淺談水利隧洞倒虹吸銜接段開挖方法

溫正策 張友錄

(1. 平陽縣水利局, 浙江 平陽 325400;2. 浙江省第一水電建設集團股份有限公司, 浙江 杭州 310000)

1 工程概況

平陽縣南湖分洪工程位于平陽縣水頭鎮(zhèn), 工程任務為防洪, 工程等別為Ⅲ等, 分洪隧洞工程主要建筑物為3 級, 次要建筑物為4 級, 分洪規(guī)模為820m3/s。該分洪隧洞包括2 條隧洞, 從南向北分別為南線隧洞和北線隧洞, 其中南線隧洞長6538m, 北線隧洞長6563m, 單洞襯后洞寬14m, 單洞設計流量410m3/s。隧洞斷面采用城門洞形, 根據(jù)不同的圍巖類別, 最大開挖斷面尺寸15.50m ×15.25m (寬× 高), 最小開挖斷面尺寸14.90 ×14.45m (寬×高)。

2 分洪隧洞倒虹吸銜接段重點難點分析

倒虹吸銜接段近距離穿越已建隧洞, 施工干擾大, 安全風險高。 倒虹吸段與平陽引供水工程3 號已建引水隧洞近乎平行, 且距離較近, 水平距離僅為40 ~120m, 且倒虹吸段下穿平陽引供水工程4 號已建引水隧洞, 高程相差僅為7m, 施工技術難度大, 存在一定的施工安全隱患, 施工工期受到嚴重制約。

隧洞地質條件復雜, 開挖斷面大, 隧洞塌方、 突涌水等尤為突出, 且需近距離穿越已建的引水隧洞和交通隧洞, 施工安全防范點多、 風險大, 確保施工生產(chǎn)安全是本工程重點之一。

3 倒虹吸銜接段開挖施工基本情況

南北線倒虹吸銜接段按照新奧法原理組織施工,北線上游設計圍巖級別為Ⅵ級, 施工部位ND1 +524.707 ~ND1 +614.707, 南線上游銜接段設計圍巖級別為Ⅵ級, 施工部位SD1 + 570.974 ~ SD1 +660.974 (根據(jù)地質超前預判以上區(qū)域圍巖級別以Ⅲ級偏差為主, 實際地質情況以現(xiàn)場地質編錄為準)。

北線下游銜接段圍巖級別為Ⅱ~Ⅲ級, 施工部位ND3 +519.697 ~ ND3 +609.697, 南線下游銜接段圍巖級別為Ⅱ~Ⅲ級, 施工部位SD3 +455.976 ~SD3 +565.976 (根據(jù)地質超前預判以上區(qū)域圍巖級別以Ⅲ級偏差為主, 實際地質情況以現(xiàn)場地質編錄為準)。

在施工過程中, 為保證施工及結構安全, 根據(jù)量測監(jiān)控的各類圍巖物理力學指標、 支護的受力狀態(tài)、監(jiān)測的位移數(shù)據(jù)的反饋, 對隧洞施工方法、 開挖步驟及順序、 支護參數(shù)等進行合理調整, 以保證施工安全及支護結構的經(jīng)濟性。

倒虹吸銜接段采用機械化配套施工, 無軌運輸出渣, 形成鉆爆 (鉆孔、 爆破) 或機械開挖、 裝運(裝渣、 運輸)、 支護 (拌和、 運輸、 錨噴)、 襯砌(運輸、 泵送混凝土、 灌注、 搗固) 四條主要機械化作業(yè)線。 合理配備開挖、 襯砌、 運輸配套設備, 以及具有豐富隧洞施工經(jīng)驗的隊伍承擔該段施工任務, 并制定切實可行的施工方法和可靠的保證措施。

4 倒虹吸銜接段開挖施工工藝

4.1 施工方法一

二襯自上而下進行, 適用Ⅳ、 Ⅴ類圍巖。 南北線上下游倒虹吸銜接段施工按設計要求進行初期支護,其開挖施工方法為分臺階開挖(見圖1)。

圖1 二、 三、 四臺階開挖炮眼布置及網(wǎng)路連接示意圖

為保護上臺階二襯混凝土, 二、 三、 四臺階開挖采用新型電子雷管逐孔爆破, 以控制爆破振動速度。臺階開挖法施工注意事項如下:

