多層平行排水洞室開挖施工技術(shù)淺談

肖丁，韓寶栓

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

1 工程概況

楊房溝水電站是雅礱江中游河段一庫七級開發(fā)的第六級，工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型的國內(nèi)首個百萬千瓦級EPC水電站。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高155.00m，引水發(fā)電系統(tǒng)布置在河道左岸，地下廠房采用首部開發(fā)方式，電站總裝機容量1500MW，安裝4臺375MW的混流式水輪發(fā)電機組。地下廠房排水廊道設置有上層、中層和底層3層，沿主體洞室四周布置，其中上、中兩層排水廊道平面上呈封閉狀，底層平面上呈半封閉狀。

上層排水廊道布置在廠房頂拱以上，高程約為2011.00m～2019.00m，包括四條縱向排水廊道和兩條橫向排水廊道，形成環(huán)形封閉。四條縱向排水廊道中心線分別位于主廠房上游邊墻25.00m、主廠房下游邊墻22.50m、主變洞下游邊墻18.00m、尾水調(diào)壓室下游邊墻30m；兩條橫向排水廊道分別距安裝間端墻25.00m、距副廠房端墻30.00m，部分結(jié)合廠房進風洞和主變排風洞布置。排水廊道主要斷面3.0m×3.2m(寬×高)，總長度為1427.89m。本層廊道內(nèi)的滲水一部分通過連接廊道排入左岸灌漿排水廊道，由大壩防排系統(tǒng)排至河道下游，另一部分排入尾水調(diào)壓室。

中層排水廊道布置在約1992.00m高程，包括三條縱向排水廊道和兩條橫向排水廊道，形成環(huán)形封閉。三條縱向排水廊道分別位于主副廠房上游邊墻36.90m、5.40m和主副廠房下游邊墻97.10m；兩條橫向排水廊道分別距主副廠房右端墻0+195.08m～廠右0+208.50m、左端墻廠左0+081.50m。排水廊道主要開挖斷面3.0m×3.2m(寬×高)，總長度為838.38m。該層排水廊道內(nèi)的滲漏水通過排水孔自流到底層排水廊道，匯入廠房滲漏集水井。

底層排水廊道布置高程為1960.00m～1958.80m，包括兩條縱向排水廊道和三條橫向排水廊道，一條廊道連接尾水調(diào)壓室，呈半封閉狀，斷面尺寸3.0m×3.2m(寬×高)，總長度668.97m。

2 施工風水電布置

2.1 施工供風

地下廠房上層排水廊道開挖支護用風主要有手風鉆造孔用風。根據(jù)用風需求，在水墊塘交通洞洞口處或根據(jù)工作面情況在各施工排水廊道洞口處安置空壓機供風，根據(jù)施工強度考慮1～4臺20m3的空壓機進行供風，每個工作面一臺供風量20m3的空壓機。每個供風空壓機位置沿排水洞布設DN108mm主管至掌子面附近，在端頭設置一風包，風包上設置三個閥門，每個閥門接引DN25mm軟管即可。每個工作面實際用風量12m3/min～16m3/min。

2.2 施工供水

根據(jù)施工供水總體規(guī)劃布局，考慮采用低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)高位水池作為供水系統(tǒng)，采用DN150mm供水管接引至排水廊道洞口，沿排水廊道接引DN50mm供水軟管并隨開挖支護進度延伸管路。

根據(jù)《水利水電工程施工組織設計手冊》查詢，單臺手風鉆用水量約為600L/h～800L/h，考慮高峰期使用6臺手風鉆，最大用水量為4.8m3/h，根據(jù)計算可得知輸水管管徑大于30mm即可，選用管徑為50mm的鋼管進行輸水滿足要求。

2.3 施工供電

施工用電主要為洞內(nèi)照明、洞內(nèi)排污、扒渣機出渣等用電，安裝1臺布置于水墊塘交通洞洞口處的1250kVA變壓器以滿足壓氣站、通風設備及照明用電，采用三相五根單芯絕緣線輸送施工用電。

2.4 通風散煙

地下工程通風散煙、除塵的影響是連續(xù)性的，排水廊道洞挖通風采用布置在洞室群的大型SWEDFAN變頻風機進行通風，每層排水廊道通風單獨在洞口布置一臺3×37kW軸流式風機進行二次通風。沿洞室敷設φ600mm軟風管送風至洞內(nèi)工作面。開挖面爆破后人工灑水降塵。

