水電站尾水隧洞出口巖塞開挖支護施工技術研究

張春霞

(江西省贛撫平原水利工程南昌縣管理站，南昌 330200)

1 工程概況

水利樞紐工程位于新疆和田河西支上，主要有水電站廠房、升壓變電站、開關樓、沖沙洞、大壩、溢洪道等建筑結構。水電站以防洪、灌溉為主，兼顧改善生態環境、水力發電和水產養殖等功能，總庫容3.285億m3，正常蓄水位1958.0m，裝機容量56MW，年發電量1.92億kW·h。水利工程投運后可改善農田灌溉面積7.2萬hm2，通過調節控制可實現年供水量10.52億m3，有利于維護下游綠色廊道生態環境和減輕洪水災害損失，對于促進區域農業經濟發展和提升河道防洪能力具有重要作用。尾水系統共設計3條隧洞，以“一洞一井二機”作為布設形式，含漸變段沿軸線洞長1426.21m。其中，1#、2#、3#尾水洞長為388.05m、481.24m、556.92m，3條尾水洞之間的最小間隔為42.0m且以平行方式布置。城門洞形為尾水洞進、出口漸變段的布置方式，洞身斷面為圓形。3條隧洞的出口漸變段長度均為30m，下游側出口段15m段施工前期已完成，預留上游側長20m巖塞段，漸變段和標準段長為18m、2m。以坡度為6%的逆坡作為巖塞段，開挖支護后標準段斷面直徑為21.5m，城門洞形漸變為圓形的漸變段長30m，支護后的高、寬斷面尺寸為21.5m×(20.0-21.4m)。

2 開挖支護施工方案

2.1 開挖施工

根據施工設備、工藝方法、道路和巖塞段結構特征，將尾水洞巖塞段分為兩種施工工序，即1#與3#、2#兩種。2#巖塞段劃分成每塊各為3層的兩側擴挖和導洞兩塊，即上、中、下三層的Ⅵ1、Ⅵ2、Ⅴ1、Ⅴ2、Ⅳ1、Ⅳ2兩側和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中導洞層，兩側Ⅵ、Ⅴ、Ⅵ層層高和中導洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ層層高分別為3.55m、9.0m、9.36-9.58m、9.0m、9.0m、4.1m，全斷面一次施工為除Ⅰ層以外其余各層的開挖方式，采取分3區方式開挖Ⅰ層區。總體而言，采用2#、1#、3#的施工次序對1#-3#巖塞段開挖，為保證施工安全除2#外其它的導洞均采取自上而下的開挖順序。水電站尾水洞出口巖塞段施工順序可結合施工現場實際情況，適當調整3個施工段[1]。

2.1.1 尾水隧洞2#出口巖賽施工

1)施工開挖中導洞。總體分3層開挖中導洞，其中中層施工道路墊渣來源于下層開挖形成的渣料，修建好施工道路后對中層進行開挖，而開挖支護尾水洞頂拱的施工通道的材料則來源于中層渣料[2]。為保證圍巖具有足夠的安全穩定性，結合圍巖揭露情況確定中導洞中層、下層的頂拱混凝土噴射厚度為5cm。

貫通中層施工，完成中導洞上層開挖和頂拱開挖施工道路后，開挖上層每排炮孔并開展錨桿支護系統的施工，最終貫通上層和噴射混凝土[3]。

2)開挖兩側施工。全部完成中導洞頂拱部位系統支護后按照上、中、下3層分層擴挖施工兩側，采取自上而下的次序進行開挖，每層開挖完成后進行系統支護和下層開挖[4]。

2.1.2 尾水隧洞1#、3#出口巖塞施工

1)施工Ⅰ層頂層。采用2#尾水洞開挖渣料作為1#、3#尾水洞施工道路墊渣，然后對中導洞及其每排炮開挖，為確保施工安全開展錨桿支護，貫通中導洞施工后噴射混凝土。完成中導洞支護系統施工后擴挖兩側，然后開兩側擴挖展每排炮、錨桿支護系統和噴射混凝土等施工[5]。

