泄洪排砂洞毗鄰無襯砌有壓輸水洞爆破影響研究

孟姣宇，黃海波，王裕沛，孟 葛

（清原滿族自治縣紅河水庫除險加固工程建設(shè)管理處，遼寧 清原 113300）

1 工程概況

紅河水庫位于遼寧省清原滿族自治縣境內(nèi)渾河上游左岸支流紅河上，集水面積806 km2，總庫容1 207萬m3。水庫工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級。樞紐工程主要由攔河壩、二道壩和輸水系統(tǒng)等組成：攔河壩為混凝土拱壩，全長233.52 m；二道壩位于大壩下游100.00 m處，全長135.00 m；二道壩下游設(shè)有交通橋，輸水系統(tǒng)位于庫區(qū)左岸，進(jìn)水口在大壩上游約1 000.00 m處。

清原縣紅河水庫為混凝土單曲拱壩，由于初建時壩體未設(shè)沖砂閘，運(yùn)行期間經(jīng)歷幾次洪水后庫區(qū)嚴(yán)重淤積。新建泄洪排砂洞毗鄰無襯砌有壓輸水洞，為保證水庫發(fā)揮效益，新建泄洪沖砂隧洞主要是與大壩共同承擔(dān)紅河水庫的泄洪任務(wù)，兼顧輸水洞進(jìn)水口區(qū)域內(nèi)的清淤沖沙任務(wù)，同時，由于進(jìn)口底板高程低于死水位，因此可兼作大壩檢修放空之用。

2 泄洪排沙洞施工特點

為滿足水庫泄洪排沙要求，新建泄洪排沙洞為深孔有壓洞，中心線距離原輸水洞進(jìn)口中心線16.63 m，兩側(cè)洞壁最近距離9.83 m。原輸水洞底板高程255.50 m，新建泄洪排砂洞開挖底板高程248.00 m，高差7.50 m。新建長1 199.00 m，直徑6.00 m圓形斷面的泄洪排沙洞，與大壩共同承擔(dān)紅河水庫的泄洪任務(wù)，兼顧輸水洞進(jìn)水口區(qū)域內(nèi)的清淤沖沙任務(wù)，同時，由于進(jìn)口底板高程低于死水位，因此可兼作大壩檢修放空之用。泄洪排沙洞由進(jìn)口洞內(nèi)喇叭口段、矩形標(biāo)準(zhǔn)段、豎井式閘門井段、有壓洞身段、出口閘室段、出口消能防沖段等部分組成。

隧洞縱剖面采用“一坡到底”的布置形式，縱坡為i=0.011 67。隧洞采用鋼筋混凝土襯砌支護(hù)，Ⅲ類圍巖襯砌厚0.40 m，Ⅳ類圍巖襯砌厚0.60 m。全洞頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿。為加固圍巖，提高圍巖承載能力和減少滲漏，對全部洞段圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿。出口漸變段長10.00 m，內(nèi)尺寸由直徑6.00 m的圓形斷面漸變?yōu)?.00 m×5.40 m（寬×高）的矩形斷面。

出口閘室段后接消能防沖段，采用底流消能，消力池總長40.00 m，兩側(cè)擴(kuò)散角均為8°。消力池底板高程237.00 m，厚1.50 m，池后設(shè)消力坎，坎高1.50 m，坎頂寬2.50 m。消力池下游設(shè)25.00 m長混凝土護(hù)坦，厚0.50 m。

2.1 區(qū)域地質(zhì)概況

屬于遼東中低山區(qū)，地面高程為550.00～1 000.00 m，相對高差200.00～700.00 m。按地貌成因及形態(tài)可分為中低山區(qū)，山麓斜坡堆積，河流侵蝕堆積區(qū)地貌。

區(qū)內(nèi)出露的地層主要為元古界震旦系和中生界下白堊系及第四系松散堆積層。

2.2 工程地質(zhì)條件及評價

1）工程區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，相當(dāng)于地震基本烈度為Ⅵ度。

2）工程區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍土深度1.30 m。

3）泄洪排沙洞進(jìn)口邊坡整體穩(wěn)定，但在施工過程中發(fā)生局部崩塌、掉塊的可能性較大，應(yīng)予注意。開挖可能導(dǎo)致圍巖不穩(wěn)定且存在發(fā)生突水、涌水的可能，應(yīng)予以及時支護(hù)。洞出口邊坡現(xiàn)狀條件下可基本保持穩(wěn)定，但經(jīng)工程擾動，存在發(fā)生邊坡失穩(wěn)的可能，應(yīng)采取必要工程措施。

