破碎地質(zhì)條件下多洞室交匯處超大斷面洞室開挖技術(shù)

陳 亮，趙若有，李德政

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

1 工程概況

鍋浪蹺水電站系青衣江一級支流天全河梯級開發(fā)中的龍頭水庫，位于四川省雅安市天全縣紫石鄉(xiāng)境內(nèi)，距縣城37km，為單一發(fā)電工程。本工程為混合式開發(fā)，壩址位于兩河口下游約700m處，廠址位于下游約11km處的傍海腔，與建成腳基坪電站大壩銜接。電站裝機3×70MW，水庫正常蓄水位1280.00m，總庫容1.84億m3，具有年調(diào)節(jié)作用。

電站采用混合式開發(fā)方式，工程布置方案為：混凝土面板堆石壩、表孔溢洪洞、中孔泄洪放空洞、生態(tài)機組、引水系統(tǒng)(含引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道)及電站廠房(含主副廠房、安裝間、GIS樓等)等。水庫正常蓄水位1280.00m，總庫容約為1.84億m3，調(diào)節(jié)庫容1.31億m3，最大壩高186.30m，電站裝機容量210MW，設(shè)計引用流量94.5m3/s。

鍋浪蹺廠房工程壓力管道蝶閥室位于壓力管道上平段，利用5#施工支洞的一段進行改造，高度高于5#支洞頂拱16m，兩側(cè)分別與4#施工支洞與壓力管道上平段相交，承擔蝶閥運行及檢修工作。蝶閥室開挖斷面為城門洞形。底板高程1180.62m，頂拱中心高程1203.12m，總高度22.5m，縱向跨度28.0m，寬度13.5m，斷面大小為297m2，屬超大斷面洞室。

2 主要特點

蝶閥室所處位置為4#施工支洞、5#施工支洞及壓力管道上平段交會處，該位置地質(zhì)破碎、裂隙發(fā)育，圍巖類別以Ⅴ類圍巖居多，開挖難度大，安全風險高，且蝶閥室的施工又位于本標段關(guān)鍵線路上，直接關(guān)系到本標段的總工期是否能按期完成。所以如何安全快速經(jīng)濟地進行蝶閥室的開挖是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

在超大洞室施工中，開挖難度大，安全風險高，所以開挖及支護是其最重要的、最關(guān)鍵的工序之一，施工過程中開挖及支護工序直接影響該項目進度、施工成本及安全。

(1)在蝶閥室開挖范圍內(nèi)施工一小斷面導洞通往蝶閥室頂部，只作為蝶閥室的開挖施工交通及材料運輸通道，不作為出渣通道。傳統(tǒng)方式下，在類似超大斷面洞室開挖中，從開挖范圍以外施工一導洞作為開挖施工交通及出渣通道，此種導洞因兼顧交通和出渣，坡度較緩，約10%，導致長度較長，約220m，斷面較大，且待蝶閥室施工完成后，還需進行回填固結(jié)施工，如此占用工期時間較長，所投入的人員設(shè)備和材料很大，對此工程很不經(jīng)濟。在開挖范圍內(nèi)施工小斷面導洞，因不考慮作為出渣通道，只需考慮小型挖掘機及人員能上下即可，坡度能適當放大許多，約26%，可大大縮短導洞長度，導洞長度約50m，且該導洞隨蝶閥室開挖進行拆除，后期不需要進行任何處理，如此施工速度快，費用也經(jīng)濟。

(2)在蝶閥室頂部施工一φ1.0m的溜渣豎井至5#施工支洞，作為出渣通道，在下部5#施工支洞進行集中裝運施工，且能加快爆破散煙。傳統(tǒng)方式下，主要通過導洞作為出渣通道進行出渣，出渣效率低，出渣時間長。

(3)根據(jù)實際情況蝶閥室采用分層開挖，分頂層段、中層段、底層段。頂層段分兩層采用全段面開挖；中層段采用臺階式從溜渣豎井處往外進行豎向開挖；底層分5#施工支洞擴挖部分及底板部分，擴挖部分分兩側(cè)開挖，底部采用全斷面開挖，每一循環(huán)開挖完成后及時進行跟進支護，采用鋼支撐加掛網(wǎng)錨噴支護。此種方法易于保證開挖質(zhì)量，且加快了施工進度，降低了安全風險。

