白鹤滩水电站泄洪洞底板水平光爆施工技术

陈 敏

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都，610066)

白鹤滩水电站泄洪洞底板水平光爆施工技术

陈 敏

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都，610066)

泄洪洞衬砌表面平整度、裂缝控制是整个泄洪洞施工过程中的控制重点，而洞身开挖质量的优劣，对于防止围岩应力集中造成后续衬砌结构的破坏，以及开挖期间洞室安全起着非常重要的作用。目前国内已建成的大断面泄洪洞工程，所采用分层并预留底板保护层的开挖方式进行施工，但由于各工程特性、地质条件的差异，施工工艺及关键施工参数存在很大的差异。本文通过金沙江白鹤滩泄洪洞的施工实践，总结并形成了玄武岩、柱状节理玄武岩地质条件下大断面隧洞底板保护层的施工工艺，并取得了较好的开挖质量效果。

白鹤滩水电站 大断面洞室 柱状节理玄武岩 底板保护层 水平光面爆破工艺

1 概述

1.1 工程概况

白鹤滩水电站共在左岸布置3条泄洪洞作为主要的泄洪枢纽。每条泄洪洞由上平段和龙落尾段组成，隧洞总长6745m,其中上平段长度5463m,龙落尾段长度1282m。泄洪洞设计断面采用城门洞型属于特大型断面洞室，其最大开挖断面结构尺寸宽×高为20m×23m,顶拱半径11.53m,最大开挖断面面积422.35m2；典型开挖断面宽×高为17m×20m，顶拱半径10.03m,开挖断面面积为316.5m2。泄洪洞上平段开挖坡度为1.5%，龙落尾最大坡度为25%。

1.2 地质情况简介

泄洪洞沿线为单斜地层，玄武岩岩流层；岩性为杏仁状玄武岩、隐晶质玄武岩、凝灰岩、柱状节理玄武岩。围岩类别以II类、III类为主，局部断层段、层间错动带为IV类围岩。主要地质构造有断层、层间错动带、层内错动带、发育裂隙，其中断层发育宽度0.2m～2.5m,层间错动带发育宽度5cm～60cm。岩石物理力学性能对于II类围岩坚固系数为7～8，III1类围岩坚固系数为5～6，III2类围岩坚固系数为4～5，IV类围岩坚固系数为2～3，V类围岩坚固系数为0.5～2。

2 洞身开挖方法简介

白鹤滩泄洪洞工程属于特大型断面，其开挖方法的选择尤为重要，结合前期导流隧洞以及溪洛渡、向家坝等大型水电站已建大断面洞室的施工经验，并结合本工程的工期要求、地质条件等特性，确定白鹤滩泄洪洞采用自上而下分层开挖的方法。对于开挖分层，要充分考虑施工道路、风、水、电、供排风系统的布置、开挖支护设备最优施工效率的发挥以及开挖质量。鉴于此，白鹤滩泄洪洞工程共分三层进行开挖，第Ⅰ层开挖高度为10m(主要考虑9m锚杆使用三臂钻机钻孔和插杆空间)，中层开挖高度8m,底板预留保护层2m，其中第Ⅰ层又按照先掏中导洞，两侧边墙滞后中导洞2～3循环后进行扩挖，边墙扩挖时考虑中层边墙梯段预裂造孔需要，技术超挖20cm,具体开挖分层见图1。

图1 泄洪洞开挖分层

泄洪洞第I层开挖采用型钢焊接钻爆平台，采用YT28气退式手风钻进行钻孔爆破，第II层采用100Y支架轻型潜孔钻机，搭设钢管样架进行边墙预裂钻孔、爆破，采用D7液压钻机进行梯段爆破钻孔爆破，保护层则采用手风钻钻水平孔爆破。

3 保护层施工工艺

3.1 预留保护层的意义

对于泄洪洞底板建基面，在整个洞室结构中其所承受的荷载最大，主要承受的荷载包括上部围岩压力、衬砌混凝土自重、内、外水压力等，这就要求泄洪洞底板岩石必须完整、坚硬，具有较高的承载能力，如果不预留保护层，而中层梯段爆破钻孔直接钻至设计基础面高程，由于爆破的影响必然会对建基面造成一定范围内的损伤，同时由于梯段爆破钻孔深度较大，钻孔精度控制较难，极易造成底板基础面的超欠挖，增加了欠挖处理工序以及回填混凝土工程量。因此，大断面洞室底板采用预留保护层的方法，对于控制建基面施工质量、减少超欠挖、节约施工成本具有重要意义。

3.2 保护层厚度及施工方法的选择

目前对于水平建基面保护层的开挖主要采用小孔径、密孔、小药量爆破开挖，所采用的方法有竖向钻孔分层剥离爆破开挖、一次性钻斜孔或竖直孔爆破开挖、水平光面爆破开挖等方式。对保护层分层开挖而言，其增加了钻孔工序，对施工工期影响较大，如果采用竖向钻孔进行保护层的开挖，可节省钻孔作业平台的布置，但对钻孔角度、深度、精度要求极为严格，同时需在爆破孔底板增加柔性垫层，装药结果较为复杂，过程控制难度较大。综合比较选用水平光面一次性爆破进行本工程洞室保护层的开挖。

