前坪水庫輸水洞石方洞挖施工

王 磊，鄭 欣，于修勝，皇甫澤華

（1河南省水利第二工程局；2河南省前坪水庫建設管理局）

1 工程概況

輸水洞樞紐布置在主壩右側，洞身段長約256.00 m。洞身段圍巖以弱風化安山玢巖為主，巖體裂隙發育，為半一全充填，充填物為鈣質、泥質及鐵錳質薄膜。f40 斷層（產狀走向190°∠84°）與洞軸線夾角約傾角78°，破碎帶寬0.20～0.60 m，斷層帶由碎塊巖、角礫巖及斷層泥組成，強度較低，對洞身穩定有一定影響。輸水洞洞身段首段（0+019～0+130）、尾部及斷層f43 、fl20、f121、f41、f35 斷層破碎帶位置巖體強度較低，隧洞開挖后與裂隙組合成不穩定的楔形體，局部可能存在塌落現象，穩定性差，圍巖類別為Ⅳ類，以上部位可能產生塑性變形，不支護可能產生塌方變形破壞。支護類型采用噴混凝土、系統錨桿加鋼筋網。

2 洞挖施工方案

2.1 總體思路

根據設計圖紙所示，輸水洞為圓形隧洞，隧洞開挖斷面分為3 種，洞身Ⅰ型開挖直徑為5.20 m，洞身Ⅱ型開挖直徑為5.80 m，洞身出口最后一倉開挖直徑為6.20 m，洞徑較小，因此開挖采用全斷面一次性開挖成型。根據施工進度計劃，先進行出口段洞挖施工，待進口段明挖結束，且滿足洞挖施工條件后，開始進、出口同時洞挖施工。

洞室開挖采用手風鉆鉆孔，設計輪廓線采用光面爆破。根據設計圖所示，輸水洞地質段圍巖類以Ⅲ類、Ⅳ類為主，局部破碎帶為Ⅴ類圍巖。根據圍巖類別不同，確定每循環進尺量，Ⅲ類圍巖循環進尺2 m，Ⅳ類圍巖循環進尺1.00 m。地質條件差地段開挖前采用超前支護。爆破后及時采用錨噴支護，Ⅳ圍巖在每炮爆破后及時安裝鋼支撐進行支護。

2.2 超前勘探

為確保開挖后洞室安全穩定，開挖之前按監理人指定的掌子面鉆設勘探孔和（或）開挖勘探洞，探查洞室中尚未開挖巖體的地質情況，及時調整掌子面后的開挖斷面尺寸和支護措施。

根據輸水洞地質情況，為確保施工安全及結構的長期穩定性，施工過程中將對圍巖情況進行實施監測。通過對洞內外的觀察、拱頂下沉、襯砌前凈空變化、地表下沉等情況的觀測，及相應的計算對圍巖情況作出分析，看計算結果是否滿足設計要求，并根據各種量測計算結果及時反饋于施工。根據本工程圍巖類別、洞跨，參照《水利水電工程錨噴支護技術規范》（SL377-2007）要求進行監測。

3 洞挖施工方案

3.1 洞身開挖

洞身開挖施工，風水電管線路延伸至工作面，開挖圓形斷面直徑5.20 m，采用中心二級平孔掏槽，二級分層擴大，輪廓面光面爆破，最終形成設計斷面。

進洞開挖時先采用“多分次，少進尺，勤放炮”的方法掘進，在輸水洞中下或底部用手風鉆鉆淺孔（1～1.50 m），先爆出一個小導洞，然后逐步向外擴大鉆爆開挖至周邊設計線，并采用鋼拱架進行初期支護，確保洞口圍巖安全穩定，開挖掘進2～3 m后開始采用全斷面分序鉆爆開挖。

3.2 主要施工方法

3.2.1 測量放線

控制測量采用全站儀做導線控制網。施工測量采用全站儀進行，每次鉆孔前均用紅油漆在掌子面上標示各施工鉆孔位置，標示周邊孔輪廓線。另外每班還進行一次測量檢查，確保測量及開挖工序質量。

