小斷面隧洞開(kāi)挖施工技術(shù)

陳 鵬

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽(yáng) 110003)

0 前 言

隨著抽水蓄能電站的蓬勃發(fā)展，采用長(zhǎng)隧洞進(jìn)行遠(yuǎn)距離引水是一大發(fā)展趨勢(shì)。為了加快小斷面引水隧洞開(kāi)挖施工進(jìn)度，常規(guī)只能在出渣設(shè)備和循環(huán)工序銜接上進(jìn)行改進(jìn)從而提高施工進(jìn)度，在保證挖掘工序和出渣設(shè)備充分銜接的基礎(chǔ)上，盡量增加單次循環(huán)進(jìn)尺，從而提高引水隧洞施工挖掘的進(jìn)度。

1 工程概況

引水系統(tǒng)高壓管道排水廊道工程由上層排水支洞、上層排水洞、1#下層排水洞、2#下層排水洞、3#下層排水洞共5部分組成。開(kāi)挖斷面型式均為城門(mén)洞型3.3m×3.2m(高×寬)，其中：上層排水支洞開(kāi)口于引水中支洞K1+200.35左側(cè)邊墻，全長(zhǎng)191.182m，縱坡5.66%；上層排水洞全長(zhǎng)1283.184m，交排水支洞上游段縱坡為2%；交排水支洞下游段縱坡為5%；下層排水洞均開(kāi)口于廠房上層排水廊道，1#下層排水洞長(zhǎng)257.458m，縱坡1.02%，2#下層排水洞長(zhǎng)205.531m，縱坡1.00%，3#下層排水洞長(zhǎng)254.255m，縱坡1.13%，與廠房排水廊道形成環(huán)形排水通道。

引水中支洞作為高壓管道上層排水支洞和上層排水洞唯一通道，廠房通風(fēng)洞及上層排水廊道作為高壓管道下層排水洞主要通道。

2 高壓管道排水洞地形地質(zhì)條件

隧洞沿線出露的地層主要有華力西期的侵入巖、第四系殘坡積層。引水系統(tǒng)沿線揭露的基巖為二長(zhǎng)花崗巖和正長(zhǎng)花崗巖。

2.1 高壓管道上層排水洞段

洞線方向由NW359°轉(zhuǎn)至NW275°，洞底板坡降i=1.7%，上覆巖體厚度74-105m，巖性為華力西晚期二長(zhǎng)花崗巖，屬微新巖體。局部斷層破碎帶及影響帶部位圍巖類(lèi)別屬Ⅳ類(lèi)，穩(wěn)定性很差或不穩(wěn)定。其余洞段圍巖類(lèi)別屬Ⅱ-Ⅲ類(lèi)，巖體較完整，圍巖穩(wěn)定性較好。

2.2 高壓管道下層排水洞段

洞線方向由NW359°轉(zhuǎn)至NW285°，洞底板坡降i=1.7%，上覆巖體厚度95-115m，巖性為華力西晚期二長(zhǎng)花崗巖，屬微新巖體。局部斷層破碎帶及影響帶部位圍巖類(lèi)別屬Ⅳ類(lèi)，穩(wěn)定性很差或不穩(wěn)定。其余洞段圍巖類(lèi)別屬Ⅱ-Ⅲ類(lèi)，巖體較完整，圍巖穩(wěn)定性較好。

3 施工方法

高壓管道排水洞及支洞各洞段采用新奧法施工，石方開(kāi)挖主要為全斷面開(kāi)挖一次成型的鉆爆方法，主要采用YT-28手風(fēng)鉆鉆孔，人工裝藥，順序作業(yè)，中下部6孔平行掏槽、周邊光面爆破、非電毫秒微差起爆網(wǎng)絡(luò)爆破；Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖每循環(huán)進(jìn)尺2.5m；Ⅳ類(lèi)圍巖鉆爆循環(huán)進(jìn)尺2.0m，當(dāng)遇Ⅴ類(lèi)圍巖及斷層破碎帶時(shí)鉆爆循環(huán)進(jìn)尺1m，必要時(shí)采用超前錨桿支護(hù)，防止塌方。爆破后采用裝載機(jī)或扒渣機(jī)配合農(nóng)用自卸車(chē)將渣料裝運(yùn)至指定渣場(chǎng)，緊跟進(jìn)行錨桿、噴混凝土支護(hù)及排水管系統(tǒng)施工[1]。

