長距離大斷面水工隧洞下半洞開挖施工技術研究

張 衛 華， 孫 根 江， 羅 勇

(中國安能集團第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

硬梁包水電站引水隧洞為兩條平行布置的隧洞，兩洞中心間距為60 m，最大開挖洞徑為15.64 m，洞長分別為14 316.909 m和14 420.679 m，全線布置了6條施工支洞，分3個標段施工，其中引水隧洞CⅡ標長度為3 945 m，單個作業面最大掘進長度為1 200 m。

硬梁包水電站位于松潘-甘孜地槽褶皺系巴顏喀拉冒地槽褶皺帶與揚子準地臺內的康滇地軸過渡部位，區域地質構造背景復雜，全線引水隧洞的圍巖以Ⅳ、Ⅴ類居多，占比達75%以上，地層巖性主要為晉寧-澄江期花崗巖，輝綠巖脈穿插其中，局部為高嶺土蝕變體、上下結構、左右結構和斜向結構蝕變帶等，圍巖穩定性差，地下水較發育，部分作業洞段還出現了碎石帶等，開挖支護難度極大，在上半洞開挖支護過程中多次出現塌方，開挖支護進度緩慢。為加快施工進度，上、下半洞必須平行搭接作業，為此，筆者通過研究總結，有效地解決了上、下半洞平行搭接作業存在的工作面上施工道路、設備共用調度等干擾問題，為引水隧洞工程總體順利完工奠定了良好的基礎。

該隧洞開挖支護過程中存在的重難點問題：

(1)引水隧洞開挖斷面大、圍巖地質條件差，在下半洞開挖支護過程中如何確保上半洞開挖支護穩定是該工程的重點問題[1，2]。

(2)引水隧洞上、下半洞的開挖支護施工平行搭接作業存在工作面施工道路、設備共用調度等干擾，需要加強施工過程中的組織與管理，才能確保施工進度與安全[3]。

(3)實施下半洞開挖，為了不影響上層開挖交通道路，在進行中臺階開挖時采取了分左、右半幅交替進行開挖的方式，在一側完成開挖后，另一側作為臨時道路時臨邊交通安全防護是重點[4，5]。

2 施工總體規劃

硬梁包水電站引水隧洞Ⅲ1類圍巖開挖洞徑為14.1 m，Ⅲ2類圍巖開挖斷面半徑尺寸為14.3 m，Ⅳ類圍巖邊頂拱240°范圍內洞徑為15.24 m、120°范圍內洞徑為15 m，Ⅴ類圍巖邊頂拱240°范圍內洞徑為15.64 m、 120°范圍內洞徑為15.4 m，分上、下半洞進行開挖支護，上半洞采用全斷面或臺階法開挖，下半洞擬分兩層(中臺階、底臺階)進行開挖支護，中臺階、底臺階控制以邊頂拱240°范圍為界限，中臺階開挖時采取分左、右半幅交替進行開挖的方式，具體分層參數見表1。

表1 引水隧洞分層開挖支護主要參數表

下半洞開挖采用手風鉆造水平孔，周邊采用光面爆破成型，將每循環開挖進尺控制在3 m以內，反鏟挖掘機或裝載機裝渣，20 t自卸車運至渣場，下半洞開挖支護程序為：中臺階左半幅(右半幅)開挖→中臺階左半幅(右半幅)支護→中臺階右半幅(左半幅)開挖→中臺階右半幅(左半幅)支護→下半洞底臺階開挖。具體程序見圖1、2所示。

圖1 施工程序平面示意圖

圖2 施工程序斷面示意圖

3 關鍵施工工序作業要點

3.1 開挖鉆爆設計

巖石爆破炸藥采用2號巖石乳化炸藥，雷管為數碼電子雷管。周邊孔采用竹片綁導爆索分節間隔裝藥，爆破孔采用柱狀連續裝藥，各類圍巖下半洞擬定的爆破參數為：

(1)Ⅲ類圍巖：開挖鉆爆循環進尺為3 m，鉆孔深度為3.25 m，爆破單耗為0.6～0.7 kg/m3，周邊光面爆破孔線裝藥密度為215 g/m，最大單響藥量控制不超過30 kg。

(2)Ⅳ類圍巖：開挖鉆爆循環進尺為3 m，鉆孔深度為3.25 m，爆破單耗為0.5～0.6 kg/m3，周邊光面爆破孔線裝藥密度為180 g/m，最大單響藥量控制不超過30 kg。

(3)Ⅴ類圍巖：開挖鉆爆循環進尺為2 m，鉆孔深度為2.25 m，爆破單耗為0.4～0.5 kg/m3，周邊光面爆破孔線裝藥密度為160 g/m，單響最大藥量控制不超過30 kg。

3.2 鉆爆施工工藝

隧洞開挖主要采取鉆爆臺車配合手風鉆鉆孔，周邊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)，采用數碼電子雷管逐孔起爆網絡的方法施工。

(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，孔位用紅油漆標注于巖面上。鉆孔采用鉆爆臺車配合手風鉆進行，其孔位、孔向及孔深偏差必須符合規范要求，每排炮由質檢員按“平、直、齊”的要求進行檢查，周邊光面爆破孔、預裂孔開孔與測量點位偏差不大于3 cm，鉆孔完成并經檢查合格后，由專業炮工根據鉆爆設計要求進行裝藥。

