前坪水库输水洞石方洞挖施工

王 磊，郑 欣，于修胜，皇甫泽华

（1河南省水利第二工程局；2河南省前坪水库建设管理局）

1 工程概况

输水洞枢纽布置在主坝右侧，洞身段长约256.00 m。洞身段围岩以弱风化安山玢岩为主，岩体裂隙发育，为半一全充填，充填物为钙质、泥质及铁锰质薄膜。f40 断层（产状走向190°∠84°）与洞轴线夹角约倾角78°，破碎带宽0.20～0.60 m，断层带由碎块岩、角砾岩及断层泥组成，强度较低，对洞身稳定有一定影响。输水洞洞身段首段（0+019～0+130）、尾部及断层f43 、fl20、f121、f41、f35 断层破碎带位置岩体强度较低，隧洞开挖后与裂隙组合成不稳定的楔形体，局部可能存在塌落现象，稳定性差，围岩类别为Ⅳ类，以上部位可能产生塑性变形，不支护可能产生塌方变形破坏。支护类型采用喷混凝土、系统锚杆加钢筋网。

2 洞挖施工方案

2.1 总体思路

根据设计图纸所示，输水洞为圆形隧洞，隧洞开挖断面分为3 种，洞身Ⅰ型开挖直径为5.20 m，洞身Ⅱ型开挖直径为5.80 m，洞身出口最后一仓开挖直径为6.20 m，洞径较小，因此开挖采用全断面一次性开挖成型。根据施工进度计划，先进行出口段洞挖施工，待进口段明挖结束，且满足洞挖施工条件后，开始进、出口同时洞挖施工。

洞室开挖采用手风钻钻孔，设计轮廓线采用光面爆破。根据设计图所示，输水洞地质段围岩类以Ⅲ类、Ⅳ类为主，局部破碎带为Ⅴ类围岩。根据围岩类别不同，确定每循环进尺量，Ⅲ类围岩循环进尺2 m，Ⅳ类围岩循环进尺1.00 m。地质条件差地段开挖前采用超前支护。爆破后及时采用锚喷支护，Ⅳ围岩在每炮爆破后及时安装钢支撑进行支护。

2.2 超前勘探

为确保开挖后洞室安全稳定，开挖之前按监理人指定的掌子面钻设勘探孔和（或）开挖勘探洞，探查洞室中尚未开挖岩体的地质情况，及时调整掌子面后的开挖断面尺寸和支护措施。

根据输水洞地质情况，为确保施工安全及结构的长期稳定性，施工过程中将对围岩情况进行实施监测。通过对洞内外的观察、拱顶下沉、衬砌前净空变化、地表下沉等情况的观测，及相应的计算对围岩情况作出分析，看计算结果是否满足设计要求，并根据各种量测计算结果及时反馈于施工。根据本工程围岩类别、洞跨，参照《水利水电工程锚喷支护技术规范》（SL377-2007）要求进行监测。

3 洞挖施工方案

3.1 洞身开挖

洞身开挖施工，风水电管线路延伸至工作面，开挖圆形断面直径5.20 m，采用中心二级平孔掏槽，二级分层扩大，轮廓面光面爆破，最终形成设计断面。

进洞开挖时先采用“多分次，少进尺，勤放炮”的方法掘进，在输水洞中下或底部用手风钻钻浅孔（1～1.50 m），先爆出一个小导洞，然后逐步向外扩大钻爆开挖至周边设计线，并采用钢拱架进行初期支护，确保洞口围岩安全稳定，开挖掘进2～3 m后开始采用全断面分序钻爆开挖。

3.2 主要施工方法

3.2.1 测量放线

控制测量采用全站仪做导线控制网。施工测量采用全站仪进行，每次钻孔前均用红油漆在掌子面上标示各施工钻孔位置，标示周边孔轮廓线。另外每班还进行一次测量检查，确保测量及开挖工序质量。

3.2.2 钻孔作业

选派熟练的钻孔操作手，严格按照设计图纸及标书文件的规定进行钻孔作业。各钻工分区、分部定位施钻。每排炮由值班技术员按爆破图的要求进行检查。周边孔偏差≤5 cm，爆破孔偏差≤10 cm。

3.2.3 装药爆破

炮工按钻爆设计参数认真进行作业，炸药选用2#岩石乳化炸药。崩落孔、掏槽孔药卷直径Ф32 mm，连续装药，周边孔选用Ф22药卷，间隔装药。装药完成后，由技术员和专业爆破员分区分片检查，联结爆破网络，撤退工作设备、材料至安全区域后进行引爆。

3.2.4 通风散烟

爆破后启动轴流通风机压入通风，爆破渣堆进行洒水除尘。

3.2.5 安全处理

爆破完成后，待有害气体浓度降低至规定标准时，方可进入现场处理哑炮并对爆破面进行检查，清理危石。清理危石应由有施工经验的专职人员负责实施。

4 洞身支护

洞身段支护紧跟洞挖施工进行，每次爆破形成掌子面支护完成后，才能进行下一循环施工。

输水洞洞身采用Ф25系统锚杆进行支护，顶拱采用水泥卷式锚固剂进行锚固，边拱采用水泥砂浆锚固，锚杆施工完成后进行挂网喷射混凝土施工。

5 不良地质地段的施工

根据地质勘察资料可知，输水洞在局部存在断层破碎带，该处围岩级别为Ⅳ类，岩体强度较低，稳定性较差，在爆破完成后，及时采用钢拱架进行支护并喷混凝土加固，并加强围岩观测。

