硬梁包水電站大斷面洞室開(kāi)挖施工方法研究

侯 劍 橋

(中國(guó)安能第三工程局成都分公司，四川 成都 611135)

1 概 述

硬梁包水電站引水采用兩條引水隧洞平行布置于大渡河左岸，均為全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為：Ⅲ1類圍巖段0.4 m，Ⅲ2類圍巖段0.5 m，Ⅳ類圍巖段0.8 m、Ⅴ類圍巖段1 m。1號(hào)、2號(hào)引水隧洞分別接1號(hào)、2號(hào)調(diào)壓室。根據(jù)引水線路所處地形、地質(zhì)條件以及施工要求，隧洞在平面布置上共設(shè)置了5個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，轉(zhuǎn)彎半徑為200 m或80 m，在引水隧洞末端圍巖條件較好處設(shè)置了一組集石坑，以避免塊石等雜物進(jìn)入機(jī)組。首部樞紐進(jìn)水口底高程為1 215 m，調(diào)壓室處隧洞底高程為1 198 m。

引水隧洞所處地層巖性主要為晉寧-澄江期花崗巖，輝綠巖脈穿插其中。Ⅲ類圍巖巖體呈微風(fēng)化～新鮮，完整性較好，呈次塊狀～鑲嵌結(jié)構(gòu)，局部碎裂～碎塊狀結(jié)構(gòu)段為Ⅳ、Ⅴ類巖體，為弱下風(fēng)化段。巖體中小斷層較發(fā)育，主要以NE向、陡傾山內(nèi)和NNW向中緩傾山內(nèi)的斷層為主。筆者根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況對(duì)隧洞開(kāi)挖采用的施工方案進(jìn)行了研究，分述如下。

2 主要施工方案研究

2.1 施工方法的選擇

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)成熟的施工技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)做法，洞室開(kāi)挖的方法主要有全斷面法、正臺(tái)階法、環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法以及設(shè)臨時(shí)支撐的側(cè)壁導(dǎo)洞法和地鐵隧道常用的盾構(gòu)機(jī)施工方法。全斷面法適用于跨度≤8 m且地層較好的洞段；正臺(tái)階法適用于跨度≤10 m、地層較差的洞段；環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法適用于跨度≤12 m、底層差的洞段。由于硬梁包水電站地處山區(qū)，不適用于盾構(gòu)機(jī)施工，同時(shí)其開(kāi)挖斷面中存在Ⅳ、Ⅴ類圍巖，巖性較差，且因其斷面直徑較大不適用于全斷面法開(kāi)挖。項(xiàng)目部結(jié)合正臺(tái)階法和環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工工藝[1]，同時(shí)根據(jù)我公司已有的施工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，擬采用分層分序開(kāi)挖的方式。

分層分序開(kāi)挖具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)能較好地控制開(kāi)挖質(zhì)量。分層分序開(kāi)挖每次開(kāi)挖的斷面不大，該隧洞中導(dǎo)洞斷面面積為52.6 m2，跟進(jìn)開(kāi)挖左右側(cè)保護(hù)層斷面面積為25.3 m2，小斷面的爆破開(kāi)挖能較好地控制爆破系數(shù)，對(duì)于超欠挖的控制能力較好。

(2)能避免出現(xiàn)洞室坍塌的情況。分層分序開(kāi)挖采用的是隨挖隨支的工藝，開(kāi)挖一部分，臨時(shí)支護(hù)一部分，對(duì)于防止洞室開(kāi)挖暴露面變形坍塌具有較好的效果；同時(shí)，由于Ⅳ、Ⅴ類圍巖巖性較差，且又處于破碎斷裂帶位置，開(kāi)挖前即需進(jìn)行支護(hù)。采用超前注漿小導(dǎo)管或管棚方式、分層分序開(kāi)挖，能夠有效地利用超前支護(hù)的效果，更好地控制開(kāi)挖斷面的成型效果，控制好斷面應(yīng)力和斷面變形[2]。

