水電站尾水隧洞特大斷面爆破開挖施工技術(shù)

楊 超

(成昆鐵路有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

水電站尾水隧洞特大斷面爆破開挖施工技術(shù)

楊 超

(成昆鐵路有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

黃金坪水電站尾水隧洞開挖標(biāo)準(zhǔn)斷面積為494.08 m2，施工工段存在多處斷層帶，地質(zhì)條件較復(fù)雜，大斷面施工給隧洞結(jié)構(gòu)安全以及施工進(jìn)度帶來較大的難度。為解決以上問題，施工中按照“平面多工序、立體多層次”的原則進(jìn)行施工組織，根據(jù)不同開挖層的特點(diǎn)綜合應(yīng)用光面爆破、預(yù)裂爆破技術(shù)，有效的減少超挖和爆破對圍巖的損害，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，提高了施工進(jìn)度，工程的成功經(jīng)驗可為類似工程提供參考。

尾水隧洞； 大斷面； 光面爆破； 預(yù)裂爆破

我國水電開發(fā)潛力巨大，水能資源蘊(yùn)藏總量達(dá)6.76×108kW，多半集中在西部金沙江、雅碧江、大渡河、瀾滄江、鳥江、紅水河和黃河上游[1]。由于這一地區(qū)雨量充沛，河谷狹窄陡峻，適宜修建許多高水頭大容量的水電站，所以也常需要布置大斷面引水隧洞或高壩[2]。與交通隧洞相比，水電隧洞具有大斷面、高埋深、高地應(yīng)力等特點(diǎn)，同時水電建設(shè)大壩的基礎(chǔ)開挖、地下廠房洞室群等開挖爆破工程量巨大，對爆破的技術(shù)要求也越來越高，這些特點(diǎn)給隧洞結(jié)構(gòu)安全以及施工進(jìn)度帶來了較大的難度[2]。針對以上問題，黃金坪水電站尾水隧洞工程在施工中按照“平面多工序、立體多層次”[3]的原則進(jìn)行施工組織，結(jié)合現(xiàn)場爆破試驗效果與監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，根據(jù)不同開挖層的特點(diǎn)綜合應(yīng)用光面爆破、預(yù)裂爆破[4]的分層控制爆破技術(shù)，施工中不僅避免了各工序之間的相互干擾，而且減少超挖和爆破對圍巖的損害，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，提高了施工進(jìn)度。

1 工程概況

黃金坪水電站尾水隧洞處于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫22級”的第11級電站，壩址位于四川省甘孜藏族自治州康定縣姑咱鎮(zhèn)黃金坪上游約3.2 km處。尾水隧洞斷面為城門洞型，其開挖準(zhǔn)斷面為519.9 m2，縱坡i=0。尾水隧洞圍巖為斜長花崗巖、石英閃長巖，并穿插有花崗閃長～角閃斜長巖質(zhì)混染巖。施工洞段存在斷層、裂隙密集帶及卸荷拉裂縫，巖體總體較完整，多呈次塊狀或鑲嵌結(jié)構(gòu)，以Ⅲ類圍巖為主，斷層、裂隙密集帶及卸荷拉裂縫為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，部分洞段垂直、水平埋深較大，施工中有發(fā)生輕微～中等巖爆的可能。

2 爆破鉆爆設(shè)計及施工

2.1 總體開挖方案

尾水隧洞標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為19.4 m×26.8 m，為保證結(jié)構(gòu)安全與提高施工進(jìn)度，隧洞開挖分4層進(jìn)行，第Ⅰ層開挖高度8.5 m(首先快速貫通，兼作通風(fēng)通道)，第Ⅱ?qū)?、第Ⅲ層開挖高度8.0 m，尾水隧洞橫斷面開挖順序見圖1。

圖1 橫斷面開挖順序示意

尾水隧洞縱斷面開挖施工順序見圖2，由2#施工支洞向上游方向完成尾水洞及連接洞上層開挖，降坡完成尾水支洞下層開挖。由于本工程尾水出口位置較高，為了改善上部施工條件與洞內(nèi)通風(fēng)效果，在第Ⅰ層開挖時，同時從出口方向向洞內(nèi)開挖、支護(hù)至距預(yù)留巖塞下游面5 m位置，使第Ⅰ層開挖掌子面在洞內(nèi)與外部貫通。同時為確保施工期間的安全度汛問題，在尾閘門下閘前，采用預(yù)留巖塞擋水，為避免巖塞在拆除時損壞閘門，巖塞與洞門之間預(yù)留15 m安全距離。

圖2 縱斷面開挖順序示意

尾水洞Ⅱ?qū)拥氖┕ねǖ乐饕獮?#施工支洞，由2#施工支洞分別向上、下游方向按照15 %的坡度降坡，先后進(jìn)行2#施工支洞上、下游側(cè)的尾水洞Ⅱ-1層和Ⅱ-2層的開挖支護(hù)工作。

