長河壩水電站隧洞巖爆段施工控制措施探討

楊 琴 楊 坤 哈寧剛

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司 成都 610072)

1 工程概況及特性

長河壩水電站位于四川省甘孜州康定縣境內(nèi)的大渡河上游干流上，為大渡河干流河段梯級開發(fā)的第10個梯級電站。由于工程區(qū)地形陡峭，同時受電站樞紐布置控制，沿線橋、隧工程量較大，全線共設(shè)計橋梁605m/4座，隧道4176m/1座。主要控制性工程為長河壩隧道(長4176m)。

長河壩隧道為順坡隧道，隧道穿越地層為晉寧期—澄江期的侵入巖，花崗巖是工程區(qū)的主體巖石，花崗巖體內(nèi)含有深灰色輝長巖捕虜體，巖體間呈焊接式接觸關(guān)系，以淺灰色—灰白色花崗巖及石英長巖為主。隧道范圍內(nèi)無區(qū)域性大斷層發(fā)育。隧道外側(cè)坡體較厚，除洞口外，一般洞段外側(cè)坡體厚度大于300m，基本不受卸荷及偏壓影響。隧道洞身的地質(zhì)條件較好，除寬度在數(shù)厘米到1～2m的破碎帶和節(jié)理切割危險塊體洞段外，洞身多為Ⅲ級圍巖。但受新構(gòu)造運(yùn)動影響，隧道段構(gòu)造應(yīng)力相對集中而地應(yīng)力較高。隧道最大埋深1070m，主要分布在樁號K16+350處。

隧道設(shè)計采用的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下:

a.公路等級:三級公路。

b.計算行車速度:30.0km/h。

c.路面寬度:7.5m。

d.路面結(jié)構(gòu)型式:合成纖維水泥混凝土路面。

e.極限最小平曲線半徑:30.00m。

f.最大縱坡:9.0%。

g.隧道凈空:9.5m×5.0m。

h.地震烈度:Ⅷ級。

2 隧洞巖爆段的表現(xiàn)特征

長河壩水電站S211復(fù)建公路Ⅱ標(biāo)長河壩隧道K16+448～K16+455m段自2009年12月29日凌晨3時20分開挖爆破后，開始頻繁出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。截至2010年6月15日，有統(tǒng)計記錄的巖爆共97次，發(fā)生的洞段主要在K16+600～K16+434m，其中以2010年1月12日及3月15日兩次的規(guī)模較大，最高塌深達(dá)4m左右，最大一次塌方量約600余m3。開挖揭示的掌子面巖石較為完整、新鮮、干燥，且溫度較高，巖爆時伴隨“噼啪”聲響，嚴(yán)重部位有片石彈出。

從現(xiàn)場有統(tǒng)計情況看，巖爆段一般發(fā)生在掌子面爆破后6～48h，多數(shù)發(fā)生在6～8h。爆落的巖塊中，有薄片狀、透鏡體狀、板狀和塊狀，大小差別很大，小則數(shù)厘米，大至幾米。輕微巖爆的爆塊以薄片狀居多。中等巖爆多為片狀和透鏡狀爆塊，大小不等，最大塊長3m。在強(qiáng)烈?guī)r爆中，各種形狀的爆塊均有，最大爆塊5m多。輕微巖爆爆坑不明顯，中等和強(qiáng)烈?guī)r爆留下相當(dāng)明顯的巖爆坑。對于縱向延伸較短的巖爆段，巖爆坑呈“鍋底狀”;對于縱向延伸較長的巖爆段，巖爆坑斷面呈三角形、弧形或梯形的長槽狀，最長達(dá)8m，最寬4m，最深4m。

3 施工中對巖爆的控制措施

巖爆產(chǎn)生的前提條件為圍巖的應(yīng)力狀態(tài)與圍巖的巖性。在施工中控制和改變這兩個因素就可能防止或者延緩巖爆的發(fā)生。因此，防治巖爆發(fā)生的措施主要有兩個:強(qiáng)化圍巖、弱化圍巖。

強(qiáng)化圍巖的措施很多，如噴射混凝土或者鋼纖維混凝土、錨桿加固、錨噴支護(hù)、錨噴網(wǎng)聯(lián)合或者緊跟混凝土襯砌等。這些措施的出發(fā)點是給圍巖一定的徑向約束，使圍巖的應(yīng)力狀態(tài)較快地從平面轉(zhuǎn)向三維，以達(dá)到延緩或者抑制巖爆發(fā)生的目的。

