黃金坪水電站泄洪洞進(jìn)口漸變段快速安全開挖方案研究

鄭 元 凱

（四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610072）

黃金坪水電站泄洪洞進(jìn)口漸變段快速安全開挖方案研究

鄭 元 凱

（四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610072）

黃金坪泄洪洞進(jìn)口0＋000～0＋200 m段為方變圓的漸變，其中方形斷面開挖尺寸15.3 m×16.65 m，圓形斷面開挖尺寸16.8 m。洞臉邊坡存在多組斷層帶及陡傾角等不利組合，易產(chǎn)生楔形滑移拉裂破壞。巖體自穩(wěn)能力差，開挖過程中存在較大安全隱患。由于工期非常緊張，針對如何在保證安全的前提下快速安全地完成進(jìn)口漸變段開挖的問題，監(jiān)理工程師和承包人進(jìn)行了相關(guān)研究，采取了一些特殊措施。

漸變段；管棚；安全隱患；工期滯后；快速安全

1 工程概況

1.1 簡 述

泄洪洞進(jìn)口0＋000樁號斷面為高15.3 m× 16.65 m的長方形，經(jīng)20 m漸變段（方變圓）漸變?yōu)?/p>

圖1 泄洪洞進(jìn)口漸變段剖面示意

1.2 地質(zhì)情況

根據(jù)招標(biāo)文件中的地質(zhì)情況說明，泄洪洞進(jìn)水口部位除前緣及坡腳部位為叫吉溝泥石流堆積及邊坡崩坡積堆積外，大部分部位基巖裸露，巖性為晉寧～澄江期斜長花崗巖（γ02（4）），巖體致密堅(jiān)硬，風(fēng)化較弱，由于受大渡河及叫吉溝的切割，邊坡巖體兩面臨空，淺表部卸荷強(qiáng)烈，崩塌作用發(fā)育。泄洪洞進(jìn)口部位無區(qū)域性斷裂通過，地質(zhì)構(gòu)造以中、小型斷層及節(jié)理裂隙為特征。斷層發(fā)育有：地表f10，平硐內(nèi)徑16.8 m的圓形主洞，經(jīng)支護(hù)襯砌后內(nèi)徑為13.5 m的圓形有壓洞。該洞段開挖地質(zhì)條件較差，且斷面形式為異性斷面頂部不是拱形斷面，相應(yīng)自穩(wěn)能力不足，需加強(qiáng)支護(hù)和處理，并對邊坡巖（土）體位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測（見圖1、2）。HPD05′內(nèi)f5′－1、f5′－2。坡體中主要發(fā)育J1、J2、J3、J4四組結(jié)構(gòu)面，其中以J1、J2組結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，邊坡巖體總體較破碎，呈塊裂～碎裂結(jié)構(gòu)，以Ⅳ級巖體為主。泄洪洞進(jìn)口邊坡地質(zhì)構(gòu)造見圖3：

圖2 泄洪洞進(jìn)口漸變段典型斷面示意

泄洪洞進(jìn)口洞臉邊坡存在以下變形破壞類型：沿J2等陡傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)生傾倒～崩塌破壞；（J1，J3）構(gòu)成傾向坡外的不利組合，在以J2及f10、f5′－1、f5′－2斷層為后緣切割面的情況下，易產(chǎn)生楔形滑移拉裂破壞。

圖3 泄洪洞進(jìn)口邊坡地質(zhì)構(gòu)造分布示意

2 施工程序

為保證進(jìn)洞施工安全，經(jīng)過參建各方計(jì)算、論證，最后將進(jìn)洞方案確定為：采用超前錨桿束和鋼支撐聯(lián)合超前支護(hù)的方案進(jìn)洞，通過注漿對松散的圍巖體進(jìn)行提前固結(jié)，利用超前錨桿束支護(hù)洞口圍巖，超前錨桿支護(hù)每循環(huán)進(jìn)尺，注漿體和錨桿束連成一個(gè)整體而受力，在開挖輪廓線外形成一個(gè)環(huán)向支撐體，有效的阻止松動圈出現(xiàn)坍塌，從而為漸變段洞身安全、方形洞口順利進(jìn)洞施工創(chuàng)造條件。

