硬梁包水電站大斷面洞室開挖施工方法研究

侯 劍 橋

(中國安能第三工程局成都分公司，四川 成都 611135)

1 概 述

硬梁包水電站引水采用兩條引水隧洞平行布置于大渡河左岸，均為全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為：Ⅲ1類圍巖段0.4 m，Ⅲ2類圍巖段0.5 m，Ⅳ類圍巖段0.8 m、Ⅴ類圍巖段1 m。1號、2號引水隧洞分別接1號、2號調壓室。根據引水線路所處地形、地質條件以及施工要求，隧洞在平面布置上共設置了5個轉彎點，轉彎半徑為200 m或80 m，在引水隧洞末端圍巖條件較好處設置了一組集石坑，以避免塊石等雜物進入機組。首部樞紐進水口底高程為1 215 m，調壓室處隧洞底高程為1 198 m。

引水隧洞所處地層巖性主要為晉寧-澄江期花崗巖，輝綠巖脈穿插其中。Ⅲ類圍巖巖體呈微風化～新鮮，完整性較好，呈次塊狀～鑲嵌結構，局部碎裂～碎塊狀結構段為Ⅳ、Ⅴ類巖體，為弱下風化段。巖體中小斷層較發育，主要以NE向、陡傾山內和NNW向中緩傾山內的斷層為主。筆者根據實際地質情況對隧洞開挖采用的施工方案進行了研究，分述如下。

2 主要施工方案研究

2.1 施工方法的選擇

根據目前國內成熟的施工技術及經驗做法，洞室開挖的方法主要有全斷面法、正臺階法、環形開挖預留核心土法以及設臨時支撐的側壁導洞法和地鐵隧道常用的盾構機施工方法。全斷面法適用于跨度≤8 m且地層較好的洞段；正臺階法適用于跨度≤10 m、地層較差的洞段；環形開挖預留核心土法適用于跨度≤12 m、底層差的洞段。由于硬梁包水電站地處山區，不適用于盾構機施工，同時其開挖斷面中存在Ⅳ、Ⅴ類圍巖，巖性較差，且因其斷面直徑較大不適用于全斷面法開挖。項目部結合正臺階法和環形開挖預留核心土法施工工藝[1]，同時根據我公司已有的施工經驗及現場作業情況，擬采用分層分序開挖的方式。

分層分序開挖具有以下優點：

(1)能較好地控制開挖質量。分層分序開挖每次開挖的斷面不大，該隧洞中導洞斷面面積為52.6 m2，跟進開挖左右側保護層斷面面積為25.3 m2，小斷面的爆破開挖能較好地控制爆破系數，對于超欠挖的控制能力較好。

(2)能避免出現洞室坍塌的情況。分層分序開挖采用的是隨挖隨支的工藝，開挖一部分，臨時支護一部分，對于防止洞室開挖暴露面變形坍塌具有較好的效果；同時，由于Ⅳ、Ⅴ類圍巖巖性較差，且又處于破碎斷裂帶位置，開挖前即需進行支護。采用超前注漿小導管或管棚方式、分層分序開挖，能夠有效地利用超前支護的效果，更好地控制開挖斷面的成型效果，控制好斷面應力和斷面變形[2]。

(3)能流水施工，提高施工效率。采用中導洞先行、兩側保護層緊跟施工的方式進行爆破開挖能夠提高施工作業效率。中導洞與兩側保護層掌子面的距離為30～50 m，在施工過程中同時鉆孔，同時爆破，同時出渣，不僅能保證爆破質量，也能減少不必要的施工停歇時間，在上層開挖完成后，下層施工類似于平面光爆，施工效率高，速度快，能夠很好地保證工期要求。