3.1 施工開(kāi)挖程序

排水洞洞室開(kāi)挖采用光面爆破開(kāi)挖，施工流程見(jiàn)圖1。

圖1 施工工藝流程圖

3.1.1 施工準(zhǔn)備

出渣完畢后，洞內(nèi)照明行燈接入工作面，采用人工清理工作面與底孔炮位，清理距離滿足鑿巖活動(dòng)臺(tái)架工作要求，同時(shí)布置好排水設(shè)施等。

3.1.2 施工測(cè)量放樣

每個(gè)循環(huán)鉆孔為滿足設(shè)計(jì)斷面要求，施工前需要采用全站儀對(duì)開(kāi)挖斷面進(jìn)行全要素測(cè)量放樣，對(duì)隧洞開(kāi)挖軸線、輪廓線和特征點(diǎn)等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行位置和高程的測(cè)量，并在開(kāi)挖斷面上采用紅油漆進(jìn)行標(biāo)注。測(cè)量人員向施工人員提交洞頂中心線、兩側(cè)起拱點(diǎn)(腰線)及鉆孔方向點(diǎn)等測(cè)量數(shù)據(jù)，并在開(kāi)挖斷面進(jìn)行標(biāo)注。同時(shí)對(duì)上一個(gè)開(kāi)挖循環(huán)斷面的超挖及欠挖情況進(jìn)行巡查，對(duì)于隧洞開(kāi)挖斷面欠挖區(qū)域進(jìn)行迅速處理，對(duì)超挖區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格把控。

3.1.3 鑿巖移動(dòng)臺(tái)架就位

測(cè)量完成后，將移動(dòng)臺(tái)架組裝就位，接好風(fēng)管水管，做好安全防護(hù)準(zhǔn)備開(kāi)鉆。

3.1.4 布孔

結(jié)合揭露的巖石特征以及斷面測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合爆破監(jiān)測(cè)和參數(shù)分析成果，編制隧洞爆破相關(guān)參數(shù)報(bào)告，向現(xiàn)場(chǎng)施工和鉆爆人員提供數(shù)據(jù)及參數(shù)，并炮孔進(jìn)行布設(shè)組織。在開(kāi)挖斷面上采用紅油漆標(biāo)注炮孔孔位的具體位置，用施工人員對(duì)孔位進(jìn)行施工組織。

3.1.5 鉆孔、驗(yàn)孔

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)交底數(shù)據(jù)確認(rèn)無(wú)誤后開(kāi)始進(jìn)行鉆孔，結(jié)合巖石特征在鉆孔時(shí)對(duì)軟巖和硬巖進(jìn)行分類(lèi)加壓施工。各炮孔的深度要統(tǒng)一，才可使得工作臺(tái)面在爆破后保持平整。施工人員在鉆孔過(guò)程中需要對(duì)每個(gè)鉆孔的深度、角度以及間距進(jìn)行逐一檢查。對(duì)檢查不合格的鉆孔需要進(jìn)行重新鉆孔或者修補(bǔ)處理。由質(zhì)檢人員對(duì)完成的鉆孔進(jìn)行角度、間距以及孔深的抽檢，檢查各項(xiàng)指標(biāo)是否符合規(guī)范要求，編制炮孔抽檢報(bào)告，提交給爆破工程師。

