水電站尾水隧洞出口巖塞開挖支護(hù)施工技術(shù)研究

張春霞

(江西省贛撫平原水利工程南昌縣管理站，南昌 330200)

1 工程概況

水利樞紐工程位于新疆和田河西支上，主要有水電站廠房、升壓變電站、開關(guān)樓、沖沙洞、大壩、溢洪道等建筑結(jié)構(gòu)。水電站以防洪、灌溉為主，兼顧改善生態(tài)環(huán)境、水力發(fā)電和水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能，總庫(kù)容3.285億m3，正常蓄水位1958.0m，裝機(jī)容量56MW，年發(fā)電量1.92億kW·h。水利工程投運(yùn)后可改善農(nóng)田灌溉面積7.2萬hm2，通過調(diào)節(jié)控制可實(shí)現(xiàn)年供水量10.52億m3，有利于維護(hù)下游綠色廊道生態(tài)環(huán)境和減輕洪水災(zāi)害損失，對(duì)于促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提升河道防洪能力具有重要作用。尾水系統(tǒng)共設(shè)計(jì)3條隧洞，以“一洞一井二機(jī)”作為布設(shè)形式，含漸變段沿軸線洞長(zhǎng)1426.21m。其中，1#、2#、3#尾水洞長(zhǎng)為388.05m、481.24m、556.92m，3條尾水洞之間的最小間隔為42.0m且以平行方式布置。城門洞形為尾水洞進(jìn)、出口漸變段的布置方式，洞身斷面為圓形。3條隧洞的出口漸變段長(zhǎng)度均為30m，下游側(cè)出口段15m段施工前期已完成，預(yù)留上游側(cè)長(zhǎng)20m巖塞段，漸變段和標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)為18m、2m。以坡度為6%的逆坡作為巖塞段，開挖支護(hù)后標(biāo)準(zhǔn)段斷面直徑為21.5m，城門洞形漸變?yōu)閳A形的漸變段長(zhǎng)30m，支護(hù)后的高、寬斷面尺寸為21.5m×(20.0-21.4m)。

2 開挖支護(hù)施工方案

2.1 開挖施工

根據(jù)施工設(shè)備、工藝方法、道路和巖塞段結(jié)構(gòu)特征，將尾水洞巖塞段分為兩種施工工序，即1#與3#、2#兩種。2#巖塞段劃分成每塊各為3層的兩側(cè)擴(kuò)挖和導(dǎo)洞兩塊，即上、中、下三層的Ⅵ1、Ⅵ2、Ⅴ1、Ⅴ2、Ⅳ1、Ⅳ2兩側(cè)和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中導(dǎo)洞層，兩側(cè)Ⅵ、Ⅴ、Ⅵ層層高和中導(dǎo)洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ層層高分別為3.55m、9.0m、9.36-9.58m、9.0m、9.0m、4.1m，全斷面一次施工為除Ⅰ層以外其余各層的開挖方式，采取分3區(qū)方式開挖Ⅰ層區(qū)?？傮w而言，采用2#、1#、3#的施工次序?qū)?#-3#巖塞段開挖，為保證施工安全除2#外其它的導(dǎo)洞均采取自上而下的開挖順序。水電站尾水洞出口巖塞段施工順序可結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整3個(gè)施工段[1]。

2.1.1 尾水隧洞2#出口巖賽施工

1)施工開挖中導(dǎo)洞?？傮w分3層開挖中導(dǎo)洞，其中中層施工道路墊渣來源于下層開挖形成的渣料，修建好施工道路后對(duì)中層進(jìn)行開挖，而開挖支護(hù)尾水洞頂拱的施工通道的材料則來源于中層渣料[2]。為保證圍巖具有足夠的安全穩(wěn)定性，結(jié)合圍巖揭露情況確定中導(dǎo)洞中層、下層的頂拱混凝土噴射厚度為5cm。

貫通中層施工，完成中導(dǎo)洞上層開挖和頂拱開挖施工道路后，開挖上層每排炮孔并開展錨桿支護(hù)系統(tǒng)的施工，最終貫通上層和噴射混凝土[3]。

2)開挖兩側(cè)施工。全部完成中導(dǎo)洞頂拱部位系統(tǒng)支護(hù)后按照上、中、下3層分層擴(kuò)挖施工兩側(cè)，采取自上而下的次序進(jìn)行開挖，每層開挖完成后進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)和下層開挖[4]。