2.2 施工程序研究

(1)開挖分兩層Ⅳ序進行，Ⅲ類圍巖Ⅰ序為上層8 m×7 m(寬×高)導洞，采用三臂鉆進行水平造孔；Ⅳ、Ⅴ類圍巖根據地質預測的結果選擇左右半洞法(左半洞尺寸為7.59 m×8 m)或導洞先行(導洞尺寸為8 m×7 m)，或者雙側壁導坑法。Ⅱ序為上層兩側擴挖，采用三臂鉆進行水平造孔；Ⅲ序為下層槽挖，采用T35鉆機進行豎向造孔，槽挖斷面為梯形斷面，上口寬度為8 m，下口寬度為5 m，高度為4.8～5.7 m；Ⅳ序為兩側及底板保護層，厚度為1.6 m，采用手風鉆造孔。

(2)上層兩側擴挖滯后導洞10 m跟進施工，下層槽挖在上層貫通后進行，下層及底板保護層開挖在槽挖完成后進行。

3 主要施工方法

3.1 引水隧洞上層洞身的開挖施工

Ⅲ類圍巖分兩層開挖施工，第一層(上層)采用中導洞和兩側保護層前后錯距10 m的開挖方式，先進行中導洞開挖，尺寸為8 m×7 m(寬×高)，斷面面積為52.6 m2，跟進開挖左右側保護層的斷面面積為25.3 m2。

為了減輕水平應力對邊墻穩定性的影響，對Ⅳ、Ⅴ類圍巖需進行大管棚、小導管超前預支護時，按照左右半洞法或雙側壁導坑法進行開挖支護[3]。

(1)施工程序。引水隧洞上層的開挖采用中導洞和左右側保護層錯距10 m的方式開挖施工(Ⅴ類圍巖左右半洞滯后一個循環)，具體施工工序為：測量放線、布孔→鉆爆→通風散煙→出渣→(臨時安全支護)→延伸風水電線路→轉入下一循環。

(2)鉆爆施工方法。 三臂鑿巖臺車鉆孔，周邊設計結構面采用光面爆破(炮孔間距為45～50 cm)，中部大面為主爆孔(炮孔間距為90～110 cm)，采用空洞直孔掏槽、分段毫秒非電雷管微差起爆網絡進行爆破，計劃鉆爆循環進尺為3.5 m。具體的開挖施工方法為：

①布孔與鉆孔。布孔時，先由測量人員用測量儀器準確放出主要控制點，再按照爆破設計的布孔參數用鋼卷尺等工具準確定出每個炮孔的位置，將孔位用紅油漆標注于巖面上。現場對周邊孔及二圈孔孔位全部給予標識，每2 m標識一個鉆孔方向線，并將測量放樣成果表提交于開挖作業隊。

導洞采用三臂鑿巖臺車造孔。鉆孔孔位偏差、孔向偏差、孔深偏差必須符合規范要求。鉆孔作業時必須保護好孔口，炮孔鉆完后，立即用編織袋或棉紗堵塞孔口進行保護，防止石渣掉入孔內。對于因堵塞無法裝藥的鉆孔應予以吹孔或補鉆。鉆孔經檢查合格后,由專業炮工嚴格根據鉆爆設計要求裝藥。

爆破鉆孔嚴格按照設計鉆爆圖進行，每排炮由值班質檢員按“平、直、齊”的要求進行檢查。周邊光爆孔、預裂孔開孔與測量點位的偏差不大于3 cm。

②裝藥與聯網。鉆孔完成并經質檢合格后，立即將鉆孔機具及人員撤離鉆爆區。炮孔全部采用自制裝藥臺車操作平臺由人工裝藥，一般孔為連續裝藥，光爆孔為不耦合間隔裝藥。在連續裝藥結構中，孔內采用非電毫秒雷管引爆。起爆雷管一般置于孔底第二節炸藥上，并將聚能穴朝向孔口方向。起爆雷管必須用膠帶與炸藥綁牢并注意保護好雷管腳線。為確保爆破效果及安全，起爆雷管必須嚴格按爆破設計要求選擇段號，切不可有誤。裝藥時一定要嚴防藥卷在孔內出現架空現象，每裝入一節炸藥必須用木制炮棍輕輕向下捅一捅以保證藥卷與藥卷之間緊挨。光爆孔使用導爆索引爆，施工時先將炸藥藥卷按設計藥量、設計間距綁于導爆索上，再將炸藥和導爆索綁于小竹片上，經檢查無誤后將綁有炸藥的竹片緩慢插入炮孔內。

