，但是采取“直眼掏心”具有钻孔作业角度小、方便4台钻机上下同时作业、相互干扰小等优点，每循环钻孔爆破时间缩短至2.1小时左右，使得钻孔工效显著提高，此外对比“八字掏心法”，单循环有效进尺由1.8 m提高至2.3 m。采用“直眼掏心”爆破法后，洞渣的抛射距离由“八字掏心”时的50 m～60 m降低至现在的10 m左右，因此通风风带可以与掌子面保持较小的距离，有利于提高通风效率，缩短通风散烟时间，通风时间由原来的60 min缩短至36 min左右，爆破与出渣工序衔接更紧凑，施工工效明显提高。

3 洞内通风工艺

由于引水隧洞通风距离长，对通风设备和通风效率提出了更高的要求。17#隧洞支洞长605.35 m，上游控制主洞段长1791.91 m，下游控制主洞段长1939.09 m，隧洞通风距离为2397.26 m～2544.44 m。洞口采用Y-200L2-2型的3级轴流通风机(图3)，每一级功率37 kW，总功率111 kW。在主洞上游及下游距交叉段800 m左右的位置分别布置一台SF-I-NO.6.0型轴流风机进行洞内通风接力，风机功率15 kW。支洞风袋直径80 cm，主洞风袋直径60 cm。洞内设有风袋临时存放点，需要时及时取用。风带随施工进尺及时安装，由2名专业人员每天对通风系统进行检查。发现风带破损时，将该段破损风袋整体拆下，用洞内备用风袋进行更换(图4)，17#隧洞通风系统基本上无漏风现象，拆卸后的风袋在洞外统一修补。此外，17#工区在每台出渣车辆上均安装了尾气净化装置，有效地过滤了大颗粒物，改善了洞内通风作业条件，也减小了主洞内的通风压力。

图3 洞外通风

图4 洞内通风

总之，通过采用“直眼掏心、增压风机、风带跟进掌子面、汽车尾气净化装置”等综合措施，将洞内通风时间由60 min降低至36 min，大大缩短了通风排烟时间，节省了成本，提高了工效。

4 隧洞出渣工艺

主洞和支洞采用有轨运输的出渣方式，出渣时间长，效率低，工序间不能紧密衔接，爆破后围岩暴露时间长，不能及时进行锚喷支护，施工安全难以保证。对此，提出对出渣工艺进行优化。

4.1 支洞出渣工艺

交叉段设置转渣系统，对交叉段进行适度扩挖后形成储料仓(图5)，储料仓具备2～3车的存渣能力约6 m3，矿车可运行到储料仓底部接料，通过闸门控制，将渣料卸至矿车内，料满后由绞车直接运出，往返一次需要9 min，可24h持续不间断作业，绞车出渣工效不影响整体出渣时间。因此，出渣效率得到大幅提高。

图5 交叉段出渣料仓

4.2 主洞出渣工艺

通风散烟后，洞内扒渣机运行到掌子面，洞内4台三轮车依次开行至掌子面或避车洞出渣(图6)。每辆三轮车的主洞段运渣时间大概为每车20 min，按每循环2 m计，每次出渣量为33 m3～42 m3，需要19车左右，掌子面的渣可以在1.3 h～1.5 h之内转至交叉段内。交叉段设置存渣系统，消除了绞车等待三轮车的时间，实现了出渣三轮车和矿车出渣零干扰，绞车出渣可24 h持续作业，可大大缩短每循环出渣时间。

图6 主洞出渣

5 喷锚支护工艺

为提高喷锚支护效率，在斜洞段末端设置了人字形轨道(图7)，一条通向洞渣储料仓，另一条通向喷锚料储料仓。需要喷锚支护时，卸掉出渣矿斗的钢丝绳，将钢丝绳连接到停放在洞内的侧翻式喷锚料斗上，由绞车拖出洞外。洞外拌制好的干料由装载机卸至喷锚料斗，绞车运送到喷锚料卸料台后直接侧翻到储料仓内(图8)。三轮车后退至储料仓下方的出料口接料，然后用三轮车直接运至喷护作业面。此方法提高了工效，消除了人工装、卸工序，实现了全部机械化施工，降低了人工使用量和工作时间。