2.1 開挖原則

泄洪洞進(jìn)口20 m漸變段洞挖地質(zhì)是Ⅴ類為主、局部Ⅳ類圍巖及不良地質(zhì)段，因此先進(jìn)行進(jìn)洞掛口前加固，然后開挖方式采取分層開挖，共分三層。上層開挖高度7.2 m，開挖與加固完成后，再進(jìn)行中層和底板下臥開挖，并延伸鋼支撐。前10 m每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺為1.0～1.5 m，后10 m每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺為1.5～2 m。洞身上部8 m開挖采用YT－28手風(fēng)鉆鉆孔爆破，洞身下部8 m開挖采用YT－28手風(fēng)鉆水平鉆孔，周邊光面爆破，開挖用1.2 m3挖機(jī)配20t自卸汽車出渣。開挖一輪后，立即用鋼支撐進(jìn)行加固；特殊地段根據(jù)實(shí)際情況可進(jìn)行超前錨桿支護(hù)（見圖4）。

2.2 超前支護(hù)

由于洞口段覆蓋層較淺，開挖揭露地質(zhì)情況為：該段邊坡巖體卸荷強(qiáng)烈、破碎，裂隙發(fā)育，巖體呈塊狀～碎裂～散體結(jié)構(gòu)，為Ⅳ、Ⅴ類巖體；坡面裂隙、巖脈等結(jié)構(gòu)面相互切割、組合，形成不穩(wěn)定塊體。如按照以往的施工經(jīng)驗(yàn)采用超前管棚支護(hù)，由于巖層較破碎，造孔過程中極易發(fā)生掉塊、垮孔現(xiàn)象，很難成孔，即使成孔后管棚下置也很難到位。經(jīng)綜合考慮，決定在開挖前實(shí)施長20 m的3φ32錨桿束超前支護(hù)。

圖4 進(jìn)口漸變段開挖分層示意

由于巖層破碎、自穩(wěn)能力差，參考泄洪洞進(jìn)口邊坡錨索及錨桿束施工經(jīng)驗(yàn)，鉆孔采用φ146跟管（按孔徑φ8 mm，間距15 cm，一周4孔，將鋼套管加工成花管）施工，跟管施工采取最大限度跟管，若跟管不能達(dá)到設(shè)計(jì)深度則采用超前固結(jié)灌漿成孔，成孔后下置3φ32錨桿束，制作錨桿束時(shí)綁扎1根φ32PE注漿管，注漿管距孔底不大于50 cm。最后用水泥砂漿封閉孔口，用3SNS灌漿泵進(jìn)行錨桿束注漿。注漿參數(shù)為：水灰比0.5∶1，注漿壓力0.5～1.0 MPa，注漿前進(jìn)行注漿試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)的情況調(diào)整注漿參數(shù)。注漿順序兩側(cè)對稱向中間，自下而上逐孔注漿。待水泥漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后再組織開挖。

每一輪爆破完成后，立即對開挖面采用I20a型鋼，拱架間距0.75 m／榀，鋼支撐采用φ25鋼筋與頂拱錨桿焊接連接（局部增設(shè)φ25，L＝3 m加固錨桿），縱向采用φ25鋼筋與鋼支撐連接成整體，連接鋼筋為φ25＠1.2 m，L＝0.75 m。設(shè)計(jì)系統(tǒng)錨桿及噴混凝土支護(hù)工作隨后施工。塌腔部位設(shè)置拱上拱，采用120a型鋼，并噴C25混凝土回填至初期支護(hù)設(shè)計(jì)斷面。

錨桿束支護(hù)用于大范圍不良地質(zhì)洞段，鋼支撐和超前錨桿用于小范圍不良地質(zhì)洞段。錨桿束應(yīng)與鋼支撐聯(lián)合使用（見圖5）。

圖5 超前支護(hù)布置示意

2.3 開挖施工

（1）開挖準(zhǔn)備：洞內(nèi)風(fēng)、水、電就緒，施工人員、機(jī)具準(zhǔn)備就位。爆破參數(shù)在原設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上通過爆破試驗(yàn)的具體情況予以優(yōu)化、調(diào)整，以達(dá)到良好爆破效果。

