淺談跨越大斷面近距離洞室開挖技術(shù)

余 俊 良

(國電金沙江旭龍水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

雙江口水電站為大渡河流域水電規(guī)劃“3庫22級”開發(fā)方案的第5級，為一等大(1)型工程。樞紐工程由攔河大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪建筑物等組成，所建大壩為世界在建和已建的第一高壩，電站水庫正常蓄水位2 500.00 m，水庫總庫容為28.97億m3，裝機2 000 MW。

雙江口水電站發(fā)電廠房為地下式，主副廠房、主變室及尾水調(diào)壓室從上游至下游方向平行布置。尾水調(diào)壓室交通洞位于調(diào)壓室右側(cè)，為主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室上層開挖施工通道。全長約707 m，進洞口高程2 272.6 m與調(diào)壓室連接處底板高程2 282.6 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面為城門洞型，其中跨1#導(dǎo)流洞段開挖斷面為9.4 m×8.7 m(寬×高)。

根據(jù)雙江口水電站施工導(dǎo)流方案及工程建設(shè)計劃，施工導(dǎo)流分為3個階段，即初期、中期和后期導(dǎo)流。初期導(dǎo)流從2015年11月截流，到2020年2月壩體填筑超過圍堰頂高程，共40個月，初期導(dǎo)流由1#導(dǎo)流洞承擔(dān)。1#導(dǎo)流洞洞身全長1 522 m ，標(biāo)準(zhǔn)斷面為城門洞型，過水?dāng)嗝?5 m×19 m(寬×高)，進口底高程2 259.0 m，出口底高程2 247 m。1#導(dǎo)流洞已建成并投入使用，攔河大壩上游和下游均已達到2017年防洪度汛高程，上游圍堰填筑至2 308 m，下游圍堰填筑至2 265 m。

尾水調(diào)壓室交通洞在樁號0+271.641-0+294.541范圍(長度約22.9m)與1#導(dǎo)流洞立體空間交叉，尾調(diào)交通洞開挖底板面與1#導(dǎo)流混凝土襯砌頂面間巖體垂直高度10.4 m。

2 施工難點

1#導(dǎo)流洞為雙江口水電站初期導(dǎo)流施工時段唯一過水通道，已過流且不具檢修條件，同時大壩上下游圍堰均填筑至2017年防汛高程，上游度汛高程以下的征地移民與搬遷工作均未實施，因此1#導(dǎo)流洞安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，不允許發(fā)生任何偏差，否則將對大壩上游造成難以估計的災(zāi)難性后果。

尾水調(diào)壓室交通洞位于1#導(dǎo)流洞上方，受兩岸地形及地質(zhì)條件影響，兩條隧洞在空間上已不具備調(diào)整條件，兩洞之間巖體厚度太薄，持續(xù)的爆破震動及載重的機械設(shè)備不斷通行將不可避免對巖體穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響，如控制不當(dāng)，將可能導(dǎo)致1#導(dǎo)流洞襯砌結(jié)構(gòu)的破壞，甚至引起1#導(dǎo)流洞坍塌事故，對1#導(dǎo)流洞安全運行構(gòu)成威脅。尾調(diào)交通洞跨1#導(dǎo)流洞平面示意圖見圖1。尾調(diào)交通洞跨1#導(dǎo)流洞縱剖面圖見圖2。

綜上所述，尾調(diào)交通洞跨1#導(dǎo)流洞段開挖施工的主要難點為：跨越段的1#導(dǎo)流洞混凝土結(jié)構(gòu)及上覆的基巖均未安裝監(jiān)測儀器，同時又不具備補裝儀器的條件，無法利用監(jiān)測技術(shù)為尾調(diào)交通洞開挖與后續(xù)通行期間的施工提供科學(xué)指導(dǎo)。在此情況下，如何采取有效措施，既順利完成尾調(diào)交通洞跨1#導(dǎo)流洞段開挖，又確保1#導(dǎo)流洞在尾調(diào)交通洞開挖與通行期間安全穩(wěn)定運行是現(xiàn)場施工的一大難題。

3 主要措施

鑒于尾調(diào)交通洞跨1#導(dǎo)流洞段開挖施工安全的重要性，施工期間堅持了“短進尺、弱爆破、強支護、勤監(jiān)測、早襯砌”的原則，按照“全員高度重視、爆破試驗先行、震動監(jiān)測控制、作業(yè)全程監(jiān)控、襯砌及時完成”的思路開展施工組織工作。

