超長特大導(dǎo)流洞洞室爆破開挖施工方法

周 東 平， 王 存 成， 羅 文 君

(1.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司拉哇分公司，四川 巴塘 627650；2.中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810000)

1 概 況

拉哇水電站位于金沙江水電基地川藏界河上，是金沙江上游水電13級開發(fā)中的第8級，屬一等大(Ⅰ)型工程。電站樞紐主要由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪洞、右岸泄洪放空洞、右岸地下廠房等建筑物組成，總裝機容量2 000 MW。

該導(dǎo)流洞工程為目前國內(nèi)在建隧洞最長、規(guī)模最大、洞徑最大的導(dǎo)流洞洞室群工程。具有洞身軸線長、斷面尺寸大、漸變段多(進口矩形漸變城門洞型、圓拱形變矩形、矩形變圓拱形)、與周邊建筑物空間位置關(guān)系復(fù)雜的特點。

大壩施工采用隧洞導(dǎo)流方式，兩條導(dǎo)流隧洞平行布置在右岸，洞軸線中心距35 m。①導(dǎo)流隧洞長度2 189.823 m，標(biāo)準(zhǔn)凈斷面尺寸為17 m×19 m(寬×高)，襯砌厚度0.5～3.5 m；②導(dǎo)流隧洞長度2 266.33 m，弧門閘室上游洞段凈斷面尺寸為7.5 m×8 m(寬×高)，下游洞段標(biāo)準(zhǔn)凈斷面尺寸為7 m×15 m(寬×高)，襯砌厚度0.5～3 m。導(dǎo)流洞洞身段埋深介于60～1 000 m，主要處于大理巖(Ptxna-2)和角閃片巖(Ptxna-1)地層，巖層產(chǎn)狀總體上為N10°～60°W，SW∠35°～50°，圍巖穩(wěn)定性整體較好，洞內(nèi)以滴狀滲水為主。

2 施工布置

地下工程施工機械化、自動化、智能化等科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新提升，地下工程逐漸向規(guī)模集群化、超長特大化、施工條件復(fù)雜化等方向發(fā)展[1]，對地下工程施工要求越來越高。

導(dǎo)流洞工程施工組織嚴(yán)格遵循“開挖為先導(dǎo)，支護為重點”的施工原則，采取支洞控制，分區(qū)、分段、分層相對獨立的工作面組織施工，整體按照“先上層光面爆破貫通(含擴挖)、中層梯段預(yù)裂、底板光面爆破的‘錯距’方式進行”。閘室井均采取反井鉆擴挖工藝。

導(dǎo)流洞系統(tǒng)錨桿利用多臂鉆鉆孔，人工輔助反鏟改裝臺車安設(shè)。噴射混凝土采用機械臂濕噴臺車，噴射混凝土集中廠拌，混凝土罐車?yán)\。鋼筋網(wǎng)片利用支護臺車現(xiàn)場安設(shè)，鋼支撐采用工廠提前加工成型現(xiàn)場拼裝。導(dǎo)流洞洞室通風(fēng)排煙結(jié)合支洞布置，采取壓入式為主、吸入式為輔通風(fēng)。

2.1 施工通道布置

結(jié)合導(dǎo)流洞設(shè)計布置特點，支洞多點設(shè)置為規(guī)劃設(shè)計亮點，可有效形成多面均衡施工。導(dǎo)流洞支洞分上岔洞和下岔洞，共計8條支洞，支洞長度97～370 m，縱向坡度均不大于8%。各支洞凈空尺寸7.5 m×6.5 m(寬×高，城門洞)，支洞之間洞室控制長度400～700 m。施工支洞布置見圖1。

圖1 施工支洞布置圖

2.2 施工“四管”布置

洞內(nèi)通風(fēng)管、排水管、供風(fēng)管、供水管及照明、動力供電線“四管兩線”兩側(cè)布置和架設(shè)，安裝順直、整齊。供風(fēng)、供水、排污管按照“供風(fēng)在上、排污在下，供水居中”的原則架設(shè)。

導(dǎo)流洞施工供風(fēng)采取集中供風(fēng)站，供風(fēng)以電動固定式、移動式空壓機為主。洞內(nèi)供風(fēng)主管路采用DN200的焊接鋼管；供風(fēng)管路末端距離工作面60～100 m與風(fēng)包連接，并采用耐高壓Φ80 mm膠管與用風(fēng)設(shè)備聯(lián)通。

供水主要采用鋼制10 m3集水箱和加壓泵通過沿洞壁敷設(shè)的DN150的主供水管供應(yīng)，用法蘭連接；供水管路末端距離工作面60～100 m與水包連接，并采用耐高壓Φ50 mm膠管與用水設(shè)備聯(lián)通。