2)施工Ⅱ層中層。全部完成Ⅰ層支護系統后開挖Ⅱ層，全部完成Ⅱ層開挖施工后實施支護措施。

3)施工Ⅲ層底層。待全部完成Ⅱ層支護系統后開挖Ⅲ層底層，考慮到開挖坡度對施工的影響，為解決較大頂拱可能引起的超挖問題，采取從下游側向上游側的開挖順序進行施工，全部完成Ⅲ層底層開挖后實施支護系統。

2.1.3 開挖施工工藝

1)步驟1：施工準備。根據工程實際情況，做好三臂鑿巖臺車、施工人員、水風電等各項準備工作。

2)步驟2：測量放線、鉆孔作業。測量人員對設計開挖輪廓線利用全站儀放樣，結合鉆爆設計圖、設計開挖圖進行施工。根據鉆爆設計圖中的鉆孔參數和測量放樣的控制線，由技術精湛的手風鉆鉆工和潛孔施工人員進行鉆孔作業[6]。

3)步驟3：裝藥起爆。結合爆破效果對施工中有關參數優化，基于批準的爆破設計圖由考核合格的爆破工裝藥，以堵塞良好、裝藥密實為原則利用非電雷管連接起爆網絡，經技術員和爆破工復檢無誤后起爆。

4)步驟4：通風、散煙、除塵及安全處理。采用自然通風的方式，確保巖塞段有害氣體濃度30min內降低至安全值，開展灑水除塵作業。然后對邊墻殘留的危石利用1.6m3反鏟清理，對已開挖邊墻的穩定性定期進行檢查，針對出現松動、塌落的巖塊進行清理。

5)步驟5：出渣、清底處理。采用1.6m3反鏟和前期修建的2#尾水洞施工道路渣料進行道路施工，為減緩原有的坡度仍選用1.6m3反鏟將多余的開挖渣料翻渣至施工部位。采用30t自卸汽車將2#尾水洞多余料渣輸送至1#、3#尾水洞，至1#、3#巖塞段Ⅰ層施工道路利用1.6m3反鏟進行修建。采用30t自卸汽車配合1.6m3反鏟將1#、3#尾水洞開挖渣料輸送至2#渣場。

6)步驟6：圍巖支護施工。中導洞下中層每排爆破和2#尾水洞前期開挖施工完成后，為確保施工安全結合圍巖揭露實際狀況噴射5cm混凝土，完成其它部位錨桿支護施工。

2.2 爆破參數

全部選用孔徑均為48mm的三臂鑿巖臺車水平鉆爆開挖施工，利用光面控制爆破周邊孔，其參數設定為：

1)開挖兩側和中導洞：采用孔深為1.5m、3.2m的兩層掏槽孔，層距和間距為100cm、50cm，裝藥方式為連續安裝Φ32mm的乳化炸藥；崩落孔間排距為100cm，孔深為3m，裝藥方式為連續安裝Φ32mm的乳化炸藥；周邊孔間距為50cm，孔深3cm，裝藥方式為間隔不耦合安裝Φ25mm的乳化炸藥。

2)開挖其它部位：主爆孔間排距為150cm，孔深3m，選擇連續安裝Φ32mm的乳化炸藥；周邊孔間距為50cm，孔深3cm，裝藥方式為間隔不耦合安裝Φ25mm的乳化炸藥。

2.3 支護施工

采用麥斯特高壓注漿機和三臂鑿巖臺車錨桿鉆孔系統，人工安插錨桿配合1.6m3反鏟改裝施工平臺。運用麥斯特噴車和混凝土濕噴工藝，混凝土料輸噴裝置為8m3混凝土攪拌車。

2.3.1 砂漿錨桿施工工藝

砂漿錨桿施工工藝流程圖，見圖1。水電站尾水隧洞出口巖塞段砂漿錨桿施工流程有以下4個步驟：

1)步驟1：測量放線、搭設平臺。采用全站儀對錨桿孔放樣，采用不同的符號標識不同的錨桿空位；然后采用排距為1.8m、間距為1.5m、Φ48mm的鋼管搭設施工腳手架，中間設置縱向剪刀撐且中間、兩端各設置一道剪刀撐。

