淺析觀音閣輸水工程大峪豎井施工

王 帥

(遼寧燕東土木建筑工程咨詢有限公司，遼寧 本溪 117000)

1 工程概況

遼寧省觀音閣水庫輸水工程是大(2)型水利工程，是水利部重點(diǎn)172項(xiàng)工程之一，工程位于本溪市境內(nèi)，是通過管線和隧洞，將已建成的觀音閣水庫的水，引向本溪市自來水、本鋼、北臺鋼鐵廠、石橋子經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)等用水客戶的水利工程，工程主要包括取水頭部、消能電站、調(diào)度中心、配水站、輸水隧洞和輸水管線等組成，隧洞長41.5km，管線長49.8km。工程輸水量125萬m3/d，工程的建設(shè)保障了本溪市居民生活和工業(yè)用水的安全與穩(wěn)定，是本溪市有史以來最大和最重要的民生工程、水利工程。

2 背景和目的

大峪豎井控制段是在大峪分洞施工時，以大峪豎井作為施工通道(人員、設(shè)備出入和物料運(yùn)輸)的對應(yīng)主洞施工段。大峪豎井控制段上游從大峪分洞的起點(diǎn)27+420開始到30+000共2580m，控制段以大峪豎井(樁號28+936.767)為界分為上、下游兩個工作面，其中上游與9#支洞下游控制段相連，工作面長度為1516.767m，下游與大峪出口控制段相連，工作面長度為1063.233m。豎井凈深度35m，豎井施工在水利工程上一直是難點(diǎn)和重點(diǎn)工程，文章以觀音閣輸水工程大峪豎井施工段為例，主要介紹了水利工程豎井施工過程中爆破設(shè)計、開發(fā)、支護(hù)、錨噴的施工方法和注意事項(xiàng)。

3 施工過程

3.1 爆破設(shè)計

3.1.1 爆破地震的安全校核

按照《爆破安全規(guī)程》，單段次最大使用炸藥量是Q=R3(V/K)3/a，其中R為長度距離，上游側(cè)通過住宅區(qū)，取隧洞與地面垂直距離35m，V為質(zhì)點(diǎn)振動速度，根據(jù)《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》(SL378-2007)表D.0.3-1爆破質(zhì)點(diǎn)震動安全允許標(biāo)準(zhǔn)，按照一般磚房、非抗震大型砌塊建筑物質(zhì)點(diǎn)震動速度和《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)表13-1爆破震動安全允許標(biāo)準(zhǔn)，按一般民用建筑，計算取V=2.7cm/s，其中K、a為與爆破地形地質(zhì)有關(guān)系數(shù)，取K=250，a=1.8。則Q=353(2.7/250)3/1.8=22.6kg，按照本工程爆破設(shè)計，每次相關(guān)段位或最大段位爆破使用量<22.6kg，即可。實(shí)際分段最大藥量僅為18.4kg，<22.6kg。

3.1.2 爆破飛石的安全校核

本部位爆破施工，個別飛石的危害主要是洞內(nèi)施工設(shè)備。根據(jù)孔徑公式Rf=(40/2.54)D計算飛石最大距離。其中Rf-個別爆破飛石未加覆蓋的最大距離；D為鉆孔孔徑，單位cm；則：Rf=(40/2.54)*4.2=66.1m。

考慮到飛石擴(kuò)散受到隧洞的制約而減小，但避免個別飛石危害，本工程施工機(jī)械距掌子面的安全距離取150m。人員的安全距離按照爆破安全規(guī)程GB6722-2011表10的規(guī)定≥300m。

3.1.3 爆破參數(shù)的確定:

隧洞開挖采用氣腿鉆鉆孔，孔徑均為42mm。為保證掏槽效果，掏槽孔的孔深比崩落孔超前20cm。爆破采用2#巖石乳化炸藥，Φ32mm藥卷，掏槽裝藥系數(shù)取0.7-0.85；崩落孔裝藥系數(shù)取0.5-0.8；為保證光爆效果，周邊孔采用不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，Φ25mm藥卷，裝藥量控制在(300-400)g/m。

混凝土襯砌段鉆爆施工布置和技術(shù)參數(shù)詳見表1，鋼襯段鉆爆施工布置和技術(shù)參數(shù)詳見表2。

表1 混凝土襯砌段爆破技術(shù)參數(shù)表

表2 鋼管襯砌段爆破技術(shù)參數(shù)表

3.2 開挖方法

開挖工序循環(huán)為：頂拱和工作面危石撬除→測量布孔→鉆孔→裝藥、連線、起爆→通風(fēng)除塵→出渣→清底→安全處理→錨噴支護(hù)。

施工原則：上游工作面比下游工作面長出453.6m，所以上游工作面作為重點(diǎn)工作面，若兩個工作面施工發(fā)生沖突時以上游工作面為主，必要時下游工作面可以暫停，以確保上游工作面的順利進(jìn)行。為不影響隧洞出渣作業(yè)，上、下游兩個工作面應(yīng)交替進(jìn)行爆破作業(yè)，避免同時出渣的情況發(fā)生[1]。

