大口径超前钻孔在小断面隧洞开挖中的运用

大口径超前钻孔在小断面隧洞开挖中的运用

龙云帅

龙云帅

云南省水利水电工程有限公司云南曲靖655000

摘要：隧洞工程的开挖，目前采用的技术主要有钻孔爆破法、盾构法、顶管法、掘进机法，掘进机主要用于大断面洞室、围岩硬度Ⅷ级以下的地下工程，盾构及顶管法主要用于浅埋软土地基；目前基本成熟的小炮头掘进机也仅能用于中断面以上的洞室开挖，并且对岩石硬度有一定的限制。采用大口径超前钻孔结风钻钻孔爆破，能够减小保留区围岩的破坏的破坏程度，进一步提高洞身成形质量。本文结合云南省屏边县营盘水库导流隧洞和灌浆廊道开挖实践情况分析了大口径超前钻孔在小断面隧洞开挖中的施工技术，以供借鉴。

关键词：小断面隧洞；开挖；大口径超前钻孔

现阶段中小型水利工程中大量使用小断面隧洞，对于岩性不一、岩石硬度高的小断面隧洞，受断面尺寸和空间限制，主要采用传统的钻孔爆破法开挖。根据目前预算定额，在正常的投标报价内，承包人不仅难以实现利润，并且常常出现工期难以保证的情况。笔者根据云南省屏边县营盘水库导流隧洞和灌浆廊道开挖实践情况，总结并提出一些看法，供业内人士参考。

一、工程概况

营盘水库位于云南省屏边县和平镇，水库总库容110.58m3，为小（1）型水利工程，枢纽工程由拦河坝、溢洪道、导流（输水）洞组成。

输水隧洞全长325.21m，由进口段、洞身段、连接段、陡坡段、消能段和出水渠段组成。洞身段长228.76m，设计为城门洞型，开挖断面高2.5m，宽2.2m，顶拱半径1.10m，断面积4.98m2。洞身围岩自进口方向到出口方向分别为寒武系中统田蓬组（∈2t-4）薄层结构变质砂岩夹软质层；寒武系中统田蓬组（∈2t-3）互层结构、块裂结构灰黑色白云质灰岩夹泥化软弱夹层；寒武系中统田蓬组（∈2t-2）薄层结构的灰色、灰绿色粉砂质板岩夹灰岩透镜体。围岩存在较多的不良地质地段，主要为砂岩及板岩节理发育，结构较松散，完整性差；灰岩溶蚀构造发育，存在溶洞、溶蚀裂隙、溶蚀塌陷。区域内降雨充沛，地下水丰富，隧洞开挖过程中有渗水、滴水、溶泉出露。溶蚀构造带多为砾质土充填，开挖过程中易出现塌方，软质层及岩性过渡带的软岩在地下水作用下，开挖过程中短时内也不稳定。

二、爆破方法及存在的问题

屏边县营盘水库导流隧洞的开挖，采用中心掏槽眼，辅助眼、周边眼的全断面常规爆破方式，开挖进尺每循环为2.0m~2.5m。掏槽眼采用四个空眼和十字形直眼掏槽；周边孔间距按隧洞断面边沿开挖线布设，上拱间距小些，侧墙及底边距离大一些，一般按50cm左右布置，炮眼数量由下式计算：

N=（QS）/（γη）

式中：

N—炮眼数量

Q—炸药单耗量，一般取Q=2㎏/m3；

S—开挖断面面积；

γ—每米长度炸药重量，2#岩石炸药=0.78㎏/m；

η—炮眼装药系数，一般η=0.8。

炮眼布置见下图。

因洞内渗水，炸药选用2号岩石乳化炸药，直径×长度为32×200mm、重量0.15kg。起爆顺序控制采用毫秒微差雷管起爆，按掏槽眼→辅助眼→周边眼分三段起爆。掏槽眼使用1~5段，其余采用8~16段间隔使用，反向起爆，并能连接。各炮眼装药量按下表控制。

炮眼装药参数表

名称孔数（个）孔深（m）装药系数%每孔装药量（kg）装药结构

掏槽眼52.51202.12偶合连续

掏槽眼42.5空孔//

辅助眼62.41001.8偶合连续

周边眼162.480~450.45偶合连续

炮眼钻孔采用ZY24型气腿式风钻、25mm~30mm钻杆、一字型42mm合金钻头钻眼。WJ-1R地下铲运机出碴。

导流洞开挖计划于2016年1月11日开始，2016年4月5日贯通，计划工期86天，平均每天开挖2.66m。由于炸材仓库建设、验收等工作未能按期完成，加之出口方向存在前期未探明的老滑坡体在开挖时出现滑动，不得不对滑坡体进行处理等工作，导致隧洞开挖工作2016年3月24日才开始进行。