3 開挖技術(shù)措施

在鍋浪蹺水電站廠房工程壓力管道蝶閥室施工過程中采用了如下技術(shù)措施，確保質(zhì)量、安全及進度滿足要求。

3.1 施工程序

蝶閥室在高度方向分為頂層(6.2m)、中間層(7.732m)及底層(8.568m)[1]三個主要開挖區(qū)段。

整個蝶閥室開挖施工分四步進行：第一步主要進行導洞及溜渣豎井的開挖施工，以提供施工及出渣通道；第二步主要進行頂層頂拱部位開挖，以形成中間層施工平臺，洞渣通過溜渣豎井進行清理轉(zhuǎn)運；第三步在頂層已成型的平臺上對中間層進行分層臺階式豎向開挖，并直接以5#洞承接洞渣；第四步主要對5#支洞進行改造施工，擴寬其上下游兩側(cè)至蝶閥室邊界，并進行最后的底板挖除施工

3.2 導洞開挖

在開挖范圍內(nèi)規(guī)劃一小斷面導洞，設(shè)計斷面3.0m×3.5m城門洞形，能滿足小型挖掘機上下。導洞路線以蝶閥上游側(cè)為起始，經(jīng)U型折返至5#洞軸線頂與蝶閥室下游側(cè)，然后直至蝶閥室頂部。導洞自開挖開始進行起坡，坡度要確保導洞繞至5#洞頂時，導洞底板與5#洞頂保持2.0m安全距離及確保在開挖范圍內(nèi)導洞能繞至蝶閥室頂部。導洞采用爆破開挖，周邊采用光面爆破，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件控制開挖進尺及裝藥量，減少對周邊圍巖的擾動。臨時支護采用掛網(wǎng)錨噴，在開挖完成后先初噴一層混凝土，約3cm～5cm，然后施工錨桿，掛鋼筋網(wǎng)，最后噴混凝土至設(shè)計厚度。

圖1 導洞平面布置示意

3.3 溜渣豎井

導洞到達頂層后，施工一溜渣豎井，直徑1.0m，溜渣豎井開挖時，確保開挖直徑大小滿足溜渣需要及豎直度。溜渣豎井施工快貫通時，應(yīng)控制裝藥量，減小爆破對井底口周圍圍巖擾動。溜渣豎井井壁掛一層鋼筋網(wǎng)，噴混凝土5cm，防止溜渣時井壁破壞坍塌。

圖2 溜渣豎井布置示意

3.4 臺階式豎向開挖

中間層進行臺階式豎向開挖，每層層高2m～2.5m，臺階寬度1.5m。在進行相鄰上、下兩層開挖時，要確保上層形成兩個臺階寬度(即3.0m)的開挖平臺。開挖按照循環(huán)依次施工直至完成中間層開挖。開挖周邊采用光面爆破，爆破方向往溜渣豎井側(cè)，能夠使大量爆渣在爆破時直接被拋擲到溜渣豎井內(nèi)，減少爆破后的出渣量。臨時支護采用鋼支撐加掛網(wǎng)錨噴，開挖完成后，先初噴一層混凝土5cm，施工錨桿及安裝鋼支撐，鋼支撐間必須以φ25鋼筋連接，然后掛網(wǎng)噴混凝土至設(shè)計厚度，每榀鋼支撐必須與頂層已支護好的鋼支撐對應(yīng)焊接牢固，確保鋼支撐的豎直度，底部應(yīng)置于穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，嚴禁懸空。

圖3 分層分段開挖示意

3.5 頂層段開挖

頂層采用分層開挖以蝶閥室中線為界兩側(cè)分序依次循環(huán)爆破開挖，采用爆破開挖，至頂拱兩側(cè)設(shè)計線處采用光面爆破施工，保證巖面完整。臨時支護采用鋼支撐加掛網(wǎng)錨噴，開挖完成后，先初噴一層混凝土5cm，施工錨桿及安裝鋼支撐，鋼支撐間距根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件確定間距，最大不超過1.0m，鋼支撐間必須以φ25鋼筋連接，然后掛網(wǎng)噴混凝土至設(shè)計厚度。

