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内容摘要：酒泉砂砾石是我国西北地区在洪积期所形成的一种比较特殊的地质岩层，一般为半固结或无固结体，具有胶结程度低，结构较松散的特点，目前该地质条件尚未形成成熟的隧洞施工经验。黄土湾引水隧洞为该地质条件下典型工程，施工中通过方案优化，解决砂砾岩地质条件下隧洞施工技术难题，达到了安全快速施工目的。
关键词：酒泉砂砾岩钻爆试验施工方案优化
Abstract: jiuquan grit stone is the northwest of our country in the flood of the product of the formation of a very special geological strata, generally for half a consolidation or no consolidation body, has the low degree of cementing, structure than the characteristics of the loose. At present, the geological conditions have not form the mature tunnel construction experience. The loess bay diversion tunnel for the typical engineering geological condition, the construction through the scheme optimization, solve the glutenite geological conditions tunnel construction technical problems, to the security fast construction purpose.
Keywords: jiuquan glutenite drilling and blasting test construction scheme optimization
中图分类号： TU74文献标识码：A 文章编号
1工程概况
黄土湾水电站是疏勒河梯级开发中的第三座水电站，位于酒泉市肃北蒙古族自治县鱼儿红乡境内，为一座中坝引水式无调节水电站，电站装机21MW。黄土湾水电站引水隧洞长1367.46m，为圆形有压隧洞，开挖内径D=5.4m。
引水隧洞进口布置于Ⅴ级阶地前缘坎下，表层岩性为col-dlQ4崩坡积砂砾卵石，厚度4～7 m，其下为al-plQ2冲洪积砂砾卵石。进口上部Q2冲洪积砂砾卵石边坡高65～68 m，坡度70～80度，因有卸荷裂隙发育，表层坡体稳定性差。
洞身布置于疏勒河右岸Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级阶地之中，长1.367Km，埋深21～68m，上部地形较为平坦，无沟道切割，围岩由al-plQ2冲洪积砂砾卵石构成。
2方案优化的必要性研究
2.1工程施工难点
本工程施工难点为酒泉砂砾石岩层虽然可以成洞，但受沉积粗细韵律的影响及胶结程度不均质和层理面胶结较差的制约，开挖过程中容易出现隧洞洞顶坍塌和井壁塌滑；在该类岩层进行钻孔作业极易发生卡钻，所以爆破进尺和锚杆作业时间会受到较大影响；该类围岩隧洞在喷砼过程中拱顶因结构松散，胶结差，受爆破扰动影响容易发生塌方、掉块，喷射混凝土容易剥离脱落，具有较大的安全风险。
2.2优化必要性分析
⑴洞室开挖前钻爆设计依据的主要是设计图纸中关于围岩地质状况的描述和划分，开挖过程中发现该划分存在明显偏差，钻爆设计参数需要根据实际地质情况进行优化。
⑵上游掌子面施工至里程引0+775附近时拱部发生小范围塌方，后续施工中也许会遇到类似塌方，为保证施工质量和安全，必须根据酒泉砂砾石的力学性质对施工方案进行优化，以便对不良地质地段施工进行预控。
