多層平行排水洞室開挖施工技術淺談

肖丁，韓寶栓

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

1 工程概況

楊房溝水電站是雅礱江中游河段一庫七級開發的第六級，工程規模為Ⅰ等大(1)型的國內首個百萬千瓦級EPC水電站。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高155.00m，引水發電系統布置在河道左岸，地下廠房采用首部開發方式，電站總裝機容量1500MW，安裝4臺375MW的混流式水輪發電機組。地下廠房排水廊道設置有上層、中層和底層3層，沿主體洞室四周布置，其中上、中兩層排水廊道平面上呈封閉狀，底層平面上呈半封閉狀。

上層排水廊道布置在廠房頂拱以上，高程約為2011.00m～2019.00m，包括四條縱向排水廊道和兩條橫向排水廊道，形成環形封閉。四條縱向排水廊道中心線分別位于主廠房上游邊墻25.00m、主廠房下游邊墻22.50m、主變洞下游邊墻18.00m、尾水調壓室下游邊墻30m；兩條橫向排水廊道分別距安裝間端墻25.00m、距副廠房端墻30.00m，部分結合廠房進風洞和主變排風洞布置。排水廊道主要斷面3.0m×3.2m(寬×高)，總長度為1427.89m。本層廊道內的滲水一部分通過連接廊道排入左岸灌漿排水廊道，由大壩防排系統排至河道下游，另一部分排入尾水調壓室。

中層排水廊道布置在約1992.00m高程，包括三條縱向排水廊道和兩條橫向排水廊道，形成環形封閉。三條縱向排水廊道分別位于主副廠房上游邊墻36.90m、5.40m和主副廠房下游邊墻97.10m；兩條橫向排水廊道分別距主副廠房右端墻0+195.08m～廠右0+208.50m、左端墻廠左0+081.50m。排水廊道主要開挖斷面3.0m×3.2m(寬×高)，總長度為838.38m。該層排水廊道內的滲漏水通過排水孔自流到底層排水廊道，匯入廠房滲漏集水井。

底層排水廊道布置高程為1960.00m～1958.80m，包括兩條縱向排水廊道和三條橫向排水廊道，一條廊道連接尾水調壓室，呈半封閉狀，斷面尺寸3.0m×3.2m(寬×高)，總長度668.97m。

2 施工風水電布置

2.1 施工供風

地下廠房上層排水廊道開挖支護用風主要有手風鉆造孔用風。根據用風需求，在水墊塘交通洞洞口處或根據工作面情況在各施工排水廊道洞口處安置空壓機供風，根據施工強度考慮1～4臺20m3的空壓機進行供風，每個工作面一臺供風量20m3的空壓機。每個供風空壓機位置沿排水洞布設DN108mm主管至掌子面附近，在端頭設置一風包，風包上設置三個閥門，每個閥門接引DN25mm軟管即可。每個工作面實際用風量12m3/min～16m3/min。

2.2 施工供水

根據施工供水總體規劃布局，考慮采用低線混凝土生產系統高位水池作為供水系統，采用DN150mm供水管接引至排水廊道洞口，沿排水廊道接引DN50mm供水軟管并隨開挖支護進度延伸管路。

根據《水利水電工程施工組織設計手冊》查詢，單臺手風鉆用水量約為600L/h～800L/h，考慮高峰期使用6臺手風鉆，最大用水量為4.8m3/h，根據計算可得知輸水管管徑大于30mm即可，選用管徑為50mm的鋼管進行輸水滿足要求。

2.3 施工供電

施工用電主要為洞內照明、洞內排污、扒渣機出渣等用電，安裝1臺布置于水墊塘交通洞洞口處的1250kVA變壓器以滿足壓氣站、通風設備及照明用電，采用三相五根單芯絕緣線輸送施工用電。