(3)能流水施工，提高施工效率。采用中導(dǎo)洞先行、兩側(cè)保護(hù)層緊跟施工的方式進(jìn)行爆破開(kāi)挖能夠提高施工作業(yè)效率。中導(dǎo)洞與兩側(cè)保護(hù)層掌子面的距離為30～50 m，在施工過(guò)程中同時(shí)鉆孔，同時(shí)爆破，同時(shí)出渣，不僅能保證爆破質(zhì)量，也能減少不必要的施工停歇時(shí)間，在上層開(kāi)挖完成后，下層施工類似于平面光爆，施工效率高，速度快，能夠很好地保證工期要求。

2.2 施工程序研究

(1)開(kāi)挖分兩層Ⅳ序進(jìn)行，Ⅲ類圍巖Ⅰ序?yàn)樯蠈? m×7 m(寬×高)導(dǎo)洞，采用三臂鉆進(jìn)行水平造孔；Ⅳ、Ⅴ類圍巖根據(jù)地質(zhì)預(yù)測(cè)的結(jié)果選擇左右半洞法(左半洞尺寸為7.59 m×8 m)或?qū)Ф聪刃?導(dǎo)洞尺寸為8 m×7 m)，或者雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。Ⅱ序?yàn)樯蠈觾蓚?cè)擴(kuò)挖，采用三臂鉆進(jìn)行水平造孔；Ⅲ序?yàn)橄聦硬弁冢捎肨35鉆機(jī)進(jìn)行豎向造孔，槽挖斷面為梯形斷面，上口寬度為8 m，下口寬度為5 m，高度為4.8～5.7 m；Ⅳ序?yàn)閮蓚?cè)及底板保護(hù)層，厚度為1.6 m，采用手風(fēng)鉆造孔。

(2)上層兩側(cè)擴(kuò)挖滯后導(dǎo)洞10 m跟進(jìn)施工，下層槽挖在上層貫通后進(jìn)行，下層及底板保護(hù)層開(kāi)挖在槽挖完成后進(jìn)行。

3 主要施工方法

3.1 引水隧洞上層洞身的開(kāi)挖施工

Ⅲ類圍巖分兩層開(kāi)挖施工，第一層(上層)采用中導(dǎo)洞和兩側(cè)保護(hù)層前后錯(cuò)距10 m的開(kāi)挖方式，先進(jìn)行中導(dǎo)洞開(kāi)挖，尺寸為8 m×7 m(寬×高)，斷面面積為52.6 m2，跟進(jìn)開(kāi)挖左右側(cè)保護(hù)層的斷面面積為25.3 m2。

為了減輕水平應(yīng)力對(duì)邊墻穩(wěn)定性的影響，對(duì)Ⅳ、Ⅴ類圍巖需進(jìn)行大管棚、小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)時(shí)，按照左右半洞法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)[3]。

(1)施工程序。引水隧洞上層的開(kāi)挖采用中導(dǎo)洞和左右側(cè)保護(hù)層錯(cuò)距10 m的方式開(kāi)挖施工(Ⅴ類圍巖左右半洞滯后一個(gè)循環(huán))，具體施工工序?yàn)椋簻y(cè)量放線、布孔→鉆爆→通風(fēng)散煙→出渣→(臨時(shí)安全支護(hù))→延伸風(fēng)水電線路→轉(zhuǎn)入下一循環(huán)。

(2)鉆爆施工方法。 三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔，周邊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面采用光面爆破(炮孔間距為45～50 cm)，中部大面為主爆孔(炮孔間距為90～110 cm)，采用空洞直孔掏槽、分段毫秒非電雷管微差起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行爆破，計(jì)劃鉆爆循環(huán)進(jìn)尺為3.5 m。具體的開(kāi)挖施工方法為：

①布孔與鉆孔。布孔時(shí)，先由測(cè)量人員用測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確放出主要控制點(diǎn)，再按照爆破設(shè)計(jì)的布孔參數(shù)用鋼卷尺等工具準(zhǔn)確定出每個(gè)炮孔的位置，將孔位用紅油漆標(biāo)注于巖面上。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)周邊孔及二圈孔孔位全部給予標(biāo)識(shí)，每2 m標(biāo)識(shí)一個(gè)鉆孔方向線，并將測(cè)量放樣成果表提交于開(kāi)挖作業(yè)隊(duì)。