（2）測量放線：洞內(nèi)導(dǎo)線控制網(wǎng)測量采用全站儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行。施工測量采用全站儀進(jìn)行。測量作業(yè)由專業(yè)人員實(shí)施，每排炮鉆孔前進(jìn)行設(shè)計(jì)開挖線測放。每排炮后對洞軸線及坡度全面檢查、復(fù)測，確保測量控制工序質(zhì)量。

（3）鉆孔作業(yè)：由熟練的鉆孔技工嚴(yán)格按照測量定出的中線、腰線、開挖輪廓線和鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行鉆孔作業(yè)。各鉆手分區(qū)、分部位定人定位進(jìn)行造孔作業(yè)。每排炮由質(zhì)檢人員按“平、直、齊”的要求進(jìn)行檢查。周邊孔及掏槽孔的偏差不得大于5 cm，其它炮孔孔位偏差不得大于10 cm。

（4）裝藥爆破：炮工在裝藥平臺上按鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)裝藥。崩落孔采用φ32 mm藥卷連續(xù)裝藥，周邊孔采用φ25 mm藥卷間隔裝藥；孔口用砂袋或炮泥堵塞嚴(yán)實(shí)，裝藥完成后，由技術(shù)員和專業(yè)炮工分區(qū)分片檢查，聯(lián)接爆破網(wǎng)絡(luò)，撤退工作面設(shè)備、材料至安全位置，隧洞開挖采用電毫秒雷管起爆、電傳爆網(wǎng)絡(luò)，周邊光面爆破。

（5）通風(fēng)散煙及除塵：由風(fēng)機(jī)通風(fēng)，把爆破后產(chǎn)生的煙塵、廢氣排出洞外，并輔以迎頭面噴水霧降塵等綜合治理措施。

（6）安全處理：爆破后，用反鏟清除掌子面及邊頂拱上殘留的危石及碎塊，保證進(jìn)入人員及設(shè)備的安全，巖面破碎洞段在進(jìn)行安全處理后，先噴一層5 cm厚混凝土，出碴后再次進(jìn)行安全檢查及處理。

（7）出碴及清底：采用1.2 m3鏟裝載機(jī)裝2 t自卸汽車運(yùn)輸至規(guī)劃的棄渣場。出碴完畢后，用挖掘機(jī)處理掌子面安全，并清除掌子面下部殘碴，為下一循環(huán)的開挖創(chuàng)造條件。

（8）圍巖支護(hù)：每排炮開挖結(jié)束后，對穩(wěn)定性差的巖體及時(shí)進(jìn)行隨機(jī)砂漿錨桿支護(hù)，結(jié)合現(xiàn)場情況，經(jīng)現(xiàn)場工程師確認(rèn)，采用鋼拱架支護(hù)，鋼支撐與開挖線間的空隙采用噴C20混凝土回填密實(shí)。

3 施工質(zhì)量控制措施

3.1 爆破質(zhì)量控制

爆破參數(shù)的合理選擇是開挖質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，施工前根據(jù)擬定的爆破參數(shù)進(jìn)行工藝性爆破參數(shù)實(shí)驗(yàn)，從而總結(jié)出適合各個(gè)開挖工作面的爆破參數(shù)，用于指導(dǎo)各作業(yè)面的施工，在每個(gè)爆破循環(huán)之前均應(yīng)根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探明的圍巖情況及已開挖成型地段的地質(zhì)揭露情況繪出爆破參數(shù)設(shè)計(jì)圖，始終保持每個(gè)循環(huán)的爆破作業(yè)的單耗控制在最優(yōu)工況范圍內(nèi)。

對于鉆孔環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制鉆進(jìn)的孔深、孔斜，保證孔口落在設(shè)計(jì)開挖輪廓線上，孔底落在擬定面上。為達(dá)到上述要求，必須做到定人、定孔、定鉆，嚴(yán)格實(shí)施工藝控制，以確保鉆孔精度。對于隧洞光爆孔和預(yù)裂孔要求做到孔向互相平行，孔底處于同樁號或同一高程；特殊要求控制的孔做到邊鉆孔，邊檢測，不合格孔補(bǔ)鉆，嚴(yán)禁在不合格的孔中裝藥放炮。不合格的孔在爆破前采用水泥砂漿封堵。

