長距離大斷面水工隧洞下半洞開挖施工技術(shù)研究

張 衛(wèi) 華， 孫 根 江， 羅 勇

(中國安能集團(tuán)第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

硬梁包水電站引水隧洞為兩條平行布置的隧洞，兩洞中心間距為60 m，最大開挖洞徑為15.64 m，洞長分別為14 316.909 m和14 420.679 m，全線布置了6條施工支洞，分3個(gè)標(biāo)段施工，其中引水隧洞CⅡ標(biāo)長度為3 945 m，單個(gè)作業(yè)面最大掘進(jìn)長度為1 200 m。

硬梁包水電站位于松潘-甘孜地槽褶皺系巴顏喀拉冒地槽褶皺帶與揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)內(nèi)的康滇地軸過渡部位，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，全線引水隧洞的圍巖以Ⅳ、Ⅴ類居多，占比達(dá)75%以上，地層巖性主要為晉寧-澄江期花崗巖，輝綠巖脈穿插其中，局部為高嶺土蝕變體、上下結(jié)構(gòu)、左右結(jié)構(gòu)和斜向結(jié)構(gòu)蝕變帶等，圍巖穩(wěn)定性差，地下水較發(fā)育，部分作業(yè)洞段還出現(xiàn)了碎石帶等，開挖支護(hù)難度極大，在上半洞開挖支護(hù)過程中多次出現(xiàn)塌方，開挖支護(hù)進(jìn)度緩慢。為加快施工進(jìn)度，上、下半洞必須平行搭接作業(yè)，為此，筆者通過研究總結(jié)，有效地解決了上、下半洞平行搭接作業(yè)存在的工作面上施工道路、設(shè)備共用調(diào)度等干擾問題，為引水隧洞工程總體順利完工奠定了良好的基礎(chǔ)。

該隧洞開挖支護(hù)過程中存在的重難點(diǎn)問題：

(1)引水隧洞開挖斷面大、圍巖地質(zhì)條件差，在下半洞開挖支護(hù)過程中如何確保上半洞開挖支護(hù)穩(wěn)定是該工程的重點(diǎn)問題[1，2]。

(2)引水隧洞上、下半洞的開挖支護(hù)施工平行搭接作業(yè)存在工作面施工道路、設(shè)備共用調(diào)度等干擾，需要加強(qiáng)施工過程中的組織與管理，才能確保施工進(jìn)度與安全[3]。

(3)實(shí)施下半洞開挖，為了不影響上層開挖交通道路，在進(jìn)行中臺(tái)階開挖時(shí)采取了分左、右半幅交替進(jìn)行開挖的方式，在一側(cè)完成開挖后，另一側(cè)作為臨時(shí)道路時(shí)臨邊交通安全防護(hù)是重點(diǎn)[4，5]。

2 施工總體規(guī)劃

硬梁包水電站引水隧洞Ⅲ1類圍巖開挖洞徑為14.1 m，Ⅲ2類圍巖開挖斷面半徑尺寸為14.3 m，Ⅳ類圍巖邊頂拱240°范圍內(nèi)洞徑為15.24 m、120°范圍內(nèi)洞徑為15 m，Ⅴ類圍巖邊頂拱240°范圍內(nèi)洞徑為15.64 m、 120°范圍內(nèi)洞徑為15.4 m，分上、下半洞進(jìn)行開挖支護(hù)，上半洞采用全斷面或臺(tái)階法開挖，下半洞擬分兩層(中臺(tái)階、底臺(tái)階)進(jìn)行開挖支護(hù)，中臺(tái)階、底臺(tái)階控制以邊頂拱240°范圍為界限，中臺(tái)階開挖時(shí)采取分左、右半幅交替進(jìn)行開挖的方式，具體分層參數(shù)見表1。