a. 隧洞施工堅持“弱爆破、 短進尺、 強支護、早封閉、 勤量測” 的原則, 每循環(huán)進尺約為2m; 期間根據(jù)實際圍巖地質情況適當調整, 開挖后及時施作初期支護。

b. 開挖方式為弱爆破, 采用小炮開挖, 嚴格控制炮眼深度及裝藥量。

c. 上臺階按隧洞標準斷面開挖, 上臺階開挖完成后, 即進行二襯混凝土澆筑。 下部分為二、 三、 四共3 個臺階, 下臺階開挖先開挖左側, 初期支護及二襯完成后, 再開挖右側, 右側初期支護及二襯完成后, 再開挖左側, 循環(huán)推進。

d. 施工中應按有關規(guī)范及標準圖的要求, 進行監(jiān)控量測, 及時反饋結果, 分析洞身結構穩(wěn)定性, 為支護參數(shù)的調整提供依據(jù)。

4.2 施工方法二

二襯自下而上進行, 適用Ⅱ、 Ⅲ類圍巖。 南北線上下游倒虹吸銜接段施工按設計要求進行初期支護,其開挖施工方法為分臺階開挖(見圖2)。

圖2 上臺階開挖炮眼布置及網(wǎng)路連接示意圖

為保護上臺階二襯混凝土, 二、 三、 四臺階開挖采用新型電子雷管逐孔爆破, 以控制爆破振動速度。臺階開挖法施工注意事項如下:

a. 隧洞施工堅持“弱爆破、 短進尺、 強支護、早封閉、 勤量測” 的原則, 每循環(huán)進尺約為2m; 期間根據(jù)實際圍巖地質情況適當調整, 開挖后及時施作初期支護。

b. 開挖方式為弱爆破, 采用小炮開挖, 嚴格控制炮眼深度及裝藥量。

c. 上臺階按隧洞標準斷面開挖, 下部分為二、三、 四共3 個臺階, 下臺階開挖先開挖左側, 初期支護完成后, 再開挖右側, 右側初期支護完成后, 再開挖左側, 循環(huán)推進, 銜接段全部開挖完成后再進行二襯澆筑。

d. 施工中應按有關規(guī)范及標準圖的要求, 進行監(jiān)控量測, 及時反饋結果, 分析洞身結構穩(wěn)定性, 為支護參數(shù)的調整提供依據(jù)。

5 爆破參數(shù)設計

南北線上下游倒虹吸銜接段開挖采用鉆爆法施工, 根據(jù)不同的地質結構、 巖石性質, 采用臺階分層法(二至四臺階), 以新奧法理論指導施工。

5.1 二至四臺階分層開挖

二至四臺階分層法施工順序見圖3。

5.2 二至四臺階分層法施工注意事項

a. 隧洞施工應堅持“弱爆破、 短進尺、 強支護、早封閉、 勤量測” 的原則。

b. 開挖方式為弱爆破, 爆破時嚴格控制炮眼深度及裝藥量。

c. 上臺階開挖支護完成后(90m 全部完成) 再行開挖下臺階。

d. 施工中下部圍巖施工時應減少對上部圍巖、支護的擾動。

e. 施工中應按有關規(guī)范及標準圖的要求, 進行監(jiān)控量測, 及時反饋結果, 分析洞身結構的穩(wěn)定, 為支護參數(shù)的調整、 灌筑二次襯砌的時機提供依據(jù)。

f. 下臺階在上臺階噴射混凝土達到設計強度70%以上時開挖, 當巖體不穩(wěn)定時需縮短進尺, 及時施作初期支護。

g. 下臺階施工時要保證初支鋼架整體順接平直,螺栓連接牢靠。

5.3 炮孔布設及參數(shù)設計

爆破開挖拱部邊墻采用光面爆破, 核心采用控制爆破, 掏槽采用拋擲爆破的爆破工藝。

a. 炮孔深度。 爆破設計的炮眼深度主要受爆破振動強度控制, 設計炮眼深度根據(jù)爆破部位不同進行調整。

b. 炮孔直徑:d=42mm。

c. 掏槽孔。 掏槽孔布置在爆破上臺階斷面中央偏下位置, 本方案隧洞爆破設計采用楔形掏槽(見圖4)。

圖4 掏槽孔布置示意圖

楔形掏槽的每對掏槽眼呈完全對稱形或近似對稱形。 每對掏槽眼由淺變深, 孔底間距為0.1 ~0.3m,楔形掏槽孔與工作面夾角為55° ~75°, 由小變大, 為保證復式楔形掏槽取得良好的爆破效果, 應盡量減小鉆眼的偏差。