裝藥是控制開挖質(zhì)量的最后環(huán)節(jié)，要確保裝藥質(zhì)量達(dá)到爆破參數(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)，裝藥前對各鉆孔進(jìn)行認(rèn)真清理，以確保設(shè)計(jì)孔深。在進(jìn)行光爆孔及預(yù)裂孔的藥卷安裝時(shí)，確保藥卷位于孔的中心線上，確保達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

3.2 超挖控制措施

為滿足鉆孔時(shí)的操作空間，采用循環(huán)控制超挖的方式鉆孔，開口在設(shè)計(jì)輪廓線外2 cm左右。鉆孔前做到布孔準(zhǔn)確，深度相同、方位及孔斜率一致，角度偏差不大于1°，開孔位置偏差不超過3 cm。根據(jù)地下洞室施工經(jīng)驗(yàn)和本工程實(shí)際地質(zhì)情況，本工程地下洞室平均徑向超挖控制在15 cm內(nèi)。鉆孔超挖控制見圖6。

圖6 鉆孔超挖控制示意

4 安全控制措施

嚴(yán)格按照國家安全生產(chǎn)的有關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)程、規(guī)范及招標(biāo)文件中有關(guān)安全生產(chǎn)的要求來組織施工生產(chǎn)，施工中嚴(yán)格遵守施工前所審定的施工程序進(jìn)行施工，杜絕盲目追求進(jìn)度而違反施工程序，在各工序的施工中嚴(yán)格按照所擬定的各工序安全過程控制措施來組織生產(chǎn)。

4.1 制定施工現(xiàn)場安全控制措施

（1）施工場地應(yīng)做出詳細(xì)的部署和安排，出碴、進(jìn)料及材料堆放場地應(yīng)妥善布置，對風(fēng)、水、電、路等設(shè)施做出統(tǒng)一安排，并設(shè)立施工場地總體布置一覽圖。

（2）開挖洞口前應(yīng)先作好鎖口錨桿工作，洞口形成后必須及時(shí)做好混凝土鎖口工作，并使相鄰洞室做到錯(cuò)洞施工，爆破工作也錯(cuò)時(shí)段進(jìn)行，以盡量減少對圍巖的擾動。

（3）所有隧洞各工作面施工人員必須充分熟悉工作面的情況，作業(yè)人員未經(jīng)允許不得到不熟悉的工作面，夜班的施工作業(yè)人員必須熟悉所施工的工作面情況，新員工不得安排在夜間作業(yè)。

（4）在開挖期各隧洞施工技術(shù)人員必須隨時(shí)掌握隧洞地質(zhì)情況、施工技術(shù)要求及施工安全技術(shù)要求，每班并以書面的形式向作業(yè)人員交底。未完成安全處理的地段應(yīng)標(biāo)識清楚。

（5）爆破作業(yè)除按照規(guī)定的時(shí)間外，還必須統(tǒng)籌做出每天各洞室的爆破時(shí)間安排，盡量控制每班爆破的單響藥量。

（6）開挖期對于已施工的混凝土部位要做好混凝土的防護(hù)工作，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，對于新澆筑的混凝土齡期按照小于3 d，爆破安全允許振速度標(biāo)準(zhǔn)值為2.0～3.0 cm／s。對于爆破飛石，采取在混凝土表面覆蓋木板，木板上設(shè)置橡膠輪胎等緩沖物削弱飛石的沖擊力；除采取混凝土表面防護(hù)外，控制爆破也是一項(xiàng)控制關(guān)鍵點(diǎn)。

（7）遇有不良地質(zhì)地段時(shí)，應(yīng)按照“先治水，短開挖，弱爆破，先護(hù)頂，強(qiáng)支護(hù)，早襯砌”的原則穩(wěn)步前進(jìn)。

（8）對在施工過程中安全工作會隨時(shí)出現(xiàn)新的情況，安全部門將制定一些針對性的特殊規(guī)定，以適應(yīng)安全生產(chǎn)在不同階段的要求。

