古城水電站引水隧洞開挖施工技術

楊 平， 蘇 小 明， 楊 曉 永

(中國水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 成都 610072)

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古城水電站引水隧洞開挖施工技術

楊 平， 蘇 小 明， 楊 曉 永

(中國水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 成都 610072)

結合工程實例，對隧洞開挖的施工方法進行了探討,分別介紹了施工方法以及針對特殊地質洞段采取的安全處理措施,希望對今后同類型隧洞的開挖施工具有指導意義。

開挖；方法；特殊地質洞段；安全；措施；古城水電站

1 工程概述

古城水電站位于四川省平武縣境內的涪江上游干流上，是涪江上游干流水電梯級開發中的第二級，為低閘引水式電站。電站裝機2臺，總裝機容量為100 MW。工程樞紐建筑物主要由攔河壩、左岸引水系統、岸邊地面廠房及開關站等組成。 廠址位于平武縣古城鎮，距壩址公路里程約10 km。當地交通以公路為主，現有205省道(九環線)沿涪江左岸通過壩址和廠址。

5#施工支洞與引水隧洞交于(引)6+778.252，鑒于洞徑較大，需明挖抽槽方具備成洞條件，該段地形坡度較緩，地表覆蓋厚約15～20 m的殘、坡積物，其成份主要為粘土夾碎塊石。基巖屬志留系通化組上巖段第二層，以灰色千枚狀粉砂質板巖為主，夾薄層狀砂巖及結晶生物碎屑灰巖透鏡體。表層巖體風化強烈，巖體強風化深度為15～18 m，弱風化深度為32～38 m。構造上位于清溪斷裂帶之北部邊界斷裂(F43)的北西側，雖距離較遠，受影響程度較小，但巖層受其影響局部扭曲。洞口段圍巖風化強烈，穩定性差，屬Ⅴ類圍巖；洞室內巖體雖為弱風化，較完整，但強度低，片理發育，巖層走向與洞軸線夾角約34°，圍巖穩定性較差，屬Ⅳ類巖體。該洞段成洞條件較差，對施工中可能出現的塌方和臨時涌水問題需制定相應的工程處理措施，對斷層、擠壓破碎帶和不利結構面組合引起的局部不穩定塊體應加強臨時支護。

2 主要施工方法

先進行明挖抽槽，槽挖的同時進行削坡，邊開挖邊支護，開挖至洞口時對洞臉進行削坡成形并加強支護(超前小導管預注漿)，為洞挖提供安全施工條件，5#施工支洞為城門洞型，石方洞挖主要以全斷面掘進、一次鉆爆成型的施工方法進行施工， 鎖口處洞挖完成后，立即跟進噴混凝土及鋼支撐并迅速加強支護混凝土，封閉巖面。

洞口開挖前，先進行洞口周邊鎖口錨桿的施工，再掛口進洞。進口段周邊采用光面爆破，YT-28手風鉆造孔，人工裝藥，非電毫秒延期雷管微差擠壓爆破。洞口段開挖采用 “短進尺、小藥量、弱爆破”方式，周邊孔間距為40～50 cm，周邊孔外第一排崩落孔按周邊孔方式控制，間距50～60 cm，與周邊孔距離控制為50～60 cm，周邊孔采用光面爆破，每循環進尺控制為1.5 m左右。開挖過程中嚴格控制裝藥量，盡可能地減小對周邊圍巖的擾動。采用裝載機出渣，15 t自卸汽車運輸。

洞身段采用自制施工臺架、利用YT—28手風鉆造孔，楔形掏槽方式，孔深2.5 m，孔徑為42 mm，人工裝藥，非電毫秒雷管微差擠壓爆破。周邊光面爆破，間隔裝藥，導爆索起爆。爆破參數在開挖過程中根據具體的巖性條件作適當調整，采用LZL-120扒渣機裝渣，5 t自卸汽車運輸，棄渣用于渣場道路的填筑。開挖后，根據揭示的地質情況，及時采用錨噴等方式及時跟進支護周邊圍巖。

2.1 爆破參數的確定

炮眼種類：隧洞爆破炮眼分為掏槽眼、輔助眼和周邊眼。掏槽眼布置于斷面中央偏下部；輔助眼位于掏槽眼和周邊眼之間；周邊眼沿隧洞周邊布置，外插斜率為0.03～0.05。

炮眼直徑：炮眼直徑的大小對鉆眼效率、全斷面炮眼數目、炸藥消耗量和爆破巖石塊度與巖壁平整度均有影響，因此，應根據隧洞斷面的大小、塊度要求、炸藥性能和鑿巖機性能綜合考慮后進行選擇。炮眼直徑大，可減少炮眼數目；炸藥能量相對集中，也可提高爆破效率，但鉆速下降，影響爆破質量并降低圍巖穩定性。在采用氣腿式鑿巖機的情況下，現場多根據藥卷直徑確定炮眼直徑。目前國內巖巷掘進均采用直徑 32 mm、25 mm兩種藥卷，炮眼直徑多采用42～45 mm。