⑶通过对部分洞段支护后的断面复测发现，因沉降和收敛的结果，初期支护已经侵占永久衬砌部分厚度，对该部位处理耗时耗力，影响到施工进度，考虑到施工安全和质量，必须在隧洞开挖时解决好变形预留问题
⑷在隧洞施工过程中，喷砼作业中发现隧洞拱部松散的砂砾层极易在喷砼时脱落，造成喷射混凝土难以在拱部形成有效支护，具有较大的安全隐患。
3隧洞开挖的施工优化
钻爆作业是隧洞施工的关键工序，是后续作业顺利开展的保障，爆破效果的好坏直接影响到工程安全、质量、进度与成本。通过支洞爆破试验，寻求合理的开挖爆破参数，为主洞开挖爆破施工积累经验。
3.1爆破参数优化
具体优化步骤：
⑴确定开挖爆破的影响因素，并进行分析筛选出主要因素作业试验研究的对象。
⑵选取其中一个因素作为可变值，其他因素不变进行试验，通过试验确定该因素的合理取值。以此类推确定出其他主要因素的取值。
⑶在试验过程中进行围岩地质调查，岩体完整性描述，掌子面状态，裂隙发育情况及地下水状况描述，进行监控量测，对开挖断面复测，并根据反馈信息调整爆破参数。
⑷根据地质条件变化情况调整爆破参数，采取调整钻孔方位家及角度，加密炮眼，局部内移炮眼、局部空孔不装药等措施优化爆破设计。
⑸通过对不同地段的爆破试验，最后确定不同围岩的爆破参数设计。
3.2优化后的效果
⑴有效控制了超欠挖，减少了爆破物品的消耗，缩短了工序时间，节约了投资，加快了施工进度。
⑵爆破质量的提高，确保了施工安全，减少了支护作业工作量，加快了支护作业施工进度。
⑶预留沉降量，避免了沉降收敛超限，节省了处理一次支护的时间和费用，保证了施工安全。
4隧洞初期支护优化
支护是保证隧洞施工安全的重要环节，对酒泉砂砾石隧洞支护更为重要，但由于该类围岩隧道建设少，经验缺乏，且一切设计前的支护参数的设计都是预设计，需要在施工中根据监控分析进行动态调整和修正
4.1网喷技术的优化
⑴在拱頂砂砾层部位挂设双层网格，第一层采用密目网，第二层采用φ6.5@20×20cm钢筋网片，双层网片的作用是阻隔砂砾层与混凝土层脱落；
⑵密目网尺寸按@6×6cm、@4×4cm、@2×2cm 3个尺寸进行试验，根据试验效果确定密网规格；
⑶优化附着配比设计，通过试验确定粒径配比及速凝剂产量，对砂石料进行冲洗，减少含泥量，降低回弹率；
⑷掺加一定比例合成纤维，增强混凝土粘聚性。
⑸通过试验确定喷砼风压，风压既要保证出料均匀又要控制好回弹量。
图1 网喷工艺示意图
4.2酒泉砂砾石隧洞锚杆施工参数的调整
在施工中对锚杆施工长度、间距和不同地质地段的锚杆类型在实际施工中进行了试验，获取了适合酒泉砂砾石围岩隧洞锚杆施工的合理参数，在施工中对原设计进行了修正。
⑴根据地质条件的变化，按照3.5m、3.0m、2.5m、2.0m、1.5m 5个锚杆尺寸进行试验，确定锚杆在不同地质条件下的有效长度。经过不断试验发现锚杆设置长度与围岩强度密切相关，考虑卡钻及塌孔因素的影响，酒泉砂砾石围岩中锚杆的适宜长度为2.5m。
⑵依据监控量测，按照1.0m、1.5m、2.0m 3个施工间距进行试验，确定出锚杆在不同地质条件下的间距。经过试验发现，锚杆的间距设置与围岩不连续面密切相关，试验发现在酒泉砂砾岩中锚杆间距为1.0m时最能起到群锚作用。
⑶依据抗拔试验，分析在同一地质条件、不同地质条件下砂浆锚杆、自进式中空注浆锚杆的锚固效力，确定各种地质条件下的最佳锚杆类型。在酒泉砂砾石隧洞中最适宜的锚杆类型为自进式中空注浆锚杆。
4.3、优化后的主要效果
⑴试验确定密网尺寸为@4×4cm，双层网片有效阻隔砂砾层与混凝土层脱落，解决了合成纤维混凝土的穿透和附着问题，喷砼质量得到较大提高。
⑵通过优化附着配合比设计，减少了管路堵塞，自重剥落等现象，提高的喷砼作业效率。
⑶合成纤维的掺加有效提高了喷砼抗弯强度和人性指数，增强了混凝土附着力，减少了砼体开裂剥落。
⑷通过试验确定边墙出砼风压控制在0.2~0.3Mpa，拱部出砼风压控制在0.3~0.5Mpa，解决了风压过大拱顶砂砾岩吹落，风压小喷砼不密实的问题，即保证了喷砼密实性又降低了喷砼回弹量。
⑸通过锚杆参数优化，在不通地段选用适宜性锚杆，有效解决了锚杆施工中卡钻、支护不及时等现象。隧洞施工中减少了长锚杆的施工数量，在保证施工安全和施工质量的前提下节约了生产投入，提高施工速度。