在前期勘察工作不可能做细做全的情况下，不利地质构造带在开挖前难以判断，出现来不及支护的坍塌和不可预见的险情，开挖过程中存在以下不利情况：

（1）每茬炮爆破后，均要在掌子面上测设中心控制点，增加了测量工作量和占用开挖时间。

（2）钻设炮眼工作量大，用时较长。

（3）掏槽眼出现哑炮时，开挖断面成形差，对开挖范围外的围岩影响大。

（4）开挖断面尺寸不易控制，为了保证使用断面，易出现超挖，增加初期支护工作量。

（5）机械化施工程度低，施工效率低，进度滞后，施工安全不易保障。

（6）无法提前了解围岩地质条件，尤其不良地质构造带的位置。也就不能预先确定初期支护方案。为避免开挖过程遇到不稳定的围岩时能及时进行支护，不得不预先采购并加工工字钢拱架、无缝钢管、锚杆等初期支护的备用材料，常常出现备用材料剩余造成浪费的情况。

三、超前钻孔的运用

最先只计划自进口方向开挖，开挖进洞约30m（0+058）时，存在开挖难度大，断面成形质量差，围岩掉块和坍塌严重，初期支护工作量大，工期滞后的情况。为了加快进度，增加空压机和凿岩机同时从进口和出口反向掘机。

出口方向多为Ⅳ、Ⅴ类围岩，采用常规钻孔爆破法仍存在进度慢等问题。为了提高进度，决定从掏槽眼着手改进施工方法。掏槽眼的作用主要是创造临空面，减小辅助眼的抵抗线，而辅助眼起爆后，为周边眼进一步创造临空面并大大减小周边眼的抵抗线，从而在周边眼起爆时，岩体向洞内崩落，减小对围岩的震动破坏。对此，我们设想若能采用大口径钻具在掏槽眼位置沿洞轴线钻孔形成辅助眼的临空面，将可减少部分炸材。若能在直线段尽可能钻更深的孔并取芯观察岩性，可提前了解围岩的地质情况，提前了解是否需进行初期支护，并提前制定支护方案，从而有计划的采购和准备好支护材料，在掘进至相应需要支护的位置时，能及时开展支护施工，尽可能避免因支护不及时导致围岩坍塌，增加清运量。

至于钻大口径超前孔，考虑采用CMS1-160/30型煤矿用履带式深孔钻机。钻车属于履带自行式、低转速、全方位液压钻车、主要配套金刚石复合片地质钻头、硬质合金钻头、大口径牙轮钻头等的钻进。主机可在履带架上水平±90°，竖直±90°回转定位，运行状态下，整机长*宽*高为3200mm*950mm*180mm，较适合营盘水库导流洞的断面尺寸。

钻大孔径的机械设备选定后，施工单位租赁了设备进行开挖试验。配套钻具为高效φ89mm高效螺旋钻杆、φ110mm/φ125mm/φ150mm高效钻头。根据地层不同，钻头配备金刚石复合片地质钻头、硬质合金钻头。水平打孔高度为1.4m。相应的爆破孔进行了一定的调整。如图所示。

钻孔及爆破试验先在出口方向进行。第一次钻孔5m，先用φ110mm合金钻头钻进，再用φ300mm的牙轮钻头扩孔，耗时45min。超前钻孔揭示，此段围岩为绿泥板岩夹灰岩透镜体，并有地下水流出，全断面开挖前须设超前管棚加固岩体，开挖后须及时进行钢拱架支护。一次掘进深度减少为1.6m，单孔装药量在上表所示基础上减少20%。超前管棚钻设深度3m，先用风镐在掌子面处凿挖出一榀拱架的空间，并将拱架安设，用锁脚锚杆固后，沿拱架顶拱外侧钻设管棚。管棚间距10~20cm。超前管棚安设后，用ZY-28气腿式凿岩机钻设辅助炮眼和周边眼，孔径42mm，孔深1.7m。炸药采用2#岩石乳化炸药，药卷直径32mm，起爆采用毫秋电雷管，辅助眼采用1段，周边眼采用5段，底孔采用10段，按辅助眼、周边眼、底孔三个次序顺序起爆。

按大口径超前掏芯钻孔方式开挖与常规钻爆法开挖相比较，时间上并没有节省，开挖出的断面欠挖偏多，爆破震动对围岩的破坏相对减弱。时间未得以节省的原因是首次使用CMS1钻孔设备，对机械性能熟悉程度不够，操作不熟练。总体上讲，大口径超前掏芯钻孔应优于常规钻爆破法。为了进一步验证方法的适用性，第一茬炮除碴并进行初期支护后，施工单位决定在出口方向继续采用此法开挖。

拟定第二茬炮开挖进尺2m。钻炮眼耗时2h10min，比进口方向正常钻设掏芯炮眼省时近1h。因上一茬炮存在欠挖情况，第二茬炮眼装药量在前一次的基础上提高10%。并对炮眼认真进行了堵塞，爆破后的断面尺寸较第一茬效果稍好。

