白鹤滩水电站泄洪洞二次刻槽开挖施工技术研究与应用

(中国水利水电第五工程局有限公司工程部，成都，610066)

1 工程概况

白鹤滩水电站泄洪洞采用左岸单侧近平行布置，共3条，自山体向江侧依次为1#、2#、3#，相邻两条洞室轴线间距为51m(进口段)，单条泄洪洞最长2.3km，总长6.7km。每条洞均布置3道掺气设施，均为底掺气+侧掺气组合；其中侧掺气为突扩型，两侧突扩宽度0.35m，前两道侧掺气较底坎掺气后退0.8m，后一道侧掺气与底掺气齐平，每道掺气设置独立的通风洞由洞外补气。

泄洪洞龙落尾掺气坎处开挖断面尺寸为24.2m×24.7m(城门洞型)，断面尺寸较大。龙落尾段断层发育，以陡倾角为主，平均发育密度0.5条/10m。断层F3、F28、f544规模较大，宽0.5m～2m，以角砾化构造岩为主，局部夹断层泥。掺气坎部位的围岩以次块状和块状结构为主，部分为镶嵌结构，围岩类别以Ⅲ1类为主，少量Ⅲ2类，其岩体局部为弱风化、弱卸荷，构造发育，岩体的透水性增大。

2 施工技术方案

2.1 施工分层分区

结合龙落尾开挖分层，在掺气坎处分三层进行开挖，第Ⅰ层开挖高度12.8m，第Ⅱ层开挖高度9.9m，第Ⅲ层开挖高度2m。其中第Ⅰ层分三区进行爆破。具体开挖分层见图1。

图1 掺气坎开挖分层

掺气坎Ⅰ层计划分四个区进行开挖：

①区为顺水流方向掏槽区，首先在掺气坎通风竖井部位进行掏槽，再顺洞轴线方向扩槽，槽宽2m；

②区为顶拱中部拉槽区，利用已经开挖完成的①区作为钻孔操作空间，在掺气坎中部洞轴线垂直于洞轴线方向进行拉槽，槽宽2m；

③区为掺气坎上下游扩挖区，待②区开挖完成后，利用②区作为钻孔空间，分上下游进行掺气坎顶拱扩挖；

④区为边墙扩挖区，③区扩挖完成，形成钻孔平台后，竖向钻孔进行边墙扩挖。

掺气坎Ⅱ、Ⅲ层分两区进行开挖，其中①区为龙落尾主洞的开挖，主洞开挖完成形成爆破临空面后，进行边墙突变部位的开挖，该区为开挖②区。

具体分区见图2-图5。

图2 掺气坎Ⅰ区开挖分区

图3 掺气坎Ⅰ区开挖分区剖面

图4 掺气坎Ⅱ/Ⅲ区开挖分区

图5 掺气坎Ⅱ/Ⅲ区1-1剖面

2.2 光面爆破参数设计

掺气坎结构面采用光面爆破技术进行开挖，第Ⅰ层及第Ⅲ层光面爆破钻孔主要采用YT-28风钻，成孔孔径φ42mm，中层采用KS100B支架钻机钻孔，成孔孔径φ90mm。根据施工组织设计手册推荐的经验公式，光面爆破孔间距按照(10～15)d进行计算，因此，掺气坎第Ⅰ层、Ⅲ层光面爆破孔距设计值为42cm～63cm，结合平洞开挖经验初步设计按照50cm进行控制；第Ⅲ层光爆孔距设计值为90cm～135cm，考虑药径与钻孔孔径的不耦合系数较大，结合白鹤滩水电站泄洪洞上平段中层预裂爆破参数，初步设计时选择60cm。光面爆破孔最小抵抗按照1.2～1.4倍孔距进行计算，即60cm～84cm，初步设计选择60cm。

3 主要施工工艺流程及操作要点

3.1 施工程序

掺气坎第Ⅰ层开挖分别在龙落尾Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ层开挖完成后进行施工，中、下层随龙落尾主洞的开挖同步进行，掺气坎第Ⅰ层开挖完成后即施工3排锁口锚杆。龙落尾段掺气坎施工工艺流程见图6。