3.1.6 裝藥、聯(lián)網(wǎng)、起爆

炮孔驗(yàn)收完成后，對(duì)掌子面的電源進(jìn)行斷電，采用行燈進(jìn)行施工斷面的照明工作，火工材料運(yùn)輸?shù)绞┕嗝婧螅茊T對(duì)其進(jìn)行數(shù)量及質(zhì)量的核對(duì)，按照操作規(guī)程進(jìn)行鉆爆設(shè)計(jì)和火藥的裝填工作。采用柔性材料對(duì)炮孔進(jìn)行堵塞。采用炮棍進(jìn)行火藥的輕搗處理。對(duì)于空的炮孔不進(jìn)行火藥的填裝。采用單一連續(xù)方式對(duì)掏槽孔、擴(kuò)槽孔和主爆孔進(jìn)行火藥填裝，在各炮孔安裝2個(gè)對(duì)應(yīng)段位的雷管，在炮孔底部安裝一個(gè)雷管，藥柱中部安裝一個(gè)雷管；用導(dǎo)爆索將周邊的炮孔進(jìn)行炸藥的連通，對(duì)應(yīng)斷面的雷管進(jìn)行其他炮孔火藥的連接。整個(gè)爆破連接處于松弛狀態(tài)。爆破連接完成后，對(duì)整個(gè)爆破連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢查，以避免出現(xiàn)漏連接和漏填裝火藥的現(xiàn)象。在爆破前需要對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行清場(chǎng)，設(shè)置警戒撤離的區(qū)域，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)處理，通知相鄰施工作業(yè)人員進(jìn)行危險(xiǎn)躲避，并進(jìn)行三次爆破預(yù)警，等預(yù)警信號(hào)結(jié)束后，對(duì)各準(zhǔn)備工序進(jìn)行確認(rèn)完成后，由爆破員進(jìn)行爆破點(diǎn)火工作。

3.1.7 爆破后安全檢查及處理

爆破施工人員在爆破煙塵消散后對(duì)作業(yè)臺(tái)面進(jìn)行安全檢查，對(duì)于未爆炸的炮孔進(jìn)行及時(shí)的處理。在安全檢查確認(rèn)后，對(duì)安全警報(bào)予以解除，進(jìn)行下步工序的操作工作。

3.2 爆破設(shè)計(jì)

根據(jù)隧洞開(kāi)挖方法、斷面尺寸及掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度，并結(jié)合該部位地質(zhì)特性，合理確定炮孔布置、數(shù)量、深度和角度、裝藥量，裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方法、順序，通過(guò)爆破試驗(yàn)和爆破效果合理選擇爆破參數(shù)，正確指導(dǎo)鉆爆施工，達(dá)到預(yù)期效果。

3.2.1 掏槽形式

掏槽爆破效果好壞直接影響整個(gè)單響爆破成敗和循環(huán)進(jìn)尺，針對(duì)排水洞及支洞小型斷面，孔深較深，無(wú)法采用楔形掏槽，只能選取直線掏槽形式，經(jīng)同類(lèi)隧洞開(kāi)挖實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，選取菱形12孔平行掏槽形式，菱形12孔與中心孔之間的距離應(yīng)控制在10cm，空孔與中心孔之間的巖石厚度為10cm，在12個(gè)菱形孔中各孔之間的間距也為10cm，內(nèi)圈擴(kuò)槽孔抵抗線只有10-15cm，外圈擴(kuò)槽孔抵抗線只有15-20cm，提高了鉆孔利用率，掏槽孔與空孔的孔深均為2.9m。

3.2.2 炮孔布置

掏槽孔布置于斷面中下部，為爆出平整開(kāi)挖面，周邊孔的孔距以(10-20)d(d為孔徑，擬用42mm)控制，為爆破出頂拱圓弧效果，本次設(shè)計(jì)拱頂部位孔距為45cm，側(cè)墻部位孔距為50-55cm布置，并且周邊孔采用小藥卷控制爆破當(dāng)量，最小抵抗線與孔距之比控制在1.0-1.3之間。最小抵抗線為50cm，孔深2.7m。為滿足鉆機(jī)架設(shè)和減少超欠挖，周邊孔沿設(shè)計(jì)輪廓線向外傾斜10cm左右。除掏槽孔和底孔外，其余炮孔均應(yīng)落在同一平面上，底孔深度與掏槽孔相同。主爆孔按等間距布置控制在0.6-0.7m，孔深2.9m，最小抵抗線與孔距之比控制在1.0-1.2。底腳排水溝部位兩個(gè)相近孔采用減量裝藥，總體控制體型的完整性。