3.2.2 鉆孔作業

選派熟練的鉆孔操作手，嚴格按照設計圖紙及標書文件的規定進行鉆孔作業。各鉆工分區、分部定位施鉆。每排炮由值班技術員按爆破圖的要求進行檢查。周邊孔偏差≤5 cm，爆破孔偏差≤10 cm。

3.2.3 裝藥爆破

炮工按鉆爆設計參數認真進行作業，炸藥選用2#巖石乳化炸藥。崩落孔、掏槽孔藥卷直徑Ф32 mm，連續裝藥，周邊孔選用Ф22藥卷，間隔裝藥。裝藥完成后，由技術員和專業爆破員分區分片檢查，聯結爆破網絡，撤退工作設備、材料至安全區域后進行引爆。

3.2.4 通風散煙

爆破后啟動軸流通風機壓入通風，爆破渣堆進行灑水除塵。

3.2.5 安全處理

爆破完成后，待有害氣體濃度降低至規定標準時，方可進入現場處理啞炮并對爆破面進行檢查，清理危石。清理危石應由有施工經驗的專職人員負責實施。

4 洞身支護

洞身段支護緊跟洞挖施工進行，每次爆破形成掌子面支護完成后，才能進行下一循環施工。

輸水洞洞身采用Ф25系統錨桿進行支護，頂拱采用水泥卷式錨固劑進行錨固，邊拱采用水泥砂漿錨固，錨桿施工完成后進行掛網噴射混凝土施工。

5 不良地質地段的施工

根據地質勘察資料可知，輸水洞在局部存在斷層破碎帶，該處圍巖級別為Ⅳ類，巖體強度較低，穩定性較差，在爆破完成后，及時采用鋼拱架進行支護并噴混凝土加固，并加強圍巖觀測。

鋼拱架施工工藝流程為：測量→開挖→鋼拱架加工質量檢驗→安裝鋼拱架→隱蔽工程檢查驗收→噴射混凝土。

鋼拱架選用I18 工字鋼制成，鋼拱架在開挖后及時架設，鋼拱架安裝利用錨桿頭焊接固定，人工分節安裝，節間用螺栓連接，拱腳及腰部打鎖腳錨桿加固，每榀拱架間，通過縱向拉筋焊接聯系形成整體進行混凝土噴護，鋼拱架全部被噴射混凝土覆蓋。

6 塌方的預防

6.1 勤觀測

在施工過程中隨時觀察和監測現場工程地質和水文地質變化情況，研究變異規律，據以制訂施工對策。塌方前一般有如下征兆：量測信息所反映的圍巖變形速度或數值超過允許范圍；巖石表面或噴射混凝土產生縱橫向裂紋或龜裂；巖石風化和破碎程度加劇，有粘土、巖屑等斷層充填物出現；巖層強度降低，純鉆進速度增大，但起鉆困難甚至出現卡鉆現象。

6.2短開挖

7 爆破設計

7.1 爆破試驗鉆孔機械選擇

由于隧洞斷面較小，受機械設備的限制，選用YT28鑿巖機鉆孔，鉆孔直徑d=42 mm。

7.2 爆破設計

7.2.1 孔徑d

采用YT28鑿巖鉆機鉆孔，鉆孔直徑d=42 mm。

7.2.2 孔距a

掏槽孔：掏槽孔呈水平對稱布置共3 排，掏槽孔與工作面的夾角θ=67°左右，上下相鄰兩排炮孔間距at取0.40 m。

輔助孔：輔助孔是為了進一步擴大掏槽孔的體積而布置的炮孔，即二圈孔，炮孔的角度垂直于工作面。輔助擴大孔的間距af=14 d=14×42=59 cm，取60 cm。

崩落孔：當輔助擴大孔進一步擴大掏槽體積后，形成了較好的第二自由面，這時爆破即可按正常的崩落法爆破巖體，崩落孔間距ab=18 d=18×42=76 cm，取80 cm。

