水電站尾水隧洞特大斷面爆破開挖施工探討

熊信鎮，呂江明

(1.江西省水利水電開發有限公司，南昌 330000；2.南昌市政建設集團有限公司，南昌 330000)

1 問題的提出

某水電站樞紐工程由混凝土碾壓式重力壩、地下發電廠房、灌溉取水系統等組成，工程兼具防洪、發電、航運、灌溉及旅游等綜合功能。水電站右岸引水發電系統主要包括引水隧洞、廠房、尾水隧洞等部分，其中尾水隧洞斷面寬×高為10m×12m，城門式洞型，隧洞長420.55m。該尾水隧洞時水電站地下廠房內最低的洞室，洞底板標高較低，其上覆巖體厚度在30-95m之間，巖層走向正交于河流方向并向下游傾斜，和隧洞軸線形成40°-55°的夾角。除局部表現出層間錯動、斷層及節理裂隙發育等現象外，巖體完整性較好，且主要為Ⅰ、Ⅱ類圍巖，局部為Ⅲ、Ⅳ類圍巖。

水電站尾水隧洞斷面大、埋深高、地應力高，而且水電站建設過程中大壩基礎開挖、地下廠房洞室群爆破開挖工程量大，對爆破開挖安全、技術要求較高。針對爆破開挖施工難度較大的問題，該水電站尾水隧洞爆破開挖過程中主要按照平面多工序、立體多層次的施工原則，結合不同巖層性能分層次綜合使用預裂爆破和光面爆破等開挖技術，既有效避免了不同工序之間的干擾，又避免了超欠挖及爆破施工對圍巖的破壞[1]。

2 爆破開挖方案設計

2.1 爆破開挖方案

本水電站尾水隧洞設計斷面尺寸19.4m×26.8m，并按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層開挖，首層開挖高度8.5m，中間兩層開挖高度均為8.0m，最下面一層開挖高度2.3m，該水電站尾水隧洞特大斷面橫斷面開挖次序如圖1所示。從2#支洞往上游進行尾水隧洞和連接洞的開挖，考慮到本水電站工程尾水隧洞出口較高，為保證隧洞內通風效果及良好的施工條件，在開挖首層的過程中還應同時從出口處向隧洞內開挖，同時進行預留巖塞下游面5.0m以內隧洞洞身支護，以保證隧洞內外首層開挖掌子面實現貫通。為保證施工期間的安全度汛，還應在尾閘閘前預留巖塞擋水；為防止巖塞拆除過程種閘門結構的損壞，還應在閘門和巖塞之間預留出安全距離。

2#施工支洞是水電站尾水隧洞Ⅱ層開挖的主要通道，從該施工支洞開始按照15%的坡度分別向上下游降坡，同時進行上下游側尾水隧洞Ⅱ1和Ⅱ2層開挖支護。3#施工支洞是該水電站尾水隧洞Ⅲ層開挖的主要通道，在完成2#施工支洞降坡處理及Ⅱ層開挖支護后，先爆通Ⅱ層底板和3#施工支洞頂部，在從該支洞開始按照15%的坡度分別向上下游降坡，上游爬坡至Ⅱ層底板高程，并繼續完成Ⅱ層剩余的開挖支護，最后進行Ⅲ1和Ⅲ2層開挖支護。Ⅳ層開挖支護在從3#支洞開始按照15%的坡度分別向上下游降坡后水平進行。

圖1 水電站尾水隧洞特大斷面橫斷面開挖次序

2.2 爆破開挖參數

結合類似工程爆破開挖施工經驗及本水電站工程尾水隧洞爆破試驗，其頂拱中部應通過楔形掏槽方式開挖，周邊則通過光面爆破開挖，中層采用預裂爆破，下層則通過水平光面爆破，底部預留厚度2.3m的開挖保護層，具體的爆破施工參數設計如下：

2.2.1 預裂爆破參數

W=(60-90)cm

(1)

α=(7-20)d

(2)

q=0.042[σp]0.63α0.6

(3)

式中：W為最小抵抗線；α為爆破孔距，m，對于硬質破碎巖取小值，軟巖取大值；d為爆破孔徑，m；q為線裝藥密度，通過總裝藥量減除底部增加裝藥量后的余量除以裝藥長度確定；σp為極限抗壓強度，應按照巖體極限抗壓強度的70%-80%確定[2]。

2.2.2 光面爆破參數

W=(7-20)d

(4)

α=(1.0-1.5)W

(5)

q=kαW

(6)

式中：k為單位耗藥量，kg/m3，其余參數含義同前。

2.2.3 爆破施工安全控制

水電站尾水隧洞爆破開挖過程中，爆破規模、爆破方式、爆源所處位置、裝藥結構、地形地質等均影響爆破振動幅度。本工程主要采用質點峰值振動速度進行爆破振動安全控制，即將質點振動速度實測值控制在允許質點振動速度以下，具體公式如下：

(7)

式中：v為爆破開挖所引起的振動對周圍建筑物所產生質點的垂直振速，cm/s；KK為爆破點與受保護建筑物之間地形地質相關系數；Q為炸藥使用量，采用齊發爆破的方式下為總裝藥量，而采用延期爆破方式時為最大段裝藥量；R為爆破點與受保護建筑物之間的水平距離，m；α為爆破點與受保護建筑物之間的衰減指數。