3.2.3 裝藥量

掏槽孔與主爆孔采用直徑φ32mm藥卷，掏槽孔裝藥系數(shù)取0.5-0.8；主爆裝藥系數(shù)取0.5-0.75；為保證光爆效果，周邊孔采用φ27mm藥卷，采用隔段空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)，底部加強(qiáng)裝藥，線裝藥密度控制在200g/m。

單孔炸藥量計(jì)算：

qd=(πd2/4)

(1)

式中：ΔLad為藥卷直徑，mm；Δ藥卷裝藥密度(0.95-1)g/cm3；L為炮孔平均深度2.8m；a為充填系數(shù)，取0.60-0.85。

3.2.4 爆破方法和爆破順序

周邊光爆孔采用導(dǎo)爆索連接間隔裝藥結(jié)構(gòu)，掏槽孔及主爆孔采用由塑料導(dǎo)爆管串、并聯(lián)形成爆破網(wǎng)絡(luò)，以毫秒延發(fā)雷管實(shí)現(xiàn)微差爆破。起爆順序：由掏槽孔→主爆孔→周邊孔→底孔的順序爆破，毫秒延發(fā)按爆破圖所示的順序分段起爆。

3.2.5 炮孔堵塞

堵塞的目的是為了提高炸藥爆破能量利用率，除選用合適的堵塞材料外，需要有一個(gè)合理的堵塞長(zhǎng)度。炮孔堵塞長(zhǎng)度在生產(chǎn)中等于0.35-0.5倍的裝藥長(zhǎng)度，堵塞材料選用黃泥和砂子(1∶3)的均勻混合料。直線12孔掏槽形式裝藥及起爆順序表(排水洞)見(jiàn)表1。

4.3 開(kāi)挖效果

采用菱形直掏形式的小斷面硬巖隧洞進(jìn)行開(kāi)挖，掏槽孔、擴(kuò)槽孔、主爆孔及周邊孔平均孔深為2.8m，通過(guò)檢查爆破后效果，單循環(huán)進(jìn)尺可達(dá)2.5m，達(dá)到高壓管道排水洞洞寬的78%以上，進(jìn)尺情況良好，同時(shí)周邊孔殘孔清晰，半孔率高，掌子面平整，渣料破碎，為下一循環(huán)提供優(yōu)良界面。施工進(jìn)度方面，每天鉆爆作業(yè)可達(dá)兩循環(huán)以上，平均月進(jìn)尺達(dá)到140m以上，大大提高了施工進(jìn)度。

表1 直線12孔掏槽形式裝藥及起爆順序表(排水洞)

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)抽水蓄能電站高壓管道排水洞開(kāi)挖施工的研究及總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于小斷面硬巖隧洞開(kāi)挖，采用菱形直掏方式可以有效增加爆破中心的臨空面，抵抗線由小到大，逐層順序爆破，周邊孔采用間斷空氣柱裝藥方式，有效的控制洞型超欠挖，提高了半孔率指標(biāo)，保證了爆破質(zhì)量；同時(shí)考慮炸藥單耗，采用菱形直掏也可以減少炸藥和雷管的使用，節(jié)約成本；由于鉆孔相對(duì)密集，炸藥分布較為合理，又采用毫秒雷管控制梯段起爆時(shí)間，單響藥量較小，減少爆破振動(dòng)影響；同時(shí)爆破渣料較為破碎，給出渣作業(yè)帶來(lái)便利，縮短了單循環(huán)時(shí)間，加快施工進(jìn)度。

對(duì)于小斷面硬巖洞室的開(kāi)挖應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)奶筒坌问胶吞荻嗡幜浚鶕?jù)試驗(yàn)去決定具體的爆破參數(shù)，達(dá)到最合適的爆破效果和循環(huán)進(jìn)尺。對(duì)抽水蓄能電站高壓管道排水洞爆破效果的研究及總結(jié)對(duì)以后類(lèi)似小洞室工程具有參考價(jià)值。