2.4 通風散煙

地下工程通風散煙、除塵的影響是連續性的，排水廊道洞挖通風采用布置在洞室群的大型SWEDFAN變頻風機進行通風，每層排水廊道通風單獨在洞口布置一臺3×37kW軸流式風機進行二次通風。沿洞室敷設φ600mm軟風管送風至洞內工作面。開挖面爆破后人工灑水降塵。

2.5 施工排水

排水廊道開挖時，在開挖支護過程中掌子面設置一個臨時排水孔，視滲漏水情況在洞室中部設置臨時集水坑，施工期間在開挖面雙側形成一條臨時排水溝，施工積水經臨時排水溝流入集水坑內，再經潛水泵抽排后整體排入排污系統。

3 施工工藝及方法

3.1 爆破設計

排水廊道暫按照Ⅲ類圍巖設計，主要以開挖斷面3.0m×3.2m為主，其他斷面量小，斷面相差較小，施工過程中參照執行，施工過程中根據實際情況適當調整。

(1)孔徑：采用YT-28手風鉆鉆孔，鉆孔直徑不小于42mm。

(2)孔深：取單次進尺長度，光爆孔取2.2m，崩落孔、底板孔取2.4m，直孔掏槽。

(3)巖石堅固系數：根據《水利水電預算定額》使用的巖石分級，普氏巖石堅固系數f取值為10.0。

(4)單位消耗量：根據前期施工經驗結合《水利水電施工組織設計》計算，開挖斷面洞型寬3.0m，高3.2m的Ⅲ類圍巖單位消耗量q取值2.87kg/m3。

(5)炮孔總個數：開挖斷面洞型寬3.0m，高3.2m的炮孔數量50個。

(6)一次開挖循環的總藥量：開挖斷面洞型寬3.0m，高3.2m，Ⅲ類圍巖Q=51.15kg。

(7)周邊孔光面爆破參數：周邊孔炮孔間距a=(15～10)D，開挖斷面3.0m×3.2m取值50cm。周邊孔最小抵抗線W=(7～20)D，取40cm。周邊孔的個數n=L/a=18個，具體爆破參數見地下廠房排水廊道鉆爆設計圖(圖1)。

圖1 排水廊道三維透視

圖2 排水廊道爆破設計

3.2 開挖進尺

地下廠房排水廊道開挖及錨桿支護采用YT28手風鉆鉆孔，中部直孔掏槽，周邊光面爆破，全斷面進行開挖。主要設計斷面3.0m×3.2m(寬×高)，不能使用大型機械，掌子面出渣采用NKL-20扒渣機配合農用機動車進行，經轉運至指定的臨時堆渣點，然后使用25t自卸汽車運至渣場。

3.3 施工工藝

3.3.1 施工工藝流程

圖3 開挖施工工藝流程

3.3.2 施工方法

3.3.2.1 測量放樣

施工測量采用全站儀進行，測量由專業人員認真進行，測量儀器必須經過鑒定后方可使用。洞內測量控制點埋設牢固，做好防護措施，防止機械設備破壞，每一排炮要求準確放出中心十字線和周邊線。

3.3.2.2 鉆孔

洞室開挖前，首先根據圍巖地質情況進行爆破設計，現場施工時根據爆破效果對爆破參數進行調整。造孔的質量直接影響爆破效率和周邊規格，每個鉆手定區域按“平、直、齊”的要求施鉆，熟練的鉆手負責掏槽孔和周邊孔。嚴格按照爆破布孔圖施鉆，采用木桿作為參照物，做到炮孔的孔底落在同一個鉛直斷面上，為了減少超挖，鉆進2m時周邊孔的外偏角控制在2°以內。