按此方法将前5m开挖完后。继续用CMS1-160/30钻机钻大孔径超前掏槽孔，计划钻进20m。钻孔依然按先小孔径钻进再大口径扩孔的方法实施。钻孔过程中，随着深度的增加，钻进速度有所降低，在钻至14m时感觉到钻孔方向有所偏斜，于是停止了钻进。此14m（0+182~0+196）围岩以板岩为主，自出口向上游方向，由绿泥板岩过度至粉砂质板岩，受出口方向老滑坡体在滑动时的影响，存在挤压破碎带，地下水流量也呈现增大现象。将孔径用复合片牙轮钻头扩大至300mm后，及时根据钻孔过程中记录的地质情况，确定初期支护方案和相应部位每茬炮的开挖深度。每茬炮的掘进深度按1.4m~2.0m控制，爆破前钻设超前管棚，各回次开挖后及时安装钢拱架，在挤压破碎带区段，拱架上设置孔目30mm的钢丝网防止掉块。

0+182~0+196段钻大孔径掏槽孔用时近1天。钻爆破眼、爆破、除碴、支护共用时5天。开挖效率为2.33m/天。在围岩地质条件较差、初期支护工作量大的情况下，进度提升较为明显。通过用前站仪和激光导向仪复核掌子面上掏槽孔的位置，最大偏差为7cm，隧洞掘进方向的偏移控制在允许范围内。

此时，进口方向掘进至地质条件相对较好的白云质灰岩区（0+074），围岩基本稳定，初期支护工作量较少的情况下，常规钻爆法开挖效率为3.6m/d。决定也采用先钻设大孔径掏槽孔，再钻设辅助眼和周边眼进行爆破的方式进行开挖，钻设掏槽孔深度12m，每茬炮掘进深度控制在3m以内。超前钻孔揭示出在0+081~0+086为溶蚀空隙段，充填有砾石土和塌陷体，需设随机锚杆和钢拱架进行支护。0+074~0+086开挖及支护共用时3天，开挖效率为4m/d。

采用CMS1履带式深孔钻机钻设掏槽孔过程中，随着操作人员对钻机使用熟练程度的提高，钻进速度也在不断增加，钻孔方向的偏斜也能控制在允许范围。在隧洞接近贯通时，开挖效率最高达到6m/d，隧洞的贯通较计划提前了17天。

四、总结

较小断面隧洞开挖受空间限制，普遍采用钻孔爆破法。工程区地质条件复杂，存在不良地质地段时，施工主要以预防为主，首先查清地质构造、岩性、规模、地下水活动等情况，制定稳妥的开挖方案。不良地质地段一般采用浅孔、多循环、弱爆破、及时支护，对于地下水采取排、引、截、堵等方法处理，根据地质条件可采取边开挖边支护的工序。稳定性差时，采取超前锚杆、管棚、灌浆等加固岩体。根据不同的地质条件，采取喷混凝土、挂网、锚杆、钢支架等不同组合的联合支护，紧跟开挖面进行，稳打稳扎，确保施工安全。

营盘水库导流洞及灌浆廊道围岩受区域地质构造和水文气象条件影响，存在断裂带、节理密集带、岩溶塌陷、软弱夹层等不良地质地段。采用大口径超前钻孔作为爆破开挖的掏槽孔，对确保施工安全起到了较好的效果，主要表现在以下几方面.

（1）一般的小型水利工程，地质勘察费用有限，对工程区地质条件不可能全面勘察和了解。在地质条件复杂地区，施工过程中出现不可预见的不良地质现象是正常的。在隧洞开挖施工时，通过超前钻孔，可在全断面开挖前，查清地质构造、岩性、地下水活动等情况，从而制定合理的开挖方案。

（2）采用大口径钻具沿轴线方向钻孔，若布置于掏槽位置，为辅助眼（崩落孔）爆破创造了临空面，减小围岩的抵制作用，减少对非开挖区的影响。同时，免去钻掏槽眼的工作和装药爆破工作。也可避免掏槽眼爆破出现盲炮哑炮时的不良影响。

（3）合理选用钻孔设备，若能进一步增大孔径，爆破效果将会更好。

（4）机械设备投入费用增加近60万元，对于洞身较短的隧洞开挖，成本显过高，但对于洞身较长的洞室，经济价值显而易见。

营盘水库导流洞开挖采用大口径超前钻孔结风钻钻孔爆破，洞身成形质量较之全断面钻爆法无显著提升，仍存在超欠挖现象，残孔率较低，但对保留区围岩的破坏却有所减小。至于成形质量差的原因，是因为周边孔未认真按控制光面爆破技术进行布孔和装药。若能结合掌子面出露的岩层和地质结构，合理钻设周边孔，并按光面爆破技术不偶合连续装药起爆，成形质量会有明显提高。

参考文献

[1]《地下洞室开挖施工规范》；

[2]《现代水利水电工程爆破》张正宇等著；

[3]《隧洞施工超前地质预报》叶英著

[4]《最新工程地质手册》张有良

作者简介

龙云帅1975年2月出生。1995年参加工作，主要从事水利水电工程施工管理。先后参建过云南省华坪县务坪水库工程、云南省曲靖市独木水库工程、云南省宣威市达开电站首部枢纽工程、云南省绥江县罗汉坪水库工程等十余件水利水电工程的建设，积累了丰富的施工经验。