2.1.2 尾水隧洞1#、3#出口巖塞施工

1)施工Ⅰ層頂層。采用2#尾水洞開挖渣料作為1#、3#尾水洞施工道路墊渣，然后對(duì)中導(dǎo)洞及其每排炮開挖，為確保施工安全開展錨桿支護(hù)，貫通中導(dǎo)洞施工后噴射混凝土。完成中導(dǎo)洞支護(hù)系統(tǒng)施工后擴(kuò)挖兩側(cè)，然后開兩側(cè)擴(kuò)挖展每排炮、錨桿支護(hù)系統(tǒng)和噴射混凝土等施工[5]。

2)施工Ⅱ?qū)又袑?。全部完成Ⅰ層支護(hù)系統(tǒng)后開挖Ⅱ?qū)?，全部完成Ⅱ?qū)娱_挖施工后實(shí)施支護(hù)措施。

3)施工Ⅲ層底層。待全部完成Ⅱ?qū)又ёo(hù)系統(tǒng)后開挖Ⅲ層底層，考慮到開挖坡度對(duì)施工的影響，為解決較大頂拱可能引起的超挖問題，采取從下游側(cè)向上游側(cè)的開挖順序進(jìn)行施工，全部完成Ⅲ層底層開挖后實(shí)施支護(hù)系統(tǒng)。

2.1.3 開挖施工工藝

1)步驟1：施工準(zhǔn)備。根據(jù)工程實(shí)際情況，做好三臂鑿巖臺(tái)車、施工人員、水風(fēng)電等各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

2)步驟2：測(cè)量放線、鉆孔作業(yè)。測(cè)量人員對(duì)設(shè)計(jì)開挖輪廓線利用全站儀放樣，結(jié)合鉆爆設(shè)計(jì)圖、設(shè)計(jì)開挖圖進(jìn)行施工。根據(jù)鉆爆設(shè)計(jì)圖中的鉆孔參數(shù)和測(cè)量放樣的控制線，由技術(shù)精湛的手風(fēng)鉆鉆工和潛孔施工人員進(jìn)行鉆孔作業(yè)[6]。

3)步驟3：裝藥起爆。結(jié)合爆破效果對(duì)施工中有關(guān)參數(shù)優(yōu)化，基于批準(zhǔn)的爆破設(shè)計(jì)圖由考核合格的爆破工裝藥，以堵塞良好、裝藥密實(shí)為原則利用非電雷管連接起爆網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)技術(shù)員和爆破工復(fù)檢無誤后起爆。

4)步驟4：通風(fēng)、散煙、除塵及安全處理。采用自然通風(fēng)的方式，確保巖塞段有害氣體濃度30min內(nèi)降低至安全值，開展灑水除塵作業(yè)。然后對(duì)邊墻殘留的危石利用1.6m3反鏟清理，對(duì)已開挖邊墻的穩(wěn)定性定期進(jìn)行檢查，針對(duì)出現(xiàn)松動(dòng)、塌落的巖塊進(jìn)行清理。

5)步驟5：出渣、清底處理。采用1.6m3反鏟和前期修建的2#尾水洞施工道路渣料進(jìn)行道路施工，為減緩原有的坡度仍選用1.6m3反鏟將多余的開挖渣料翻渣至施工部位。采用30t自卸汽車將2#尾水洞多余料渣輸送至1#、3#尾水洞，至1#、3#巖塞段Ⅰ層施工道路利用1.6m3反鏟進(jìn)行修建。采用30t自卸汽車配合1.6m3反鏟將1#、3#尾水洞開挖渣料輸送至2#渣場(chǎng)。

6)步驟6：圍巖支護(hù)施工。中導(dǎo)洞下中層每排爆破和2#尾水洞前期開挖施工完成后，為確保施工安全結(jié)合圍巖揭露實(shí)際狀況噴射5cm混凝土，完成其它部位錨桿支護(hù)施工。

2.2 爆破參數(shù)