图7 人字形轨道

图8 喷锚料储料仓

6 施工管理措施

在施工管理方面，由于缺乏具体奖惩措施，管理人员和施工人员工作积极性不高，存在“吃大锅饭”现象，施工管理成本高，工期无法保证。对此，建设单位加强了施工管理，明确了施工管理模式，加强了施工人员保障以及机械设备保障，并设立了完善的安全保障系统。

6.1 管理模式与人员保障

①管理模式

17#洞派驻一名工区长和一名施工员，管理现场的作业班组。班组为工序承包制，由班组长总负责，并对考核奖励有支配权利。作业班组下设炮工班组和杂工班组。

②人员保障

17#洞作业班组人员共计54人，其中管理人员4人，钻爆班18人，杂工班32人。杂工班包含喷锚工7人，运输班10人，机械维修班6人，抽水工3人，电工1人，焊工1人，后勤4人。

6.2 机械设备保障

①备用设备

17#隧洞工程主要设备均有备用，可保证在突发设备故障时如钻机、发电机，及时启用备用设备，保持了正常生产，提高每月的有效工作时间。

②设备维修

项目部专门从生产厂家高薪聘请了扒渣机、绞车等维修的专门维修人员，成立了十几人的维修班组。维修班组每天巡查设备运行状况如扒渣机油管、绞车刹车系统，一旦出现故障立即检修解决；在项目部驻地配备车床等加工设备，对于急需的机械及设备配件维修人员可立即进行加工，及时更换、维修、特殊部件现场加工，可有效提高机械设备的保障率与完好率。

③电力保障

为保证洞内设备正常使用和应急抽水用电，项目部为所有六条洞口超标准配置了大功率柴油发电机，变频增压器。其中17#隧洞配置了3台大功率柴油发电机，发电功率共1000 kW，保障停电零影响，可保证洞内正常的开挖作业。

7 取得的效果

采用改进后的施工工艺和施工管理办法后，隧洞掘进速度、施工质量和施工安全等均得到了有效保障。

①钻孔与爆破用时统计

17#主洞采用直眼掏心布孔方式，单个掌子面每循环约45个孔，用4台钻机钻孔(另有2台备用)，每台钻机平均钻孔数为11个，每个孔用时大约7 min，单个掌子面钻孔用时约为80 min；吹孔与装药用时约为50 min。钻孔与爆破总用时约2.1 h。

②通风散烟用时统计

爆破后通风用时约0.6 h，洞内空气经检测各项指标满足施工要求，可进入下道工序施工。

③排险与出渣用时统计

由于在交叉段采用转渣系统，支洞出渣不影响总体出渣工效，出渣时间主要受主洞三轮车运输时间控制。17#主洞每循环开挖进尺约为2.0 m～2.2 m，爆破虚方量约33 m3～42 m3，出渣采用2 m3农用三轮车6辆(2辆备用)，需17～21车，每车需运输4～5次，每车次平均用时约20 min。排险与出渣总用时约1.3 h～1.5 h。

④喷锚支护用时统计

单作业面每循环开挖与支护共需要6.0 h～6.2 h完成(表1)。24 h(三班制)单面能完成3～4个循环，主洞双作业面每天能完成6～8个循环，每天总进尺约12 m～16 m。

表1 每循环平均各工序用时统计表

经统计，17#隧洞主洞月平均开挖进尺达到324 m，单作业面月平均开挖进尺为162 m。主洞日平均开挖进尺为10.8 m，单面作业日平均开挖进尺5.4 m，最高单作业面日开挖进尺为8 m，最高单作业面月进尺为198 m，超额完成了进度计划。同时，通过采用考核制度，建立奖惩机制，明确责任分工，项目管理人员和施工人员积极性明显提高，在施工进度提高的同时，施工质量、安全、工期等方面也得到了有效保障。以上成果赢得了各参建单位和社会各界的高度赞赏和信赖，并在中部引黄工程全线推广应用。

8 结论

本文依托中部引黄工程25标17#隧洞，针对大坡度长距离小断面引水隧洞施工存在的问题，通过在实际施工过程中的不断实践和探索，对隧洞施工中的爆破、通风、出渣、喷锚支护等工艺进行优化，改进施工管理，建立明确的施工管理模式，加强施工人员保障以及机械设备保障，并设立完善的安全保障系统，使隧洞掘进速度、施工质量和施工安全等均得到了有效保障。本文实践研究成果对类似的大坡度长距离小断面引水隧洞施工具有很好的借鉴和参考意义。