“三层五区”法在特大断面隧洞开挖中的运用

□齐文钦 □翟春明（河南省水利第二工程局）

1 概述

河口村水库是一座正在建设中的以防洪、供水为主，兼顾灌溉、发电、改善河道基流等综合利用的大（2）型水利枢纽，工程位于黄河一级支流沁河最后一段峡谷出口处，位于济源市东北约20km的沁河上。

泄洪洞工程主要包括：1#泄洪洞洞身及出口混凝土工程施工、2#泄洪洞龙抬头段施工、洞身及出口改建等，工程特性见表1。

表1 泄洪洞工程特性简表

根据勘探资料预测，1#泄洪洞桩号0+000～0+083洞段岩性为花岗片麻岩等，其围岩类别为Ⅳ类（断层带为Ⅴ类）。桩号0+130～0+289洞段为五庙坡断层（F8～F6）及影响带，其围岩类别为Ⅳ类（断层带为Ⅴ类）。桩号0+420～0+458洞段为F4、F5断层及影响带，其围岩类别为Ⅳ类（断层带为Ⅴ类）。桩号0+458～0+600（出口）洞段，围岩类别为Ⅳ类。其余地段岩体较为完整。

2 施工总体思路

该工程由于地质条件复杂多变，断层带多，断层带影响区域广，设计开挖断面随地质情况的不同而发生变化，当围岩类别为Ⅱ类时，设计衬砌厚度为0.8m，设计开挖断面尺寸为（9+2×0.8）×（13.5+2×0.8）。随着围岩类别的逐步变化，洞身衬砌厚度逐级变化为1.0m，1.2m，1.3m，1.6m。在断层宽度超过0.5m时增加断层塞，断层塞向外扩挖0.5～1.0m。F6断层带为本工程最大断层带，断层带宽19m（桩号为0+266～0+285），断层带处的设计衬砌厚度为1.6m，断层塞处扩挖0.9m。

由于洞室跨度大，难以一次性成形，根据钻孔、装渣和喷锚等机械设备工作要求及进度安排，1#泄洪洞洞身采用“三层五区”法进行分层、分区开挖，即洞身分上、中、下三层。上层导洞最大分层高度参照所使用的大型机械（挖掘机及破碎锤）工作极限高度及非电雷管段数分配的需要，取值为8.5m，上层开挖时使用钻爆台车，钻爆台车高度为6.44m，一般按8m控制，如需按8.5m开挖时，台车底部垫0.5m厚石渣。中下层高度为（13.5+2A-8.5）/2m（A=设计衬砌厚度+本处扩挖值），一般为3.5m左右，钻孔时使用简易的两人可移动的工作平台，工作平台高度约1.2m。开挖分层见图1。上层一次进行开挖，中、下层各分左右二个开挖区。在上层导洞进尺100m左右时，开始进行中层开挖。考虑到上层爆破时飞石对钻爆台车的影响及装载机托运台车的空间活动范围，两层间的最短距离一般按60m控制。在中层导洞进尺100m左右时，开始进行下层导洞开挖。中下洞开挖面的最短距离按层间高差/14%+行车缓冲距离（1.5倍车长）控制，施工中取值为45m，而后上、中、下三层同时进行、循环进尺。

3 施工工艺

3.1 风、水、电布置

通风设备选用JBT-61型轴流通风机，在洞口用压入式通风，施工用风通过¢630风带接至工作面。

洞内供水主要供喷锚施工岩面冲洗及钻孔施工用，施工用水从河中由潜水泵抽至洞口高位水池，再由高位水池用增压泵经150mm钢管接至工作面。

从洞口变压器接架空线至泄洪洞，供施工动力及照明用电。为保证洞内施工安全，洞外干线采用220V低压的电源，使用绝缘电缆。工作面处采用36V电压照明，电线悬挂高度大于2m。详见图2。

图1 泄洪洞开挖分层示意图

图2 风、水、电布置图

3.2 洞内施工道路

上层导洞前100m施工时，施工道路由中层顶面经中导洞顶部与洞外道路相连；进行中层开挖时，先进行1区开挖，上导洞经中层2区顶部斜坡与洞外道路相通，中导洞1区出渣路利用下导洞3区顶面与外部道路相连；中导洞1区进尺30m后，进行中导洞2区开挖，2区开挖时，上导洞施工路经1、3区顶部斜坡与洞外道路相连，中导洞2区施工道路经下导洞4区顶部斜坡与洞外道路相通，而后的中导洞每30m交替施工，洞内道路亦交错使用；中导洞进尺90m后进行下导洞施工，下导洞施工时，3、4区可直接出渣，上、中导洞仍利用中、下导洞顶部斜坡经3、4区与洞外道路相连，详见图3～图5。

图3 上导洞洞内、外交通道路示意图

3.3 机械配置

施工中共配置YT28气腿式风钻21台，12m3油动空压机2台，27m3油动空压机3台，ZL50装载机2台，1m3挖掘机2台，20t自卸汽车10台，JBT-61型轴流式通风机1台。