(2)裝藥與聯網。炮孔中的一般孔為連續裝藥，在連續裝藥結構中，孔內采用數碼電子雷管引爆，數碼電子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。數碼雷管必須用膠帶與炸藥綁牢并注意保護好雷管腳線。裝藥時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，保證藥卷與藥卷之間緊挨。

光面爆破孔為不耦合間隔裝藥，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，采用專制炮泥進行堵塞，待所有炮孔裝藥完畢經檢查合格后，即可進行孔外聯網作業進行起爆。

(3)警 戒。爆破前，必須做好相鄰單位及洞內的安全警戒工作，并告知洞內所有工作面的施工人員，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。爆破后，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：有無盲炮、危石等情況，一旦發現盲炮，必須立即處理。處理盲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。若無盲炮，則及時解除警報；對于拱頂、邊墻的危石，必須采用反鏟及時進行撬除。

(5)出渣。出渣采用3 m3側卸式裝載機或反鏟挖掘機進行挖裝， 由20 t自卸車運至棄渣場棄渣。

3.3 系統支護施工工藝

系統支護主要為引水隧洞邊頂拱240°范圍內的系統錨桿、鋼支撐施工等，施工方法見表2。

表2 主要支護施工技術方案表

對于施工作業面開闊的部位，以三臂鉆等大型機械設備為主；對于施工部位狹小的部位，主要采用體積小、重量輕、轉運方便的小型設備進行施工。

3.4 洞內主要設施設備的防護措施

(1)供風、供水及排水管防護措施。洞內供風、供水及排水管橫跨爆破區域，主要采取聚氨酯泡沫板對管線進行包裹，避免爆破引起的飛石對鋼管造成損壞。

(2)通風排煙管及照明防護措施。通風排煙管主要為軟質通風管。進行爆破時，作業面停止通風排煙，使通風排煙管為軟質狀態即可；對于照明設施，爆破時對所有照明燈具予以拆除，爆破后及時安裝恢復并對照明線路進行檢查。

(3)洞內變壓器防護措施。在臨近變壓器100 m范圍內進行爆破開挖時，采取竹跳板對變壓器外圍進行包裹防護的措施，避免爆破引起的飛石對變壓器造成損壞。

4 施工安全監測措施

通過實施施工安全監測，初步掌握圍巖動態，判斷圍巖的穩定性，具體措施包括：

(1)下半洞開挖支護的安全監測點擬在上半洞已布置的A、B、C三個監測點基礎上再增加D、E兩個監測點(圖3)。

圖3 監測點布置示意圖

(2)圍巖收斂觀測斷面間距按照Ⅲ類圍巖不宜大于50 m、Ⅳ類圍巖不宜大于40 m、Ⅴ類圍巖不宜大于30 m布置，斷層破碎帶宜為5～10 m，下半洞臨時安全監測點在滿足上述斷面間距要求的同時，原則上要求與上半洞已布置的監測點在同一斷面上，并按照規范要求的監測頻率進行收斂觀測。

(3)如遇大暴雨、大洪水、強地震、大藥量爆破、圍巖變形或結構物受力狀況發生突然變化等，應根據現場監理工程師的要求增加監測測次。

5 質量安全保證措施

5.1 質量保證措施

(1)成立專門的質量控制小組，設專職質量監測人員，質量控制小組對開挖支護施工進行全過程的質量監督檢查。對每個班、每道工序進行跟蹤檢查、指導、監督并形成記錄，將責任落實到每個施工人員。

(2)測量設備必須經檢驗合格才能使用，控制測量采用全站儀做導線控制網，測量作業由富有經驗的專業人員進行測量放線、復測。

(3)開挖斷面的測量誤差不大于10 cm，相對于中線的誤差不大于±5 cm，斷面間距為5 m，對起伏較大、變徑或轉彎段應適當增加測繪斷面。

(4)錨桿的開孔按照施工圖紙的孔位布置進行，孔位偏差不大于10 cm。錨桿孔的孔軸方向應滿足施工圖紙的要求，施工圖紙未做規定時，其系統錨桿的孔軸垂直于開挖面。

(5)砂漿錨桿采用“先注漿后安裝錨桿”的程序施工，錨桿孔徑大于錨桿直徑15 cm以上，錨桿孔深必須達到施工圖紙的規定，孔深偏差不大于50 cm。

5.2 安全保證措施

(1)鉆孔前，首先檢查工作面是否處于安全狀態，燈光照明是否良好，其必須保證滿足施工規范中要求的最低規定亮度，檢查隧洞掌子面有無松動的巖石，如有松動的巖石應及時支護或清除。

(2)進洞施工人員必須戴安全帽、防護手套、穿工作服；電工和電鉆工穿絕緣鞋、戴絕緣手套。

(3)加強監控量測，及時反饋信息，通過量測指導施工，如發現隧洞變形過速過量，必須及時采取有效措施進行處理，確保安全。

(4)加強洞內通風，配備進口大功率風機進行專業化的通風設計，配備專業人員進行通風管理，確保通風效果。

6 結 語

引水隧洞是引水式水電站的重要組成部分，在其開挖掘進過程中，不可避免地會遇到因巖體發育破碎、蝕變巖等造成隧洞掘進困難、隧洞塌方等多種不利因素而導致的施工進度緩慢，為此，施工過程中通過上、下半洞平行搭接施工作業，能夠很好地滿足施工進度與安全要求，同時也解決了平行搭接作業存在的工作面施工道路、設備共用調度等干擾問題。