古城水電站引水隧洞開(kāi)挖施工技術(shù)

楊 平， 蘇 小 明， 楊 曉 永

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 成都 610072)

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古城水電站引水隧洞開(kāi)挖施工技術(shù)

楊 平， 蘇 小 明， 楊 曉 永

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 成都 610072)

結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)隧洞開(kāi)挖的施工方法進(jìn)行了探討,分別介紹了施工方法以及針對(duì)特殊地質(zhì)洞段采取的安全處理措施,希望對(duì)今后同類(lèi)型隧洞的開(kāi)挖施工具有指導(dǎo)意義。

開(kāi)挖；方法；特殊地質(zhì)洞段；安全；措施；古城水電站

1 工程概述

古城水電站位于四川省平武縣境內(nèi)的涪江上游干流上，是涪江上游干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第二級(jí)，為低閘引水式電站。電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量為100 MW。工程樞紐建筑物主要由攔河壩、左岸引水系統(tǒng)、岸邊地面廠(chǎng)房及開(kāi)關(guān)站等組成。 廠(chǎng)址位于平武縣古城鎮(zhèn)，距壩址公路里程約10 km。當(dāng)?shù)亟煌ㄒ怨窞橹?，現(xiàn)有205省道(九環(huán)線(xiàn))沿涪江左岸通過(guò)壩址和廠(chǎng)址。

5#施工支洞與引水隧洞交于(引)6+778.252，鑒于洞徑較大，需明挖抽槽方具備成洞條件，該段地形坡度較緩，地表覆蓋厚約15～20 m的殘、坡積物，其成份主要為粘土夾碎塊石。基巖屬志留系通化組上巖段第二層，以灰色千枚狀粉砂質(zhì)板巖為主，夾薄層狀砂巖及結(jié)晶生物碎屑灰?guī)r透鏡體。表層巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體強(qiáng)風(fēng)化深度為15～18 m，弱風(fēng)化深度為32～38 m。構(gòu)造上位于清溪斷裂帶之北部邊界斷裂(F43)的北西側(cè)，雖距離較遠(yuǎn)，受影響程度較小，但巖層受其影響局部扭曲。洞口段圍巖風(fēng)化強(qiáng)烈，穩(wěn)定性差，屬Ⅴ類(lèi)圍巖；洞室內(nèi)巖體雖為弱風(fēng)化，較完整，但強(qiáng)度低，片理發(fā)育，巖層走向與洞軸線(xiàn)夾角約34°，圍巖穩(wěn)定性較差，屬Ⅳ類(lèi)巖體。該洞段成洞條件較差，對(duì)施工中可能出現(xiàn)的塌方和臨時(shí)涌水問(wèn)題需制定相應(yīng)的工程處理措施，對(duì)斷層、擠壓破碎帶和不利結(jié)構(gòu)面組合引起的局部不穩(wěn)定塊體應(yīng)加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)。

2 主要施工方法

先進(jìn)行明挖抽槽，槽挖的同時(shí)進(jìn)行削坡，邊開(kāi)挖邊支護(hù)，開(kāi)挖至洞口時(shí)對(duì)洞臉進(jìn)行削坡成形并加強(qiáng)支護(hù)(超前小導(dǎo)管預(yù)注漿)，為洞挖提供安全施工條件，5#施工支洞為城門(mén)洞型，石方洞挖主要以全斷面掘進(jìn)、一次鉆爆成型的施工方法進(jìn)行施工， 鎖口處洞挖完成后，立即跟進(jìn)噴混凝土及鋼支撐并迅速加強(qiáng)支護(hù)混凝土，封閉巖面。

洞口開(kāi)挖前，先進(jìn)行洞口周邊鎖口錨桿的施工，再掛口進(jìn)洞。進(jìn)口段周邊采用光面爆破，YT-28手風(fēng)鉆造孔，人工裝藥，非電毫秒延期雷管微差擠壓爆破。洞口段開(kāi)挖采用 “短進(jìn)尺、小藥量、弱爆破”方式，周邊孔間距為40～50 cm，周邊孔外第一排崩落孔按周邊孔方式控制，間距50～60 cm，與周邊孔距離控制為50～60 cm，周邊孔采用光面爆破，每循環(huán)進(jìn)尺控制為1.5 m左右。開(kāi)挖過(guò)程中嚴(yán)格控制裝藥量，盡可能地減小對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)。采用裝載機(jī)出渣，15 t自卸汽車(chē)運(yùn)輸。