3.2.1 測量布孔

有專業(yè)測量人員使用萊卡牌全站儀進(jìn)行測量布孔作業(yè)，測量內(nèi)容包括掌子面樁號、底板高程、洞室中心線、洞頂中心線、輪廓線、洞腰線等，進(jìn)而根據(jù)爆破設(shè)計參數(shù)合理布置掌子面爆破孔位。每排炮后對洞線中心線進(jìn)行檢查和復(fù)測，同時在洞室側(cè)壁及洞頂每隔10n設(shè)置樁號標(biāo)志，確保洞線準(zhǔn)確。標(biāo)志應(yīng)埋設(shè)穩(wěn)固和做好防護(hù)工作，防止外探部位刮傷施工機(jī)具及設(shè)備。

3.2.2 鉆孔

根據(jù)設(shè)計圖紙和以往施工經(jīng)驗(yàn)，鉆孔采用4臺T28氣腿鉆，制作簡易的型鋼鉆爆平臺，供鉆孔、裝藥以及錨噴施工作業(yè)。氣腿鉆由熟練的技術(shù)工人操作，根據(jù)測量放樣的提供的掏槽孔、崩落孔、和周邊孔等數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，孔位偏差應(yīng)小于等于5cm，崩落孔和周邊孔孔底應(yīng)落在同一平面上，炮孔要求“平、直、齊”。鉆孔采取先上后下的原則，為防止上排孔被掉落的巖塊覆蓋，應(yīng)及時使用竹竿纏上編織袋等柔性物對孔口進(jìn)行封堵[2]。

3.2.3 裝藥、聯(lián)線、起爆

裝炸藥前進(jìn)行掃孔，掃孔采用高壓風(fēng)沖，經(jīng)帶班負(fù)責(zé)人和監(jiān)理工程師檢查合格后方可進(jìn)行裝藥，裝藥、堵塞和聯(lián)結(jié)起跑線路需由持有爆破證件的人員進(jìn)行操作，裝藥過程應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)程的要求進(jìn)行操作。掏槽孔和崩落孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，周邊孔采用不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，各爆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 各爆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

掏槽孔由熟練的爆破工負(fù)責(zé)裝藥，光爆孔用小藥卷捆綁于竹片上間隔裝藥，各孔口用黏土摻沙封堵密實(shí)，封堵長度≥400mm。用導(dǎo)爆管雷管聯(lián)結(jié)起爆網(wǎng)絡(luò)。電啟爆器火花起爆，最后由爆破工和值班技術(shù)員復(fù)核檢查，確認(rèn)無誤，撤離人員和設(shè)備，爆破工負(fù)責(zé)引爆。炮響至少20min后，爆破工先進(jìn)入洞內(nèi)檢查是否有瞎炮，若有則迅速排除，然后才能進(jìn)入下一道工序。在隧洞接近貫通的相向開挖的兩個工作面不足30m后，每次爆破應(yīng)通知對方掌子面施工人員撤離，以免爆破震動產(chǎn)生石塊塌落發(fā)生安全事故[3]。在掌子面距離15m時，應(yīng)單向掘進(jìn)，直至貫通。

3.2.4 通風(fēng)除塵

采用一臺2×54kW軸流通風(fēng)機(jī)進(jìn)行隧洞通風(fēng)排煙，支洞內(nèi)主通風(fēng)筒直徑1.2m，在支洞與主洞交點(diǎn)位置安裝鋼制三通，向上下游工作面各分出直徑0.8m的通風(fēng)管道，三通設(shè)有可抽拉的閥門調(diào)控供風(fēng)方向。施工過程中一直啟動通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)，風(fēng)帶口距開挖工作面40m左右，隨著隧洞開挖的延伸，送風(fēng)管逐漸延長，當(dāng)隧洞通風(fēng)距離在800-1000m時，增加加壓風(fēng)機(jī)(FPDA-8.0)提高通風(fēng)效果，保證放炮后40min內(nèi)將有害氣體濃度降到允許范圍，爆破散煙結(jié)束后，向開挖面爆破渣堆灑水除塵。

3.2.5 安全處理

通風(fēng)散煙后，用扒渣機(jī)(或小型挖掘機(jī))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。如遇圍巖較差，及時采取系統(tǒng)支護(hù)處理，確保洞挖順利掘進(jìn)和施工安全。

3.2.6 出渣

出渣設(shè)計：上游工作面長1516m，每隔200m設(shè)一避車洞，計6個避車洞；下游工作面長1063m，每隔200m，設(shè)一避車洞，計4個避車洞，避車洞長8m，寬5m。分洞采用無軌運(yùn)輸，洞內(nèi)采用礦用裝載機(jī)裝5t自卸車運(yùn)輸，由分洞運(yùn)至豎井井底，自卸汽車自動經(jīng)卸料槽卸入垂直起升吊桶，吊桶經(jīng)過垂直提升設(shè)備卷揚(yáng)機(jī)垂直提升到井口地面以上，經(jīng)過自翻卸料裝置，輸送到出口轉(zhuǎn)渣場。出渣起升設(shè)備詳見《豎井出渣系統(tǒng)施工方案》。