圖1 尾調(diào)交通洞跨1#導(dǎo)流洞平面示意圖

圖2 尾調(diào)交通洞跨1#導(dǎo)流洞縱剖面圖

3.1 深刻認(rèn)識重要性 全員宣貫落實責(zé)任

尾調(diào)交通洞跨1#導(dǎo)流洞段開挖安全工作必須要做到確保萬無一失，開挖前雙江口建設(shè)管理分公司組織參建單位強調(diào)了此段開挖安全的重要性，統(tǒng)一了思想，并就開挖措施及施工組織安排進行了深入討論，將安全責(zé)任落實到了參建單位具體的管理人員，將作業(yè)要求灌輸?shù)搅嗣恳晃蛔鳂I(yè)人員。

3.2 分段開挖控制爆破 動態(tài)優(yōu)化爆破參數(shù)

3.2.1 分段分層順序開挖

尾調(diào)交通洞跨1#導(dǎo)流洞段采取控制爆破技術(shù)。為確保安全，跨1#導(dǎo)流洞段擬自開挖方向向前共分為5段進行施工，分別為過渡段A斷面(K0+310.591～K0+303.091)、過渡段C斷面(K0+303.091～K0+294.541)、交叉段C斷面(K0+271.641～K0+294.541)、過渡段C斷面(K0+271.641～K0+263.091)、過渡段A斷面(K0+263.091～K0+225.591)。根據(jù)圖紙，開挖斷面均為城門型，其中A斷面開挖尺寸為8.3 m×7.55 m(寬×高) ，永久結(jié)構(gòu)型式為邊頂拱錨噴支護15 cm，底板混凝土襯砌40 cm； C斷面開挖尺寸為 9.4 m×8.7 m(寬×高)，永久結(jié)構(gòu)型式為混凝土襯砌60 cm，底板混凝土襯砌100 cm?？刂票品侄伍_挖示意見圖3。

根據(jù)設(shè)計圖紙，尾調(diào)交通洞跨1#導(dǎo)流洞段隧洞為大斷面，為增大爆源至保護建筑物的安全距離，減少對兩洞之間基巖的損壞，擬在交叉段采取上、下臺階分層開挖施工，下臺階底板開挖預(yù)留保護層厚度確定為2.5 m，則交叉段上臺階爆破距1#導(dǎo)流洞的最短距離為12.9 m，為此段尾調(diào)交通洞開挖洞徑的1.48倍。

圖3 尾調(diào)交通洞跨1#導(dǎo)流洞段控制爆破分段開挖示意圖

3.2.2 科學(xué)設(shè)計爆破參數(shù)

3.2.2.1 確定爆破震動允許振速

結(jié)合《爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)》(GB6722-2014)中保護對象類別為水工隧洞的安全允許振速的相關(guān)規(guī)定，過渡段爆破振動設(shè)計振速取最低限為7 cm/s，交叉段考慮到1#導(dǎo)流洞承擔(dān)施工期過水任務(wù)的重要性,爆破振動設(shè)計振速取值為4.5 cm/s，振速均按照距離爆破區(qū)域邊緣10 m處的實測值進行控制。

3.2.2.2 確定最大單響藥量

尾調(diào)交通洞跨導(dǎo)流洞段開挖前，已開展了三次爆破震動監(jiān)測，依據(jù)薩道夫斯基公式(V=K(Q1/3/R)q,其中V為峰值質(zhì)點振動速度cm/s、Q為最大單響藥量kg、K與a為爆區(qū)至測點間地形地質(zhì)條件有關(guān)的衰減指數(shù))推算出每次爆破時水平、徑向及垂直三個方向的衰減指數(shù)，根據(jù)三次震動監(jiān)測得出的衰減指數(shù)、要求的質(zhì)點振動速度以及爆心距，再通過薩道夫斯基公式分別反算出過渡段和交叉段開挖的最大單響藥量，然后取三次計算中的最小值，作為爆破參數(shù)設(shè)計時的最大單響起爆控制藥量。過渡段距1#導(dǎo)流洞距離為13.5 m，經(jīng)反算全斷面開挖單段最大單響起爆藥量為29.6 kg；交叉段上臺階開挖距1#導(dǎo)流洞安全距離為12.9 m，經(jīng)反算開挖單段最大單響起爆藥量為25.84 kg；交叉段下臺階開挖距1#導(dǎo)流洞安全距離為10.4 m，經(jīng)反算開挖單段最大單響起爆藥量為13.54 kg。

3.2.2.3 確定爆破參數(shù)