施工排水主要采取洞間隔布置積水沉渣坑、潛污泵抽取，經(jīng)洞壁設(shè)置DN150焊接鋼管排至洞外沉淀池，經(jīng)沉淀處理后主要用于路面降塵。工作面設(shè)置小型潛污泵，采用耐高壓Φ50～Φ100 mm膠管抽排至集水坑。

2.3 施工“兩線”布置

照明線路及動力線纜“兩線”與“四管”相同，分兩側(cè)布置。動力電線懸掛高度：400 V時大于2.5 m，10 kV時大于3.5 m控制；按照“高壓在上、低壓在下，干線在上、支線在下，動力線在上、照明線在下”架設(shè)。

洞外系統(tǒng)供電線路采用鋼芯鋁絞線架空線路，洞內(nèi)采用鎧裝240 mm鋁芯電纜，采用TN-S供電系統(tǒng)，三級配電。變壓器分二期建設(shè)，以確保供電質(zhì)量。一期在各支洞洞口附近布置，二期在一期基礎(chǔ)上利用支洞側(cè)壁擴挖區(qū)布置；變壓器至工作面供電距離按500 m控制。

2.4 施工通風(fēng)布置

導(dǎo)流洞洞室通風(fēng)排煙以壓入式為主、吸入式為輔通風(fēng)。通風(fēng)設(shè)備選用大功率軸流風(fēng)機，主通風(fēng)管路選用直徑Φ1.5 m的光面尼龍風(fēng)帶，支通風(fēng)管路選用直徑Φ1 m的光面尼龍風(fēng)帶，風(fēng)帶按距離作業(yè)面50m控制。風(fēng)帶沿隧洞拱肩頂部靠壁敷設(shè)，沿隧洞縱向設(shè)置1道Φ6 mm鋼筋作為吊繩，環(huán)向選用Φ5 mm鋼絲繩與吊繩可靠連接。每條支洞作業(yè)面設(shè)置軸流風(fēng)機壓入，中部設(shè)置軸流風(fēng)機由洞內(nèi)壓出，增加洞內(nèi)空氣流速。

3 爆破開挖施工

3.1 分段分區(qū)組織施工

導(dǎo)流洞洞身段采用支洞控制分段、分區(qū)[2]，同斷面分層，形成相對獨立的工作面組織施工。①導(dǎo)流洞和②導(dǎo)流洞弧門閘室下游洞段開挖支護整體按照先上層光面爆破貫通(含擴挖)，中層梯段預(yù)裂爆破，底板光面爆破的“錯距”方式進行。②導(dǎo)流洞弧門閘室上游洞段預(yù)留底板保護層，以分層全斷面爆破開挖為主。

3.2 爆破開挖分層

爆破分層高度以施工機械設(shè)備發(fā)揮最優(yōu)性能來決定，①導(dǎo)流洞除閘室銜接洞段外，其余分三層五區(qū)[3]組織施工，上層高度控制在8.5 m，上層開挖后拱肩以下凈空距離按3 m控制。閘室銜接段分四層組織施工，①導(dǎo)流洞洞身爆破開挖典型分層見圖2。②導(dǎo)流洞弧門閘室上游段分2層爆破施工，下游段分三層爆破施工，上、中層高度控制在6.5～10.5 m，底板預(yù)留2 m保護層。

圖2 ①導(dǎo)流洞洞身爆破開挖典型分層圖

3.3 施工總體方法

①導(dǎo)流洞上層和預(yù)留底板保護層區(qū)采用手風(fēng)鉆鉆孔，光面爆破技術(shù)施工。中層主要以D9液壓鉆機鉆孔，梯段以預(yù)裂爆破為主，其中①導(dǎo)流洞上層掘進方式采用中導(dǎo)洞超前和兩側(cè)光面爆破擴挖跟進鉆爆法作業(yè)[4]，部分洞段采用半幅分區(qū)、半幅先行和半幅跟進的方式掘進。②導(dǎo)流洞各層區(qū)采用光面爆破施工。中導(dǎo)先行兩側(cè)擴挖方式的優(yōu)點：適應(yīng)性強，不良圍巖段相對安全；半幅分區(qū)、半幅先行優(yōu)點：能夠及時形成設(shè)計體型進行圍巖系統(tǒng)支護，針對圍巖突變洞段現(xiàn)場適應(yīng)性強的特點，坍塌風(fēng)險較高。

施工測量及放樣采用TCR802及TS06型，精度1′，各層區(qū)工作面石渣裝運采用斗容4 m3的側(cè)卸裝載機和2 m3及以上液壓反鏟輔助25 t自卸車。各層區(qū)光面爆破選用φ32 mm的②巖石乳化炸藥，中層梯段爆破選用φ32 mm和φ70 mm的2號巖石乳化炸藥。