導(dǎo)洞采用三臂鑿巖臺(tái)車造孔。鉆孔孔位偏差、孔向偏差、孔深偏差必須符合規(guī)范要求。鉆孔作業(yè)時(shí)必須保護(hù)好孔口，炮孔鉆完后，立即用編織袋或棉紗堵塞孔口進(jìn)行保護(hù)，防止石渣掉入孔內(nèi)。對(duì)于因堵塞無(wú)法裝藥的鉆孔應(yīng)予以吹孔或補(bǔ)鉆。鉆孔經(jīng)檢查合格后,由專業(yè)炮工嚴(yán)格根據(jù)鉆爆設(shè)計(jì)要求裝藥。

爆破鉆孔嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)鉆爆圖進(jìn)行，每排炮由值班質(zhì)檢員按“平、直、齊”的要求進(jìn)行檢查。周邊光爆孔、預(yù)裂孔開(kāi)孔與測(cè)量點(diǎn)位的偏差不大于3 cm。

②裝藥與聯(lián)網(wǎng)。鉆孔完成并經(jīng)質(zhì)檢合格后，立即將鉆孔機(jī)具及人員撤離鉆爆區(qū)。炮孔全部采用自制裝藥臺(tái)車操作平臺(tái)由人工裝藥，一般孔為連續(xù)裝藥，光爆孔為不耦合間隔裝藥。在連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)中，孔內(nèi)采用非電毫秒雷管引爆。起爆雷管一般置于孔底第二節(jié)炸藥上，并將聚能穴朝向孔口方向。起爆雷管必須用膠帶與炸藥綁牢并注意保護(hù)好雷管腳線。為確保爆破效果及安全，起爆雷管必須嚴(yán)格按爆破設(shè)計(jì)要求選擇段號(hào)，切不可有誤。裝藥時(shí)一定要嚴(yán)防藥卷在孔內(nèi)出現(xiàn)架空現(xiàn)象，每裝入一節(jié)炸藥必須用木制炮棍輕輕向下捅一捅以保證藥卷與藥卷之間緊挨。光爆孔使用導(dǎo)爆索引爆，施工時(shí)先將炸藥藥卷按設(shè)計(jì)藥量、設(shè)計(jì)間距綁于導(dǎo)爆索上，再將炸藥和導(dǎo)爆索綁于小竹片上，經(jīng)檢查無(wú)誤后將綁有炸藥的竹片緩慢插入炮孔內(nèi)。

堵孔是影響爆破效果的關(guān)鍵因素之一，務(wù)必認(rèn)真對(duì)待。堵孔采用專制的炮泥進(jìn)行堵塞。堵孔必須堵至孔口。所有炮孔裝藥完畢并經(jīng)檢查合格后即可進(jìn)行孔外聯(lián)網(wǎng)作業(yè)，用磁電雷管進(jìn)行起爆。

③警 戒。由于該標(biāo)段工程在兩條引水隧洞內(nèi)有8個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行爆破施工，因此，安全警戒尤為重要。每次爆破前，必須做好相鄰單位及引水隧洞洞內(nèi)的安全警戒工作并告知洞內(nèi)所有工作面的施工人員。每次實(shí)施爆破作業(yè)時(shí)，只有在起爆網(wǎng)絡(luò)檢查合格、各項(xiàng)工作準(zhǔn)備就緒的情況下方可進(jìn)入起爆程序。

④爆后排煙與排險(xiǎn)。每次爆破、待洞內(nèi)煙塵部分消散后，爆破人員方可進(jìn)入洞內(nèi)進(jìn)行檢查。檢查的內(nèi)容主要包括：有無(wú)瞎炮，有無(wú)危石等情況。若無(wú)補(bǔ)炮，則及時(shí)通知解除警報(bào),恢復(fù)洞內(nèi)的車輛流通。對(duì)于拱頂、邊墻的危石，必須采用反鏟及時(shí)進(jìn)行撬除。