3.6 中層段開挖

中間層進行臺階式豎向開挖[2]，每層層高2m～2.5m，臺階寬度1.5m。在進行相鄰上、下兩層開挖時，要確保上層形成兩個臺階寬度(即3.0m)的開挖平臺。開挖按照循環(huán)依次施工直至完成中間層開挖。開挖周邊采用光面爆破，爆破方向往溜渣豎井側(cè)，能夠使大量爆渣在爆破時直接被拋擲到溜渣豎井內(nèi)，減少爆破后的出渣量。

3.7 底層段開挖

底層分5#施工支洞擴挖部分及底板部分，擴挖部分分兩側(cè)開挖，底板部分全斷面開挖，采用爆破開挖，周邊光面爆破。底部開挖時，預(yù)留20cm，采用機械及人工開挖，以控制超欠挖。

3.8 爆破裝藥參數(shù)

蝶閥室開挖均采用YT-28手風鉆豎向鉆孔，人工裝2#巖石乳化炸藥，非電雷管毫秒微差擠壓爆破。針對不同部位采取不同的造孔深度和裝藥參數(shù)，達到了良好的爆破效果，在Ⅴ類圍巖居多的地質(zhì)條件下，沒有發(fā)生塌方事故，安全得到了保障。

3.9 支護施工

根據(jù)蝶閥室自身特點，臨時支護采用鋼支撐加掛網(wǎng)錨噴，開挖完成后，先初噴一層混凝土5cm[3]，再施工錨桿及安裝鋼支撐，鋼支撐間必須以φ25鋼筋連接，然后掛網(wǎng)噴混凝土至設(shè)計厚度，每榀鋼支撐必須與頂層已支護好的鋼支撐對應(yīng)焊接牢固，確保鋼支撐的豎直度，鋼支撐底部增加一鋼墊板并置于穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，嚴禁懸空。

3.10 施工關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)

在超大斷面洞室開挖施工中應(yīng)重點把握以下幾道關(guān)鍵技術(shù)：

(1)施工放樣。導洞位置采用全站儀進行定位，尤其要保證初始位置的正確，開始開挖后每一循環(huán)施工完成后，必須對導洞的走向及坡度進行校核，發(fā)現(xiàn)偏差及時糾正。

(2)導洞。設(shè)計斷面3.0m×3.5m城門洞形，導洞路線以蝶閥上游側(cè)為起始，經(jīng)U型折返至5#洞軸線頂與蝶閥室下游側(cè)，然后直至蝶閥室頂部。導洞自開挖開始進行起坡，坡度要確保導洞繞至5#洞頂時，導洞底板與5#洞頂保持2.0m安全距離及確保在開挖范圍內(nèi)導洞能繞至蝶閥室頂部。

(3)溜渣豎井。確保開挖直徑大小滿足溜渣需要及豎直度。溜渣豎井施工快貫通時，應(yīng)控制裝藥量，減小爆破對井底口周圍圍巖擾動。溜渣豎井井壁掛一層鋼筋網(wǎng)，噴混凝土5cm，防止溜渣時井壁破壞坍塌。

(4)臺階式豎向開挖。在進行相鄰上、下兩層開挖時，要確保上層形成兩個臺階寬度(即3.0m)的開挖平臺。開挖周邊采用光面爆破，爆破方向往溜渣豎井側(cè)，能夠使大量爆渣在爆破時直接被拋擲到溜渣豎井內(nèi)，減少爆破后的出渣量。

4 結(jié)語

鍋浪蹺水電站廠房工程壓力管道蝶閥室開挖施工中，在開挖范圍內(nèi)施工一小斷面導洞至洞室頂部，在洞室頂部施工一溜渣豎井，采用臺階式豎向開挖技術(shù)措施。上述施工技術(shù)很好地加快了施工進度，節(jié)約了施工成本，保證了施工質(zhì)量，降低了安全風險。鍋浪蹺水電站廠房工程壓力管道蝶閥室開挖施工技術(shù)水平在破碎地質(zhì)條件下多洞室交匯處超大斷面洞室開挖中處于領(lǐng)先水平。