3.4 施工爆破參數(shù)

①、②導(dǎo)流洞光面爆破均采取楔形掏槽布孔，周邊孔距均為50 cm，爆破孔間排距0.6～1 m，周邊孔線裝藥密度250 g/m，Ⅲ類圍巖洞段單循環(huán)掘進進尺4 m，Ⅳ類圍巖2 m控制。

①導(dǎo)流洞上層中導(dǎo)洞分區(qū)光面爆破施工參數(shù)見表1。

①導(dǎo)流洞洞身中層梯段爆破預(yù)裂孔采用100E潛孔鉆機，采用Φ48 mm腳手架管搭設(shè)鉆架控制，孔徑76 mm；主爆破采用液壓鉆機鉆孔，孔徑90 mm。預(yù)裂孔間距0.8 m，主爆孔間距2.5 m×2.5 m或3 m×2 m,緩沖孔間距1～1.5 m，孔距2 m。預(yù)裂孔線裝藥密度350 g/m。①導(dǎo)流洞中層梯段施工爆破參數(shù)見表2。

3.5 施工爆破網(wǎng)絡(luò)

3.5.1 上層中導(dǎo)洞開挖爆破

①導(dǎo)流洞上層中導(dǎo)分區(qū)采用光面爆破技術(shù)，典型爆破網(wǎng)絡(luò)見圖3。②導(dǎo)流洞分區(qū)全斷面施工參照執(zhí)行。

3.5.2 中層梯段開挖爆破

①導(dǎo)流洞中層開挖采用臺階梯段預(yù)裂爆破技術(shù)[5]。爆破10 m一段，緩沖孔及主爆孔孔內(nèi)均設(shè)置M15段非電毫秒雷管，爆破網(wǎng)絡(luò)采用孔內(nèi)延時微差毫秒起爆網(wǎng)絡(luò)，預(yù)裂孔內(nèi)及聯(lián)網(wǎng)均采用導(dǎo)爆索。①導(dǎo)流洞中層分區(qū)爆破網(wǎng)絡(luò)見圖4。

3.5.3 導(dǎo)流洞掏槽設(shè)計

①導(dǎo)流洞上層中導(dǎo)洞和左右分半幅開挖及②導(dǎo)流洞I區(qū)全斷面開挖爆破均采取楔形掏槽。通過實踐證明，掏槽孔角度一般介于60°～70°，大角度掏槽效果較好，中導(dǎo)洞掏槽及上層半幅掏槽孔布置見圖5(a為中導(dǎo)洞掏槽布置圖；b為上層半幅掏槽布置圖)。

表1 ①導(dǎo)流洞上層中導(dǎo)洞分區(qū)光面爆破施工參數(shù)

表2 ①導(dǎo)流洞中層梯段施工爆破參數(shù)

圖3 典型爆破網(wǎng)絡(luò)圖

4 結(jié) 語

該本程導(dǎo)流洞是國內(nèi)在建隧洞最長、規(guī)模最大、洞徑最大的導(dǎo)流洞洞室群工程，如何實現(xiàn)導(dǎo)流洞洞室群快速高質(zhì)量開挖貫通，對實現(xiàn)2021年導(dǎo)流洞正式過流和大江截流目標(biāo)至關(guān)重要。拉哇超長、特大導(dǎo)流洞洞室群洞通過設(shè)計布置多條施工通道，合理劃分施工作業(yè)段，形成相對獨立的多工作面施工。洞內(nèi)采用“兩線”及“四管”等施工輔助設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化布置，結(jié)合圍巖、施工機械特性等劃分合理爆破作業(yè)區(qū)，以“開挖為先導(dǎo)，支護為重點”的原則，選擇適宜的爆破參數(shù)，充分發(fā)揮了大型作業(yè)機械設(shè)備鉆孔和出渣的性能。安全監(jiān)測選擇Ⅳ類及以上、斷層影響帶不良地質(zhì)洞段拱頂變形量和支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力為重點監(jiān)測項目,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整設(shè)計及施工參數(shù)。該電站的導(dǎo)流洞洞室群施工總歷時24個月，于2021年11月27日正式過流。導(dǎo)流洞群開挖質(zhì)量可控，實現(xiàn)了導(dǎo)流洞快速高質(zhì)量建設(shè)目標(biāo)，被評為質(zhì)量樣板工程。超長特大導(dǎo)流洞洞室爆破開挖施工，對推動規(guī)模集群化、超長特大化、施工條件復(fù)雜化等洞室工程施工技術(shù)發(fā)展，為同類工程提供經(jīng)驗具有重要意義。

圖4 ①導(dǎo)流洞中層分區(qū)爆破網(wǎng)絡(luò)圖

圖5 中導(dǎo)洞掏槽及上層半幅掏槽孔布置