洞身段采用自制施工臺(tái)架、利用YT—28手風(fēng)鉆造孔，楔形掏槽方式，孔深2.5 m，孔徑為42 mm，人工裝藥，非電毫秒雷管微差擠壓爆破。周邊光面爆破，間隔裝藥，導(dǎo)爆索起爆。爆破參數(shù)在開(kāi)挖過(guò)程中根據(jù)具體的巖性條件作適當(dāng)調(diào)整，采用LZL-120扒渣機(jī)裝渣，5 t自卸汽車(chē)運(yùn)輸，棄渣用于渣場(chǎng)道路的填筑。開(kāi)挖后，根據(jù)揭示的地質(zhì)情況，及時(shí)采用錨噴等方式及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)周邊圍巖。

2.1 爆破參數(shù)的確定

炮眼種類(lèi)：隧洞爆破炮眼分為掏槽眼、輔助眼和周邊眼。掏槽眼布置于斷面中央偏下部；輔助眼位于掏槽眼和周邊眼之間；周邊眼沿隧洞周邊布置，外插斜率為0.03～0.05。

炮眼直徑：炮眼直徑的大小對(duì)鉆眼效率、全斷面炮眼數(shù)目、炸藥消耗量和爆破巖石塊度與巖壁平整度均有影響，因此，應(yīng)根據(jù)隧洞斷面的大小、塊度要求、炸藥性能和鑿巖機(jī)性能綜合考慮后進(jìn)行選擇。炮眼直徑大，可減少炮眼數(shù)目；炸藥能量相對(duì)集中，也可提高爆破效率，但鉆速下降，影響爆破質(zhì)量并降低圍巖穩(wěn)定性。在采用氣腿式鑿巖機(jī)的情況下，現(xiàn)場(chǎng)多根據(jù)藥卷直徑確定炮眼直徑。目前國(guó)內(nèi)巖巷掘進(jìn)均采用直徑 32 mm、25 mm兩種藥卷，炮眼直徑多采用42～45 mm。

炮眼深度：炮眼深度決定了每一掘進(jìn)循環(huán)的鉆眼和裝巖工作量、循環(huán)進(jìn)尺以及每班的循環(huán)次數(shù)，炮眼深度主要根據(jù)巖石性質(zhì)、隧洞斷面大小、循環(huán)作業(yè)方式、鑿巖機(jī)類(lèi)型、炸藥威力、工人技術(shù)水平等因素確定。單從爆破理論進(jìn)行分析，采用中深孔(大于2.5 m)爆破最為合理，從近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)看，炮眼深度逐漸由淺孔向中深孔發(fā)展。合理的炮眼深度應(yīng)以高速、高效、低成本、便于組織正規(guī)循環(huán)作業(yè)為原則，炮眼深度機(jī)械化程度高，炮眼深度一般為2～2.5 m。

裝藥量：通過(guò)試驗(yàn)確定，一般為0.8～2.4 kg/m3,巖層越堅(jiān)硬，其取值越大。

炮眼數(shù)目：炮眼數(shù)目的多少直接影響鉆眼工作量、爆破巖石的塊度、隧洞的形狀等。炮眼數(shù)目取決于巖石性質(zhì)、巷道斷面尺寸、炮眼直徑和炸藥性能等因素。合理的炮眼數(shù)目應(yīng)以保證爆破效果的實(shí)現(xiàn)為原則。一般是先以巖層性質(zhì)和斷面大小進(jìn)行初步估算，然后在斷面圖上做出炮眼布置，得出炮眼總數(shù)并通過(guò)實(shí)踐調(diào)整修正。

炮眼數(shù)目根據(jù)單位炸藥消耗量按下式估算后，再按上述經(jīng)驗(yàn)方法確定：

N=qSmη/aP

式中N為炮眼數(shù)目；q為單位炸藥消耗量(kg/m3)；S為掘進(jìn)面積(m2)；m為每卷炸藥長(zhǎng)度(m)；η為炮眼利用率；a為裝藥系數(shù)，即裝藥長(zhǎng)度與炮眼長(zhǎng)度之比，一般取0.5～0.7；P為每卷炸藥的質(zhì)量(kg)。