根據(jù)掏槽眼布置原則, 大斷面隧洞應采用楔形掏槽, 并盡量加大第一級掏槽眼之間的水平距離, 縮小掏槽角; 炮眼深度超過2.5m 時, 應采用二級或三級或多級復式楔形掏槽。

5.4 輔助孔布設

輔助孔布置在掏槽孔和周邊孔之間, 炮孔間距根據(jù)圍巖種類即所處不同位置從60 ~100cm 之間選取,施工中可做適當調整。

5.5 周邊孔布設

周邊眼布置在距開挖斷面邊緣0.1 ~0.2m 位置,周邊眼的眼底要朝隧洞輪廓線方向傾斜, 當隧洞穿過的巖體堅硬時, 眼底可達到或稍稍超出輪廓線位置;巖體中等堅固時, 間距一般取炮孔直徑的8 ~15 倍,眼底距輪廓線約0.1 ~0.2m; 在松軟巖體中, 炮眼不必傾斜, 眼底距輪廓線的距離與眼口處相同。

本隧洞各類圍巖均采用光面爆破, 以減少對圍巖的擾動, 在節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石中, 應取小值; 在整體性較好的巖石中, 應取大值。 周邊孔間距一般為50 ~75cm, 施工中可做適當調整。 周邊孔鉆孔時應提高鉆孔精度, 以減少超欠挖, 并保證開挖輪廓面積。周邊孔爆破時應同時起爆, 確保爆破質量。

5.6 光面爆破參數(shù)

a. 不耦合系數(shù)。 合理的不耦合系數(shù)應使炮孔壓力低于巖壁動抗壓強度, 而高于動抗拉強度, 本工程選用不耦合系數(shù)為1.31。

b. 光面炮孔間距。 一般取炮孔直徑的8 ~15 倍。在節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石中, 應取小值; 在整體性較好的巖石中, 應取大值; 本工程光爆孔間距取70cm,施工中可做適當調整。

c. 最小抵抗線W(E), 即光面層厚度或周邊孔到鄰近輔助孔間的距離, 是光面孔起爆時的最小抵抗線, 一般應不小于光面孔間距。 選取與各級圍巖相對應的E值, 本工程為80cm。

d. 線裝藥量: 200 ~300g/m。

e. 不耦合裝藥結構見圖5。

圖5 不耦合裝藥結構

不同的情況可選擇不同的裝藥結構。 在地質構造如破碎松軟、 滲水、 漏水等不良情況嚴重時, 可選擇(a) 或(b) 裝藥結構; 在情況相對較好時, 可選擇(c) 裝藥結構。

由于地下工程地質情況十分復雜, 塌方段處理也無一定模式, 具體要視現(xiàn)場情況研究決定, 情況嚴重的位置可在原來的基礎上增加輔助孔、 周邊孔數(shù)量,采用特殊裝藥結構、 減少裝藥量等方法及時調整爆破施工工藝。

5.7 炮孔數(shù)

炮孔數(shù)目的多少直接影響每一循環(huán)鑿巖工作量、爆破效果、 掘進進度、 隧洞成型的好壞, 設計時按下式計算炮孔數(shù), 在施工過程中根據(jù)實際情況可做適當調整, 以達到最佳爆破效果。

式中N——炮孔數(shù)目, 個;

f——巖石普氏系數(shù);

S——巷道掘進斷面, m2。

隧洞巖石普氏系數(shù)f=8 ~12, 本工程為Ⅳ級圍巖, 巖石普氏系數(shù)f取值9。

a. 倒虹吸銜接段: 經(jīng)計算, 上臺階圍巖面積為139m2。

b. 洞身開挖孔數(shù):個。

5.8 裝藥結構

掏槽眼、 輔助眼采用連續(xù)裝藥方式, 見圖6。

圖6 隧洞掘進其余炮眼裝藥

周邊孔參照光面爆破不耦合裝藥結構。

本工程隧洞開挖采用光面爆破技術時, 起爆使用非電毫秒雷管, 結合實際開挖后地下水情況, 使用2號巖石乳化炸藥。 開挖時, 嚴格控制周邊眼的間距和鉆眼角度, 周邊眼采用專用的光面爆破藥卷或小藥卷間隔裝藥結構, 根據(jù)隧洞埋深情況嚴格控制同段雷管的起爆藥量, 以減少對周圍環(huán)境的影響。