3.3.2.3 裝藥、聯線、起爆

炮孔經檢查合格后，方可進行裝藥爆破。炮孔的裝藥、堵塞和引爆線路的聯結，嚴格按監理工程師批準的鉆爆設計進行施作。裝藥嚴格遵守爆破安全操作規程。裝藥前用風沖洗鉆孔，周邊孔用小藥卷捆綁于竹片上，形成為不連續裝藥。利用自制鉆爆平臺車作為登高設備裝藥，掏槽孔、崩落孔和其他爆破孔裝藥要堵塞良好，嚴格按照爆破設計圖(爆破參數實施過程不斷調整優化)進行裝藥、設置非電雷管和聯線，炮孔堵塞嚴實。裝藥結束后，由值班技術員和專業炮工分區分片檢查，聯成起爆網絡，爆破前將工作面設備、材料撤至安全位置。

最后由炮工和值班技術員復核檢查，確認無誤，撤離人員和設備，炮工負責引爆。

3.3.2.4 通風、散煙

爆破后起動洞口布置的大容量強力通風機通風，結合工作面水霧降塵，確保洞內通風除塵、散煙。

3.3.2.5 排險

通風散煙后，人工進洞清理危石和碎塊，以確保進入洞內的人員和設備的安全。在施工過程中，經常檢查已開挖洞段的圍巖穩定情況，清撬可能塌落的松動巖塊。

3.3.2.6 出渣

掌子面出渣采用NKL-20扒渣機配合農用機動車進行，轉運至指定的臨時堆渣點，然后用25t自卸汽車運至渣場。

3.3.2.7 清底

下一個循環之前，人工對掌子面進行徹底的安全撬挖，把松動的危石處理干凈，然后利用扒渣機把底部松渣清除干凈，便于下一循環造孔。

3.3.3 施工控制要點

(1)采用光面爆破是控制開挖質量的重要因素，光面爆破的好壞將直接決定洞室開挖的優劣，因此爆破設計的不斷優化是保證施工質量與精度的重要保證。

(2)鉆孔孔位依據測量放線定出的開挖輪廓線確定。周邊孔在斷面輪廓線上開孔，沿輪廓線的調整范圍和掏槽孔的孔位偏差不大于5cm，其他炮孔的偏差不大于10cm。

(3)在開挖輪廓面上，相鄰兩孔間的巖面平整，殘留炮孔痕跡應均勻分布，殘留炮孔痕跡保存率達到85%以上，孔壁表面不得有明顯的爆破裂隙。

(4)相鄰兩茬炮之間的臺階或預裂爆破孔的最大外斜值，不應大于20cm。

3.4 避車道

排水廊道洞室較長，為方便車輛掉頭通行，排水廊道每隔100m布置一個回車道，回車道布置尺寸為長6.0m，寬2.0m的梯形斷面。

4 支護施工

地下廠房排水廊道支護設計采用普通砂漿錨桿、C25噴混凝土、掛網鋼筋，另外根據滲漏水情況設置隨機排水孔、排水橫溝等措施。錨桿采用全長粘結型普通砂漿錨桿，直徑φ22鋼筋，水泥砂漿強度等級為M20。錨桿按照“先注漿后插桿”的程序進行施工，桿體在鋼筋加工廠制作，自卸汽車運至排水洞洞口處，再由小型農用機動車運至施工現場，人工在簡易平臺上安裝。錨桿鉆孔采用手風鉆，注漿采用注漿機。

4.1 總體施工方案

地下廠房排水廊道的支護分為隨機支護和系統支護。對開挖掌子面不穩定塊體、不利結構面、局部破碎的地方及時進行隨機噴錨支護，并在隨機支護的基礎上，系統噴錨及時跟進，并根據開挖揭露的地質情況采取超前支護等措施。

(1)洞室開挖時，視圍巖揭露情況進行臨時噴護或錨桿支護。

(2)現場施工時,根據圍巖揭露情況確定加強支護參數。

(3)根據設計提供的洞室地質資料，及時分析各洞段地質情況，制定相應的施工措施。

4.2 錨桿施工

4.2.1 施工工藝流程

先注漿后安裝錨桿，施工工藝如圖4所示。

圖4 先注漿后安裝錨桿施工工藝

4.2.2 施工方法

4.2.2.1 測量放線、錨孔定位

基面驗收合格后，按照設計要求放好錨桿孔位、角度，并用紅油漆分類做好標記，鉆孔時嚴格控制開鉆角度，按照設計圖紙進行施工，嚴格控制質量。

4.2.2.2 鉆孔、吹洗孔

錨桿鉆孔采用手風鉆鉆孔，按設計要求施工，保證孔深。鉆孔孔位偏差不大于100mm，孔深偏差不大于50mm。鉆孔完成后用高壓水槍或風槍將孔清洗干凈，做好鉆孔記錄，經驗收合格后用干凈的水泥紙或其他物品將孔覆蓋好。