炮眼深度：炮眼深度決定了每一掘進循環的鉆眼和裝巖工作量、循環進尺以及每班的循環次數，炮眼深度主要根據巖石性質、隧洞斷面大小、循環作業方式、鑿巖機類型、炸藥威力、工人技術水平等因素確定。單從爆破理論進行分析，采用中深孔(大于2.5 m)爆破最為合理，從近年來的發展趨勢看，炮眼深度逐漸由淺孔向中深孔發展。合理的炮眼深度應以高速、高效、低成本、便于組織正規循環作業為原則，炮眼深度機械化程度高，炮眼深度一般為2～2.5 m。

裝藥量：通過試驗確定，一般為0.8～2.4 kg/m3,巖層越堅硬，其取值越大。

炮眼數目：炮眼數目的多少直接影響鉆眼工作量、爆破巖石的塊度、隧洞的形狀等。炮眼數目取決于巖石性質、巷道斷面尺寸、炮眼直徑和炸藥性能等因素。合理的炮眼數目應以保證爆破效果的實現為原則。一般是先以巖層性質和斷面大小進行初步估算，然后在斷面圖上做出炮眼布置，得出炮眼總數并通過實踐調整修正。

炮眼數目根據單位炸藥消耗量按下式估算后，再按上述經驗方法確定：

N=qSmη/aP

式中N為炮眼數目；q為單位炸藥消耗量(kg/m3)；S為掘進面積(m2)；m為每卷炸藥長度(m)；η為炮眼利用率；a為裝藥系數，即裝藥長度與炮眼長度之比，一般取0.5～0.7；P為每卷炸藥的質量(kg)。

爆炸單耗：指爆破1 m3實體巖石所需的炸藥量，也就是工作面一次爆破所需總炸藥量和工作面一次爆下的實體巖石總體積之比，即：q=Q/V。這是一個很重要的參數，將直接影響到巖石塊度、鉆眼和裝巖的工作量、炮眼利用率、巷道輪廓的整齊程度、圍巖的穩定性以及爆破成本等。

2.2 影響炸藥消耗量的主要因素

(1)炸藥性能：對同一種巖石，采用威力大的炸藥，其炸藥消耗量就小；反之，炸藥消耗量增大。

(2)巖石的物理力學性質：一般講，巖石堅固性系數f愈大，炸藥消耗量也愈大；反之，則愈小。巖石的層理、節理、裂隙發育程度對炸藥消耗量的影響也很大，對于同一種巖石來說，如層理、節理、裂隙發育(在一定限度內)，炸藥消耗量就會減少。

(3)自由面的大小和數目：自由面數目增多，炸藥消耗量就會減少。在巷道掘進中，每爆破單位體積巖石所需克服的巷道周邊阻力隨斷面而變化，巷道斷面愈小，所需克服的周邊阻力愈大，所需的炸藥消耗量也愈大；隨著巷道斷面積的增大，巷道周邊并不是成正比例增大，爆破單位體積巖石所克服的周邊阻力則相對減少，故炸藥消耗量也減少。

3 針對特殊地質洞段采取的安全處理措施

特殊地質洞段是指巖體特別不穩定、需要采取臨時安全支護或其他特殊處理方法的洞段。不排除局部地質條件很差、巖層破碎、圍巖自穩能力差，無法正常鉆爆施工，需要采取其它的臨時支護措施。

開挖經過斷層破碎帶時，沿洞頂設置φ25@1 m，L=3～3.5 m的超前錨桿鎖固圍巖外壁，采用“淺眼(1～1.5 m)、密孔、少藥量，短進尺、多循環”的施工方案，甚至采取導坑領進二次擴挖成型施工。在施工過程中，嚴格控制裝藥量，導坑開挖時按先上導坑領進、后下部擴挖的方式進行,采用錨噴支護結合花拱架或鋼支撐安全支護；對于特差洞段可輔以環型開挖及管棚施工，同時進行必要的超前探測，充分了解前方圍巖情況，制定相應的施工措施和對策。

