隧洞下穿煤层段开挖支护施工技术在水利工程中的应用

潘纯

（辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁沈阳 110003）

1 工程概况

某水利工程进水池泄水洞全长1898.432m，城门洞型式尺寸为2.8m×3.5m（宽×高），结构类型为钢筋混凝土结构。进水池泄水洞起点位于进水池，终点与沉沙池放空洞相交，起点底板高程826.0m，终点底板高程820.8m，设计纵坡0.2742%。进水池泄水洞的基本功能是承担进水池放空及雍高水位泄水任务。该段隧洞拟计划分上下游两个掌子面实施开挖作业，分别朝着相反的方向实施开挖，具体为进水池泄水洞施工支洞X0+207m往下游进尺，进水池泄水洞新增支洞X1+300m往上游进尺。在施工过程中发现，X0+425～X0+831m段煤层围岩破碎，岩层节理裂隙发育，如果采取常规的钻爆法实施开挖作业，将引发顶拱塌方等安全事故，隧道开挖支护难度系数大。

2 工程施工技术措施

2.1 地下水超前地质勘探预报

在开挖作业前，施工人员做好地下水超前地质勘察，落实先勘察后掘进的施工原则，并分析渗水、煤层揭露情况，同时采取超前探孔对尚未实施开挖的区域进行勘探预测。考虑到施工现场围岩破碎、节理发育的特点，超前探孔深度确定为5.0m，完成在掌子面顶拱、两侧边墙与底板轮廓线上的超前探孔勘探检测。编制地质勘察报告，同时以探孔内返水大小、呈色等信息为参考，初步判断施工区域的施工条件，并在此基础上制定相应的施工技术方案，保证施工安全，提升工程建设的综合效益。

2.2 超前堵水

根据超前地质勘探报告可以发现，进水池泄水洞处于地下承压水位以下，区域内岩石节理发育，实施开挖作业后，岩壁的渗水将更加严重。为了解决岩石渗水问题，为隧洞开挖作业创造一个干燥良好的环境，采用超前堵水施工技术。在开挖掌子面的轮廓线上按照一定间距布置15个注浆孔，每一注浆孔的孔径为42mm，深度为7.4m，并保证钻孔方向与洞轴线的夹角大小不超出15°～19°。根据掌子面渗水实际情况调整预注浆段的距离，预注浆段为7.0m，其中开挖5.0m，预留2.0m搭接长度。进水池泄水洞超前堵水施工具体如图1所示。

图1 进水池泄水洞超前堵水纵断面图

在正式开始隧洞下穿开挖作业前，先确定预注浆堵水参数，同时采用性能、材质等均符合施工要求的材料，确保堵水效果。在进水池泄水洞超前地质勘探报告分析的基础上，确定采用PO.42.5硅酸盐水泥、水玻璃两种材质，在破碎围岩位置设置注浆钢管，钢管长度为1.0～1.5m，直径为25 mm，同时在管口位置设置球阀以提升注浆效率。

为了提升注浆效率，采用C20混凝土在掌子面喷射厚度为10cm的止浆环，以阻止在注浆过程中浆液溢出。严格按照设计规范要求开展注浆作业，遵循“先灌注线状流水孔，再灌注涌水孔”施工原则，保持注浆压力不超出1.5～2.0MPa的范围。此外，为了提升浆液凝固效率，达到理想的掌子面堵水效果，施工人员在水泥浆液中添加3%～5%的水玻璃作为促凝剂。

2.3 超前小导管

根据超前地质勘探报告发现，围岩呈不良发育，进水池泄水洞X0+425～X0+831m段分布煤层，厚度达1.2～1.5m。若采用常规钻爆法实施开挖，煤层段顶拱发生大面积塌方的概率较大。经过充分研究与反复讨论，确定在隧洞顶拱采用超前小导管预注浆支护技术，沿着顶拱开挖线外边缘5cm处布设深度为4.5m的钻孔，布置间距为30～35cm。同时，在隧洞顶拱两侧位置布置22根导管，采用直径为42mm的钢管。超前小导管制作与施工流程如图2所示。

图2 超前小导管示意图

采用YT28气腿凿岩机为主，辅助人工作业的方式，引导超前小管道穿透预制钢支撑腹板孔，并稳固地插入小导管孔内。分排完成导管插入作业，并保证每一排导管纵向搭接长度不小于1.5m。根据设计规范要求，在超前堵水灌浆强度大于50%后，即可开展超前小导管造孔施工，同时采用双液注浆，控制注浆压力，确保水泥浆水灰比不超出0.8∶1～1∶1的范围，缩短凝结时间，提升施工效率。此外，结束注浆施工后，应选用干硬性水泥封堵导管孔，待在超前小导管水泥浆强度达到设计要求后，开展下一道施工工序，实施爆破。

2.4 爆破设计

考虑到施工现场的实际情况与煤层结构的特点，采用短进尺、弱爆破、一炮一支护全断面一次性爆破技术，确保造孔孔径与深度达到设计要求。爆破网络设计为非电毫秒雷管，采用32mm乳化炸药实施起爆，并分段完成爆破（5段）。以下对爆破孔位的爆破设计进行简单介绍。