钢拱架施工工艺流程为：测量→开挖→钢拱架加工质量检验→安装钢拱架→隐蔽工程检查验收→喷射混凝土。

钢拱架选用I18 工字钢制成，钢拱架在开挖后及时架设，钢拱架安装利用锚杆头焊接固定，人工分节安装，节间用螺栓连接，拱脚及腰部打锁脚锚杆加固，每榀拱架间，通过纵向拉筋焊接联系形成整体进行混凝土喷护，钢拱架全部被喷射混凝土覆盖。

6 塌方的预防

6.1 勤观测

在施工过程中随时观察和监测现场工程地质和水文地质变化情况，研究变异规律，据以制订施工对策。塌方前一般有如下征兆：量测信息所反映的围岩变形速度或数值超过允许范围；岩石表面或喷射混凝土产生纵横向裂纹或龟裂；岩石风化和破碎程度加剧，有粘土、岩屑等断层充填物出现；岩层强度降低，纯钻进速度增大，但起钻困难甚至出现卡钻现象。

6.2短开挖

7 爆破设计

7.1 爆破试验钻孔机械选择

由于隧洞断面较小，受机械设备的限制，选用YT28凿岩机钻孔，钻孔直径d=42 mm。

7.2 爆破设计

7.2.1 孔径d

采用YT28凿岩钻机钻孔，钻孔直径d=42 mm。

7.2.2 孔距a

掏槽孔：掏槽孔呈水平对称布置共3 排，掏槽孔与工作面的夹角θ=67°左右，上下相邻两排炮孔间距at取0.40 m。

辅助孔：辅助孔是为了进一步扩大掏槽孔的体积而布置的炮孔，即二圈孔，炮孔的角度垂直于工作面。辅助扩大孔的间距af=14 d=14×42=59 cm，取60 cm。

崩落孔：当辅助扩大孔进一步扩大掏槽体积后，形成了较好的第二自由面，这时爆破即可按正常的崩落法爆破岩体，崩落孔间距ab=18 d=18×42=76 cm，取80 cm。

底孔：为避免欠挖，清除底坎，增加底孔的装药量，按Φ32 mm药卷连续装药，底孔间距ad=15 d=15×42=63 cm，取60 cm。

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光爆孔：采用光面爆破技术施工，在两边及拱顶进行爆破，可以提高拱顶的平整度，保护围岩少受爆破破坏影响。光爆孔间距az=13 d=12×42=50 cm。

7.2.3 孔深L

掏槽孔：每循环进尺钻孔深度L=2 m，掏槽孔加深0.20 m，掏槽孔孔深Lc=2.20 m，掏槽孔长度=Lc/sin67°=2.39 m。

其余炮孔：辅助孔、崩落孔、底孔、光爆孔的孔深均为2 m。

7.2.4 装药量Q

掏槽孔、辅助孔、崩落孔、底孔线装药密度取0.78 kg/m，光爆孔线装药密度为0.50 kg/m。

7.2.5 药卷直径选择

光爆孔选择Ф22 mm的药卷，其余均选用Ф32 mm的药卷。

7.2.6 堵塞长度

掏槽孔堵塞长度：Lcd=Lc-ηLcc=2.39-2.39×0.8=0.48 m

辅助孔堵塞长度：Lfd=Lf-ηLf=2.03-2.03×0.7=0.61 m

崩落孔堵塞长度：Lbd=Lb-ηLb=2-2×0.7=0.60 m

底孔堵塞长度：Ldd=Ld-ηLd=2-2×0.75=0.50 m

光爆孔堵塞长度：Lgd=Lg-ηLg=2-2×0.6=0.80 m

7.3 爆破参数

经现场爆破试验后，确定的爆破参数见表1、表2。

表1 输水洞开挖炮孔施工技术参数表（Ⅲ类围岩）

表2 输水洞开挖炮孔施工技术参数表（Ⅳ类围岩）

输水洞布孔及起爆雷管分段情况见图1。

图1 输水洞全断面布孔示意图

说明：图中单位以m 计，上图以输水洞开挖标准断面布设炮孔孔位，施工中，根据开挖断面不同，根据本方案施工方法进行调整；采用YT28凿岩机钻平孔爆破，毫秒微差起爆，由电雷管引爆整个起爆网络；Ⅳ类围岩采用加密炮孔，减少药量的方式，与Ⅲ类围岩进尺不同。

爆破装药结构见图2.

图2 爆破装药结构示意图

8 起爆网络

采用非电毫秒延期雷管起爆网络，装药时每孔孔内装入一枚相应段别的非电毫秒延期雷管（见图标所示），起爆顺序为：掏槽孔→辅助孔→底孔→崩落孔→光炮孔，图中起爆顺序为1→2→3→4→5→6→7→8→9。每排起爆延迟时间≥50 ms。

起爆网络设计见图3.

9 洞挖爆破主要施工方法

洞挖爆破施工流程为：参数设计→测量放样→技术交底→钻机就位→钻孔→验孔检查→装药联网→爆破→排险→支护→场地清理→下一循环。

图3 输水洞全断面起爆网络示意图

由具有相应资质的专业测量人员，按照爆破试验布置图进行测量放样。周边孔沿轮廓线调整的范围和掏槽孔的孔位偏差不宜＞±5cm，其他炮孔的孔位偏差不宜＞±10 cm。

钻孔时，钻机在测量放样点位置就位开始，钻进过程中，随时对钻孔深度和偏斜进行检测，以便及时纠偏。钻孔后进行孔口保护、警示。

各钻孔验收合格后，进行装药，其中光爆孔采用不耦合装药，炸药选用2#岩石乳化炸药。采取钻屑或黄泥堵塞，堵塞时适当捣实，尤其是中槽爆破确保堵塞长度，防止产生过量飞石。

采用导爆管、非电毫秒延期雷管组成的起爆网络，由爆破专业技术人员按设计网络进行联网。爆前必须认真检查，确定施工无误且安全措施就位后，方可起爆。