古城水电站引水隧洞开挖施工技术

杨 平， 苏 小 明， 杨 晓 永

(中国水利水电第十工程局有限公司 一分局，四川 成都 610072)



古城水电站引水隧洞开挖施工技术

杨 平， 苏 小 明， 杨 晓 永

(中国水利水电第十工程局有限公司 一分局，四川 成都 610072)

结合工程实例，对隧洞开挖的施工方法进行了探讨,分别介绍了施工方法以及针对特殊地质洞段采取的安全处理措施,希望对今后同类型隧洞的开挖施工具有指导意义。

开挖；方法；特殊地质洞段；安全；措施；古城水电站

1 工程概述

古城水电站位于四川省平武县境内的涪江上游干流上，是涪江上游干流水电梯级开发中的第二级，为低闸引水式电站。电站装机2台，总装机容量为100 MW。工程枢纽建筑物主要由拦河坝、左岸引水系统、岸边地面厂房及开关站等组成。 厂址位于平武县古城镇，距坝址公路里程约10 km。当地交通以公路为主，现有205省道(九环线)沿涪江左岸通过坝址和厂址。

5#施工支洞与引水隧洞交于(引)6+778.252，鉴于洞径较大，需明挖抽槽方具备成洞条件，该段地形坡度较缓，地表覆盖厚约15～20 m的残、坡积物，其成份主要为粘土夹碎块石。基岩属志留系通化组上岩段第二层，以灰色千枚状粉砂质板岩为主，夹薄层状砂岩及结晶生物碎屑灰岩透镜体。表层岩体风化强烈，岩体强风化深度为15～18 m，弱风化深度为32～38 m。构造上位于清溪断裂带之北部边界断裂(F43)的北西侧，虽距离较远，受影响程度较小，但岩层受其影响局部扭曲。洞口段围岩风化强烈，稳定性差，属Ⅴ类围岩；洞室内岩体虽为弱风化，较完整，但强度低，片理发育，岩层走向与洞轴线夹角约34°，围岩稳定性较差，属Ⅳ类岩体。该洞段成洞条件较差，对施工中可能出现的塌方和临时涌水问题需制定相应的工程处理措施，对断层、挤压破碎带和不利结构面组合引起的局部不稳定块体应加强临时支护。

2 主要施工方法

先进行明挖抽槽，槽挖的同时进行削坡，边开挖边支护，开挖至洞口时对洞脸进行削坡成形并加强支护(超前小导管预注浆)，为洞挖提供安全施工条件，5#施工支洞为城门洞型，石方洞挖主要以全断面掘进、一次钻爆成型的施工方法进行施工， 锁口处洞挖完成后，立即跟进喷混凝土及钢支撑并迅速加强支护混凝土，封闭岩面。

洞口开挖前，先进行洞口周边锁口锚杆的施工，再挂口进洞。进口段周边采用光面爆破，YT-28手风钻造孔，人工装药，非电毫秒延期雷管微差挤压爆破。洞口段开挖采用 “短进尺、小药量、弱爆破”方式，周边孔间距为40～50 cm，周边孔外第一排崩落孔按周边孔方式控制，间距50～60 cm，与周边孔距离控制为50～60 cm，周边孔采用光面爆破，每循环进尺控制为1.5 m左右。开挖过程中严格控制装药量，尽可能地减小对周边围岩的扰动。采用装载机出渣，15 t自卸汽车运输。

洞身段采用自制施工台架、利用YT—28手风钻造孔，楔形掏槽方式，孔深2.5 m，孔径为42 mm，人工装药，非电毫秒雷管微差挤压爆破。周边光面爆破，间隔装药，导爆索起爆。爆破参数在开挖过程中根据具体的岩性条件作适当调整，采用LZL-120扒渣机装渣，5 t自卸汽车运输，弃渣用于渣场道路的填筑。开挖后，根据揭示的地质情况，及时采用锚喷等方式及时跟进支护周边围岩。

2.1 爆破参数的确定

炮眼种类：隧洞爆破炮眼分为掏槽眼、辅助眼和周边眼。掏槽眼布置于断面中央偏下部；辅助眼位于掏槽眼和周边眼之间；周边眼沿隧洞周边布置，外插斜率为0.03～0.05。

炮眼直径：炮眼直径的大小对钻眼效率、全断面炮眼数目、炸药消耗量和爆破岩石块度与岩壁平整度均有影响，因此，应根据隧洞断面的大小、块度要求、炸药性能和凿岩机性能综合考虑后进行选择。炮眼直径大，可减少炮眼数目；炸药能量相对集中，也可提高爆破效率，但钻速下降，影响爆破质量并降低围岩稳定性。在采用气腿式凿岩机的情况下，现场多根据药卷直径确定炮眼直径。目前国内岩巷掘进均采用直径 32 mm、25 mm两种药卷，炮眼直径多采用42～45 mm。