图6 掺气坎爆破施工工法工艺流程

3.2 操作要点

3.2.1 槽挖分层、分区

白鹤滩水电站泄洪洞洞室开挖断面为18.9m×21.9m，二次刻槽后最大断面尺寸为24.5m×24.7m。采用先进行洞身分层(顶拱、边墙、底板三层)开挖，每层洞身开挖完成后即进行刻槽开挖。顶拱刻槽先在中部(竖井下方)开挖2m×2m的深槽，然后沿洞壁向两侧拉2m宽槽，开挖采用手风钻钻孔，进尺不大于1.5m，光面爆破。2m拉槽开挖完成后，作为钻孔空间向上下游方向光面爆破。顶拱开挖完成后作为边墙槽挖钻孔空间，采用100B钻深孔，三面光爆一次爆破成型。底板采用光面爆破短进尺开挖。

3.2.2 爆破钻孔放样

(1)上层开挖测量放样

为确保开孔精确，开挖施工放样均按照爆破设计，对设计孔位进行逐孔放样，开孔点测放后，每间隔一个孔，在开孔点后方4.0m处测放一个方向控制点，在起拱、顶拱中心部位另外在开孔线后方5.0m处测放增加一个方向控制点，确保造孔控制精度。同时在隧洞内侧测放一条桩号线，利于标识位置。

(2)中层开挖测量放样

根据中层开挖施工方案，中层开挖施工采用垂直光爆的方式进行施工。施工测量放样前首先对边墙进行超欠挖检查，欠挖的地方必须进行处理。边墙欠挖处理完成后，将光爆钻孔施工面清理干净，清理出宽度为2.0m～2.5m的工作面，确保无松渣、浮渣，大致平整，平面起伏控制在0.5m以内，不满足平整度要求的采用手风钻进行检平，便于测量精确放点和满足钻机定位架稳定搭设。施工放样按照钻爆设计每两个孔测放一个孔位点，同时在孔位点后方1.7m处测放一个方向点，在结构变化部位，逐孔放孔位点和方向点；梯段开挖施工放样，进行开挖梯段高度控制，确保底板保护层厚度不小于2m，光面爆破孔施工完成，进行梯段爆破施工前，在两侧边墙上距离底板顶面0.5m处测放高程控制点，便于作业班组技术员控制本段梯段孔孔深。

(3)下层开挖测量放样

根据底层开挖施工方案，底层开挖施工采用水平光爆的方式进行施工，开挖方式与上层开挖施工相近，为确保底板开孔精确，底板开挖施工放样按照爆破设计，对周边孔进行逐孔放样，确保每循环开孔点在同一条直线上。开孔点测放后，每间隔一个孔，在开孔点后方4.0m处测放一个方向控制点，在底板中心点另外在开孔线后方5.0m处测放增加一个方向控制点，确保造孔控制精度。

上、中、下层测量孔孔位均用红油漆标注于岩面上，测量放样成果表经作业班组技术员、现场质检员会签后，提交于开挖作业班组进行施工。

3.2.3 爆破钻孔施工

设计开挖结构轮廓测量放样完成后，即进行钻孔前准备工作，进行造孔施工，在钻孔施工中，控制钻孔孔位偏差、孔向偏差、孔深偏差都必须符合爆破设计和规范要求，每排炮按“平、直、齐”的要求进行检查，周边光爆孔、预裂孔开孔与测量点位偏差不大于3cm，其他钻孔孔位偏差小于10cm。钻孔作业中必须保护好孔口，炮孔钻完后，用编织袋或棉纱堵塞孔口进行保护，防止石渣掉入孔内(尤其中层爆破孔)。对于因堵塞无法装药的钻孔，应予吹孔或补钻。每个钻孔施工完毕后，现场作业班组长对钻孔进行初部检查，并及时纠正偏差，所有钻孔完成后作业队当班技术员进行复检，对不符合要求的钻孔立即要求补打，最后将检查结果通知项目部终检，由终检重点检查周边孔，所有钻孔符合要求后报请现场监理工程师验收后进行下一步工序，为确保钻孔施工质量，加快验收进程，复检和终检应在施工过程中根据情况，不定时旁站监督。