表1 引水隧洞分層開挖支護(hù)主要參數(shù)表

下半洞開挖采用手風(fēng)鉆造水平孔，周邊采用光面爆破成型，將每循環(huán)開挖進(jìn)尺控制在3 m以內(nèi)，反鏟挖掘機(jī)或裝載機(jī)裝渣，20 t自卸車運(yùn)至渣場，下半洞開挖支護(hù)程序?yàn)椋褐信_(tái)階左半幅(右半幅)開挖→中臺(tái)階左半幅(右半幅)支護(hù)→中臺(tái)階右半幅(左半幅)開挖→中臺(tái)階右半幅(左半幅)支護(hù)→下半洞底臺(tái)階開挖。具體程序見圖1、2所示。

圖1 施工程序平面示意圖

圖2 施工程序斷面示意圖

3 關(guān)鍵施工工序作業(yè)要點(diǎn)

3.1 開挖鉆爆設(shè)計(jì)

巖石爆破炸藥采用2號(hào)巖石乳化炸藥，雷管為數(shù)碼電子雷管。周邊孔采用竹片綁導(dǎo)爆索分節(jié)間隔裝藥，爆破孔采用柱狀連續(xù)裝藥，各類圍巖下半洞擬定的爆破參數(shù)為：

(1)Ⅲ類圍巖：開挖鉆爆循環(huán)進(jìn)尺為3 m，鉆孔深度為3.25 m，爆破單耗為0.6～0.7 kg/m3，周邊光面爆破孔線裝藥密度為215 g/m，最大單響藥量控制不超過30 kg。

(2)Ⅳ類圍巖：開挖鉆爆循環(huán)進(jìn)尺為3 m，鉆孔深度為3.25 m，爆破單耗為0.5～0.6 kg/m3，周邊光面爆破孔線裝藥密度為180 g/m，最大單響藥量控制不超過30 kg。

(3)Ⅴ類圍巖：開挖鉆爆循環(huán)進(jìn)尺為2 m，鉆孔深度為2.25 m，爆破單耗為0.4～0.5 kg/m3，周邊光面爆破孔線裝藥密度為160 g/m，單響最大藥量控制不超過30 kg。

3.2 鉆爆施工工藝

隧洞開挖主要采取鉆爆臺(tái)車配合手風(fēng)鉆鉆孔，周邊結(jié)構(gòu)面采用光面爆破(炮孔間距為45～50 cm)，中部大面為主爆孔(炮孔間距為90～110 cm)，采用數(shù)碼電子雷管逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)的方法施工。

(1)布孔與鉆孔。布孔時(shí)，先由測量人員用測量儀器準(zhǔn)確放出主要控制點(diǎn)，再按照爆破設(shè)計(jì)的布孔參數(shù)用鋼卷尺等工具準(zhǔn)確定出每個(gè)炮孔的位置，孔位用紅油漆標(biāo)注于巖面上。鉆孔采用鉆爆臺(tái)車配合手風(fēng)鉆進(jìn)行，其孔位、孔向及孔深偏差必須符合規(guī)范要求，每排炮由質(zhì)檢員按“平、直、齊”的要求進(jìn)行檢查，周邊光面爆破孔、預(yù)裂孔開孔與測量點(diǎn)位偏差不大于3 cm，鉆孔完成并經(jīng)檢查合格后，由專業(yè)炮工根據(jù)鉆爆設(shè)計(jì)要求進(jìn)行裝藥。

(2)裝藥與聯(lián)網(wǎng)。炮孔中的一般孔為連續(xù)裝藥，在連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)中，孔內(nèi)采用數(shù)碼電子雷管引爆，數(shù)碼電子雷管一般置于孔底第二節(jié)炸藥上，并將聚能穴朝向孔口方向。數(shù)碼雷管必須用膠帶與炸藥綁牢并注意保護(hù)好雷管腳線。裝藥時(shí)要嚴(yán)防藥卷在孔內(nèi)出現(xiàn)架空現(xiàn)象，每裝入一節(jié)炸藥必須用木制炮棍輕輕向下捅一捅，保證藥卷與藥卷之間緊挨。