2.5 施工排水

排水廊道開挖時，在開挖支護過程中掌子面設置一個臨時排水孔，視滲漏水情況在洞室中部設置臨時集水坑，施工期間在開挖面雙側(cè)形成一條臨時排水溝，施工積水經(jīng)臨時排水溝流入集水坑內(nèi)，再經(jīng)潛水泵抽排后整體排入排污系統(tǒng)。

3 施工工藝及方法

3.1 爆破設計

排水廊道暫按照Ⅲ類圍巖設計，主要以開挖斷面3.0m×3.2m為主，其他斷面量小，斷面相差較小，施工過程中參照執(zhí)行，施工過程中根據(jù)實際情況適當調(diào)整。

(1)孔徑：采用YT-28手風鉆鉆孔，鉆孔直徑不小于42mm。

(2)孔深：取單次進尺長度，光爆孔取2.2m，崩落孔、底板孔取2.4m，直孔掏槽。

(3)巖石堅固系數(shù)：根據(jù)《水利水電預算定額》使用的巖石分級，普氏巖石堅固系數(shù)f取值為10.0。

(4)單位消耗量：根據(jù)前期施工經(jīng)驗結(jié)合《水利水電施工組織設計》計算，開挖斷面洞型寬3.0m，高3.2m的Ⅲ類圍巖單位消耗量q取值2.87kg/m3。

(5)炮孔總個數(shù)：開挖斷面洞型寬3.0m，高3.2m的炮孔數(shù)量50個。

(6)一次開挖循環(huán)的總藥量：開挖斷面洞型寬3.0m，高3.2m，Ⅲ類圍巖Q=51.15kg。

(7)周邊孔光面爆破參數(shù)：周邊孔炮孔間距a=(15～10)D，開挖斷面3.0m×3.2m取值50cm。周邊孔最小抵抗線W=(7～20)D，取40cm。周邊孔的個數(shù)n=L/a=18個，具體爆破參數(shù)見地下廠房排水廊道鉆爆設計圖(圖1)。

圖1 排水廊道三維透視

圖2 排水廊道爆破設計

3.2 開挖進尺

地下廠房排水廊道開挖及錨桿支護采用YT28手風鉆鉆孔，中部直孔掏槽，周邊光面爆破，全斷面進行開挖。主要設計斷面3.0m×3.2m(寬×高)，不能使用大型機械，掌子面出渣采用NKL-20扒渣機配合農(nóng)用機動車進行，經(jīng)轉(zhuǎn)運至指定的臨時堆渣點，然后使用25t自卸汽車運至渣場。

3.3 施工工藝

3.3.1 施工工藝流程

圖3 開挖施工工藝流程

3.3.2 施工方法

3.3.2.1 測量放樣

施工測量采用全站儀進行，測量由專業(yè)人員認真進行，測量儀器必須經(jīng)過鑒定后方可使用。洞內(nèi)測量控制點埋設牢固，做好防護措施，防止機械設備破壞，每一排炮要求準確放出中心十字線和周邊線。

3.3.2.2 鉆孔

洞室開挖前，首先根據(jù)圍巖地質(zhì)情況進行爆破設計，現(xiàn)場施工時根據(jù)爆破效果對爆破參數(shù)進行調(diào)整。造孔的質(zhì)量直接影響爆破效率和周邊規(guī)格，每個鉆手定區(qū)域按“平、直、齊”的要求施鉆，熟練的鉆手負責掏槽孔和周邊孔。嚴格按照爆破布孔圖施鉆，采用木桿作為參照物，做到炮孔的孔底落在同一個鉛直斷面上，為了減少超挖，鉆進2m時周邊孔的外偏角控制在2°以內(nèi)。

3.3.2.3 裝藥、聯(lián)線、起爆

炮孔經(jīng)檢查合格后，方可進行裝藥爆破。炮孔的裝藥、堵塞和引爆線路的聯(lián)結(jié)，嚴格按監(jiān)理工程師批準的鉆爆設計進行施作。裝藥嚴格遵守爆破安全操作規(guī)程。裝藥前用風沖洗鉆孔，周邊孔用小藥卷捆綁于竹片上，形成為不連續(xù)裝藥。利用自制鉆爆平臺車作為登高設備裝藥，掏槽孔、崩落孔和其他爆破孔裝藥要堵塞良好，嚴格按照爆破設計圖(爆破參數(shù)實施過程不斷調(diào)整優(yōu)化)進行裝藥、設置非電雷管和聯(lián)線，炮孔堵塞嚴實。裝藥結(jié)束后，由值班技術(shù)員和專業(yè)炮工分區(qū)分片檢查，聯(lián)成起爆網(wǎng)絡，爆破前將工作面設備、材料撤至安全位置。