2)步驟2：錨桿鉆孔。采用三臂鑿巖臺車鉆設系統砂漿錨桿孔，設計9m和6m砂漿錨桿孔徑為Φ57mm、Φ51mm。為防止出錯用明顯的符號標記不同孔深的錨桿。垂直于巖面布置系統錨桿，孔深和空位偏差≤5cm、10cm，可能滑動面與隨機支護錨桿的孔向一般為45°。

3)步驟3：檢查質量。孔斜與孔向偏差、孔深偏差允許值為3%和5cm，分別選用全站儀和PVC管檢查孔向與孔斜、孔深質量。

4)步驟4：安插和注漿錨桿。采用先注漿后插桿的工藝流程和麥斯特高壓注漿機完成系統錨桿注裝，注漿要求密實、飽滿且注漿前孔位應沖洗干凈。將1.6m3反鏟改裝平臺配合人工施工完成錨桿安插，為確保注裝質量避免72h擾動。完成錨桿施工后對錨桿注漿密實度利用超聲波檢查，密實度應滿足>80%要求。

圖1 砂漿錨桿施工工藝流程圖

2.3.2 噴鋼纖維混凝土施工工藝

噴鋼纖維混凝土施工工藝流程圖，見圖2。水電站尾水隧洞出口巖塞段噴鋼纖維混凝土施工流程具體有以下4個步驟：

1)步驟1：施工準備。鋼纖維混凝土噴射前對巖面、墻角、雜物、浮石等清除，然后對巖面利用高壓風水槍沖洗，采用高壓風清掃并噴混凝土至設計厚度。準備就緒麥斯特噴車，采取埋設導管的方式對有水區域進行排水處理[6]。

2)步驟2：拌制和噴射鋼纖維混凝土。在右岸拌和系統中拌制噴射混凝土料，其投料流程為：先干拌骨料與鋼纖維，然后加入水泥拌且以不出現球結作為鋼纖維混凝土拌制標準。混凝土的噴射按照濕噴工藝法分自下而上兩層施工，沿垂直于巖面的放線初噴底層厚5cm，初凝后噴射面層，巖面與噴嘴之間的距離為1-2m，在確保密實度情況下應盡可能的降低回彈量[7]。

3)步驟3：檢查質量。采取預埋鋼筋和鉆孔測深等方式對混凝土厚度進行監測，采用肉眼觀測外觀情況，采取鉆孔作拉拔試驗或預埋試件檢驗噴層間、巖石與混凝土之間的的黏結強度，詳細的技術參數嚴格按照施工規范執行[8]。

4)步驟4：養護。噴水養護，一般情況下養護時間超過7d，在空氣適度超過85%時可采取自然養護方法。

圖2 噴鋼纖維混凝土施工工藝流程圖

2.4 爆破震動控制

參照水電站地下主廠房的爆破震動測試階段結果作為尾水洞出口巖塞段的爆破震動控制參數，利用經驗公式揭示爆破震動衰減規律，其數學計算公式為：

尾水洞巖塞段爆破中心距離已澆筑尾水底拱混凝土最近距離R為8.5m，距離閘室最近距離R為13.5m。閘室混凝土建筑物及已澆筑底拱的質點震動最大允許速度按照水工建筑物地下開挖施工技術規程取10cm/s，在巖塞段開挖中，單響最大控制藥量Q，見表1。

表1 單響最大控制藥量Q

根據表1可知，開挖過程中主要保護對象為已澆筑的巖塞段底拱混凝土，單響最大藥量在巖塞段開挖時應<17kg。結合現場實際情況，采用下述被動防護方案進行巖塞段爆破施工，具體如下：