爆炸單耗：指爆破1 m3實(shí)體巖石所需的炸藥量，也就是工作面一次爆破所需總炸藥量和工作面一次爆下的實(shí)體巖石總體積之比，即：q=Q/V。這是一個(gè)很重要的參數(shù)，將直接影響到巖石塊度、鉆眼和裝巖的工作量、炮眼利用率、巷道輪廓的整齊程度、圍巖的穩(wěn)定性以及爆破成本等。

2.2 影響炸藥消耗量的主要因素

(1)炸藥性能：對(duì)同一種巖石，采用威力大的炸藥，其炸藥消耗量就?。环粗?，炸藥消耗量增大。

(2)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)：一般講，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f愈大，炸藥消耗量也愈大；反之，則愈小。巖石的層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育程度對(duì)炸藥消耗量的影響也很大，對(duì)于同一種巖石來(lái)說(shuō)，如層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育(在一定限度內(nèi))，炸藥消耗量就會(huì)減少。

(3)自由面的大小和數(shù)目：自由面數(shù)目增多，炸藥消耗量就會(huì)減少。在巷道掘進(jìn)中，每爆破單位體積巖石所需克服的巷道周邊阻力隨斷面而變化，巷道斷面愈小，所需克服的周邊阻力愈大，所需的炸藥消耗量也愈大；隨著巷道斷面積的增大，巷道周邊并不是成正比例增大，爆破單位體積巖石所克服的周邊阻力則相對(duì)減少，故炸藥消耗量也減少。

3 針對(duì)特殊地質(zhì)洞段采取的安全處理措施

特殊地質(zhì)洞段是指巖體特別不穩(wěn)定、需要采取臨時(shí)安全支護(hù)或其他特殊處理方法的洞段。不排除局部地質(zhì)條件很差、巖層破碎、圍巖自穩(wěn)能力差，無(wú)法正常鉆爆施工，需要采取其它的臨時(shí)支護(hù)措施。

開(kāi)挖經(jīng)過(guò)斷層破碎帶時(shí)，沿洞頂設(shè)置φ25@1 m，L=3～3.5 m的超前錨桿鎖固圍巖外壁，采用“淺眼(1～1.5 m)、密孔、少藥量，短進(jìn)尺、多循環(huán)”的施工方案，甚至采取導(dǎo)坑領(lǐng)進(jìn)二次擴(kuò)挖成型施工。在施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制裝藥量，導(dǎo)坑開(kāi)挖時(shí)按先上導(dǎo)坑領(lǐng)進(jìn)、后下部擴(kuò)挖的方式進(jìn)行,采用錨噴支護(hù)結(jié)合花拱架或鋼支撐安全支護(hù)；對(duì)于特差洞段可輔以環(huán)型開(kāi)挖及管棚施工，同時(shí)進(jìn)行必要的超前探測(cè)，充分了解前方圍巖情況，制定相應(yīng)的施工措施和對(duì)策。

圍巖不穩(wěn)定洞段：按淺眼(1～1.5 m)、密孔、少藥量、多循環(huán)的方案施工，毫秒微差擠壓光面爆破。開(kāi)挖過(guò)程中，嚴(yán)格控制裝藥量，盡可能小地?cái)_動(dòng)周邊圍巖，將單循環(huán)進(jìn)尺控制在1.2 m以?xún)?nèi)。對(duì)于地下水發(fā)育段，采取“引、排、堵”結(jié)合的綜合措施。上部爆破后實(shí)施噴錨和花拱架支護(hù)，最后擴(kuò)挖?；ü凹懿捎忙?5/φ16制作，邊長(zhǎng)25～30 cm，間距0.5～0.8 m。

對(duì)于地下水發(fā)育洞段：采用數(shù)量不等的深排水孔并及時(shí)噴混凝土鎖住巖面；對(duì)于集中排水的地方必要時(shí)采用化學(xué)灌漿、堵引結(jié)合的排水措施。

特殊地質(zhì)洞段圍巖開(kāi)挖的一般原則：

(1)軟弱地質(zhì)洞段：采用“淺孔、少藥、多循環(huán)”的方法鉆孔爆破，并在圓拱部位設(shè)置φ300～350的錨桿，其間距為100～120 cm，排距為120～150 cm；若錨桿仍不足以保持圍巖穩(wěn)定，則同時(shí)進(jìn)行噴混凝土(C25，厚度為3～10 cm)封閉巖面，并視情況決定是否需要加掛φ8@20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)，以保證開(kāi)挖的質(zhì)量和施工期的安全。