最后由炮工和值班技術(shù)員復核檢查，確認無誤，撤離人員和設備，炮工負責引爆。

3.3.2.4 通風、散煙

爆破后起動洞口布置的大容量強力通風機通風，結(jié)合工作面水霧降塵，確保洞內(nèi)通風除塵、散煙。

3.3.2.5 排險

通風散煙后，人工進洞清理危石和碎塊，以確保進入洞內(nèi)的人員和設備的安全。在施工過程中，經(jīng)常檢查已開挖洞段的圍巖穩(wěn)定情況，清撬可能塌落的松動巖塊。

3.3.2.6 出渣

掌子面出渣采用NKL-20扒渣機配合農(nóng)用機動車進行，轉(zhuǎn)運至指定的臨時堆渣點，然后用25t自卸汽車運至渣場。

3.3.2.7 清底

下一個循環(huán)之前，人工對掌子面進行徹底的安全撬挖，把松動的危石處理干凈，然后利用扒渣機把底部松渣清除干凈，便于下一循環(huán)造孔。

3.3.3 施工控制要點

(1)采用光面爆破是控制開挖質(zhì)量的重要因素，光面爆破的好壞將直接決定洞室開挖的優(yōu)劣，因此爆破設計的不斷優(yōu)化是保證施工質(zhì)量與精度的重要保證。

(2)鉆孔孔位依據(jù)測量放線定出的開挖輪廓線確定。周邊孔在斷面輪廓線上開孔，沿輪廓線的調(diào)整范圍和掏槽孔的孔位偏差不大于5cm，其他炮孔的偏差不大于10cm。

(3)在開挖輪廓面上，相鄰兩孔間的巖面平整，殘留炮孔痕跡應均勻分布，殘留炮孔痕跡保存率達到85%以上，孔壁表面不得有明顯的爆破裂隙。

(4)相鄰兩茬炮之間的臺階或預裂爆破孔的最大外斜值，不應大于20cm。

3.4 避車道

排水廊道洞室較長，為方便車輛掉頭通行，排水廊道每隔100m布置一個回車道，回車道布置尺寸為長6.0m，寬2.0m的梯形斷面。

4 支護施工

地下廠房排水廊道支護設計采用普通砂漿錨桿、C25噴混凝土、掛網(wǎng)鋼筋，另外根據(jù)滲漏水情況設置隨機排水孔、排水橫溝等措施。錨桿采用全長粘結(jié)型普通砂漿錨桿，直徑φ22鋼筋，水泥砂漿強度等級為M20。錨桿按照“先注漿后插桿”的程序進行施工，桿體在鋼筋加工廠制作，自卸汽車運至排水洞洞口處，再由小型農(nóng)用機動車運至施工現(xiàn)場，人工在簡易平臺上安裝。錨桿鉆孔采用手風鉆，注漿采用注漿機。

4.1 總體施工方案

地下廠房排水廊道的支護分為隨機支護和系統(tǒng)支護。對開挖掌子面不穩(wěn)定塊體、不利結(jié)構(gòu)面、局部破碎的地方及時進行隨機噴錨支護，并在隨機支護的基礎上，系統(tǒng)噴錨及時跟進，并根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況采取超前支護等措施。

(1)洞室開挖時，視圍巖揭露情況進行臨時噴護或錨桿支護。

(2)現(xiàn)場施工時,根據(jù)圍巖揭露情況確定加強支護參數(shù)。

(3)根據(jù)設計提供的洞室地質(zhì)資料，及時分析各洞段地質(zhì)情況，制定相應的施工措施。

4.2 錨桿施工

4.2.1 施工工藝流程

先注漿后安裝錨桿，施工工藝如圖4所示。

圖4 先注漿后安裝錨桿施工工藝

4.2.2 施工方法

4.2.2.1 測量放線、錨孔定位

基面驗收合格后，按照設計要求放好錨桿孔位、角度，并用紅油漆分類做好標記，鉆孔時嚴格控制開鉆角度，按照設計圖紙進行施工，嚴格控制質(zhì)量。

4.2.2.2 鉆孔、吹洗孔

錨桿鉆孔采用手風鉆鉆孔，按設計要求施工，保證孔深。鉆孔孔位偏差不大于100mm，孔深偏差不大于50mm。鉆孔完成后用高壓水槍或風槍將孔清洗干凈，做好鉆孔記錄，經(jīng)驗收合格后用干凈的水泥紙或其他物品將孔覆蓋好。