5不良地质地段的优化处理
在酒泉砂砾石隧洞中施工因围岩结构松散等地质条件的影响，特别是出现岩体分层明显，上层为小粒径砾石，结构松散无明显胶结的地质情况时。隧洞顶部塌方几乎是不可避免的。隧洞塌方后的关键工作是寻找一种合理的处理方案对塌方进行处理，避开继续施工爆破时震动对塌方体的继续破坏，确保隧洞施工的安全。
根据酒泉砂砾岩特性，施工中逐步制定了塌方段雙拱支撑，掌子面超前固结的处理方案。在黄土湾引水隧洞施工中主洞段共发生小断面塌方13起，最大塌方长度约21m，最大塌方高度约5m。在黄土湾引水隧洞施工中我们通过采用双拱支撑、密网喷护结合超前支护技术有效地解决了砂砾石隧洞塌方处理难题，为类似隧洞施工积累了经验。
6小结
在施工中通过大胆尝试，优化爆破参数，提高了隧洞成洞质量和施工进度，取得了单月平均掘进92m，最高掘进130米的较好成绩；通过改进施工工艺，采用密网施工技术优化支护参数，增加了喷砼附着面积，改善了喷砼料与酒泉砂砾石的粘结性，降低喷砼回弹，提高劳动效率。避免了采用挂网工艺而产生的拱部喷砼后大面积垮塌现象，进而达到提高进度节约成本的目的。通过对锚杆参数的调整，减少了施工过程中长锚杆的浪费施工，提高功效，降低了施工成本。
参考文献
[1]何满潮.软岩巷道工程概论[M].北京:中国矿业大学出版社,1993.
[2]关艳平.软岩隧道支护机理及工程实践[J].四川水利,2006(3).
[3]陈俊凯.酒泉砂砾石隧道施工难题解.建筑.2004.07.
[4]孙昊.讨赖河冰沟一级水电站引水压力隧洞酒泉砂卵砾石洞段地下开挖施工技术.甘肃. 甘肃农业2005年第11 期.
[5】国家冶金工业局．岩土锚杆(索)技术规程(CECS22：2005)[S】，北京：中国计划出版社，2005
[6]郑光炎;郭武峰. 卵砾石地层中未固结砂岩夹泥岩隧道施工期开挖破坏模式之案例探讨. 《隧道建设》 2007年S2期.
作者简介
姓名：程向锋 ，性别：男，出生年月1976.02， 毕业于中国矿业大学，本科学历，职称：工程师 现工作单位：中铁十四局集团有限公司，单位所在地：山东济南 邮编：250014
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：酒泉砂砾岩钻爆试验施工方案优化
Abstract: jiuquan grit stone is the northwest of our country in the flood of the product of the formation of a very special geological strata, generally for half a consolidation or no consolidation body, has the low degree of cementing, structure than the characteristics of the loose. At present, the geological conditions have not form the mature tunnel construction experience. The loess bay diversion tunnel for the typical engineering geological condition, the construction through the scheme optimization, solve the glutenite geological conditions tunnel construction technical problems, to the security fast construction purpose.
Keywords: jiuquan glutenite drilling and blasting test construction scheme optimization
中图分类号： TU74文献标识码：A 文章编号
1工程概况