將打好的面團(tuán)放于案臺靜置5～10 min（冬季可置于醒發(fā)室，溫度28℃，濕度75%），每個80 g，搓圓后中間醒發(fā)10～15 min。

3 采取的措施方法

3.1 進(jìn)口洞臉鎖口

泄洪排沙洞進(jìn)口進(jìn)洞點開挖基礎(chǔ)高程248.00 m，依據(jù)施工高程、部位不同采用不同洞支護(hù)參數(shù)：土質(zhì)邊坡1∶1.5；淤泥開挖邊坡1∶2.5，進(jìn)口石方開挖坡比1∶0.5。

對排沙洞進(jìn)口洞臉開挖、支護(hù)完成后，進(jìn)行隧洞進(jìn)口段洞室開挖。由于隧洞進(jìn)口巖石為強(qiáng)風(fēng)化巖體，節(jié)理發(fā)育、巖石破碎，頂拱巖面線與進(jìn)洞口在右拱肩位置存在0.60 m的間隙。因此，為保證進(jìn)口安全進(jìn)洞，對進(jìn)口進(jìn)行錨桿鎖口：洞室頂部開挖線外按0.30 m間距布設(shè)雙排超前錨桿，按梅花形布設(shè)，錨桿采用?22@300，L=4.50 m，入巖4.30 m。

在洞口右上肩部，洞口與巖面線存在0.60 m的空隙。洞口開挖時，為防止由于巖石風(fēng)化、破碎等不利因素帶來的影響，采用在超前錨桿上綁扎?8@200鋼筋網(wǎng)，封閉空隙，外噴20 cm厚C20混凝土，以達(dá)到鎖口效果。在邊墻外側(cè)，設(shè)置單排固結(jié)錨桿?22@300，L=4.50 m，布設(shè)至鋼拱架以上0.50 m處。

3.2 進(jìn)洞弧段及洞身有壓段開挖、支護(hù)

進(jìn)口鎖口施工完成后，進(jìn)行進(jìn)洞弧段及有壓段石方洞挖。進(jìn)口段洞頂部設(shè)計為曲線型，開挖時采用階梯式開挖，測量放樣控制，采用短進(jìn)尺爆破，以保障開挖斷面滿足初期支護(hù)、襯砌要求。洞口臨時安全防護(hù)，依據(jù)SL 399-2007《水利水電工程土建施工安全技術(shù)規(guī)程》，在隧洞進(jìn)口設(shè)置防護(hù)棚，長5.00 m，采用鋼支撐搭建，頂部滿鋪木跳板，形成防護(hù)棚，以防止坡頂落石、墜物對進(jìn)出口人員造成傷害。

洞室開挖采用新奧法施工，光面爆破，“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤觀測”。光面爆破的起爆順序：掏槽眼→輔助眼→底板眼→周邊眼。采用多段微差起爆(由內(nèi)向外)，其中主爆區(qū)使用非電毫秒雷管，光爆眼用導(dǎo)爆索一次同時起爆。由于隧洞進(jìn)口裸露出的巖石較破碎，且距離原輸水洞距離近（最近處約9.83 m），為減少爆破震動對洞頂覆蓋巖層、原輸水洞造成的影響，進(jìn)口段開挖計劃采用臺階法施工，即上臺階導(dǎo)洞、下臺階跟進(jìn)開挖。

進(jìn)水口段每循環(huán)進(jìn)尺1.00 m，下臺階預(yù)留高度2.50 m，因進(jìn)口段成喇叭口狀，頂部成弧形，且支護(hù)類型不同，高度由10.05 m降低至9.10 m，因此上臺階開挖高度為7.55～6.60 m。上臺階洞室開挖完成后立即進(jìn)行安裝鋼支撐、超前錨桿、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土聯(lián)合支護(hù)，以確保洞室穩(wěn)定。進(jìn)洞口進(jìn)尺2.00 m后，視圍巖狀況，支護(hù)參數(shù)調(diào)整至設(shè)計圖紙參數(shù)。

上臺階施工至閘門井后（0+064），進(jìn)行下臺階開挖，每開挖循環(huán)后立即將鋼支撐接至設(shè)計開挖底板，進(jìn)行錨桿、鋼筋、噴混凝土聯(lián)合支護(hù)。