4.2.2.3 錨桿安插及注漿

錨桿安插及注漿采用先注漿后安插錨桿的程序施工。錨桿施工時，砂漿按試驗室提供的配比拌制，注漿時將注漿管插至孔底，然后回抽5cm～10cm，在灌漿壓力下慢慢將注漿管拔出，保證注漿飽滿。注漿后立即安插錨桿并將孔口用水泥紙堵塞防止?jié){液倒流，然后打入木楔子固定錨桿。

4.2.3 施工控制要點

(1)注漿開始或因故中斷超過30min時，用水或稀水泥漿潤滑注漿罐及其管路；注漿時，注漿管應插至距孔底50mm～100mm，隨砂漿的注入緩慢勻速撥出。

(2)砂漿應拌和均勻，隨拌隨用，一次拌和的砂漿應在1h內(nèi)用完，超過時間的砂漿應予以廢棄。

(3)注漿完畢后，在漿液終凝前不得敲擊、碰撞或施加任何其他荷載。

4.3 噴混凝土施工

地下廠房排水廊道噴C25混凝土，厚度為5cm～10cm，其中噴素混凝土厚度5cm，掛網(wǎng)噴混凝土厚度10cm，素混凝土一次噴護到位，掛網(wǎng)噴混凝土分兩次進行，第一次初噴厚度5cm，復噴混凝土厚度5cm。

4.3.1 施工工藝流程

噴射混凝土與開挖、錨桿施工跟進平行交叉作業(yè)，除特殊地質(zhì)段先噴后錨的程序外，其他部位均按如下工藝流程進行施工。

4.3.1.1 噴素混凝土

施工準備→巖面清洗→倉面驗收→拌合運輸→分層噴射→復噴處理。

4.3.1.2 掛網(wǎng)噴混凝土

施工準備→巖面清洗→倉面驗收→掛鋼筋網(wǎng)→拌合運輸→分層噴射→復噴處理。

4.3.2 施工方法

噴混凝土施工采用高壓風水聯(lián)合清洗巖面，攪拌運輸車從低線混凝土拌合系統(tǒng)運料至工作面供料，利用混凝土噴射機作業(yè)，根據(jù)不同部位的設計厚度，分一至二層施噴，噴素混凝土第Ⅰ層噴厚5cm，第Ⅱ?qū)訃娭猎O計厚度。

4.3.3 施工控制要點

各工序作業(yè)認真遵照設計文件和施工規(guī)范要求進行。結(jié)合以往施工經(jīng)驗，各工序作業(yè)要點如下。

4.3.3.1 準備工作

埋設好噴厚控制標志，作業(yè)區(qū)有足夠的通風照明，噴前檢查所有機械設備和管線，確保施工正常，同時做好如下材料的檢測檢驗。

(1)水泥：選用符合國家標準的普通硅酸鹽水泥，水泥標號P·O42.5，進場水泥應有生產(chǎn)廠家的質(zhì)量證明書。

(2)骨料：細骨料應采用堅硬耐久的粗、中砂，細度模數(shù)宜大于2.5，使用時的含水率宜控制在5%～7%；粗骨料采用耐久的卵石或碎石，粒徑不應大于15mm；噴混凝土中不得使用含有二氧化硅的骨料，噴混凝土的骨料級配，應滿足相關規(guī)范規(guī)定。

(3)水：采用合格的施工用水。

(4)外加劑：速凝劑的質(zhì)量應符合施工圖紙要求并有生產(chǎn)廠家的質(zhì)量證明書，初凝時間不應大于5min，終凝時間不應大于10min，選用外加劑應經(jīng)監(jiān)理人批準。

(5)鋼筋網(wǎng)：應采用屈服強度不低于240MPa的光面鋼筋網(wǎng)。

4.3.3.2 拌和及運輸

拌和配料嚴格按試驗確定的配合比精確配制攪拌，攪拌時間足夠，拌合料用混凝土攪拌車運輸施工現(xiàn)場。

4.3.3.3 清洗巖面

撬挖后的巖面，先用高壓風水分區(qū)進行沖洗。

4.3.3.4 鋼筋網(wǎng)