炮眼深度：炮眼深度决定了每一掘进循环的钻眼和装岩工作量、循环进尺以及每班的循环次数，炮眼深度主要根据岩石性质、隧洞断面大小、循环作业方式、凿岩机类型、炸药威力、工人技术水平等因素确定。单从爆破理论进行分析，采用中深孔(大于2.5 m)爆破最为合理，从近年来的发展趋势看，炮眼深度逐渐由浅孔向中深孔发展。合理的炮眼深度应以高速、高效、低成本、便于组织正规循环作业为原则，炮眼深度机械化程度高，炮眼深度一般为2～2.5 m。

装药量：通过试验确定，一般为0.8～2.4 kg/m3,岩层越坚硬，其取值越大。

炮眼数目：炮眼数目的多少直接影响钻眼工作量、爆破岩石的块度、隧洞的形状等。炮眼数目取决于岩石性质、巷道断面尺寸、炮眼直径和炸药性能等因素。合理的炮眼数目应以保证爆破效果的实现为原则。一般是先以岩层性质和断面大小进行初步估算，然后在断面图上做出炮眼布置，得出炮眼总数并通过实践调整修正。

炮眼数目根据单位炸药消耗量按下式估算后，再按上述经验方法确定：

N=qSmη/aP

式中N为炮眼数目；q为单位炸药消耗量(kg/m3)；S为掘进面积(m2)；m为每卷炸药长度(m)；η为炮眼利用率；a为装药系数，即装药长度与炮眼长度之比，一般取0.5～0.7；P为每卷炸药的质量(kg)。

爆炸单耗：指爆破1 m3实体岩石所需的炸药量，也就是工作面一次爆破所需总炸药量和工作面一次爆下的实体岩石总体积之比，即：q=Q/V。这是一个很重要的参数，将直接影响到岩石块度、钻眼和装岩的工作量、炮眼利用率、巷道轮廓的整齐程度、围岩的稳定性以及爆破成本等。

2.2 影响炸药消耗量的主要因素

(1)炸药性能：对同一种岩石，采用威力大的炸药，其炸药消耗量就小；反之，炸药消耗量增大。

(2)岩石的物理力学性质：一般讲，岩石坚固性系数f愈大，炸药消耗量也愈大；反之，则愈小。岩石的层理、节理、裂隙发育程度对炸药消耗量的影响也很大，对于同一种岩石来说，如层理、节理、裂隙发育(在一定限度内)，炸药消耗量就会减少。

(3)自由面的大小和数目：自由面数目增多，炸药消耗量就会减少。在巷道掘进中，每爆破单位体积岩石所需克服的巷道周边阻力随断面而变化，巷道断面愈小，所需克服的周边阻力愈大，所需的炸药消耗量也愈大；随着巷道断面积的增大，巷道周边并不是成正比例增大，爆破单位体积岩石所克服的周边阻力则相对减少，故炸药消耗量也减少。

3 针对特殊地质洞段采取的安全处理措施

特殊地质洞段是指岩体特别不稳定、需要采取临时安全支护或其他特殊处理方法的洞段。不排除局部地质条件很差、岩层破碎、围岩自稳能力差，无法正常钻爆施工，需要采取其它的临时支护措施。

开挖经过断层破碎带时，沿洞顶设置φ25@1 m，L=3～3.5 m的超前锚杆锁固围岩外壁，采用“浅眼(1～1.5 m)、密孔、少药量，短进尺、多循环”的施工方案，甚至采取导坑领进二次扩挖成型施工。在施工过程中，严格控制装药量，导坑开挖时按先上导坑领进、后下部扩挖的方式进行,采用锚喷支护结合花拱架或钢支撑安全支护；对于特差洞段可辅以环型开挖及管棚施工，同时进行必要的超前探测，充分了解前方围岩情况，制定相应的施工措施和对策。