尾水洞Ⅲ層的施工通道主要為3#施工支洞，待2#施工支洞降坡完成尾水洞Ⅱ?qū)拥拈_挖支護(hù)施工后，首先進(jìn)行尾水洞Ⅱ?qū)拥装迮c3#施工支洞頂部之間的爆通工作，然后由3#施工支洞分別向上、下游方向按照15 %的坡度爬坡。3#施工支洞上游側(cè)爬坡至尾水洞Ⅱ?qū)拥牡装甯叱蹋M(jìn)行Ⅱ?qū)邮Ｓ嗖糠值拈_挖支護(hù)工作，然后再分兩層完成尾水洞Ⅲ層的開挖支護(hù)工作。由3#施工支洞分別向上、下游方向按照15 %的坡度降坡后水平進(jìn)行尾水洞Ⅳ層的開挖支護(hù)工作。

2.2 爆破參數(shù)的確定

根據(jù)《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》[5]《水利水電施工手冊》[6]與現(xiàn)場爆破施工實(shí)驗，頂拱中部開挖采用楔形掏槽的方式，周邊采用光面爆破；中層采用邊墻預(yù)裂爆破的施工方式；下層采用水平光面爆破，底部預(yù)留保護(hù)層開挖，保護(hù)層厚2.3 m。爆破參數(shù)根據(jù)以下公式并結(jié)合現(xiàn)場爆破試驗修訂。

不耦合系數(shù)η=孔徑/藥徑(工程取值為1.3～2)

(1)預(yù)裂爆破參數(shù)。

W=60～90

a=(7～20)d

q=0.042[σp]0.63a0.60

式中：W為最小抵抗線(cm)；a為炮孔間距；d為預(yù)裂孔徑，炮孔間距a對于硬巖和破碎巖體取小值，對于軟巖取大值；q為線裝藥密度(kg/m)，全孔裝藥量扣除底部增加的裝藥量后除以裝藥長度；σp為巖石極限抗壓強(qiáng)度(Mpa)，根據(jù)工程施工經(jīng)驗，采用巖體極限抗壓強(qiáng)度值計算裝藥量偏高，宜選用極限抗壓強(qiáng)度的70 %～80 %或采用巖體抗壓強(qiáng)度更適宜。

(2)光面爆破參數(shù)。

W=(7～20)d

a=(1.0～1.5)W

q=kaW

式中:k為松動爆破單位耗藥量，可參考相關(guān)文獻(xiàn)[7]。

2.3 尾水隧洞第Ⅰ層開挖

為減小單次爆破規(guī)模，控制爆破振動，尾水隧洞Ⅰ層開挖分為中部和兩側(cè)擴(kuò)挖3部分。中部開挖支護(hù)超前，兩側(cè)擴(kuò)挖支護(hù)錯開跟進(jìn)，中部開挖斷面為8m×8.7m，頂部一次性開挖至設(shè)計結(jié)構(gòu)邊線，便于及時進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)。開挖過程中需根據(jù)圍巖情況調(diào)整開挖進(jìn)尺，Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖進(jìn)尺中部按照3.0m進(jìn)行控制，兩側(cè)擴(kuò)挖按照4.0m進(jìn)行控制，Ⅳ類圍巖中部及兩側(cè)擴(kuò)挖進(jìn)尺按1.5～2.0m控制，Ⅴ類圍巖(包含斷層帶)中部及兩側(cè)擴(kuò)挖進(jìn)尺按0.8～1.0m進(jìn)行控制。

開挖采用自制鉆孔作業(yè)臺車，尾水洞中部開挖采用楔形掏槽的方式，周邊采用光面爆破，竹片間隔綁扎裝藥。兩側(cè)擴(kuò)挖采用手風(fēng)鉆水平造孔。開挖后采用裝載機(jī)配合自卸車出渣，反鏟進(jìn)行清底及安全處理。第Ⅰ層開挖鉆爆設(shè)計見圖3，開挖效果見圖4。

圖3 尾水隧洞第Ⅰ層開挖鉆爆設(shè)計

圖4 第Ⅰ層開挖效果

2.4 尾水洞Ⅱ、Ⅲ層開挖

尾水洞Ⅱ、Ⅲ層的寬度均為19.4m，總高度均為8m，分為兩小層進(jìn)行開挖(即每小層的層高為4m)，都采用邊墻預(yù)裂爆破的施工方式。

尾水洞Ⅱ、Ⅲ層中部采用手風(fēng)鉆水平造孔，造孔孔徑為50cm。為確保設(shè)計開挖結(jié)構(gòu)線的開挖最終成型質(zhì)量，邊墻采用手風(fēng)鉆垂直造孔預(yù)裂爆破的開挖方式。邊墻預(yù)裂孔間距50cm，采用竹片綁扎間隔裝藥。主爆孔采用φ32藥卷乳化炸藥，連續(xù)裝藥，采用非電毫秒雷管網(wǎng)絡(luò)爆破，起爆雷管使用電雷管引爆。爆破完成后，20 t自卸車出渣，反鏟進(jìn)行安全處理及清底。第Ⅱ、Ⅲ層開挖鉆爆設(shè)計見圖5。