一旦發(fā)現(xiàn)瞎炮必須立即處理。處理瞎炮可視具體情況采用重新起爆法、打平行眼裝藥引爆法、掏空炮泥藥包引爆法等[4]。

(3)鉆爆設(shè)計(jì)。對(duì)于Ⅲ類圍巖的開(kāi)挖，所設(shè)計(jì)的鉆爆循環(huán)進(jìn)尺為3.5 m，鉆孔深度為3.8～4 m，爆破單耗為1.29 kg/m3，單響藥量為31.2 kg。中導(dǎo)洞開(kāi)挖斷面為8 m×7 m的城門洞形, 面積為52.86 m2，共布置了106個(gè)孔，平均2個(gè)孔/m2，孔徑為Φ56 mm，主爆孔孔深為3.8 m，掏槽孔孔深為4 m，其中光爆孔孔距為77～123 cm，光爆抵抗線為50 cm；崩落孔抵抗線為80～100 cm；采用平行直孔掏槽。兩側(cè)保護(hù)層開(kāi)挖斷面面積為25.6 m2，共布置了52個(gè)孔，孔徑為Φ56 mm，孔深3.2 m。其中光爆孔孔距為48 cm，光爆抵抗線為50 cm；崩落孔抵抗線為81～123 cm。

對(duì)于Ⅳ類圍巖的開(kāi)挖，所設(shè)計(jì)的鉆爆循環(huán)進(jìn)尺為2 m，鉆孔深度為2.5～2.2 m，爆破單耗為0.87 kg/m3，單響藥量為19.2 kg。中導(dǎo)洞開(kāi)挖斷面為8 m×7 m的城門洞形, 面積為69.01 m2，共布置107個(gè)孔，平均1.6個(gè)孔/m2，孔徑為Φ56 mm，主爆孔孔深為2.2 m，掏槽孔孔深為2.5 m，其中光爆孔孔距為54 cm，光爆抵抗線為54 cm；崩落孔抵抗線為80～115 cm；采用平行直孔掏槽。兩側(cè)保護(hù)層開(kāi)挖斷面面積為20.75 m2，共布置了72個(gè)孔，孔徑為Φ56 mm，孔深2.2 m。其中光爆孔孔距為53 cm，光爆抵抗線為50 cm；崩落孔抵抗線為69～100 cm。

對(duì)于Ⅴ類圍巖的開(kāi)挖，所設(shè)計(jì)的鉆爆循環(huán)進(jìn)尺為1 m，鉆孔深度為1.5～1.2 m，綜合爆破單耗為0.91 kg/m3，單響藥量為12 kg。左、右兩邊半洞開(kāi)挖斷面為7.4 m×8 m, 面積為48.77 m2，共布置了93個(gè)孔，平均1.9個(gè)孔/m2，孔徑為Φ56 mm，主爆孔孔深1.2 m，掏槽孔孔深1.5 m，其中光爆孔孔距為54 cm，光爆抵抗線為60 cm；崩落孔抵抗線為60～80 cm；采用平行直孔掏槽。右半洞共布置了74個(gè)孔，孔徑為Φ56 mm，孔深1.2 m。其中光爆孔孔距為53 cm，光爆抵抗線為60 cm；崩落孔抵抗線為90～110 cm。先導(dǎo)洞后擴(kuò)挖時(shí)導(dǎo)洞的開(kāi)挖斷面為8 m×7 m, 面積為53.05 m2，共布置了86個(gè)孔，平均1.6個(gè)孔/m2，孔徑為Φ56 mm，主爆孔孔深1.2 m，掏槽孔孔深1.5 m，其中光爆孔孔距為54 cm，光爆抵抗線為60 cm；崩落孔抵抗線為60～80 cm；采用平行直孔掏槽。兩側(cè)和底板擴(kuò)挖共布置了76個(gè)孔，孔徑為Φ56 mm，孔深1.2 m。其中光爆孔孔距為53 cm，光爆抵抗線為60 cm；崩落孔抵抗線為90～110 cm。