4.2.2.3 錨桿安插及注漿

錨桿安插及注漿采用先注漿后安插錨桿的程序施工。錨桿施工時，砂漿按試驗室提供的配比拌制，注漿時將注漿管插至孔底，然后回抽5cm～10cm，在灌漿壓力下慢慢將注漿管拔出，保證注漿飽滿。注漿后立即安插錨桿并將孔口用水泥紙堵塞防止漿液倒流，然后打入木楔子固定錨桿。

4.2.3 施工控制要點

(1)注漿開始或因故中斷超過30min時，用水或稀水泥漿潤滑注漿罐及其管路；注漿時，注漿管應插至距孔底50mm～100mm，隨砂漿的注入緩慢勻速撥出。

(2)砂漿應拌和均勻，隨拌隨用，一次拌和的砂漿應在1h內用完，超過時間的砂漿應予以廢棄。

(3)注漿完畢后，在漿液終凝前不得敲擊、碰撞或施加任何其他荷載。

4.3 噴混凝土施工

地下廠房排水廊道噴C25混凝土，厚度為5cm～10cm，其中噴素混凝土厚度5cm，掛網噴混凝土厚度10cm，素混凝土一次噴護到位，掛網噴混凝土分兩次進行，第一次初噴厚度5cm，復噴混凝土厚度5cm。

4.3.1 施工工藝流程

噴射混凝土與開挖、錨桿施工跟進平行交叉作業，除特殊地質段先噴后錨的程序外，其他部位均按如下工藝流程進行施工。

4.3.1.1 噴素混凝土

施工準備→巖面清洗→倉面驗收→拌合運輸→分層噴射→復噴處理。

4.3.1.2 掛網噴混凝土

施工準備→巖面清洗→倉面驗收→掛鋼筋網→拌合運輸→分層噴射→復噴處理。

4.3.2 施工方法

噴混凝土施工采用高壓風水聯合清洗巖面，攪拌運輸車從低線混凝土拌合系統運料至工作面供料，利用混凝土噴射機作業，根據不同部位的設計厚度，分一至二層施噴，噴素混凝土第Ⅰ層噴厚5cm，第Ⅱ層噴至設計厚度。

4.3.3 施工控制要點

各工序作業認真遵照設計文件和施工規范要求進行。結合以往施工經驗，各工序作業要點如下。

4.3.3.1 準備工作

埋設好噴厚控制標志，作業區有足夠的通風照明，噴前檢查所有機械設備和管線，確保施工正常，同時做好如下材料的檢測檢驗。

(1)水泥：選用符合國家標準的普通硅酸鹽水泥，水泥標號P·O42.5，進場水泥應有生產廠家的質量證明書。

(2)骨料：細骨料應采用堅硬耐久的粗、中砂，細度模數宜大于2.5，使用時的含水率宜控制在5%～7%；粗骨料采用耐久的卵石或碎石，粒徑不應大于15mm；噴混凝土中不得使用含有二氧化硅的骨料，噴混凝土的骨料級配，應滿足相關規范規定。