過渡段共有A、C兩類斷面，擬采取全斷面開挖方式開挖，交叉段為C型斷面，擬采取上下臺階方式開挖。根據(jù)爆破質(zhì)點振動速度及最大單響藥量開展爆破設(shè)計并根據(jù)實際開挖效果和爆破震動監(jiān)測結(jié)果開展爆破設(shè)計優(yōu)化工作。經(jīng)設(shè)計，A斷面全斷面開挖最大單響藥量發(fā)生在掏槽孔，為21.6 kg，爆破進尺2 m；C斷面全斷面開挖最大單響藥量發(fā)生在掏槽孔，為24 kg，爆破進尺2 m；C斷面上臺階開挖最大單響藥量發(fā)生在掏槽孔，為12 kg，爆破進尺1 m；C斷面底板保護層開挖最大單響藥量發(fā)生在掏槽孔，為6 kg，爆破進尺1 m；

3.2.2.4 爆破設(shè)計參數(shù)動態(tài)調(diào)整

從過渡段開始每循環(huán)開展爆破震動監(jiān)測，按照設(shè)計的爆破參數(shù)開展現(xiàn)場工作，根據(jù)爆破震動監(jiān)測成果，反演出1#導(dǎo)流洞頂拱處振動速度，根據(jù)反演得到的振動速度V1與允許的質(zhì)點最大震動速度V比較，如果V1V則立即根據(jù)監(jiān)測成果調(diào)整爆破參數(shù)，然后進入下一輪試驗，直至質(zhì)點震動速度附合要求為止。根據(jù)前期爆破震動監(jiān)測成果，不同洞段的地質(zhì)衰減指數(shù)k值和a值有所差異,在實際控制爆破過程中,需及時根據(jù)監(jiān)測成果分析調(diào)整k值和a值以指導(dǎo)施工。

根據(jù)上述開挖原則和要求，分別開展了過渡段A類、C類全斷面開挖。

3.3 現(xiàn)場管理措施

一是落實監(jiān)理每循環(huán)旁站開挖與爆破震動監(jiān)測過程；二是每循環(huán)均開展爆破震動監(jiān)測工作，發(fā)現(xiàn)異常立即停止開挖分析原因并調(diào)整爆破參數(shù)。

3.4 支護措施

一是過渡段和交叉段邊頂拱錨噴支護緊跟掌子面，確保不發(fā)生塌方，以避免塌方引起不利的連鎖反應(yīng)；二是在過渡段開挖完成后繼續(xù)向前開挖安全距離約50 m后，立即停止開挖啟動交叉段底板鋼筋混凝土施工，以避免開挖期間重型車輛來回碾壓基巖造成兩洞之間巖體失穩(wěn)。三是在過渡段已開挖完成，而底板混凝土未襯砌之間的洞段開挖時，嚴(yán)格控制交叉段的車輛載重及通行車輛數(shù)量，以減小荷載對巖體的影響。

4 成效及建議

尾調(diào)交通洞跨導(dǎo)流洞段施工(含過渡段和交叉段)共歷時2個月，實施中因C斷面上、下臺階開挖爆破效果不理想(爆破效率低每循環(huán)進尺僅0.6～0.8 m左右，開挖面巖埂殘留現(xiàn)象頻繁)，優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)三次。施工過程中嚴(yán)格控制了爆破作業(yè)管理，并在開挖完成后及時開展了交叉段底板混凝土襯砌工作，因此，安全完成尾調(diào)交通洞跨1#導(dǎo)流洞段開挖。經(jīng)觀察，1#導(dǎo)流洞在開挖后運行正常，并順利經(jīng)受了2017年汛期考驗。

建議：在1#導(dǎo)流洞施工期間，如在交叉洞段的相應(yīng)位置埋設(shè)監(jiān)測圍巖和混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的監(jiān)測設(shè)備，則可在尾調(diào)交通洞開挖期間監(jiān)測到1#導(dǎo)流洞交叉段的巖體以及混凝土結(jié)構(gòu)的變化情況，從而更準(zhǔn)確的指導(dǎo)尾調(diào)交通洞爆破震動施工，同時，可以大量減少尾調(diào)交通洞期間的震動監(jiān)測工作，減少費用支出。

5 結(jié) 論

目前，受建設(shè)周邊環(huán)境、耕地保護以及建設(shè)區(qū)域地質(zhì)地貌等條件的制約，很多工程設(shè)計均采用立體交叉方法，以減少項目用地以及對周邊建筑物的影響，雙江口水電站尾水調(diào)壓室交通洞與承擔(dān)施工期導(dǎo)流任務(wù)的1#導(dǎo)流洞立體空間交叉，兩隧洞均為大斷面洞室，洞室間巖體垂直距離僅10.4 m。通過對尾水調(diào)壓室交通洞跨1#導(dǎo)流洞交叉段開挖技術(shù)措施的分析，可為類似項目施工提供借鑒和參考。