圍巖不穩定洞段：按淺眼(1～1.5 m)、密孔、少藥量、多循環的方案施工，毫秒微差擠壓光面爆破。開挖過程中，嚴格控制裝藥量，盡可能小地擾動周邊圍巖，將單循環進尺控制在1.2 m以內。對于地下水發育段，采取“引、排、堵”結合的綜合措施。上部爆破后實施噴錨和花拱架支護，最后擴挖。花拱架采用φ25/φ16制作，邊長25～30 cm，間距0.5～0.8 m。

對于地下水發育洞段：采用數量不等的深排水孔并及時噴混凝土鎖住巖面；對于集中排水的地方必要時采用化學灌漿、堵引結合的排水措施。

特殊地質洞段圍巖開挖的一般原則：

(1)軟弱地質洞段：采用“淺孔、少藥、多循環”的方法鉆孔爆破，并在圓拱部位設置φ300～350的錨桿，其間距為100～120 cm，排距為120～150 cm；若錨桿仍不足以保持圍巖穩定，則同時進行噴混凝土(C25，厚度為3～10 cm)封閉巖面，并視情況決定是否需要加掛φ8@20 cm×20 cm的鋼筋網，以保證開挖的質量和施工期的安全。

(2)巖層較差洞段或脫層掉塊嚴重洞段：采用“淺孔、少藥、多循環”的方法鉆孔爆破，導坑領進擴挖跟進并及時在圓拱部位設置φ22，L=2.5～3 m的錨桿，其間距為1～1.2 m，排距為1.2～1.5 m；采用鋼支撐加強支護，鋼支撐用I18工字鋼分節制作，榀間間距為60～100 cm，相鄰鋼支撐之間由φ25/φ16制作的花拱架相連；同時進行噴混凝土(C25，厚度為7～15 cm)，加掛φ8@20 cm×20 cm的鋼筋網，以保證開挖的質量和施工期的安全。

(3)特差洞段：不但在開挖后要采取上述的掛網噴混凝土、錨桿、鋼支撐措施之外，在開挖前還要采取超前管棚及預灌漿等特殊手段進行處理。開挖仍然采用“淺孔、少藥、多循環”的方法，導坑領進及支護，再擴挖和支護。

在完成5#施工支洞明挖抽槽后及時進行了洞臉系統錨桿及鎖扣錨桿的支護。在準備進行洞臉混凝土澆筑時，洞口支0+000～支0+005段出現了大面積塌方，為確保5#施工支洞安全順利的進入，在洞口設置鎖口混凝土(明洞)，明洞長12～15 m,外部為方型，尺寸為(寬)8.8 m×(高)7.114 m，內部為城門洞型，洞臉凈空較原設計尺寸放大為(寬)6.2 m×(高)6.1 m。洞臉鎖口混凝土兩側設置底寬3 m，頂寬1 m的C20單層鋼筋混凝土擋墻，并設置了騎縫鋼筋與鎖口混凝土相連。鎖口混凝土施工完成后進行鋼拱架及超前小鋼管支護，同時在洞頂進行超前固結灌漿、待達到齡期后進行洞口塌方土回填的施工，最后進行土工網+噴灑草籽的支護施工。

洞內混凝土鋼筋襯砌段鋼拱架采用I18工字鋼，并在拱腳處設置5 mm厚鋼板作為支撐墊板(尺寸為30 cm×30 cm)，拱架間距50 cm，榀間采用φ25鋼筋進行連接，頂拱間距0.5 m，拱腳間距1 m。鎖腳錨桿φ25，L=3 m，間距1.5 m。根據實際情況現場確定掛設φ6.5@20 cm×20 cm鋼筋網，人工點焊固定。

設置了一排φ50超前小鋼管, 根據實際情況需要注漿， 鋼管頂拱環向間距為15 cm，邊墻環向間距為30 cm。

4 結 語

在引水隧洞掘進施工前進行了爆破參數的選定，在鉆爆過程中根據地質情況不斷調整爆破參數，使之適應出露的圍巖地質條件。古城水電站引水隧洞的開挖質量滿足設計要求，開挖質量得到業主、設計和監理單位的肯定。

[1] 張智涌.水利水電工程施工技術[M].北京：水利水電出版社，2003.

[2] 趙小正.水利水電工程施工中隧洞鉆孔爆破技術研究[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

(責任編輯：李燕輝)

2016-08-15

TV7;TV52;TV554

B

1001-2184(2016)05-0024-03

楊 平(1973-)，男，重慶萬州人，高級工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

蘇小明(1969-)，男，四川射洪人，高級工程師，學士，從事水電工程施工技術與項目施工管理工作；

楊曉永(1983-)，男，河北石家莊人，助理工程師，學士，從事建設工程施工技術與管理工作.