弱化圍巖的主要措施是注水、超前預(yù)裂爆破、排孔法、切縫法等。注水的目的是改變巖石的物理性質(zhì)，降低巖石的脆性和儲存的能量。后三者的目的是解除能量，使能量向有利的方向轉(zhuǎn)化和釋放。切縫法和排孔法能將能量向深層轉(zhuǎn)移，圍巖內(nèi)的應(yīng)力，特別是在切縫或者排孔附近周邊的切向應(yīng)力顯著降低。同時，圍巖內(nèi)所積蓄的彈性應(yīng)變能也得以大幅度地釋放，因此可有效地防止巖爆。

下面以四川大渡河長河壩水電站省道S211復(fù)建公路長河壩隧道巖爆段施工為例，重點進(jìn)行闡述。

3.1 巖爆段開挖支護(hù)參數(shù)

從掌子面K16+433樁號開始至后續(xù)開挖支護(hù)按照長河壩隧道Ⅳ2型斷面進(jìn)行開挖支護(hù)，其中將仰拱取消，將原設(shè)計仰拱改為路基，按路基斷面尺寸開挖，拱墻支護(hù)參數(shù)如下:

a.在拱頂120°范圍施作φ25、L=4.5m超前錨桿，間距40cm、排距3m。

b.在拱墻范圍環(huán)向施作φ22、L=4.5m系統(tǒng)錨桿，間排距為1m×1m，梅花形布置。

c.在拱墻范圍環(huán)向布置φ6.5鋼筋網(wǎng)，間排距為20cm×20cm。

d.在拱墻范圍環(huán)向布置Ⅰ18型鋼拱架，排距為0.8m/榀，設(shè)置22連接筋，環(huán)間間距1.0m，內(nèi)外交錯布置，每榀鋼拱架設(shè)置8根φ22、L=4.5m鎖腳錨桿。

e.在拱墻范圍噴護(hù)C20混凝土，厚度為25cm。

f.在拱頂開挖輪廓線180°范圍設(shè)置斜向應(yīng)力釋放孔，孔徑50mm，環(huán)距1.2m，排距1.5m，孔深3m;施工采用25°～30°偏向開挖方向的傾角。

g.在拱頂開挖輪廓線180°范圍設(shè)置水平應(yīng)力釋放孔，環(huán)向間距35cm，孔深4.5m;該孔在施工時可作為預(yù)裂爆破孔使用。

h.在拱頂開挖輪廓線內(nèi)側(cè)50cm、拱頂180°范圍設(shè)置一排水平應(yīng)力釋放孔，孔徑50mm，環(huán)向間距2～3m，孔深4.5m。

3.2 巖爆段施工方案

巖爆洞段主要的施工程序為:掌子面灑水→掌子面及四周安全處理→應(yīng)力釋放孔施工→鉆爆施工→通風(fēng)散煙、出渣→系統(tǒng)支護(hù)。

3.2.1 掌子面灑水

施工前對掌子面用高壓水進(jìn)行濕潤，高壓水可由系統(tǒng)水增壓而成，亦可安裝小型高壓水泵直接抽取隧道滲水。施工全過程中，應(yīng)隨時對掌子面及周圍進(jìn)行觀察、用手觸摸，隨時保持掌子面及周圍處于濕潤狀態(tài)。經(jīng)常對掌子面進(jìn)行測溫，如發(fā)現(xiàn)溫度過高，必須停止施工，人員、設(shè)備撤離，且在安全區(qū)域繼續(xù)對其進(jìn)行長時間灑水降溫。

3.2.2 掌子面及四周安全處理

在鉆孔施工前，采用CAT320C液壓反鏟對掌子面及周圍進(jìn)行扒面、清理松動巖石等安全處理，清理過程中由安全人員看護(hù)，清理完畢之后，臺車就位，施工人員對掌子面及周圍進(jìn)行灑水濕潤，并人工對施工面采用鉆桿、鐵釬等進(jìn)行安全處理。

3.2.3 應(yīng)力釋放孔施工

根據(jù)設(shè)計文件，應(yīng)力釋放孔分為水平應(yīng)力釋放孔和斜向應(yīng)力釋放孔。

先由測量人員對開挖輪廓線進(jìn)行準(zhǔn)確放點，水平應(yīng)力釋放孔A在拱圈180°范圍設(shè)置，環(huán)向間距35cm，分布于隧道開挖輪廓周邊，孔深方向與隧道軸向平行，鉆孔深度4.5m，孔徑50mm，該孔施工完成之后可作為預(yù)裂爆破孔使用。斜向應(yīng)力釋放孔在拱頂180°范圍設(shè)置，分布于隧道開挖輪廓周邊，環(huán)向間距120cm、排距150cm，梅花形布置，孔徑50mm，按照25°～30°偏向開挖方向的傾角，鉆進(jìn)深度3m。如需進(jìn)一步加強(qiáng)應(yīng)力釋放，在開挖輪廓內(nèi)側(cè)50cm范圍，孔深方向與隧道軸向平行，鉆孔深度4.5m，孔徑50mm，環(huán)向間距2～3m再布置水平應(yīng)力釋放孔。應(yīng)力釋放孔布置詳見下圖。