1)為防止爆破飛石可能對高程1120-1135m內1#-3#尾水閘室孔口的損壞作用，將一層竹腳手架滿鋪于閘室流道面高程1130m以下范圍。

2)采用Φ48mm單背管將竹腳手板外側連接成整體，利用鋼管和已有Φ12mm拉筋將內側連接為整體，間排距為1.5m。

3)將Φ12mm插筋增設于未設置Φ12mm拉筋的部位并與背管連接呈整體，間排1.5m，外漏0.2m，長0.5m。

考慮到汛期提前等一些不確定因素和現場施工實際情況，若在2015年汛前暫未完成3#尾水洞出口巖塞段支護施工，應對剩余巖塞部分在封閉3#尾水閘室閘門后完成開挖支護，從而避免閘門可能受爆破飛石的破壞作用，3#閘室巖塞段開挖防護預案為閘室附近設置一道被動柔性防護屏。防護屏防護面板利用竹腳手板完成，新增Φ25mm插筋與Φ25mm水平背筋，并在竹腳手板背面焊接；通過設置Φ48mm豎向腳手架鋼管增強防護屏的整體性，同時對整個柔性防護屏利用Φ25mm水平拉筋固定[9]。

下閘后閘門在一定程度上受爆破沖擊波的不利作用，巖塞段單響最大藥量17kg產生的空氣沖擊波壓力值按照爆破安全規程計算為0.4MPa，為減少空氣沖擊波的不利影響采取的防護措施包括：①微差爆破依據爆破設計圖開展，充分發揮沖擊波干擾衰減功能；②為防止出現沖天炮，嚴密堵塞爆破孔孔口；③3#巖塞段開挖防護預案即閘門前設置一道柔性防護屏，可減輕閘門受空氣沖擊波的影響和發揮阻擋飛石作用。

2.5 開挖及支護質量控制

為盡可能減少圍巖受爆破震動的影響，爆破參數應結合現場地質情況合理選定，同時開挖施工前做好爆破設計控制工作以獲取理想的成型面。開挖過程中及時掌握地質變化特征，為避免欠挖、減小超挖經監理工程師批準后對爆破參數及時調整[10]。針對不良地質的巖塞開挖應嚴格控制爆破參數，為確保圍巖穩定要加強開挖支護，實行小藥量、短進尺爆破措施。

根據規范要求對錨桿施工造孔，確保錨桿注裝密實度、砂漿配合比符合規范設計要求。噴混凝土施工厚度、面積、位置等滿足施工技術和施工圖紙要求，選用滿足設計規范和標準要求的砂石、水泥等材料，合理設計混凝土配合比，對設計參數合理性利用試驗確定。

2.6 安全控制技術

1)為更好的指導施工充分收集地質監測相關數據，同時為保證作業安全要配備足量的照明器具。

2)地下洞室工作人員應服從指揮、遵章守紀且嚴格按照規定佩戴安全防護用品。先對相鄰工作面的地質情況進行監測，檢查邊墻是否穩定及支護部位是否牢固，準確判斷工作面的安全狀態，清除可能出現的裂縫或松動塊體。

3)地下洞室施工爆破嚴格爆破警界和防護距離，爆破工必須具備安全技術合格證。檢查人員在爆破15min后才能進入工作面，對照明線路的安全情況進行檢查；對是否存在可疑現象、盲炮情況，邊墻及頂拱是否具有松動塊石等進行檢查，同時檢查支護變形和損壞狀況，確認無誤后方可允許其他人員進入。目前，較為常用的盲炮處理方法有風水吹管法、聚能誘爆法、打平行爆破孔裝藥爆破和重新起爆法等。

4)鉆孔施工過程中嚴禁鉆孔和裝藥同時開展，裝藥時嚴禁火種，利用木棍裝藥；為確保爆破安全無關機具和工作人員撤離至安全地點，確保所有人員撤離現場后方可進行爆破。

5)對于存在錨桿失效或較大變形的圍巖支護系統，應在該區段增設長為原錨桿1.5倍以上的加強錨桿；對于存在噴錨后變形量>設計允許值、圍巖出現突變或噴混凝土未達到一定強度的圍堰，應及時采取相應的加強措施。在安全檢查項目中納入噴層異常裂縫檢查，定期檢查和觀測并作為危險信號。

3 結 論

以新疆地區某水利樞紐工程尾水洞出口巖塞段為例，通過對施工工藝的優化設計確保了項目的按期完成。兩側、中導洞采取自上而下爆破和自下而上的分層開挖工藝，采用擴挖跟進、小導洞先行的反向開挖方法作為中導洞下層施工工藝，有效解決了便道布置、施工道路石渣短缺等問題。