堵孔是影響爆破效果的關鍵因素之一，務必認真對待。堵孔采用專制的炮泥進行堵塞。堵孔必須堵至孔口。所有炮孔裝藥完畢并經檢查合格后即可進行孔外聯網作業，用磁電雷管進行起爆。

③警 戒。由于該標段工程在兩條引水隧洞內有8個工作面同時進行爆破施工，因此，安全警戒尤為重要。每次爆破前，必須做好相鄰單位及引水隧洞洞內的安全警戒工作并告知洞內所有工作面的施工人員。每次實施爆破作業時，只有在起爆網絡檢查合格、各項工作準備就緒的情況下方可進入起爆程序。

④爆后排煙與排險。每次爆破、待洞內煙塵部分消散后，爆破人員方可進入洞內進行檢查。檢查的內容主要包括：有無瞎炮，有無危石等情況。若無補炮，則及時通知解除警報,恢復洞內的車輛流通。對于拱頂、邊墻的危石，必須采用反鏟及時進行撬除。

一旦發現瞎炮必須立即處理。處理瞎炮可視具體情況采用重新起爆法、打平行眼裝藥引爆法、掏空炮泥藥包引爆法等[4]。

(3)鉆爆設計。對于Ⅲ類圍巖的開挖，所設計的鉆爆循環進尺為3.5 m，鉆孔深度為3.8～4 m，爆破單耗為1.29 kg/m3，單響藥量為31.2 kg。中導洞開挖斷面為8 m×7 m的城門洞形, 面積為52.86 m2，共布置了106個孔，平均2個孔/m2，孔徑為Φ56 mm，主爆孔孔深為3.8 m，掏槽孔孔深為4 m，其中光爆孔孔距為77～123 cm，光爆抵抗線為50 cm；崩落孔抵抗線為80～100 cm；采用平行直孔掏槽。兩側保護層開挖斷面面積為25.6 m2，共布置了52個孔，孔徑為Φ56 mm，孔深3.2 m。其中光爆孔孔距為48 cm，光爆抵抗線為50 cm；崩落孔抵抗線為81～123 cm。

對于Ⅳ類圍巖的開挖，所設計的鉆爆循環進尺為2 m，鉆孔深度為2.5～2.2 m，爆破單耗為0.87 kg/m3，單響藥量為19.2 kg。中導洞開挖斷面為8 m×7 m的城門洞形, 面積為69.01 m2，共布置107個孔，平均1.6個孔/m2，孔徑為Φ56 mm，主爆孔孔深為2.2 m，掏槽孔孔深為2.5 m，其中光爆孔孔距為54 cm，光爆抵抗線為54 cm；崩落孔抵抗線為80～115 cm；采用平行直孔掏槽。兩側保護層開挖斷面面積為20.75 m2，共布置了72個孔，孔徑為Φ56 mm，孔深2.2 m。其中光爆孔孔距為53 cm，光爆抵抗線為50 cm；崩落孔抵抗線為69～100 cm。