全部選用孔徑均為48mm的三臂鑿巖臺(tái)車水平鉆爆開挖施工，利用光面控制爆破周邊孔，其參數(shù)設(shè)定為：

1)開挖兩側(cè)和中導(dǎo)洞：采用孔深為1.5m、3.2m的兩層掏槽孔，層距和間距為100cm、50cm，裝藥方式為連續(xù)安裝Φ32mm的乳化炸藥；崩落孔間排距為100cm，孔深為3m，裝藥方式為連續(xù)安裝Φ32mm的乳化炸藥；周邊孔間距為50cm，孔深3cm，裝藥方式為間隔不耦合安裝Φ25mm的乳化炸藥。

2)開挖其它部位：主爆孔間排距為150cm，孔深3m，選擇連續(xù)安裝Φ32mm的乳化炸藥；周邊孔間距為50cm，孔深3cm，裝藥方式為間隔不耦合安裝Φ25mm的乳化炸藥。

2.3 支護(hù)施工

采用麥斯特高壓注漿機(jī)和三臂鑿巖臺(tái)車錨桿鉆孔系統(tǒng)，人工安插錨桿配合1.6m3反鏟改裝施工平臺(tái)。運(yùn)用麥斯特噴車和混凝土濕噴工藝，混凝土料輸噴裝置為8m3混凝土攪拌車。

2.3.1 砂漿錨桿施工工藝

砂漿錨桿施工工藝流程圖，見圖1。水電站尾水隧洞出口巖塞段砂漿錨桿施工流程有以下4個(gè)步驟：

1)步驟1：測(cè)量放線、搭設(shè)平臺(tái)。采用全站儀對(duì)錨桿孔放樣，采用不同的符號(hào)標(biāo)識(shí)不同的錨桿空位；然后采用排距為1.8m、間距為1.5m、Φ48mm的鋼管搭設(shè)施工腳手架，中間設(shè)置縱向剪刀撐且中間、兩端各設(shè)置一道剪刀撐。

2)步驟2：錨桿鉆孔。采用三臂鑿巖臺(tái)車鉆設(shè)系統(tǒng)砂漿錨桿孔，設(shè)計(jì)9m和6m砂漿錨桿孔徑為Φ57mm、Φ51mm。為防止出錯(cuò)用明顯的符號(hào)標(biāo)記不同孔深的錨桿。垂直于巖面布置系統(tǒng)錨桿，孔深和空位偏差≤5cm、10cm，可能滑動(dòng)面與隨機(jī)支護(hù)錨桿的孔向一般為45°。

3)步驟3：檢查質(zhì)量?？仔迸c孔向偏差、孔深偏差允許值為3%和5cm，分別選用全站儀和PVC管檢查孔向與孔斜、孔深質(zhì)量。

4)步驟4：安插和注漿錨桿。采用先注漿后插桿的工藝流程和麥斯特高壓注漿機(jī)完成系統(tǒng)錨桿注裝，注漿要求密實(shí)、飽滿且注漿前孔位應(yīng)沖洗干凈。將1.6m3反鏟改裝平臺(tái)配合人工施工完成錨桿安插，為確保注裝質(zhì)量避免72h擾動(dòng)。完成錨桿施工后對(duì)錨桿注漿密實(shí)度利用超聲波檢查，密實(shí)度應(yīng)滿足>80%要求。

圖1 砂漿錨桿施工工藝流程圖

2.3.2 噴鋼纖維混凝土施工工藝

噴鋼纖維混凝土施工工藝流程圖，見圖2。水電站尾水隧洞出口巖塞段噴鋼纖維混凝土施工流程具體有以下4個(gè)步驟：

1)步驟1：施工準(zhǔn)備。鋼纖維混凝土噴射前對(duì)巖面、墻角、雜物、浮石等清除，然后對(duì)巖面利用高壓風(fēng)水槍沖洗，采用高壓風(fēng)清掃并噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。準(zhǔn)備就緒麥斯特噴車，采取埋設(shè)導(dǎo)管的方式對(duì)有水區(qū)域進(jìn)行排水處理[6]。