所有炮眼裝藥后需用炮泥堵塞密實, 以確保爆破效果。

5.9 藥量計算

周邊眼單孔藥量計算公式為

式中QK——單孔裝藥量, g;

ρ0——炸藥的密度, g/cm3;

L——炮眼深度, m;

di——炸藥直徑, cm;

β——光面爆破炮眼填裝系數(shù)。

其他各部位炮眼裝藥量計算公式為

式中q——單眼裝藥量, kg;

K——裝藥密度, 取1.35kg/m3;

a——炮眼間距, m;

L——炮眼深度, m;

W——炮眼爆破方向的抵抗線, m;

λ——炮眼所在部位系數(shù), 掏槽眼λ取3, 輔助眼λ取2。

5.10 各開挖形式具體爆破參數(shù)

臺階法光面爆破開挖方式適用于Ⅱ級圍巖以及Ⅲ級圍巖一般洞身段。 掏槽方式: 掏槽眼間距為30 ~50cm, 臺階法光面爆破炮眼布置見圖2。

將開挖斷面分上、 下臺階開挖, 采用減振控制爆破技術, 預計上臺階循環(huán)進尺3.5m, 下臺階循環(huán)進尺4.5m, 爆破參數(shù)設計詳見表1。

表1 上臺階開挖爆破參數(shù)設計

下臺階開挖炮眼布置見圖1, 爆破參數(shù)設計詳見表2。

6 爆破振動校核

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》 (GB 6722—2014) 中有關規(guī)定: 本工程隧洞爆破f＞50Hz, 爆破安全允許振速V取12cm/s, 據(jù)《爆破安全規(guī)程》 規(guī)定采用薩氏公式來計算爆破安全允許距離:

式中K、a——與地質地形條件有關的衰減系數(shù),根據(jù)《平陽縣南湖分洪工程初設勘察報告》,中硬巖石取K=150 ~250、a=1.5 ~1.8, 本工程K值取200,a值取1.8 ;

Q——一次爆破的最大藥量。

上、 下游倒虹吸銜接段,R取5m,Q取0.9kg。

a. 二襯混凝土自上而下施工, 淺孔爆破針對爆區(qū)周邊一般建(構) 筑物的核算如下:

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》 GB 6722—2014 中有關規(guī)定, 本工程爆破安全允許振速: 一般建筑物取為2.0cm/s 根據(jù)公式:

式中K、a——與地質地形條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù), 查表知, 本工程取K= 200、a=1.8;

R——爆破振動允許安全距離, m;

Q——爆破時同段最大起爆藥量, kg。

本設計按上述驗算結果進行毫秒微差爆破設計,控制同段起爆藥量符合爆破振動安全要求; 將有關數(shù)據(jù)代入上式得出爆破振動控制表。

爆區(qū)周邊環(huán)境: 主要保護上臺階已施工完成的V1=K(Q1/3/R)α=200 × (51/3/0.9)1.8=10.35cm/s。

V1=10.35cm/s ＜爆破安全允許振速(V=12cm/s),符合爆破振動監(jiān)測要求, 對上臺階二襯混凝土無影響。

b. 二襯混凝土自下而上施工, 淺孔爆破針對爆區(qū)周邊一般建(構) 筑物核算(無保護對象)。

7 降低爆破振動的操作要求

a. 控制單響最大用藥量。

b. 控制一次爆破最大用藥量。

c. 采用毫秒延期及光面爆破, 下臺階采用新型電子雷管逐孔爆破。

d. 減小最小抵抗線。

e. 選擇合理的裝藥結構。

f. 加強爆破振動監(jiān)測。

8 安全檢查

建立定期的安全檢查制度, 定時間、 定要求, 明確重點部位、 重點設備、 危險崗位。 設定項目部半個月、 工區(qū)每周、 工程隊每天一次進行檢查和總結, 提出整改意見, 落實整改措施, 并進行復檢。

9 結 語

倒虹吸銜接段施工工藝復雜、 施工難度大, 因此施工前的開挖方法和爆破技術參數(shù)的選擇尤為重要。通過上述開挖方法和爆破技術參數(shù)選擇, 有效地保證了平陽縣南湖分洪工程倒虹吸銜接段的施工安全、 施工質量和施工進度。 ■