對于Ⅴ類圍巖的開挖，所設計的鉆爆循環進尺為1 m，鉆孔深度為1.5～1.2 m，綜合爆破單耗為0.91 kg/m3，單響藥量為12 kg。左、右兩邊半洞開挖斷面為7.4 m×8 m, 面積為48.77 m2，共布置了93個孔，平均1.9個孔/m2，孔徑為Φ56 mm，主爆孔孔深1.2 m，掏槽孔孔深1.5 m，其中光爆孔孔距為54 cm，光爆抵抗線為60 cm；崩落孔抵抗線為60～80 cm；采用平行直孔掏槽。右半洞共布置了74個孔，孔徑為Φ56 mm，孔深1.2 m。其中光爆孔孔距為53 cm，光爆抵抗線為60 cm；崩落孔抵抗線為90～110 cm。先導洞后擴挖時導洞的開挖斷面為8 m×7 m, 面積為53.05 m2，共布置了86個孔，平均1.6個孔/m2，孔徑為Φ56 mm，主爆孔孔深1.2 m，掏槽孔孔深1.5 m，其中光爆孔孔距為54 cm，光爆抵抗線為60 cm；崩落孔抵抗線為60～80 cm；采用平行直孔掏槽。兩側和底板擴挖共布置了76個孔，孔徑為Φ56 mm，孔深1.2 m。其中光爆孔孔距為53 cm，光爆抵抗線為60 cm；崩落孔抵抗線為90～110 cm。

炸藥采用2號巖石乳化炸藥，雷管采用非電毫秒雷管。周邊孔采用竹片綁導爆索分節間隔裝藥的方式，爆破孔采用柱狀連續裝藥。對于光面爆破參數，施工初期由經驗公式確定，每次爆破后測量半孔率和輪廓的不平整度，不斷優化爆破設計，其具體參數待爆破生產性試驗后確定。

3.2 引水洞下層洞身的開挖施工

引水洞下層槽挖高度為4.8～5.7 m，底部保護層厚度為1.6 m。

下層開挖施工時，先挖中部抽槽，兩側和底板保護層開挖滯后槽挖1～2個循環。抽槽頂寬8 m，底寬5 m，梯段高3.7 m，槽挖采用T35履帶鉆機造孔，兩側進行預裂爆破；兩側保護層開挖采用手風鉆水平造孔，周邊孔光面爆破成型。渣料采用3 m3側卸式裝載機或1.6 m3反鏟進行挖裝，20 t自卸汽車運渣。

(1)開挖施工工藝流程。

槽挖施工：施工準備→測量放線→鉆孔→裝藥爆破→通風散煙、灑水除塵→安全處理→出渣清底→延伸風水電線路→轉入下一循環；

保護層開挖：工作面清理→測量放線→造孔施工→鉆孔驗收→裝藥爆破聯網→通風散煙→安全處理→出渣清底→延伸風水電線路→下一循環爆破施工。

(2)爆破參數。

下層抽槽開挖：采用T35液壓履帶鉆機造垂直孔，鉆孔孔徑為90 mm，孔深3.7～4.2 m，主爆孔間排距為2 m×2 m，預裂孔間距為1.5 m，炸藥為乳化炸藥，主爆孔及緩沖孔均采用Φ70 mm藥卷，梯段爆破循環進尺為7 m，爆破單耗為0.62 kg/m3，單響藥量為35.2 kg。采用非電毫秒延期爆破網絡。

底板及兩側保護層開挖采用手風鉆造孔，孔徑為Φ42 mm，孔深3.2 m，主爆孔間排距為0.8 m×0.9 m，光爆孔間排距為0.48 m×0.52 m，炸藥為乳化炸藥，主爆孔采用Φ32 mm藥卷，光爆孔采用Φ25 mm藥卷，爆破循環進尺為3 m，爆破單耗為0.77 kg/m3，單響藥量為16 kg；采用非電毫秒延期爆破網絡，光爆孔采用導爆索引爆[5]。

4 結 語

硬梁包水電站引水隧洞開挖斷面尺寸為15.4 m×15.4 m,為水利水電工程建設中較為典型的引水隧洞工程。通過研究和總結各類開挖施工方法的使用范圍以控制該工程的施工，不僅對該項目具有較為重要的實際意義，同時對今后的類似洞室，包括市政軌道、公路隧道工程施工也具有著很好的借鑒意義。

分層分序施工不僅能降低施工難度和施工的危險性，同時亦能提高洞室開挖施工的質量；其次，分層施工能更好地提高施工效率，施工工期能夠更好地得到保證。