底孔：為避免欠挖，清除底坎，增加底孔的裝藥量，按Φ32 mm藥卷連續裝藥，底孔間距ad=15 d=15×42=63 cm，取60 cm。

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光爆孔：采用光面爆破技術施工，在兩邊及拱頂進行爆破，可以提高拱頂的平整度，保護圍巖少受爆破破壞影響。光爆孔間距az=13 d=12×42=50 cm。

7.2.3 孔深L

掏槽孔：每循環進尺鉆孔深度L=2 m，掏槽孔加深0.20 m，掏槽孔孔深Lc=2.20 m，掏槽孔長度=Lc/sin67°=2.39 m。

其余炮孔：輔助孔、崩落孔、底孔、光爆孔的孔深均為2 m。

7.2.4 裝藥量Q

掏槽孔、輔助孔、崩落孔、底孔線裝藥密度取0.78 kg/m，光爆孔線裝藥密度為0.50 kg/m。

7.2.5 藥卷直徑選擇

光爆孔選擇Ф22 mm的藥卷，其余均選用Ф32 mm的藥卷。

7.2.6 堵塞長度

掏槽孔堵塞長度：Lcd=Lc-ηLcc=2.39-2.39×0.8=0.48 m

輔助孔堵塞長度：Lfd=Lf-ηLf=2.03-2.03×0.7=0.61 m

崩落孔堵塞長度：Lbd=Lb-ηLb=2-2×0.7=0.60 m

底孔堵塞長度：Ldd=Ld-ηLd=2-2×0.75=0.50 m

光爆孔堵塞長度：Lgd=Lg-ηLg=2-2×0.6=0.80 m

7.3 爆破參數

經現場爆破試驗后，確定的爆破參數見表1、表2。

表1 輸水洞開挖炮孔施工技術參數表（Ⅲ類圍巖）

表2 輸水洞開挖炮孔施工技術參數表（Ⅳ類圍巖）

輸水洞布孔及起爆雷管分段情況見圖1。

圖1 輸水洞全斷面布孔示意圖

說明：圖中單位以m 計，上圖以輸水洞開挖標準斷面布設炮孔孔位，施工中，根據開挖斷面不同，根據本方案施工方法進行調整；采用YT28鑿巖機鉆平孔爆破，毫秒微差起爆，由電雷管引爆整個起爆網絡；Ⅳ類圍巖采用加密炮孔，減少藥量的方式，與Ⅲ類圍巖進尺不同。

爆破裝藥結構見圖2.

圖2 爆破裝藥結構示意圖

8 起爆網絡

采用非電毫秒延期雷管起爆網絡，裝藥時每孔孔內裝入一枚相應段別的非電毫秒延期雷管（見圖標所示），起爆順序為：掏槽孔→輔助孔→底孔→崩落孔→光炮孔，圖中起爆順序為1→2→3→4→5→6→7→8→9。每排起爆延遲時間≥50 ms。

起爆網絡設計見圖3.

9 洞挖爆破主要施工方法

洞挖爆破施工流程為：參數設計→測量放樣→技術交底→鉆機就位→鉆孔→驗孔檢查→裝藥聯網→爆破→排險→支護→場地清理→下一循環。

圖3 輸水洞全斷面起爆網絡示意圖

由具有相應資質的專業測量人員，按照爆破試驗布置圖進行測量放樣。周邊孔沿輪廓線調整的范圍和掏槽孔的孔位偏差不宜＞±5cm，其他炮孔的孔位偏差不宜＞±10 cm。

鉆孔時，鉆機在測量放樣點位置就位開始，鉆進過程中，隨時對鉆孔深度和偏斜進行檢測，以便及時糾偏。鉆孔后進行孔口保護、警示。

各鉆孔驗收合格后，進行裝藥，其中光爆孔采用不耦合裝藥，炸藥選用2#巖石乳化炸藥。采取鉆屑或黃泥堵塞，堵塞時適當搗實，尤其是中槽爆破確保堵塞長度，防止產生過量飛石。

采用導爆管、非電毫秒延期雷管組成的起爆網絡，由爆破專業技術人員按設計網絡進行聯網。爆前必須認真檢查，確定施工無誤且安全措施就位后，方可起爆。