2)步驟2：拌制和噴射鋼纖維混凝土。在右岸拌和系統(tǒng)中拌制噴射混凝土料，其投料流程為：先干拌骨料與鋼纖維，然后加入水泥拌且以不出現(xiàn)球結(jié)作為鋼纖維混凝土拌制標(biāo)準(zhǔn)?；炷恋膰娚浒凑諠駠姽に嚪ǚ肿韵露蟽蓪邮┕ぃ卮怪庇趲r面的放線初噴底層厚5cm，初凝后噴射面層，巖面與噴嘴之間的距離為1-2m，在確保密實(shí)度情況下應(yīng)盡可能的降低回彈量[7]。

3)步驟3：檢查質(zhì)量。采取預(yù)埋鋼筋和鉆孔測(cè)深等方式對(duì)混凝土厚度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用肉眼觀測(cè)外觀情況，采取鉆孔作拉拔試驗(yàn)或預(yù)埋試件檢驗(yàn)噴層間、巖石與混凝土之間的的黏結(jié)強(qiáng)度，詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)嚴(yán)格按照施工規(guī)范執(zhí)行[8]。

4)步驟4：養(yǎng)護(hù)。噴水養(yǎng)護(hù)，一般情況下養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過7d，在空氣適度超過85%時(shí)可采取自然養(yǎng)護(hù)方法。

圖2 噴鋼纖維混凝土施工工藝流程圖

2.4 爆破震動(dòng)控制

參照水電站地下主廠房的爆破震動(dòng)測(cè)試階段結(jié)果作為尾水洞出口巖塞段的爆破震動(dòng)控制參數(shù)，利用經(jīng)驗(yàn)公式揭示爆破震動(dòng)衰減規(guī)律，其數(shù)學(xué)計(jì)算公式為：

尾水洞巖塞段爆破中心距離已澆筑尾水底拱混凝土最近距離R為8.5m，距離閘室最近距離R為13.5m。閘室混凝土建筑物及已澆筑底拱的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)最大允許速度按照水工建筑物地下開挖施工技術(shù)規(guī)程取10cm/s，在巖塞段開挖中，單響最大控制藥量Q，見表1。

表1 單響最大控制藥量Q

根據(jù)表1可知，開挖過程中主要保護(hù)對(duì)象為已澆筑的巖塞段底拱混凝土，單響最大藥量在巖塞段開挖時(shí)應(yīng)<17kg。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用下述被動(dòng)防護(hù)方案進(jìn)行巖塞段爆破施工，具體如下：

1)為防止爆破飛石可能對(duì)高程1120-1135m內(nèi)1#-3#尾水閘室孔口的損壞作用，將一層竹腳手架滿鋪于閘室流道面高程1130m以下范圍。

2)采用Φ48mm單背管將竹腳手板外側(cè)連接成整體，利用鋼管和已有Φ12mm拉筋將內(nèi)側(cè)連接為整體，間排距為1.5m。

3)將Φ12mm插筋增設(shè)于未設(shè)置Φ12mm拉筋的部位并與背管連接呈整體，間排1.5m，外漏0.2m，長(zhǎng)0.5m。

考慮到汛期提前等一些不確定因素和現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，若在2015年汛前暫未完成3#尾水洞出口巖塞段支護(hù)施工，應(yīng)對(duì)剩余巖塞部分在封閉3#尾水閘室閘門后完成開挖支護(hù)，從而避免閘門可能受爆破飛石的破壞作用，3#閘室?guī)r塞段開挖防護(hù)預(yù)案為閘室附近設(shè)置一道被動(dòng)柔性防護(hù)屏。防護(hù)屏防護(hù)面板利用竹腳手板完成，新增Φ25mm插筋與Φ25mm水平背筋，并在竹腳手板背面焊接；通過設(shè)置Φ48mm豎向腳手架鋼管增強(qiáng)防護(hù)屏的整體性，同時(shí)對(duì)整個(gè)柔性防護(hù)屏利用Φ25mm水平拉筋固定[9]。

下閘后閘門在一定程度上受爆破沖擊波的不利作用，巖塞段單響最大藥量17kg產(chǎn)生的空氣沖擊波壓力值按照爆破安全規(guī)程計(jì)算為0.4MPa，為減少空氣沖擊波的不利影響采取的防護(hù)措施包括：①微差爆破依據(jù)爆破設(shè)計(jì)圖開展，充分發(fā)揮沖擊波干擾衰減功能；②為防止出現(xiàn)沖天炮，嚴(yán)密堵塞爆破孔孔口；③3#巖塞段開挖防護(hù)預(yù)案即閘門前設(shè)置一道柔性防護(hù)屏，可減輕閘門受空氣沖擊波的影響和發(fā)揮阻擋飛石作用。