图4 上、中导洞洞内、外交通道路示意图

图5 上、中、下导洞洞内、外交通道路示意图

3.4 施工程序

每次循环爆破开挖工作内容主要包含施工准备、测量放线、钻孔、爆破、通风排烟、危石处理、支护等，其程序详见图6。

图6 开挖施工程序图

3.5 钻爆设计

根据地质条件及岩性、技术规范要求、开挖方法、有关经验公式和以往施工经验，爆破设计按“短进尺、弱爆破、少扰动”的新奥法原理组织施工，按围岩类别和建筑物抗震要求严格控制最大一段起爆药量。

（1）钻孔直径D：施工时使用Y-28气腿钻，使用42mm钻头，造孔直径42mm。

（2）药卷直径d：选用d=32mm乳化改性铵油炸药。

（3）钻孔深度L：综合钻杆风钻的影响及L=0.3～0.5洞宽经验公式，取L=5m。

（4）掏槽孔：采用三层复式楔形掏槽，掏槽角度分别为75°、60°和50°。孔距50cm，排距 35cm。炮孔装药量Q1=η1l1r1,η1—辅助孔装药系数，取 0.85，l1—孔深，r1—每米药卷重量。

（5）辅助孔：孔距80cm，排距80cm。炮孔装药量Q2=η2l2r2,η2—辅助孔装药系数，取0.7，l2—孔深，r2—每米药卷重量。

（6）周边光爆孔：炮孔间距取12D=50cm。炮孔装药量Q3=η3l3r3,η3—周边孔装药系数，取0.6，l3—孔深，r3—每米药卷重量。

泄洪洞开挖起爆网络及相关参数见图7和图8。

图7 上层导洞布孔示意图

图8 中、下层导洞布孔示意图

钻孔完成后，按炮孔布置图进行检查，要求掏槽孔眼口间距误差和眼底间距误差≤5cm，周边孔沿导流洞设计断面轮廓线上的间距误差≤5cm，周边孔外斜率≤5cm/m，孔底处开挖轮廓线最大距离≤15cm，并做好记录。对于不符合要求的炮孔重新钻孔。炮孔检验合格后，用高压风管将孔内泥浆、石屑吹净，将钻具及其辅助用品撤到爆破安全区，现场清理干净后，炮工组进入工作面，按爆破设计方案进行装药，已装药的炮孔及时用炮泥堵塞密封，炮孔采取反向连续装药，周边孔采用光爆药卷，同时为了克服岩石的挟制作用，其底部装一加强药卷。炸药装好并堵塞完毕后，由炮工组长检查并确定无误后起爆。

选用爆速低的φ32mm乳化炸药药卷和非电毫秒雷管。使用非电微差起爆网络设计控制爆破震动。采用非电微差起爆技术，不但可以有效控制单段雷管的起爆药量，又能有效地控制各段雷管的起爆间隔时间，使爆破震动波形不形成叠加，既能保证岩石破碎达到理想的效果，又能消除爆破震动的有害效应。在掏槽孔、掘进孔、底板孔或周边光面爆破中，起爆药量较大的段别的雷管，间隔时差设计为>25ms，即跳段设置。这样可使爆破震动速度降低30%，达到很好的爆破效果。

洞室开挖至0+285桩号时，揭露出F6断层，断层带长度为26m。采用“短进尺、弱爆破、少扰动，勤测量，多监测，强支护”的原则进行处理，每次进尺1m，间距50～60cm架设一榀22a工字钢钢拱架，顺利地通过了该断层带。

4 实际工程进度

工程于2011年5月6日开工至2011年8月6日结束，采用“三层五区”法施工，3个月内上导洞进尺345m，中层洞台阶进尺480m（1、2区累计进尺），下层洞台阶进尺286m（3、4区累计进尺），并包括48榀钢拱架制作、安装。

5 结语

正台阶施工是将洞室分成两个或多个工作面，上一个工作面超前下一个工作面一定距离的施工方法。在大断面洞室石方开挖过程中，常采用分层施工，先掘进洞室上分层，然后掘进下分层，各分层间始终保持相对固定的距离。“三层五区”法分上、中、下三层，各层同时施工，平行作业，提高了掘进速度，比较适用于大断面及特大断面洞室开挖，尤其适应于地质条件复杂多变的洞室，例如当泄洪洞穿越F6断层时，由于在上导洞内架设了36榀钢拱架，该区段每循环进尺0.8m左右，更甚者循环进尺只有0.5m。架设钢拱架时，钻爆人员转移至中、下导洞加大钻爆工作力度，在上导洞由于架设钢拱架当月进尺只有31m的情况下，当月中、下导洞累计进尺381m，有效避免了因架设钢拱架而导致的钻爆人员的窝工和设备的闲置，保证了计划工期的顺利实施，1#泄洪洞于2011年11月21日完成贯通，较施工进度计划提前了10天。