應(yīng)力釋放孔布置圖(單位:cm)

施工中為保證安全，加快施工進(jìn)度，經(jīng)過積極組織，所有應(yīng)力釋放孔造孔均采用多臂鉆組織實施，鉆孔完成后要向孔內(nèi)間歇性注水，以改善圍巖應(yīng)力和性質(zhì)。

3.2.4 鉆爆施工

3.2.4.1 施工程序

施工程序為:測量放樣→定位鉆孔→裝藥爆破→安全處理→出渣→斷面檢查→系統(tǒng)支護(hù)。

3.2.4.2 施工方法

a.測量。采用全站儀進(jìn)行斷面和炮孔放線。每循環(huán)都由測量技術(shù)人員在掌子面標(biāo)出開挖輪廓和炮孔位置。

b.定位鉆孔。采用YT28手風(fēng)鉆在鉆爆臺車上對掏槽孔和塌落孔組織施工，鉆機(jī)就位后按炮孔布置圖正確鉆孔。預(yù)裂孔采用多臂鉆造孔，掏槽孔和預(yù)裂孔的鉆眼精度要求比其他孔眼要高，應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)裂孔位偏差。鉆機(jī)擺放角度準(zhǔn)確，除掏槽孔外其余均要求平行于隧道洞軸線，預(yù)裂孔孔深控制在4.5m以內(nèi)，掏槽孔孔深3.5m，在爆破后使其掌子面形成不規(guī)則形狀，以達(dá)到釋放應(yīng)力的效果，減少巖爆的彈射危害。為使掌子面周邊孔能達(dá)到超前應(yīng)力釋放的目的，塌落孔孔深控制在2.5m以內(nèi)，嚴(yán)格控制爆破進(jìn)尺在2.0m以內(nèi)。

c.裝藥爆破。鉆孔結(jié)束后，用高壓風(fēng)吹孔，檢查合格后裝藥。分片分組自上而下按爆破設(shè)計進(jìn)行裝藥，雷管段號要“對號入座”，采用塑料導(dǎo)爆管、非電毫秒雷管作為起爆系統(tǒng)。

d.安全處理。爆破完畢后爆破人員進(jìn)入爆破現(xiàn)場檢查爆破效果以及是否存在瞎炮等安全隱患，如發(fā)現(xiàn)瞎炮按照相關(guān)的處理程序進(jìn)行處理。

e.出碴。出碴前對掌子面進(jìn)行灑水，采用ZL50裝載機(jī)在已做支護(hù)區(qū)域配合4輛20t自卸汽車將石渣運(yùn)輸至響水溝渣場。出渣完畢后，采用CAT320C反鏟對開挖面進(jìn)行安全處理，清除施工作業(yè)面的虛渣、浮石。

f.斷面檢查。在進(jìn)行下一循環(huán)開挖施工之前對上一循環(huán)開挖斷面進(jìn)行檢查，及時掌握超欠情況，對欠挖部位明確標(biāo)示，在下一施工循環(huán)中進(jìn)行處理;出現(xiàn)較大超挖時及時向項目部工程技術(shù)人員反映，查找超挖原因并在下一施工循環(huán)中進(jìn)行改進(jìn)。

目前巖爆段斷面共布置136個孔，孔徑42mm。其中，預(yù)裂孔112個，孔深4.5m，孔距35～40cm，光爆抵抗線70～80cm;掏槽孔24個，孔深2.5m，留殘孔，抵抗線80～100cm。

3.2.5 支護(hù)施工

隧道初期支護(hù)緊跟開挖工作面后進(jìn)行，施工程序為:先對開挖面初噴4cm混凝土進(jìn)行封閉，然后施作砂漿錨桿、掛鋼筋網(wǎng)，立鋼拱架，再噴射混凝土封閉。

3.2.5.1 砂漿錨桿施工

根據(jù)要求，巖爆地段系統(tǒng)錨桿采用φ22砂漿錨桿，長4.5m，間排距為1m×1m，梅花形布置;每榀鋼拱架要求施工8根鎖腳錨桿，錨桿型號為φ22，長4.5m，錨桿施工要求孔向垂直于巖面，在遇到裂隙斷層時要求垂直于節(jié)理面。