光面爆破孔為不耦合間隔裝藥，使用導(dǎo)爆索引爆，施工時(shí)先將炸藥藥卷按設(shè)計(jì)藥量、設(shè)計(jì)間距綁于導(dǎo)爆索上，再將炸藥和導(dǎo)爆索綁于小竹片上，經(jīng)檢查無誤后將綁有炸藥的竹片緩慢插入炮孔內(nèi)。

堵孔是影響爆破效果的關(guān)鍵因素之一，采用專制炮泥進(jìn)行堵塞，待所有炮孔裝藥完畢經(jīng)檢查合格后，即可進(jìn)行孔外聯(lián)網(wǎng)作業(yè)進(jìn)行起爆。

(3)警 戒。爆破前，必須做好相鄰單位及洞內(nèi)的安全警戒工作，并告知洞內(nèi)所有工作面的施工人員，在起爆網(wǎng)絡(luò)檢查合格、各項(xiàng)工作準(zhǔn)備就緒的情況下方可進(jìn)入起爆程序。

(4)爆后排煙與排險(xiǎn)。爆破后，待洞內(nèi)煙塵部分消散后，爆破人員方可進(jìn)入洞內(nèi)進(jìn)行檢查，檢查的內(nèi)容主要包括：有無盲炮、危石等情況，一旦發(fā)現(xiàn)盲炮，必須立即處理。處理盲炮可視具體情況采用重新起爆法、打平行眼裝藥引爆法、掏空炮泥藥包引爆法等。若無盲炮，則及時(shí)解除警報(bào)；對于拱頂、邊墻的危石，必須采用反鏟及時(shí)進(jìn)行撬除。

(5)出渣。出渣采用3 m3側(cè)卸式裝載機(jī)或反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行挖裝， 由20 t自卸車運(yùn)至棄渣場棄渣。

3.3 系統(tǒng)支護(hù)施工工藝

系統(tǒng)支護(hù)主要為引水隧洞邊頂拱240°范圍內(nèi)的系統(tǒng)錨桿、鋼支撐施工等，施工方法見表2。

表2 主要支護(hù)施工技術(shù)方案表

對于施工作業(yè)面開闊的部位，以三臂鉆等大型機(jī)械設(shè)備為主；對于施工部位狹小的部位，主要采用體積小、重量輕、轉(zhuǎn)運(yùn)方便的小型設(shè)備進(jìn)行施工。

3.4 洞內(nèi)主要設(shè)施設(shè)備的防護(hù)措施

(1)供風(fēng)、供水及排水管防護(hù)措施。洞內(nèi)供風(fēng)、供水及排水管橫跨爆破區(qū)域，主要采取聚氨酯泡沫板對管線進(jìn)行包裹，避免爆破引起的飛石對鋼管造成損壞。

(2)通風(fēng)排煙管及照明防護(hù)措施。通風(fēng)排煙管主要為軟質(zhì)通風(fēng)管。進(jìn)行爆破時(shí)，作業(yè)面停止通風(fēng)排煙，使通風(fēng)排煙管為軟質(zhì)狀態(tài)即可；對于照明設(shè)施，爆破時(shí)對所有照明燈具予以拆除，爆破后及時(shí)安裝恢復(fù)并對照明線路進(jìn)行檢查。

(3)洞內(nèi)變壓器防護(hù)措施。在臨近變壓器100 m范圍內(nèi)進(jìn)行爆破開挖時(shí)，采取竹跳板對變壓器外圍進(jìn)行包裹防護(hù)的措施，避免爆破引起的飛石對變壓器造成損壞。

4 施工安全監(jiān)測措施

通過實(shí)施施工安全監(jiān)測，初步掌握圍巖動(dòng)態(tài)，判斷圍巖的穩(wěn)定性，具體措施包括：

(1)下半洞開挖支護(hù)的安全監(jiān)測點(diǎn)擬在上半洞已布置的A、B、C三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)基礎(chǔ)上再增加D、E兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(圖3)。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