3.3 支護(hù)

大峪豎井控制段主要支護(hù)結(jié)構(gòu)類型包括錨桿、噴射混凝土、護(hù)坡、鋼筋網(wǎng)、鋼支撐等用于邊坡和地下洞室的支護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計圖紙，支護(hù)方法包括錨桿、掛φ8@150mm鋼筋網(wǎng)、噴C30混凝土和鋼支撐等方式，各類圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)類型詳見表3。

表3 各類圍巖支護(hù)方法統(tǒng)計表

按照新奧法原理對圍巖進(jìn)行適時支護(hù)的指導(dǎo)思想，對于不同的圍巖類型，分別采用不同支護(hù)程序，分述如下：

3.3.1 II類圍巖的支護(hù)施工

由于此類圍巖自穩(wěn)能力好，洞室均為全斷面開挖，采用“先挖后支”的程序，支護(hù)與開挖并行或隨后進(jìn)行。洞室開挖后，對II類圍巖洞室局部不穩(wěn)定巖塊撬挖除險，然后按設(shè)計噴射厚度50mm的 C30混凝土支護(hù)。

3.3.2 Ⅲ、IV類圍巖的支護(hù)施工

由于此類圍巖自穩(wěn)能力較好，洞室均為全斷面開挖，一般無需進(jìn)行超前支護(hù)，故采用“先挖后支”的程序，支護(hù)與開挖并行或隨后進(jìn)行。洞室開挖后，對III類圍巖洞室局部不穩(wěn)定巖塊或不利結(jié)構(gòu)面，按照圖紙要求，采用20、L=2.0m局部錨桿和系統(tǒng)錨桿，然后按設(shè)計噴射厚度100mm的 C30混凝土支護(hù)。對IV類圍巖洞室頂拱范圍，按照圖紙要求，采用Φ20、L=2.0m系統(tǒng)錨桿，掛φ8@150×150mm的鋼筋網(wǎng)，然后按設(shè)計噴射厚度100mm的 C30混凝土支護(hù)。

3.3.3 V類圍巖支護(hù)施工

V類圍巖采用短進(jìn)尺開挖方法掘進(jìn)，這類圍巖穩(wěn)定性差，開挖前需進(jìn)行超前支護(hù)，短開挖后進(jìn)行系統(tǒng)加強(qiáng)支護(hù)。

采用“先超前支護(hù)后開挖挖再加強(qiáng)支護(hù)”的程序進(jìn)行支護(hù)施工，即：開挖前，視圍巖自穩(wěn)性狀態(tài)，按照圖紙要求或工程師指示，在頂拱180°范圍內(nèi)或按工程師指示范圍布設(shè)超前錨桿或超前小導(dǎo)管。放小炮、短開挖后，先在洞周噴一層C30混凝土，層厚3-5cm，盡早封閉巖面，并全周布設(shè)系統(tǒng)錨桿。V類圍巖架設(shè)I12型鋼拱架，間距為0.6m。型鋼拱架架設(shè)后，將超前錨桿尾端與鋼拱架牢固焊為一體，起到加固支撐作用。然后再掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，Ⅳ類圍巖僅頂拱掛網(wǎng)，V類圍巖全周掛網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)安裝后復(fù)噴第二層混凝土，使兩次噴混凝土層總厚度達(dá)到設(shè)計厚度要求[4]。

對于圍巖十分破碎易造成坍塌以及涌水等不良洞段，需進(jìn)行超前支護(hù)處理后，再進(jìn)行系統(tǒng)加強(qiáng)支護(hù)。超前支護(hù)方法常采用的是：超前小鋼管、超前小導(dǎo)管注漿、管棚等施工。

3.4 噴射混凝土

用TK500型濕噴機(jī)按濕噴工藝進(jìn)行噴射作業(yè)，分段分片依次進(jìn)行，噴射順序自下而上進(jìn)行，側(cè)墻噴混凝土層厚在10cm、拱部8cm以內(nèi)可一次噴射完成，噴混凝土層厚邊墻>10cm、拱部>8cm時，分二層噴射，下層在上層噴混凝土終凝后進(jìn)行。鋼筋網(wǎng)、鋼支撐噴射混凝土保護(hù)層厚度≥40mm，鋼支撐與圍巖之間用噴射混凝土充填密實(shí)。 濕噴混凝土工藝流程如圖2所示。

圖2 濕噴混凝土工藝流程圖

4 結(jié) 語

遼寧省觀音閣水庫輸水工程的建設(shè)為本溪市人民群眾和工礦企業(yè)提供了安全、穩(wěn)定、健康的觀音閣水庫中層優(yōu)質(zhì)水源，是百年民生工程，工程豎井施工的質(zhì)量與安全是水利工程控制的重點(diǎn)，文章結(jié)合觀音閣水庫輸水工程實(shí)際，有針對性的提出水利工程豎井施工的重點(diǎn)與控制要點(diǎn)，較好的完成了工程建設(shè)任務(wù)，為今后類似工程提供一定的借鑒和的參考價值。