炸藥采用2號(hào)巖石乳化炸藥，雷管采用非電毫秒雷管。周邊孔采用竹片綁導(dǎo)爆索分節(jié)間隔裝藥的方式，爆破孔采用柱狀連續(xù)裝藥。對(duì)于光面爆破參數(shù)，施工初期由經(jīng)驗(yàn)公式確定，每次爆破后測(cè)量半孔率和輪廓的不平整度，不斷優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，其具體參數(shù)待爆破生產(chǎn)性試驗(yàn)后確定。

3.2 引水洞下層洞身的開(kāi)挖施工

引水洞下層槽挖高度為4.8～5.7 m，底部保護(hù)層厚度為1.6 m。

下層開(kāi)挖施工時(shí)，先挖中部抽槽，兩側(cè)和底板保護(hù)層開(kāi)挖滯后槽挖1～2個(gè)循環(huán)。抽槽頂寬8 m，底寬5 m，梯段高3.7 m，槽挖采用T35履帶鉆機(jī)造孔，兩側(cè)進(jìn)行預(yù)裂爆破；兩側(cè)保護(hù)層開(kāi)挖采用手風(fēng)鉆水平造孔，周邊孔光面爆破成型。渣料采用3 m3側(cè)卸式裝載機(jī)或1.6 m3反鏟進(jìn)行挖裝，20 t自卸汽車運(yùn)渣。

(1)開(kāi)挖施工工藝流程。

槽挖施工：施工準(zhǔn)備→測(cè)量放線→鉆孔→裝藥爆破→通風(fēng)散煙、灑水除塵→安全處理→出渣清底→延伸風(fēng)水電線路→轉(zhuǎn)入下一循環(huán)；

保護(hù)層開(kāi)挖：工作面清理→測(cè)量放線→造孔施工→鉆孔驗(yàn)收→裝藥爆破聯(lián)網(wǎng)→通風(fēng)散煙→安全處理→出渣清底→延伸風(fēng)水電線路→下一循環(huán)爆破施工。

(2)爆破參數(shù)。

下層抽槽開(kāi)挖：采用T35液壓履帶鉆機(jī)造垂直孔，鉆孔孔徑為90 mm，孔深3.7～4.2 m，主爆孔間排距為2 m×2 m，預(yù)裂孔間距為1.5 m，炸藥為乳化炸藥，主爆孔及緩沖孔均采用Φ70 mm藥卷，梯段爆破循環(huán)進(jìn)尺為7 m，爆破單耗為0.62 kg/m3，單響藥量為35.2 kg。采用非電毫秒延期爆破網(wǎng)絡(luò)。

底板及兩側(cè)保護(hù)層開(kāi)挖采用手風(fēng)鉆造孔，孔徑為Φ42 mm，孔深3.2 m，主爆孔間排距為0.8 m×0.9 m，光爆孔間排距為0.48 m×0.52 m，炸藥為乳化炸藥，主爆孔采用Φ32 mm藥卷，光爆孔采用Φ25 mm藥卷，爆破循環(huán)進(jìn)尺為3 m，爆破單耗為0.77 kg/m3，單響藥量為16 kg；采用非電毫秒延期爆破網(wǎng)絡(luò)，光爆孔采用導(dǎo)爆索引爆[5]。

4 結(jié) 語(yǔ)

硬梁包水電站引水隧洞開(kāi)挖斷面尺寸為15.4 m×15.4 m,為水利水電工程建設(shè)中較為典型的引水隧洞工程。通過(guò)研究和總結(jié)各類開(kāi)挖施工方法的使用范圍以控制該工程的施工，不僅對(duì)該項(xiàng)目具有較為重要的實(shí)際意義，同時(shí)對(duì)今后的類似洞室，包括市政軌道、公路隧道工程施工也具有著很好的借鑒意義。

分層分序施工不僅能降低施工難度和施工的危險(xiǎn)性，同時(shí)亦能提高洞室開(kāi)挖施工的質(zhì)量；其次，分層施工能更好地提高施工效率，施工工期能夠更好地得到保證。