4.2 施工期開挖、鉆孔及爆破的安全控制措施

（1）開挖作業(yè)人員到達(dá)工作地點(diǎn)時(shí)，應(yīng)首先了解相鄰工作面的當(dāng)前工序情況，并檢查所施工的工作面是否處于安全狀態(tài)，檢查支護(hù)是否牢固，頂拱和邊墻是否穩(wěn)定，如有松動塊體或裂縫時(shí)應(yīng)先予以清除或支護(hù)。

（2）施工機(jī)械進(jìn)入各洞工作面時(shí)要有專人指揮，認(rèn)真檢查道路狀況和安全界限，并在交叉洞口設(shè)指示標(biāo)志。

（3）鉆孔時(shí)嚴(yán)禁在殘眼中繼續(xù)鉆眼，并禁止鉆孔和裝藥平行作業(yè)。

（4）爆破器材加工房設(shè)在洞口50 m以外的安全地點(diǎn)，如確需在隧洞內(nèi)加工爆破器材時(shí)，其加工洞室的設(shè)置應(yīng)符合國家現(xiàn)行的《爆破安全規(guī)程》（GB6722－86）的有關(guān)規(guī)定，并注意與相鄰洞室的關(guān)系，做到隨加工隨用，不得有庫存。

（5）爆破作業(yè)和爆破器材加工人員嚴(yán)禁穿著化纖衣物，并嚴(yán)禁煙火。

（6）裝炮時(shí)使用木質(zhì)炮棍裝藥，嚴(yán)禁火種。無關(guān)人員與機(jī)具均撤離至安全地點(diǎn)。

（7）進(jìn)行爆破時(shí)，所有人員應(yīng)撤離現(xiàn)場。

（8）爆破后必須經(jīng)過30 min通風(fēng)排煙后，檢查人員方可進(jìn)入工作面，檢查照明線路是否安全；檢查有無“盲炮”及可疑現(xiàn)象；頂拱及邊墻有無松動石塊；支護(hù)有無損壞與變形。在進(jìn)行安全處理并確認(rèn)無誤后，其他工作人員才可進(jìn)入工作面。

（9）在未曾埋設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)的地段，施工安全員必須注意觀測圍巖的變化情況，在施工過程中必須能夠預(yù)見塌方，以避免塌方造成的損失。

5 工期效果

泄洪洞進(jìn)口20 m洞身開挖排炮循環(huán)時(shí)間見表1。

表1 泄洪洞進(jìn)口20 m段洞身開挖排炮循環(huán)時(shí)間 min

根據(jù)施工統(tǒng)計(jì)，進(jìn)口漸變段設(shè)計(jì)開挖方量為4 964.5 m3，開工時(shí)間：2011年7月28日，完工時(shí)間：2010年8月22日，總工期26天，平均每天開挖190 m3，施工效率比投標(biāo)計(jì)劃明顯提高，從而確保了泄洪洞開挖工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié) 語

在泄洪洞進(jìn)口漸變段開挖施工過程中認(rèn)真貫徹執(zhí)行了“新奧法”在隧道開挖中的指導(dǎo)思想，充分考慮到開挖與支護(hù)之間的相互制約、相互促進(jìn)的關(guān)系，采用分層分塊，弱爆破、強(qiáng)支護(hù)的開挖方式組織施工。結(jié)合泄洪洞進(jìn)口漸變段的實(shí)際地質(zhì)條件，若采用常規(guī)的大、長管棚進(jìn)行施工，其安全風(fēng)險(xiǎn)較大，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)需耗時(shí)2個(gè)半月方可完成開挖施工，在認(rèn)真分析了管棚成孔的難度和其起到的作用的前提下，采用了“錨桿束＋壓力灌漿固結(jié)圍巖”的超前支護(hù)方式，代替了管棚的作用，共計(jì)用時(shí)26天，快速、安全的完成了泄洪洞漸變段的開挖施工。

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1003－9805（2015）01－0043－05

2013－10－16

鄭元?jiǎng)P（1983－），男，四川西昌人，工程師，從事水利水電工程項(xiàng)目監(jiān)理工作。