保护层的预留厚度主要考虑施工的便捷性和对建基面的保护效果。如果厚度过小则中层梯段爆破时对建基面将会造成爆破损伤；厚度过大则增加了保护层的开挖工程量，并且需增加钻孔作业平台。根据“葛洲坝水利枢纽工程”、“三峡水利工程”、“安康水电站”等已建工程的大量试验数据分析，爆破对岩体的破坏深度约为20～30倍爆破药卷的直径，本工程中层梯段爆破采用直径为7cm的乳化炸药，因此其对岩石面爆破破坏深度约为1.4m～2.1m,本工程按照2m进行设计。

3.3 保护层爆破参数设计

3.3.1 光面爆破简介

光面爆破是在爆破开挖过程中，沿设计开挖轮廓线布设密孔，装少量炸药，在开挖区主爆孔爆破后再起爆的一种爆破技术，采用光面爆破技术具有获得平顺、整齐的设计开挖面，同时对被保留岩体爆破损伤较小的优点。衡量光面爆破成功的必要条件是爆破不压坏孔壁和沿预定方向成缝，其成缝机理与预裂爆破成缝机理基本相同，均是利用间距较小的相邻爆孔，爆破产生的高压冲击力、高压气体作用，在相邻爆孔的连线方向发生叠加，使岩体受拉产生裂缝，同时通过采用间隔和不耦合装药来降低孔壁压力，以达到减少爆破对被保留岩体的损伤。

影响光面爆破质量的爆破参数包括：药卷直径、钻孔孔径、钻孔间距、线装药密度、装药结构、抵抗线、岩体特性等。

3.3.2 光面爆破参数设计

(1)抵抗线确定

一般光面爆破孔的抵抗线按公式(1)进行估算，如下：

Wmin=(10～20)×D

(1)

式中：Wmin——为光面爆破孔抵抗线；

D——光面爆破孔钻孔直径(采用YT28手风钻钻孔、成孔孔径42mm)。

计算结果Wmin取值范围为42cm～84cm，本工程取均值70cm。

(2)光面爆破孔孔距

光面爆破孔孔距按公式(2)进行估算，如下：

a=(0.6～0.8)×Wmin

(2)

a为光面爆破孔间距，计算值为42cm～56cm,本工程取50cm。

(3)装药量的确定

光面爆破孔装药量按公式(3)进行估算，如下：

Q线=q×a×Wmin

(3)

Q线——光面爆破孔装药线密度；

q——光面爆破炸药单耗,根据规范推荐取值为0.15kg/m3～0.25kg/m3，对于硬岩取大值、软岩取小值；本工程底板主要以II类、III1类围岩为主，属于硬岩，计算按照0.25kg/m3进行取值。

经过计算，光面爆破孔线装药密度为88g/m,为便于实际操作，本工程光面爆破孔线密度按100g/m进行控制。

(4)装药结构

本工程光面爆破孔装药采用间隔、不耦合装药结构，由于钻孔采用手风钻钻孔，成孔孔径42mm,为使光面爆破孔装药不耦合系数大于2,泄洪洞底板保护层光面爆破孔药卷采用直径为25mm的乳化炸药搓细后使用。根据线装药密度的选择将1/2节药卷按照50cm的中心间距绑扎在竹片上。具体装药结构如图2所示。

图2 光面爆破孔装药结构设计

(5)起爆

依据光面爆破成缝原理分析，为使爆破应力波与爆炸气体作用应力场在两孔之间叠加，应尽量使光面爆破孔同时起爆，同时考虑爆破振动的影响，当光面爆破孔数较多时可分段进行起爆，按照设计本工程每次爆破光爆孔数量为35个，总装量为10.5kg，因此本工程采用导爆索整体爆破。

4 爆破质量控制

光面爆破质量效果的好坏60%取决于钻孔质量，40%取决于爆破技术水平。因此钻孔质量的控制尤为重要，钻孔质量控制的标准为“平、整、齐”，即钻孔应位于同一水平面，钻孔孔底位于同一里程，钻孔倾角满足设计、规范要求。钻孔质量的控制，主要是定位控制、钻孔过程控制、终孔质量检查。在本工程中采用全站仪逐孔坐标定位，保证开孔偏差不大于5cm,并在掌子面2m外按照5个孔的间距测放钻孔方向控制后视点，在底板上埋设插筋，搭设架管钻孔样架控制钻孔间距，并在钎杆上设置钻孔深度控制标识。在钻进过程中采用坡度尺、水平尺、钢尺对钻孔上、下、左、右倾角进行测量矫正。钻孔结束后全孔插标杆进行孔深、孔距、倾角的测量。

5 实施效果

白鹤滩泄洪洞底板共计开挖130个单元，其中评定为优良单元的数量为120个，优良率为92%，开挖平均半孔率达90%，平均超挖小于15cm,开挖质量满足规范要求。按照设计要求对于Ⅲ1类围岩要具备承载能力要求所达到岩体的波速为4200m/s,而通过采用预留保护层，水平光面爆破施工工艺，基础面实测平均波速为4400m/s，满足设计指标。

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