鋼筋網(wǎng)由屈服強度為300MPa的光面鋼筋(I級鋼筋)加工而成。不良地質(zhì)段掛網(wǎng)前先噴3cm～5cm厚的混凝土，再盡量緊貼巖面掛鋼筋網(wǎng)，對有凹陷較大部位，可加設膨脹螺桿拉緊架立鋼筋，再掛鋪鋼筋網(wǎng)，并與錨桿和附加插筋(或膨脹螺栓)連接牢固。

4.3.3.5 噴射要點

噴射混凝土沿一定方向分區(qū)、分塊、分薄層均勻施噴，邊墻應自下而上施工，避免回彈料覆蓋未噴面。噴頭距施噴面0.6m～1.0m，噴射推進進行有序，盡量減少回彈。

4.3.3.6 養(yǎng)護、檢測

噴射混凝土終凝2h后，噴水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間一般部位為7d，重要部位為14d。對噴層厚度及混凝土的強度檢測，符合設計要求。

5 質(zhì)量保證措施

5.1 開挖質(zhì)量保證措施

(1)爆破參數(shù)的合理選擇是開挖質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，施工時應根據(jù)擬定的爆破參數(shù)進行爆破開挖，總結(jié)出適合各個開挖工作面的爆破參數(shù)，用于指導各作業(yè)面的施工，但各作業(yè)面在每個爆破循環(huán)之前均應根據(jù)地質(zhì)超前預報探明的圍巖情況及已開挖成型地段的地質(zhì)揭露情況繪出爆破參數(shù)設計圖。

(2)對于鉆孔環(huán)節(jié)應嚴格控制鉆進的孔深、孔的傾斜角度，保證孔口施作在設計開挖輪廓線上，孔底落在擬定面上。為達到以上要求，必須做到定人定孔定鉆，嚴格實施工藝控制。

(3)光爆孔要求做到孔間距相等，孔向互相平行，孔底處于同一高程上。特殊要求控制的孔要求做到邊鉆孔，邊檢測，不合格的孔補鉆，嚴禁在不合格的孔中裝藥放炮。

(4)鉆孔施工時實行“三檢”制度：首先由測量人員放出光爆孔位置，周邊孔鉆孔完成以后，班組先進行自檢(一檢)，作業(yè)隊技術(shù)人員對倉面進行初步檢查(二檢)；經(jīng)初檢合格后通知質(zhì)量部人員進行檢查(三檢)，檢查合格后并如實填寫相關資料，最后請監(jiān)理工程師驗收，合格后開出終孔證。

(5)裝藥是控制開挖質(zhì)量的最后環(huán)節(jié)，要確保裝藥質(zhì)量達到爆破參數(shù)要求的標準，裝藥前須對各鉆孔進行認真清理，以確保設計孔深。在進行光爆孔的藥卷安裝時，采用竹片間隔綁藥，確保達到設計效果。

(6)爆破后應組織作業(yè)人員對爆破后的巖面進行勘察，仔細檢查爆裂面的爆破情況，光爆孔孔壁無裂紋，孔間巖石層面平順、光滑，通過認真分析每循環(huán)爆破的效果，為下循環(huán)爆破參數(shù)的擬定提供理論依據(jù)。

5.2 錨噴支護質(zhì)量保證措施

噴射混凝土施工前應先對圍巖進行檢查，清除松散體，對有水地段增設排水管并安設軟式透水管引出噴射面外。噴混凝土前先預埋用以檢驗噴層厚度的樣筋，噴射施工時，噴嘴應按螺旋形軌跡一圈壓半圈的方式沿橫向移動，層層噴射，確保厚度，使混凝土均勻，表面平整，噴嘴與噴射面盡量保持垂直，以減少回彈，確保噴混凝土的質(zhì)量。

6 結(jié)語

通過楊房溝水電站排水廊道洞室開挖施工技術(shù)總結(jié)，系統(tǒng)闡述了多層平行排水洞室開挖布置、施工方法，經(jīng)現(xiàn)場實踐證明，有效地提高了洞室開挖的施工安全、質(zhì)量、進度的難題，在后續(xù)水利工程施工中可廣泛使用。