(2)圍巖收斂觀測斷面間距按照Ⅲ類圍巖不宜大于50 m、Ⅳ類圍巖不宜大于40 m、Ⅴ類圍巖不宜大于30 m布置，斷層破碎帶宜為5～10 m，下半洞臨時(shí)安全監(jiān)測點(diǎn)在滿足上述斷面間距要求的同時(shí)，原則上要求與上半洞已布置的監(jiān)測點(diǎn)在同一斷面上，并按照規(guī)范要求的監(jiān)測頻率進(jìn)行收斂觀測。

(3)如遇大暴雨、大洪水、強(qiáng)地震、大藥量爆破、圍巖變形或結(jié)構(gòu)物受力狀況發(fā)生突然變化等，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)理工程師的要求增加監(jiān)測測次。

5 質(zhì)量安全保證措施

5.1 質(zhì)量保證措施

(1)成立專門的質(zhì)量控制小組，設(shè)專職質(zhì)量監(jiān)測人員，質(zhì)量控制小組對開挖支護(hù)施工進(jìn)行全過程的質(zhì)量監(jiān)督檢查。對每個(gè)班、每道工序進(jìn)行跟蹤檢查、指導(dǎo)、監(jiān)督并形成記錄，將責(zé)任落實(shí)到每個(gè)施工人員。

(2)測量設(shè)備必須經(jīng)檢驗(yàn)合格才能使用，控制測量采用全站儀做導(dǎo)線控制網(wǎng)，測量作業(yè)由富有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員進(jìn)行測量放線、復(fù)測。

(3)開挖斷面的測量誤差不大于10 cm，相對于中線的誤差不大于±5 cm，斷面間距為5 m，對起伏較大、變徑或轉(zhuǎn)彎段應(yīng)適當(dāng)增加測繪斷面。

(4)錨桿的開孔按照施工圖紙的孔位布置進(jìn)行，孔位偏差不大于10 cm。錨桿孔的孔軸方向應(yīng)滿足施工圖紙的要求，施工圖紙未做規(guī)定時(shí)，其系統(tǒng)錨桿的孔軸垂直于開挖面。

(5)砂漿錨桿采用“先注漿后安裝錨桿”的程序施工，錨桿孔徑大于錨桿直徑15 cm以上，錨桿孔深必須達(dá)到施工圖紙的規(guī)定，孔深偏差不大于50 cm。

5.2 安全保證措施

(1)鉆孔前，首先檢查工作面是否處于安全狀態(tài)，燈光照明是否良好，其必須保證滿足施工規(guī)范中要求的最低規(guī)定亮度，檢查隧洞掌子面有無松動(dòng)的巖石，如有松動(dòng)的巖石應(yīng)及時(shí)支護(hù)或清除。

(2)進(jìn)洞施工人員必須戴安全帽、防護(hù)手套、穿工作服；電工和電鉆工穿絕緣鞋、戴絕緣手套。

(3)加強(qiáng)監(jiān)控量測，及時(shí)反饋信息，通過量測指導(dǎo)施工，如發(fā)現(xiàn)隧洞變形過速過量，必須及時(shí)采取有效措施進(jìn)行處理，確保安全。

(4)加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)，配備進(jìn)口大功率風(fēng)機(jī)進(jìn)行專業(yè)化的通風(fēng)設(shè)計(jì)，配備專業(yè)人員進(jìn)行通風(fēng)管理，確保通風(fēng)效果。

6 結(jié) 語

引水隧洞是引水式水電站的重要組成部分，在其開挖掘進(jìn)過程中，不可避免地會(huì)遇到因巖體發(fā)育破碎、蝕變巖等造成隧洞掘進(jìn)困難、隧洞塌方等多種不利因素而導(dǎo)致的施工進(jìn)度緩慢，為此，施工過程中通過上、下半洞平行搭接施工作業(yè)，能夠很好地滿足施工進(jìn)度與安全要求，同時(shí)也解決了平行搭接作業(yè)存在的工作面施工道路、設(shè)備共用調(diào)度等干擾問題。