围岩不稳定洞段：按浅眼(1～1.5 m)、密孔、少药量、多循环的方案施工，毫秒微差挤压光面爆破。开挖过程中，严格控制装药量，尽可能小地扰动周边围岩，将单循环进尺控制在1.2 m以内。对于地下水发育段，采取“引、排、堵”结合的综合措施。上部爆破后实施喷锚和花拱架支护，最后扩挖。花拱架采用φ25/φ16制作，边长25～30 cm，间距0.5～0.8 m。

对于地下水发育洞段：采用数量不等的深排水孔并及时喷混凝土锁住岩面；对于集中排水的地方必要时采用化学灌浆、堵引结合的排水措施。

特殊地质洞段围岩开挖的一般原则：

(1)软弱地质洞段：采用“浅孔、少药、多循环”的方法钻孔爆破，并在圆拱部位设置φ300～350的锚杆，其间距为100～120 cm，排距为120～150 cm；若锚杆仍不足以保持围岩稳定，则同时进行喷混凝土(C25，厚度为3～10 cm)封闭岩面，并视情况决定是否需要加挂φ8@20 cm×20 cm的钢筋网，以保证开挖的质量和施工期的安全。

(2)岩层较差洞段或脱层掉块严重洞段：采用“浅孔、少药、多循环”的方法钻孔爆破，导坑领进扩挖跟进并及时在圆拱部位设置φ22，L=2.5～3 m的锚杆，其间距为1～1.2 m，排距为1.2～1.5 m；采用钢支撑加强支护，钢支撑用I18工字钢分节制作，榀间间距为60～100 cm，相邻钢支撑之间由φ25/φ16制作的花拱架相连；同时进行喷混凝土(C25，厚度为7～15 cm)，加挂φ8@20 cm×20 cm的钢筋网，以保证开挖的质量和施工期的安全。

(3)特差洞段：不但在开挖后要采取上述的挂网喷混凝土、锚杆、钢支撑措施之外，在开挖前还要采取超前管棚及预灌浆等特殊手段进行处理。开挖仍然采用“浅孔、少药、多循环”的方法，导坑领进及支护，再扩挖和支护。

在完成5#施工支洞明挖抽槽后及时进行了洞脸系统锚杆及锁扣锚杆的支护。在准备进行洞脸混凝土浇筑时，洞口支0+000～支0+005段出现了大面积塌方，为确保5#施工支洞安全顺利的进入，在洞口设置锁口混凝土(明洞)，明洞长12～15 m,外部为方型，尺寸为(宽)8.8 m×(高)7.114 m，内部为城门洞型，洞脸净空较原设计尺寸放大为(宽)6.2 m×(高)6.1 m。洞脸锁口混凝土两侧设置底宽3 m，顶宽1 m的C20单层钢筋混凝土挡墙，并设置了骑缝钢筋与锁口混凝土相连。锁口混凝土施工完成后进行钢拱架及超前小钢管支护，同时在洞顶进行超前固结灌浆、待达到龄期后进行洞口塌方土回填的施工，最后进行土工网+喷洒草籽的支护施工。

洞内混凝土钢筋衬砌段钢拱架采用I18工字钢，并在拱脚处设置5 mm厚钢板作为支撑垫板(尺寸为30 cm×30 cm)，拱架间距50 cm，榀间采用φ25钢筋进行连接，顶拱间距0.5 m，拱脚间距1 m。锁脚锚杆φ25，L=3 m，间距1.5 m。根据实际情况现场确定挂设φ6.5@20 cm×20 cm钢筋网，人工点焊固定。

设置了一排φ50超前小钢管, 根据实际情况需要注浆， 钢管顶拱环向间距为15 cm，边墙环向间距为30 cm。

4 结 语

在引水隧洞掘进施工前进行了爆破参数的选定，在钻爆过程中根据地质情况不断调整爆破参数，使之适应出露的围岩地质条件。古城水电站引水隧洞的开挖质量满足设计要求，开挖质量得到业主、设计和监理单位的肯定。

[1] 张智涌.水利水电工程施工技术[M].北京：水利水电出版社，2003.

[2] 赵小正.水利水电工程施工中隧洞钻孔爆破技术研究[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

(责任编辑：李燕辉)

2016-08-15

TV7;TV52;TV554

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1001-2184(2016)05-0024-03

杨 平(1973-)，男，重庆万州人，高级工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

苏小明(1969-)，男，四川射洪人，高级工程师，学士，从事水电工程施工技术与项目施工管理工作；

杨晓永(1983-)，男，河北石家庄人，助理工程师，学士，从事建设工程施工技术与管理工作.