3.3 上臺階開挖爆破參數(shù)

1）爆破設(shè)計參數(shù)

炮眼直徑D=40 mm；炮眼深度L=1.20 m；爆破高度H=6.70～6.60 m。

2）炮眼布置

掏槽眼：用來先掏出開挖面上的一部分巖石，增加臨空面，改善其它炮眼爆破條件，開挖采用楔形掏槽?？紤]到巖石堅硬程度，設(shè)計采用二級復(fù)式楔形掏槽。有兩對對稱的斜眼，成對在炮眼地集中炸出一個楔形空間。楔形掏槽眼孔口距為0.65 m，孔深為1.20 m。炮眼數(shù)量為16個。

周邊眼（光面爆破）：是指沿邊緣輪廓線布設(shè)的炮眼。炮眼數(shù)量為64個，炮眼間距a=0.40 m，抵抗線W=0.55 m，炮眼深度為1.00 m，孔底向輪廓線外傾斜小于1°。

輔助眼：包括輔助孔、壓炮孔等，用以擴(kuò)大掏槽的體積，為周邊眼爆破創(chuàng)造有利條件。輔助眼應(yīng)交錯均勻地布置在周邊眼與掏槽眼之間，并垂直于開挖面打眼，力求爆下的石渣塊體大小適合裝渣要求。炮眼深度為1.20 m，炮眼數(shù)量為64個。

上臺階開挖爆破參數(shù)見表1。

表1 上臺階爆破施工參數(shù)表

3.4 圍巖下臺階開挖爆破參數(shù)

1）爆破設(shè)計參數(shù)

炮眼直徑D=40 mm；炮眼深度L=1.20 m；爆破高度H=2.50 m。

2）炮眼布置

上部臺階已開挖完成，下部臺階已具備2個臨空面，可采用淺孔臺階爆破法施工。W取0.70～1.00 m，兩面邊弧和底弧按周邊光爆孔布置，a=0.45 m；其余部分共布置3排炮孔，每排炮孔的孔距a均為0.80 m，沿底弧0.50 m布置第一排、第二排距第一排0.80 m、第三排距第二排1.00 m，采用排間微差起爆，第三排先爆，然后中間排，最后第一排，周邊孔后爆。具體參數(shù)見表2。

表2 圍巖下臺階鉆爆參數(shù)表

4 爆破震動監(jiān)測

在進(jìn)口段爆破時，選擇3～5個循環(huán)作為爆破試驗段，并進(jìn)行爆破震動監(jiān)測，用于驗證爆破參數(shù)、開挖效果與周邊輸水洞震動限值的關(guān)系，以求得滿足爆破震動限值狀態(tài)下，最佳爆破效果時的最佳爆破參數(shù)，指導(dǎo)爆破作業(yè)。每次試驗爆破后，檢測光爆效果、開挖平整度、洞壁爆破裂縫、超欠挖情況、石渣粒徑，及時調(diào)整爆破參數(shù)，以獲得最佳爆破參數(shù)。爆破監(jiān)測委托中水東北勘測設(shè)計研究有限公司實施，在隧洞側(cè)壁安裝檢測點，振源裝藥 量40 kg，距離爆心31.53，42.5，47.91，57.52，67.24，77.02 m安裝監(jiān)測設(shè)備，安全允許質(zhì)點振動速度v在5 cm/s以內(nèi)，均在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

根據(jù)實際爆破效果確定爆心裝藥量控制在40 kg，單孔最大裝藥量不大于1 kg，能夠最大幅度地減少對圍堰的擾動，并且嚴(yán)格控制開挖。新建泄洪排砂隧洞毗鄰原有輸水隧洞爆破施工過程中取得了良好的效果，由于原輸水洞沒有襯砌靠圍巖自穩(wěn)，要確保對圍巖的擾動在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

水工引水隧洞施工，地質(zhì)條件多變，在紅河水庫泄洪排砂洞開挖過程中，上文對爆破開挖控制等施工過程中采用的方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。目前，清原縣紅河水庫除險加固工程新建泄洪排砂洞開挖已經(jīng)全線貫通，毗鄰無襯砌有壓輸水洞爆破作業(yè)未對輸水洞造成影響。施工期間采用上述方法爆破開挖排沙洞，未對原輸水洞造成破壞，結(jié)合工作實際為類似隧道毗鄰既有建筑段控制爆破施工提供有價值的參考。