3 尾水隧洞開挖施工

3.1 尾水隧洞Ⅰ層開挖

本工程采用自制鉆孔作業臺車進行尾水隧洞開挖，開挖后由裝載機和自卸車配合出渣，清底工作通過反鏟完成。根據設計，尾水隧洞Ⅰ層半幅開挖掏槽孔設計孔徑42mm、孔深2.5m、孔距0.8m、藥徑32mm、裝藥長度2.0m、堵塞段長0.5m、單孔裝藥量2.0kg；主爆破孔設計孔徑42mm、深2.5m、孔距1.0m、最小抵抗線0.8m、藥徑32mm、裝藥長度2.0m、堵塞段長0.5m、單孔裝藥量2.0kg；周邊孔設計孔徑42mm、深2.5m、孔距分0.88m和0.8m兩種，最小抵抗線0.7m、藥徑25mm、裝藥長度2.0m、堵塞段長0.5m、單孔裝藥量0.375kg；底孔孔徑42mm、深2.5m、孔距0.8m、最小抵抗線0.8m、藥徑32mm、裝藥長度2.0m、堵塞段長0.5m、單孔裝藥量1.8kg。為控制爆破規模和振動，將該水電站尾水隧洞開挖劃分為中部開挖和兩側擴挖部分。中部設計開挖斷面8.0m×8.7m并超前支護，兩側錯開支護，頂部一次性開挖至設計邊線，Ⅰ層開挖時還應結合圍巖狀況進行開挖進尺的調整。

3.2 尾水隧洞Ⅱ、Ⅲ層開挖

該水電站尾水隧洞Ⅱ、Ⅲ層寬度相同，且均為19.4m，層高均為8.0m，按照兩個小層開挖施工，開挖進尺4.5m，且均采用邊墻預裂爆破。通過手風鉆和φ50cm孔徑在尾水隧洞Ⅱ、Ⅲ層中部造孔，為保證開挖結構線的成型質量，邊墻通過手風鉆垂直造孔+50cm孔距預裂爆破開挖。根據設計，主爆破孔設計孔徑50mm、孔深5.0m、孔距0.81m、最小抵抗線0.8m、藥徑32mm、裝藥長度3.4m、堵塞段長1.6m、單孔裝藥量分別為2.4kg、2.2kg、2.0kg；邊墻預裂爆破孔設計孔徑50mm、孔深4.0m、孔距0.5m、藥徑32mm、裝藥長度3.1m、堵塞段長0.9m、單孔裝藥量分別為2.0kg。預裂爆破開挖施工結束后，通過20t自卸車出渣清底。

3.3 尾水隧洞Ⅳ層開挖

根據設計可知，尾水隧洞Ⅳ層屬于底板預留保護層，設計寬度19.4m，高2.3m，主要進行周邊光面爆破及全斷面一次性開挖施工，開挖進尺2.0-3.0m。通過手風鉆開挖造孔，光面爆破則使用直徑25cm的乳化炸藥藥卷，邊墻和底板光面爆破的線密度分別為150g/m和250g/m，主爆破孔連續裝乳化炸藥，并通過電雷管引爆非電毫秒雷管網絡。根據設計，主爆破孔設計孔徑50mm、孔深4.5m、孔距0.81m、最小抵抗線0.9m、藥徑32mm、裝藥長度3.4m、堵塞段長1.1m、單孔裝藥量分別為2.4kg、2.2kg；底孔設計孔徑50mm、孔深4.5m、孔距0.61m、最小抵抗線0.6m、藥徑25mm、裝藥長度3.4m、堵塞段長1.1m、單孔裝藥量分別為0.9kg；周邊孔設計孔徑50mm、孔深4.5m、孔距0.5m、最小抵抗線0.8m、藥徑25mm、裝藥長度3.7m、堵塞段長0.8m、單孔裝藥量分別為0.7kg。

3.4 尾水隧洞支護

該水電站尾水隧洞各開挖層均根據圍巖等級，選擇使用直徑32mm、長度8.0m，直徑28mm、長度6.0m，直徑25mm、長度4.5m三種規格的系統錨桿，掛@15.0cm×15.0cm規格的鋼筋網，并按20cm厚度噴射強度等級C25的混凝土加固。深孔錨桿造孔采用多臂臺車和液壓潛孔鉆，短錨桿造孔則采用手風鉆，錨桿施工過程中均先注漿后插桿，且漿液均使用M20水泥砂漿，掌子面開挖滯后于錨桿支護的距離應控制在60m以內。

4 監控量測

為進行該水電站尾水隧洞變形情況及應力變化情況的監測，在開挖過程中及開挖后在所設置的測點處布置多點位移計、錨桿應力計等進行量測。結合該水電站尾水隧洞爆破開挖施工情況，還應進行地表建筑物爆破振動情況監測，根據監測結果，尾水隧洞多點位移計累計位移量均不超出10mm，變形速率均控制在0.20-0.35mm/月，錨桿應力計拉應力和壓應力最大值38.5MPa和23.1MPa。監測結果變化量較小，且均未出現異常情況。該水電站尾水隧洞爆破振動監測共進行220場次，所得出的地表豎向振動速度最大值為0.301cm/s，比地上建筑物安全振動速度限值0.5cm/s小[3]。

5 結 論

該水電站尾水隧洞斷面尺寸大，且沿洞軸線地質條件復雜，局部范圍內圍巖穩定性差，針對復雜的地質條件采取了多工序分層爆破開挖的施工方案，且開挖施工過程中未發生涌水和坍塌，開挖效果良好。爆破開挖過程中及開挖后監控量測結果也表明，監測數據變化量較小，且均未出現異常情況。充分表明，該水電站尾水隧洞爆破開挖方案設計合理，施工過程可靠，可為同類型水利水電工程隧洞開挖施工提供借鑒參考。