(3)水：采用合格的施工用水。

(4)外加劑：速凝劑的質量應符合施工圖紙要求并有生產廠家的質量證明書，初凝時間不應大于5min，終凝時間不應大于10min，選用外加劑應經監理人批準。

(5)鋼筋網：應采用屈服強度不低于240MPa的光面鋼筋網。

4.3.3.2 拌和及運輸

拌和配料嚴格按試驗確定的配合比精確配制攪拌，攪拌時間足夠，拌合料用混凝土攪拌車運輸施工現場。

4.3.3.3 清洗巖面

撬挖后的巖面，先用高壓風水分區進行沖洗。

4.3.3.4 鋼筋網

鋼筋網由屈服強度為300MPa的光面鋼筋(I級鋼筋)加工而成。不良地質段掛網前先噴3cm～5cm厚的混凝土，再盡量緊貼巖面掛鋼筋網，對有凹陷較大部位，可加設膨脹螺桿拉緊架立鋼筋，再掛鋪鋼筋網，并與錨桿和附加插筋(或膨脹螺栓)連接牢固。

4.3.3.5 噴射要點

噴射混凝土沿一定方向分區、分塊、分薄層均勻施噴，邊墻應自下而上施工，避免回彈料覆蓋未噴面。噴頭距施噴面0.6m～1.0m，噴射推進進行有序，盡量減少回彈。

4.3.3.6 養護、檢測

噴射混凝土終凝2h后，噴水養護，養護時間一般部位為7d，重要部位為14d。對噴層厚度及混凝土的強度檢測，符合設計要求。

5 質量保證措施

5.1 開挖質量保證措施

(1)爆破參數的合理選擇是開挖質量控制的重要環節，施工時應根據擬定的爆破參數進行爆破開挖，總結出適合各個開挖工作面的爆破參數，用于指導各作業面的施工，但各作業面在每個爆破循環之前均應根據地質超前預報探明的圍巖情況及已開挖成型地段的地質揭露情況繪出爆破參數設計圖。

(2)對于鉆孔環節應嚴格控制鉆進的孔深、孔的傾斜角度，保證孔口施作在設計開挖輪廓線上，孔底落在擬定面上。為達到以上要求，必須做到定人定孔定鉆，嚴格實施工藝控制。

(3)光爆孔要求做到孔間距相等，孔向互相平行，孔底處于同一高程上。特殊要求控制的孔要求做到邊鉆孔，邊檢測，不合格的孔補鉆，嚴禁在不合格的孔中裝藥放炮。

(4)鉆孔施工時實行“三檢”制度：首先由測量人員放出光爆孔位置，周邊孔鉆孔完成以后，班組先進行自檢(一檢)，作業隊技術人員對倉面進行初步檢查(二檢)；經初檢合格后通知質量部人員進行檢查(三檢)，檢查合格后并如實填寫相關資料，最后請監理工程師驗收，合格后開出終孔證。

(5)裝藥是控制開挖質量的最后環節，要確保裝藥質量達到爆破參數要求的標準，裝藥前須對各鉆孔進行認真清理，以確保設計孔深。在進行光爆孔的藥卷安裝時，采用竹片間隔綁藥，確保達到設計效果。

(6)爆破后應組織作業人員對爆破后的巖面進行勘察，仔細檢查爆裂面的爆破情況，光爆孔孔壁無裂紋，孔間巖石層面平順、光滑，通過認真分析每循環爆破的效果，為下循環爆破參數的擬定提供理論依據。

5.2 錨噴支護質量保證措施

噴射混凝土施工前應先對圍巖進行檢查，清除松散體，對有水地段增設排水管并安設軟式透水管引出噴射面外。噴混凝土前先預埋用以檢驗噴層厚度的樣筋，噴射施工時，噴嘴應按螺旋形軌跡一圈壓半圈的方式沿橫向移動，層層噴射，確保厚度，使混凝土均勻，表面平整，噴嘴與噴射面盡量保持垂直，以減少回彈，確保噴混凝土的質量。

6 結語

通過楊房溝水電站排水廊道洞室開挖施工技術總結，系統闡述了多層平行排水洞室開挖布置、施工方法，經現場實踐證明，有效地提高了洞室開挖的施工安全、質量、進度的難題，在后續水利工程施工中可廣泛使用。