黄土湾水电站是疏勒河梯级开发中的第三座水电站，位于酒泉市肃北蒙古族自治县鱼儿红乡境内，为一座中坝引水式无调节水电站，电站装机21MW。黄土湾水电站引水隧洞长1367.46m，为圆形有压隧洞，开挖内径D=5.4m。
引水隧洞进口布置于Ⅴ级阶地前缘坎下，表层岩性为col-dlQ4崩坡积砂砾卵石，厚度4～7 m，其下为al-plQ2冲洪积砂砾卵石。进口上部Q2冲洪积砂砾卵石边坡高65～68 m，坡度70～80度，因有卸荷裂隙发育，表层坡体稳定性差。
洞身布置于疏勒河右岸Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级阶地之中，长1.367Km，埋深21～68m，上部地形较为平坦，无沟道切割，围岩由al-plQ2冲洪积砂砾卵石构成。
2方案优化的必要性研究
2.1工程施工难点
本工程施工难点为酒泉砂砾石岩层虽然可以成洞，但受沉积粗细韵律的影响及胶结程度不均质和层理面胶结较差的制约，开挖过程中容易出现隧洞洞顶坍塌和井壁塌滑；在该类岩层进行钻孔作业极易发生卡钻，所以爆破进尺和锚杆作业时间会受到较大影响；该类围岩隧洞在喷砼过程中拱顶因结构松散，胶结差，受爆破扰动影响容易发生塌方、掉块，喷射混凝土容易剥离脱落，具有较大的安全风险。
2.2优化必要性分析
⑴洞室开挖前钻爆设计依据的主要是设计图纸中关于围岩地质状况的描述和划分，开挖过程中发现该划分存在明显偏差，钻爆设计参数需要根据实际地质情况进行优化。
⑵上游掌子面施工至里程引0+775附近时拱部发生小范围塌方，后续施工中也许会遇到类似塌方，为保证施工质量和安全，必须根据酒泉砂砾石的力学性质对施工方案进行优化，以便对不良地质地段施工进行预控。
⑶通过对部分洞段支护后的断面复测发现，因沉降和收敛的结果，初期支护已经侵占永久衬砌部分厚度，对该部位处理耗时耗力，影响到施工进度，考虑到施工安全和质量，必须在隧洞开挖时解决好变形预留问题
⑷在隧洞施工过程中，喷砼作业中发现隧洞拱部松散的砂砾层极易在喷砼时脱落，造成喷射混凝土难以在拱部形成有效支护，具有较大的安全隐患。
3隧洞开挖的施工优化
钻爆作业是隧洞施工的关键工序，是后续作业顺利开展的保障，爆破效果的好坏直接影响到工程安全、质量、进度与成本。通过支洞爆破试验，寻求合理的开挖爆破参数，为主洞开挖爆破施工积累经验。
3.1爆破参数优化
具体优化步骤：
⑴确定开挖爆破的影响因素，并进行分析筛选出主要因素作业试验研究的对象。
⑵选取其中一个因素作为可变值，其他因素不变进行试验，通过试验确定该因素的合理取值。以此类推确定出其他主要因素的取值。
⑶在试验过程中进行围岩地质调查，岩体完整性描述，掌子面状态，裂隙发育情况及地下水状况描述，进行监控量测，对开挖断面复测，并根据反馈信息调整爆破参数。
⑷根据地质条件变化情况调整爆破参数，采取调整钻孔方位家及角度，加密炮眼，局部内移炮眼、局部空孔不装药等措施优化爆破设计。
⑸通过对不同地段的爆破试验，最后确定不同围岩的爆破参数设计。
3.2优化后的效果
⑴有效控制了超欠挖，减少了爆破物品的消耗，缩短了工序时间，节约了投资，加快了施工进度。
⑵爆破质量的提高，确保了施工安全，减少了支护作业工作量，加快了支护作业施工进度。
⑶预留沉降量，避免了沉降收敛超限，节省了处理一次支护的时间和费用，保证了施工安全。
4隧洞初期支护优化
支护是保证隧洞施工安全的重要环节，对酒泉砂砾石隧洞支护更为重要，但由于该类围岩隧道建设少，经验缺乏，且一切设计前的支护参数的设计都是预设计，需要在施工中根据监控分析进行动态调整和修正
4.1网喷技术的优化
⑴在拱頂砂砾层部位挂设双层网格，第一层采用密目网，第二层采用φ6.5@20×20cm钢筋网片，双层网片的作用是阻隔砂砾层与混凝土层脱落；
⑵密目网尺寸按@6×6cm、@4×4cm、@2×2cm 3个尺寸进行试验，根据试验效果确定密网规格；
⑶优化附着配比设计，通过试验确定粒径配比及速凝剂产量，对砂石料进行冲洗，减少含泥量，降低回弹率；
⑷掺加一定比例合成纤维，增强混凝土粘聚性。
⑸通过试验确定喷砼风压，风压既要保证出料均匀又要控制好回弹量。