鉆孔前根據(jù)受噴面情況和設(shè)計要求布置孔位，為保證施工安全、加快施工進(jìn)度，所有錨桿造孔均采用多臂鉆實施。造孔完成注漿前將孔眼吹凈，把注漿管插入孔底，然后拉出5～10cm，同時將把拌制好的漿液輸送至灌漿泵上，采用GS20EC灌漿泵灌注水泥砂漿，注漿管隨砂漿的注入緩慢均勻拔出，拔到孔口時用編制袋將孔口封住，立即向孔內(nèi)插入已下好的鋼筋，最后將孔口用錨固劑或水泥砂漿封閉。

錨桿墊板在明線段鋼筋加工場制作，墊板為尺寸15cm×15cm×0.6cm的鋼板，錨桿灌注完成后安裝墊板，墊板必須緊貼巖面。

3.2.5.2 鋼筋網(wǎng)施工

鋼筋網(wǎng)采用φ6.5圓鋼，間排距為20cm×20cm。先初噴4cm后再進(jìn)行掛網(wǎng)施工，掛網(wǎng)鋼筋采用20t自卸汽車?yán)焙筮\(yùn)輸至施工現(xiàn)場，在鋼筋加工場將鋼筋切割為合適尺寸后，人工將鋼筋搬運(yùn)至掛網(wǎng)施工平臺，由人工在掛網(wǎng)面上進(jìn)行編網(wǎng)。

編網(wǎng)過程中，鋼筋網(wǎng)應(yīng)與錨桿連接牢固，并盡可能地多點連接，以減少噴混凝土?xí)r使鋼筋網(wǎng)發(fā)生振動現(xiàn)象。

3.2.5.3 鋼拱架施工

由測量人員根據(jù)拱架間距放出拱架安設(shè)點，先進(jìn)行拱架底腳一節(jié)的安裝，架設(shè)底腳一節(jié)時，工作平臺上先放下底腳一節(jié)，隨后進(jìn)行底腳調(diào)整，按照提前埋設(shè)的參照點調(diào)整底腳拱架，使拱架準(zhǔn)確定位，嚴(yán)格控制底部高程，底部有超欠挖的地方必須處理，拱架底腳必須墊實，以防圍巖變形引起拱架下沉。拱架架設(shè)的同時，根據(jù)設(shè)計文件進(jìn)行鎖腳錨桿的施工，鎖腳錨桿采用φ22、長4.5m的砂漿錨桿，采用多臂鉆鉆孔，錨桿孔必須垂直巖面，錨桿先在鋼筋加工場將尾部彎折長約30cm的90°折角，以便錨固拱架，待拱架安裝調(diào)試到位之后與鎖腳錨桿焊接，并用連接鋼筋與上一榀拱架進(jìn)行連接，連接鋼筋尺寸為φ25、長100～130cm，兩根鋼筋的間距為0.8m。

拱架對稱架設(shè)，架設(shè)完底腳一節(jié)后，進(jìn)行拱頂一節(jié)的架設(shè)。架設(shè)拱頂一節(jié)時，先上好連接螺栓(不上緊)，用臨時支撐撐住拱架，用連接鋼筋與上一榀拱架連接，再對稱安裝另一節(jié)拱頂單元。安裝完成后檢查拱頂、兩拱腳與測量參照點引線的誤差，再進(jìn)行局部調(diào)整，最后擰緊螺栓。作業(yè)人員首先進(jìn)行自檢，自檢合格后，通知值班技術(shù)人員進(jìn)行檢查。

3.2.5.4 噴混凝土

噴混凝土料由JS500強(qiáng)制式攪拌機(jī)在S211洞口段拌制，20t自卸汽車運(yùn)送至施工現(xiàn)場，PZ—5B噴射機(jī)噴護(hù)，初噴4cm后掛鋼筋網(wǎng)，待驗收合格后安裝鋼拱架再噴護(hù)21cm，噴護(hù)必須達(dá)到規(guī)定厚度，且要將網(wǎng)格全部覆蓋，并將鋼拱架完全包裹。噴射時，按分段、分片由下而上順序進(jìn)行。噴嘴應(yīng)與受噴面保持垂直，同時與受噴面保持一定的距離，一般取0.6～1.0m;后一層噴射應(yīng)在前一層混凝土終凝后進(jìn)行，若終凝后間隔1h以上再次噴射時，受噴面應(yīng)用風(fēng)、水清冼干凈;對新噴射的混凝土按規(guī)定進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié)語

長河壩隧道巖爆段施工安全、順利完成，其采取的相應(yīng)預(yù)測、防治、監(jiān)測及處理措施，為后續(xù)巖爆隧道的安全施工有極其重要的借鑒意義，對確保建設(shè)工程質(zhì)量、縮短工期、減少造價、避免出現(xiàn)重大安全事故等具有重要的現(xiàn)實意義?！?/p>