采用手风钻机钻孔，由于钻机本身质量较轻，钻孔过程中极易发生滑钻、偏移现象，因此，在开孔时至少有2名施工人员把控，1名控制钻机、1名扶杆定位，开孔时先采用1m短钻杆半风进行钻进，待入岩深度达到20cm时再根据钻爆台车结构尺寸分级更换钻杆长度。钻孔过程中应随时检查钻孔方向、角度是否满足爆破设计要求，钻孔完成后采用高压风将炮孔内残渣反吹干净，清孔后掏槽孔及周边光爆孔全数插标杆进行检查，对于不满足爆破设计及规范要求的孔，必须进行补打。在用风钻进行底板光爆孔凿孔时，必须采用脚手架搭设钻孔样架固定钻机进行钻孔，严禁施工人员脚踩钻机凿孔。

中层开挖采用竖直梯段光面爆破，采用KS100B支架钻机造孔，根据乳化炸药规格考虑爆破效果，孔径采用φ90mm。为控制光面爆破孔造孔精度，采用钢管在开孔线侧搭设钻孔样架，样架采用φ48mm×3.5mm的脚手架钢管搭设成三角架型，样架高度约为2.2m，采用预先埋设在基岩面上的固定杆固定，为便于与钻孔样架连接，固定杆采用长度为0.8m长的φ48mm×3.5mm脚手架钢管，入岩深度为0.3m，用锚固剂锚固，预埋孔直径φ50mm采用手风钻造孔，固定杆预埋孔根据事先已经放样的预裂孔和方向孔定位。

钻孔样架定位安装完成后，按照预定的检查验收项目进行三级检查，合格后进行钻机安装。采用100B钻机进行预裂孔造孔时，由于钻机体型原因，在开孔时钻孔中心线向设计开挖轮廓线内偏移5cm(即开孔欠挖5cm)，钻孔垂直向坡度控制不大于0.4%，以控制孔底施工超挖在10cm以内，钻机安装完成后采用2.0m长的铅垂线配合水平尺对钻机偏角进行控制。

3.2.4 爆破设计

梯段爆破设计主要是根据岩性及炸药类型，临空面情况选定合理的爆破单耗，根据爆破单耗确定孔网参数，初步设计掺气坎Ⅰ层①区爆破工程量为43.2m3，平均单耗按1.01kg/m3控制；龙落尾掺气坎Ⅰ层②区爆破工程量为236m3，平均单耗按0.7kg/m3控制；龙落尾掺气坎Ⅰ层③区/④区爆破工程量为302.64m3，平均单耗按0.4kg/m3控制；龙落尾掺气坎Ⅱ层爆破工程量为216.4m3，平均单耗按0.57kg/m3控制；Ⅲ层爆破单耗按0.4kg/m3控制。具体爆破参数见表1-表5。

表1 2#、3#龙落尾掺气坎Ⅰ层①区爆破参数

表2 2#、3#龙落尾掺气坎Ⅰ层②区爆破参数

表3 2#、3#龙落尾掺气坎Ⅰ层③区/④区爆破参数

表4 2#、3#龙落尾掺气坎Ⅱ层爆破参数

表5 2#、3#龙落尾掺气坎Ⅲ层爆破参数

4 效益分析

白鹤滩水电站泄洪洞洞身龙落尾掺气坎开挖通过合理的分层、分区，使三面光爆的开挖方式得以实现。由于采用三面光爆技术，最终半孔率达85%，平均超挖14.5cm，大大减少了掺气坎开挖的超挖工程量，也意味着后期衬砌混凝土超填量大大降低。

通过此项刻槽开挖施工工艺的研究及应用，使得洞身龙落尾掺气坎开挖体型控制精准、开挖面平整、超挖小，为类似工程提供了可靠的借鉴经验，为白鹤滩水电站工程建设为国际一流工程打下了基础；同时，掺气坎开挖施工方法大大提高了施工质量，也是石方槽挖工艺的一次提高。

5 结语

白鹤滩水电站泄洪洞洞身掺气坎开挖采用了该工法中的开挖工艺，泄洪洞掺气坎开挖岩面平整，无欠挖，残孔清晰无明显裂隙，施工质量满足规范要求，得到业主一致认可。

开展大型洞室二次刻槽开挖施工技术研究，不仅对依托工程具有重要的指导作用，而且也必将促进我国洞身刻槽施工技术和理论进步，并为类似工程的设计、施工和管理提供参考，具有较广阔的应用前景。