图1 网喷工艺示意图
4.2酒泉砂砾石隧洞锚杆施工参数的调整
在施工中对锚杆施工长度、间距和不同地质地段的锚杆类型在实际施工中进行了试验，获取了适合酒泉砂砾石围岩隧洞锚杆施工的合理参数，在施工中对原设计进行了修正。
⑴根据地质条件的变化，按照3.5m、3.0m、2.5m、2.0m、1.5m 5个锚杆尺寸进行试验，确定锚杆在不同地质条件下的有效长度。经过不断试验发现锚杆设置长度与围岩强度密切相关，考虑卡钻及塌孔因素的影响，酒泉砂砾石围岩中锚杆的适宜长度为2.5m。
⑵依据监控量测，按照1.0m、1.5m、2.0m 3个施工间距进行试验，确定出锚杆在不同地质条件下的间距。经过试验发现，锚杆的间距设置与围岩不连续面密切相关，试验发现在酒泉砂砾岩中锚杆间距为1.0m时最能起到群锚作用。
⑶依据抗拔试验，分析在同一地质条件、不同地质条件下砂浆锚杆、自进式中空注浆锚杆的锚固效力，确定各种地质条件下的最佳锚杆类型。在酒泉砂砾石隧洞中最适宜的锚杆类型为自进式中空注浆锚杆。
4.3、优化后的主要效果
⑴试验确定密网尺寸为@4×4cm，双层网片有效阻隔砂砾层与混凝土层脱落，解决了合成纤维混凝土的穿透和附着问题，喷砼质量得到较大提高。
⑵通过优化附着配合比设计，减少了管路堵塞，自重剥落等现象，提高的喷砼作业效率。
⑶合成纤维的掺加有效提高了喷砼抗弯强度和人性指数，增强了混凝土附着力，减少了砼体开裂剥落。
⑷通过试验确定边墙出砼风压控制在0.2~0.3Mpa，拱部出砼风压控制在0.3~0.5Mpa，解决了风压过大拱顶砂砾岩吹落，风压小喷砼不密实的问题，即保证了喷砼密实性又降低了喷砼回弹量。
⑸通过锚杆参数优化，在不通地段选用适宜性锚杆，有效解决了锚杆施工中卡钻、支护不及时等现象。隧洞施工中减少了长锚杆的施工数量，在保证施工安全和施工质量的前提下节约了生产投入，提高施工速度。
5不良地质地段的优化处理
在酒泉砂砾石隧洞中施工因围岩结构松散等地质条件的影响，特别是出现岩体分层明显，上层为小粒径砾石，结构松散无明显胶结的地质情况时。隧洞顶部塌方几乎是不可避免的。隧洞塌方后的关键工作是寻找一种合理的处理方案对塌方进行处理，避开继续施工爆破时震动对塌方体的继续破坏，确保隧洞施工的安全。
根据酒泉砂砾岩特性，施工中逐步制定了塌方段雙拱支撑，掌子面超前固结的处理方案。在黄土湾引水隧洞施工中主洞段共发生小断面塌方13起，最大塌方长度约21m，最大塌方高度约5m。在黄土湾引水隧洞施工中我们通过采用双拱支撑、密网喷护结合超前支护技术有效地解决了砂砾石隧洞塌方处理难题，为类似隧洞施工积累了经验。
6小结
在施工中通过大胆尝试，优化爆破参数，提高了隧洞成洞质量和施工进度，取得了单月平均掘进92m，最高掘进130米的较好成绩；通过改进施工工艺，采用密网施工技术优化支护参数，增加了喷砼附着面积，改善了喷砼料与酒泉砂砾石的粘结性，降低喷砼回弹，提高劳动效率。避免了采用挂网工艺而产生的拱部喷砼后大面积垮塌现象，进而达到提高进度节约成本的目的。通过对锚杆参数的调整，减少了施工过程中长锚杆的浪费施工，提高功效，降低了施工成本。
参考文献
[1]何满潮.软岩巷道工程概论[M].北京:中国矿业大学出版社,1993.
[2]关艳平.软岩隧道支护机理及工程实践[J].四川水利,2006(3).
[3]陈俊凯.酒泉砂砾石隧道施工难题解.建筑.2004.07.
[4]孙昊.讨赖河冰沟一级水电站引水压力隧洞酒泉砂卵砾石洞段地下开挖施工技术.甘肃. 甘肃农业2005年第11 期.
[5】国家冶金工业局．岩土锚杆(索)技术规程(CECS22：2005)[S】，北京：中国计划出版社，2005
[6]郑光炎;郭武峰. 卵砾石地层中未固结砂岩夹泥岩隧道施工期开挖破坏模式之案例探讨. 《隧道建设》 2007年S2期.
作者简介
姓名：程向锋 ，性别：男，出生年月1976.02， 毕业于中国矿业大学，本科学历，职称：工程师 现工作单位：中铁十四局集团有限公司，单位所在地：山东济南 邮编：250014
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。