2.4.1 掏槽孔

根据超前地质揭露情况，可以确定煤层结构围岩等级为V类围岩，岩石的发育方式为垂直节理发育。因而，在布置掏槽孔时也要充分结合掌子面岩层发育情况，垂直楔形布置掏槽孔。此隧洞工程共布置3对掏槽孔，按照间距为60cm的方式垂直楔形布置掏槽孔，确保掏槽孔与掌子面的夹角为75°，掏槽孔孔深为1.5m，掏槽孔之间的距离为30cm。爆破设计：采用32mm乳化炸药连续装药4节，孔口采用炮泥封堵，封堵段长70cm。

2.4.2 主爆破孔

采用YT28气腿凿岩机完成造孔作业，确保主爆破孔孔深为1.3m，主爆破孔炮孔装药量计算公式：

式中：q——单眼装药量，kg；K——参照软岩单耗量，取0.75kg/m3；a——炮眼间距，取0.75m；W——炮眼爆破方向的抵抗线，取0.60m；L——炮眼深度，取1.30m；λ——炮眼所在部位系数，取2。

爆破设计：按照公式（1）可以确定，主爆破孔单眼装药量q为0.80kg，采用4节32mm乳化炸药连续装药，孔口采用炮泥封堵，封堵长度50cm。

2.4.3 底板孔

根据该隧洞工程爆破需要，按照间距为65cm布置5个底板孔。爆破设计：采用3节32mm乳化炸药连续装药，孔口采用炮泥封堵，封堵长度70cm。

2.4.4 周边孔

根据施工现场的具体情况和岩层的稳定性调整周边孔间距与造孔孔距，造孔孔径为42mm，按照50cm的间距布置，同时最小抵抗线取值为75cm，采用光面爆破的方式。爆破设计：周边孔炮孔深度为1.3m，底部装1节32mm炸药，端部放置1/232mm炸药，平均线装药密度为0.375kg/m，采用不耦合装药，用竹片加导爆索连接，孔口采用炮泥封堵，封堵长度50cm。

2.5 出渣支护

综合考虑进水池泄水洞尺寸及各类清渣设备的性能与规格，确定采用1台电动履带式扒渣机YZ-LDZ100，辅助2台5t自卸车完成出渣任务。煤层遇水后易脱落软化，加上受到自卸车辆与其他施工设备的碾压，煤层会被碾压成泥，影响出渣效率。针对这一问题，施工人员先将底板面煤层淤泥挖除干净，同时采用中硬度级配碎石实施回填，保证底板面的平整度与密实度。此外，根据掌子面揭露情况，可以发现煤层顶拱与边墙的稳定性较差，出现塌方掉块的概率较大，因而在完成出渣作业后，及时对开挖断面进行初期支护。

3 瓦斯监测

煤层段中含有瓦斯气体的概率较大，预见难度较高，为保证施工场所的安全性，必须重视瓦斯监测。选择在施工支洞X0+207m与Xl+300m进洞口边墙、掌子面位置各放置1台壁挂式瓦斯检测仪，并在实施爆破时把瓦斯检测仪转移到其他安全位置。同时，为施工人员提供JCB4便携式甲烷检测报警仪，便于进入施工现场的工作人员检查瓦斯浓度，保证施工人员人身安全。若在施工过程中，检测仪器发出警报，施工人员要立刻查看仪器，确定瓦斯浓度，并立即中止施工，及时撤离施工现场，配合临时轴流风机与风袋提升掌子面的通风效率，降低瓦斯浓度。在掌子面瓦斯浓度稀释至0.3%以下时，施工人员才能够进入施工现场，重新启动施工电源，继续实施掌子面开挖作业。在完成掌子面开挖施工后，配合超前堵水灌浆，在实施开挖的掌子面范围喷射混凝土，形成厚度为10cm的密封空间，防止因瓦斯外泄而导致安全事故的发生。

4 通风排水

为了保证掌子面的通风效率与排水性能，选择在进水池泄水洞X0+207m与X1+300m两侧布置轴流风机，配合风袋鼓风，确保掌子面的空气流动性，降低空气中的瓦斯浓度。考虑到开挖岩体破碎、节理发育，加上地下水丰富这一实际情况，在隧洞边墙设计临时排水沟，并按照30.0m为一间距单位布置集水坑，优化排水设计，提升排水效率，统一将积水排出地下洞室。

5 结语

综上所述，水利工程是事关民生的重要基础设施，对保证水利工程的建设安全与建设质量具有重要意义。在水利工程隧洞下穿作业时，若遭遇煤层段等不良地质区域，应做好超前地下勘探，并根据勘探信息确定地下水、煤层分布情况，选择科学的开挖支护施工技术，有效提升穿越煤层、富水层区等不良地质的施工效率与安全性，从而保证隧洞作业顺利开展，提升水利工程建设质量。