(2)巖層較差洞段或脫層掉塊嚴(yán)重洞段：采用“淺孔、少藥、多循環(huán)”的方法鉆孔爆破，導(dǎo)坑領(lǐng)進(jìn)擴(kuò)挖跟進(jìn)并及時(shí)在圓拱部位設(shè)置φ22，L=2.5～3 m的錨桿，其間距為1～1.2 m，排距為1.2～1.5 m；采用鋼支撐加強(qiáng)支護(hù)，鋼支撐用I18工字鋼分節(jié)制作，榀間間距為60～100 cm，相鄰鋼支撐之間由φ25/φ16制作的花拱架相連；同時(shí)進(jìn)行噴混凝土(C25，厚度為7～15 cm)，加掛φ8@20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)，以保證開(kāi)挖的質(zhì)量和施工期的安全。

(3)特差洞段：不但在開(kāi)挖后要采取上述的掛網(wǎng)噴混凝土、錨桿、鋼支撐措施之外，在開(kāi)挖前還要采取超前管棚及預(yù)灌漿等特殊手段進(jìn)行處理。開(kāi)挖仍然采用“淺孔、少藥、多循環(huán)”的方法，導(dǎo)坑領(lǐng)進(jìn)及支護(hù)，再擴(kuò)挖和支護(hù)。

在完成5#施工支洞明挖抽槽后及時(shí)進(jìn)行了洞臉系統(tǒng)錨桿及鎖扣錨桿的支護(hù)。在準(zhǔn)備進(jìn)行洞臉混凝土澆筑時(shí)，洞口支0+000～支0+005段出現(xiàn)了大面積塌方，為確保5#施工支洞安全順利的進(jìn)入，在洞口設(shè)置鎖口混凝土(明洞)，明洞長(zhǎng)12～15 m,外部為方型，尺寸為(寬)8.8 m×(高)7.114 m，內(nèi)部為城門(mén)洞型，洞臉凈空較原設(shè)計(jì)尺寸放大為(寬)6.2 m×(高)6.1 m。洞臉鎖口混凝土兩側(cè)設(shè)置底寬3 m，頂寬1 m的C20單層鋼筋混凝土擋墻，并設(shè)置了騎縫鋼筋與鎖口混凝土相連。鎖口混凝土施工完成后進(jìn)行鋼拱架及超前小鋼管支護(hù)，同時(shí)在洞頂進(jìn)行超前固結(jié)灌漿、待達(dá)到齡期后進(jìn)行洞口塌方土回填的施工，最后進(jìn)行土工網(wǎng)+噴灑草籽的支護(hù)施工。

洞內(nèi)混凝土鋼筋襯砌段鋼拱架采用I18工字鋼，并在拱腳處設(shè)置5 mm厚鋼板作為支撐墊板(尺寸為30 cm×30 cm)，拱架間距50 cm，榀間采用φ25鋼筋進(jìn)行連接，頂拱間距0.5 m，拱腳間距1 m。鎖腳錨桿φ25，L=3 m，間距1.5 m。根據(jù)實(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)確定掛設(shè)φ6.5@20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)，人工點(diǎn)焊固定。

設(shè)置了一排φ50超前小鋼管, 根據(jù)實(shí)際情況需要注漿， 鋼管頂拱環(huán)向間距為15 cm，邊墻環(huán)向間距為30 cm。

4 結(jié) 語(yǔ)

在引水隧洞掘進(jìn)施工前進(jìn)行了爆破參數(shù)的選定，在鉆爆過(guò)程中根據(jù)地質(zhì)情況不斷調(diào)整爆破參數(shù)，使之適應(yīng)出露的圍巖地質(zhì)條件。古城水電站引水隧洞的開(kāi)挖質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，開(kāi)挖質(zhì)量得到業(yè)主、設(shè)計(jì)和監(jiān)理單位的肯定。

[1] 張智涌.水利水電工程施工技術(shù)[M].北京：水利水電出版社，2003.

[2] 趙小正.水利水電工程施工中隧洞鉆孔爆破技術(shù)研究[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-08-15

TV7;TV52;TV554

B

1001-2184(2016)05-0024-03

楊 平(1973-)，男，重慶萬(wàn)州人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

蘇小明(1969-)，男，四川射洪人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水電工程施工技術(shù)與項(xiàng)目施工管理工作；

楊曉永(1983-)，男，河北石家莊人，助理工程師，學(xué)士，從事建設(shè)工程施工技術(shù)與管理工作.