圖5 尾水隧洞第Ⅱ、Ⅲ層開挖鉆爆設(shè)計

2.5 尾水洞Ⅳ層開挖

尾水洞Ⅳ層為底板預(yù)留保護(hù)層，分層高度為2.3 m，寬為19.4 m，底板縱坡為0，采用周邊光面爆破、全斷面一次開挖方式。Ⅱ、Ⅲ級圍巖開挖進(jìn)尺為4.5 m左右，Ⅳ類圍巖開挖進(jìn)尺2.0～3.0 m，Ⅴ類圍巖開挖進(jìn)尺1.5～2.0 m。鉆孔均采用人工手風(fēng)鉆造孔，光爆孔采用φ25藥卷乳化炸藥，采用竹片綁扎間隔裝藥，邊墻光爆孔的線密度為150 g/m，底板光爆孔的線密度為250 g/m。主爆孔采用φ32藥卷乳化炸藥，連續(xù)裝藥，采用非電毫秒雷管網(wǎng)絡(luò)爆破，起爆雷管使用電雷管引爆。第Ⅳ層開挖鉆爆設(shè)計見圖6，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層邊墻爆破施工效果見圖7。

圖6 尾水隧洞第IV層開挖鉆爆設(shè)計

2.6 尾水洞支護(hù)方案

尾水隧洞第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層支護(hù)均主要采用采用φ32、L=8.0 m；φ28、L=6.0 m和φ25、L=4.5 m 3種規(guī)格的系統(tǒng)錨桿(根據(jù)不同的圍巖級別選擇)，掛φ6.5鋼筋網(wǎng)150 mm×150 mm(其中岔口段掛φ8鋼筋網(wǎng)200 mm×200 mm)，噴射C25混凝土，厚度20 cm。其中深孔錨桿采用多臂臺車、液壓潛孔鉆造孔，短錨桿采用手風(fēng)鉆造孔，錨桿均采用 “先注漿、后插桿”的施工工藝施工，漿液均為M20砂漿，錨桿支護(hù)滯后開挖掌子面不大于60 m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖錨桿支護(hù)跟進(jìn)開挖掌子面。對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖，先進(jìn)行初期噴射10 cm厚的C25鋼纖維混凝土及系統(tǒng)錨桿支護(hù)，再噴射C25混凝土(厚10 cm)。第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層邊墻支護(hù)施工效果見圖8，錨桿施工見圖9。

3 結(jié)束語

黃金坪水電站的以下施工經(jīng)驗可為類似工程參考:

(1)施工中按照“平面多工序、立體多層次”的原則進(jìn)行特大斷面隧洞的施工組織和設(shè)計開挖方案，在保證隧洞安全的前提下，有利于各工序的平行開展，能較大的提高施工進(jìn)度。

圖8 第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層邊墻支護(hù)施工效果

圖9 錨桿施工

(2)在尾水隧洞特大斷面開挖施工中，首先快速貫通上部導(dǎo)坑，再進(jìn)行后續(xù)的開挖工作，不僅有利于改善通風(fēng)條件，還為后續(xù)開挖工作的開展提供施工條件，提高了整個施工進(jìn)度。

(3)尾水隧洞特大斷面開挖工程根據(jù)不同開挖層的特點(diǎn)綜合采用預(yù)裂爆破、光面爆破的控制爆破技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場試驗與位移應(yīng)力監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析指導(dǎo)施工，減少爆破和超挖對圍巖的擾動，較大程度的降低施工風(fēng)險。

[1] 蔣鍵,周宇,和孫文.大型洞室群開挖爆破技術(shù)[J].工程爆破,2003,9(1).

[2] 張有天.水工隧洞建設(shè)的經(jīng)驗和教訓(xùn)[C].紀(jì)念貴州省水力發(fā)電工程學(xué)會成立20周年學(xué)術(shù)論文選集, 2005.

[3] 馬洪琪.大型水電工程建設(shè)技術(shù)[M].中國電力出版社,2011.

[4] 王玉杰,梁開水.爆破工程[M].武漢理工大學(xué)出版社,2007.

[5] SL 378-2007 水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范[S].

[6] 全國水利水電施工技術(shù)信息網(wǎng)組.水利水電施工手冊[M].中國電力出版社,2002.

[7] 朱永全，宋香玉.隧道工程[M].中國鐵道出版社,2010.

楊超(1987～)，男，碩士研究生，助理工程師，從事隧道施工的管理工作。

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[定稿日期]2016-09-12