2.5 開挖及支護(hù)質(zhì)量控制

為盡可能減少圍巖受爆破震動(dòng)的影響，爆破參數(shù)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況合理選定，同時(shí)開挖施工前做好爆破設(shè)計(jì)控制工作以獲取理想的成型面。開挖過程中及時(shí)掌握地質(zhì)變化特征，為避免欠挖、減小超挖經(jīng)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)后對(duì)爆破參數(shù)及時(shí)調(diào)整[10]。針對(duì)不良地質(zhì)的巖塞開挖應(yīng)嚴(yán)格控制爆破參數(shù)，為確保圍巖穩(wěn)定要加強(qiáng)開挖支護(hù)，實(shí)行小藥量、短進(jìn)尺爆破措施。

根據(jù)規(guī)范要求對(duì)錨桿施工造孔，確保錨桿注裝密實(shí)度、砂漿配合比符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。噴混凝土施工厚度、面積、位置等滿足施工技術(shù)和施工圖紙要求，選用滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求的砂石、水泥等材料，合理設(shè)計(jì)混凝土配合比，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)合理性利用試驗(yàn)確定。

2.6 安全控制技術(shù)

1)為更好的指導(dǎo)施工充分收集地質(zhì)監(jiān)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)為保證作業(yè)安全要配備足量的照明器具。

2)地下洞室工作人員應(yīng)服從指揮、遵章守紀(jì)且嚴(yán)格按照規(guī)定佩戴安全防護(hù)用品。先對(duì)相鄰工作面的地質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢查邊墻是否穩(wěn)定及支護(hù)部位是否牢固，準(zhǔn)確判斷工作面的安全狀態(tài)，清除可能出現(xiàn)的裂縫或松動(dòng)塊體。

3)地下洞室施工爆破嚴(yán)格爆破警界和防護(hù)距離，爆破工必須具備安全技術(shù)合格證。檢查人員在爆破15min后才能進(jìn)入工作面，對(duì)照明線路的安全情況進(jìn)行檢查；對(duì)是否存在可疑現(xiàn)象、盲炮情況，邊墻及頂拱是否具有松動(dòng)塊石等進(jìn)行檢查，同時(shí)檢查支護(hù)變形和損壞狀況，確認(rèn)無誤后方可允許其他人員進(jìn)入。目前，較為常用的盲炮處理方法有風(fēng)水吹管法、聚能誘爆法、打平行爆破孔裝藥爆破和重新起爆法等。

4)鉆孔施工過程中嚴(yán)禁鉆孔和裝藥同時(shí)開展，裝藥時(shí)嚴(yán)禁火種，利用木棍裝藥；為確保爆破安全無關(guān)機(jī)具和工作人員撤離至安全地點(diǎn)，確保所有人員撤離現(xiàn)場(chǎng)后方可進(jìn)行爆破。

5)對(duì)于存在錨桿失效或較大變形的圍巖支護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)在該區(qū)段增設(shè)長(zhǎng)為原錨桿1.5倍以上的加強(qiáng)錨桿；對(duì)于存在噴錨后變形量>設(shè)計(jì)允許值、圍巖出現(xiàn)突變或噴混凝土未達(dá)到一定強(qiáng)度的圍堰，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。在安全檢查項(xiàng)目中納入噴層異常裂縫檢查，定期檢查和觀測(cè)并作為危險(xiǎn)信號(hào)。

3 結(jié) 論

以新疆地區(qū)某水利樞紐工程尾水洞出口巖塞段為例，通過對(duì)施工工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)確保了項(xiàng)目的按期完成。兩側(cè)、中導(dǎo)洞采取自上而下爆破和自下而上的分層開挖工藝，采用擴(kuò)挖跟進(jìn)、小導(dǎo)洞先行的反向開挖方法作為中導(dǎo)洞下層施工工藝，有效解決了便道布置、施工道路石渣短缺等問題。