緩傾角薄層圍巖下大斷面洞室開挖與支護(hù)施工

胡中闊

（中國水利水電第九工程局有限公司第一分局，貴州貴陽，550008）

【摘要】馬馬崖一級(jí)水電站進(jìn)廠交通洞地質(zhì)條件較差，主要為晶洞灰?guī)r、泥晶灰?guī)r，巖層為緩傾角薄層，不利于頂拱開挖成型，根據(jù)地質(zhì)情況，選用楔形掏槽施工技術(shù)，確保洞室開挖質(zhì)量；同時(shí)根據(jù)開挖揭露情況，及時(shí)采取相應(yīng)方案對(duì)頂拱薄層進(jìn)行支護(hù)，確保了洞身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】緩傾角薄層 楔形掏槽 爆破參數(shù) 支護(hù)方案 技術(shù)總結(jié)

1 工程概況

馬馬崖一級(jí)水電站位于北盤江中下游，地處貴州省關(guān)嶺縣花江大橋上游20.2km的峽谷中。為北盤江干流（茅口以下）梯級(jí)開發(fā)的第二個(gè)電站，其上游是已建成的光照水電站，為本流域龍頭電站；下游有規(guī)劃的馬馬崖二級(jí)水電站和剛建成的董箐水電站。電站裝機(jī)容量558MW，安裝3臺(tái)180kW水輪發(fā)電機(jī)組與1臺(tái)18kW生態(tài)小機(jī)組。

進(jìn)廠房交通洞位于大壩下游左岸，是進(jìn)入引水發(fā)電系統(tǒng)地下廠房的唯一通道；交通洞起點(diǎn)為下游交通橋左岸橋頭，終點(diǎn)與廠變交通洞相接，全長753.34m，穿越中厚層夾薄層灰?guī)r、晶洞灰?guī)r及泥晶灰?guī)r，洞內(nèi)夾層、裂隙及巖溶發(fā)育，滲水嚴(yán)重；巖層單斜，產(chǎn)狀N60°～70°W, NE∠10°～14°，為緩傾角薄層。交通洞為馬蹄形結(jié)構(gòu)，開挖斷面11.98m×8.83m（寬×高），洞室斷面較大；一期支護(hù)形式為：設(shè)置22、L=3.0m的錨桿@1.5m×1.5m，拱頂設(shè)置單層鋼筋網(wǎng)φ6.5@20cm×20cm, Ⅲ類圍巖噴C20混凝土厚10cm、Ⅳ類圍巖噴C20混凝土厚15cm。

2 開挖掏槽方式的確定

地下洞室爆破開挖采取中間掏槽、周邊崩落、四周光面爆破的技術(shù)方案，中間掏槽是洞室爆破成敗的關(guān)鍵，關(guān)系到開挖進(jìn)尺與洞身成型效果，目前國內(nèi)主要采取“直眼”與“楔形”兩種掏槽方式；根據(jù)馬馬崖一級(jí)水電站進(jìn)廠交通洞穿越的地質(zhì)情況，對(duì)上述兩種掏槽方式進(jìn)行比選確定。

2.1 掏槽方式定義

楔形掏槽：即工作面上由兩排對(duì)稱的傾斜炮眼組成，爆破后形成如楔狀的掏槽。

直眼掏槽：即掏槽眼均垂直于掘進(jìn)工作面，彼此間距較小，并有不裝藥空眼的掏槽方式。

2.2 掏槽方式比選

（1）直眼掏槽。

優(yōu)點(diǎn)是：即使在小斷面洞室中亦可實(shí)現(xiàn)深孔作業(yè)，所有炮眼都相互平行，鉆眼方便，爆破時(shí)巖石拋擲力小，利于保護(hù)掌子面以外的臨時(shí)支架。

缺點(diǎn)是：由于要在開挖掌子面中心造孔，需在鉆爆臺(tái)車中間增設(shè)作業(yè)平臺(tái)，增加臺(tái)車自重，臺(tái)車移動(dòng)不便；鉆孔數(shù)目多，中間不裝藥炮孔為大直徑孔，增大鉆孔難度、增加鉆孔時(shí)間，單位巖體炸藥消耗量較大，鉆眼與軸線的平行度、與斷面的垂直度、孔位的精度等要求高，由于孔距較小，易造成殉爆，從而擾亂起爆順序，造成掏槽失敗。

（2）楔形掏槽。

優(yōu)點(diǎn)是：爆破力比較集中，爆破效果較好，掏出的槽子體積較大，可以適應(yīng)各種不同程度的巖層；造孔數(shù)目小，單位巖體炸藥消耗量小；只需在掌子面中心兩側(cè)造孔，臺(tái)車自重輕，且便于移動(dòng)。

缺點(diǎn)是：需要足夠的掌子面，確保掏槽鉆孔；如小斷面洞室開挖時(shí)會(huì)出現(xiàn)造孔難度大，只能淺孔作業(yè)，進(jìn)尺短。

（3）地質(zhì)條件對(duì)掏槽方式的要求。

進(jìn)廠交通洞圍巖為緩傾角薄層，局部為極薄層，根據(jù)巖層情況，為了確保頂拱開挖成型，同時(shí)減少對(duì)薄層爆破破壞，中間掏槽需從以下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：

1）增加洞室爆破掏槽面積，在掌子面中部形成一個(gè)較大凹槽，為崩落區(qū)創(chuàng)造較好的臨空面，以減少爆破震動(dòng)對(duì)洞身圍巖的破壞；

2）控制起爆藥量，減少爆破震動(dòng)對(duì)頂拱薄層的破壞。

2.3 掏槽方式的確定

根據(jù)進(jìn)廠交通洞地質(zhì)條件，結(jié)合上述兩種掏槽方式比選情況，選用楔形掏槽更有利于確保洞室開挖成型，且可以采取全斷面開挖方案；進(jìn)廠交通洞開挖斷面面積為87.0m2，洞身最大開挖寬度11.98m，適合楔形掏槽施工條件，因此，確定進(jìn)廠交通洞開挖采用楔形掏槽爆破方案。

3 楔形掏槽原理

楔形掏槽的原理是充分利用隧道斷面大、圍巖硬度大等特點(diǎn)，在洞室開挖掌子面上加大第一級(jí)掏槽眼的水平距離，縮小掏槽角，沿洞身軸線兩側(cè)大范圍內(nèi)布置掏槽眼，逐級(jí)爆破形成槽腔，從而達(dá)到掏槽效果，炮孔布置原則如下：

（1）掏槽孔布置在斷面中部偏下位置，周邊孔按設(shè)計(jì)輪廓線布置，孔位布置均勻，確保光面爆破效果。

（2）崩落孔交錯(cuò)均勻布置在掏槽孔和周邊孔之間，從內(nèi)到外由掏槽斜孔逐漸過渡為垂直開挖面；孔位、孔向、孔深均勻布置，使爆下的石渣粒徑大小滿足裝渣要求。

（3）開挖斷面底部合理布置底孔，適當(dāng)增加裝藥量，消除底板欠挖。

（4）周邊孔沿洞身開挖輪廓線均勻布置，孔向與洞軸線平行布置，確保爆破的洞室輪廓滿足設(shè)計(jì)要求，保證開挖面的平整。

4 開挖方案

4.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1.1 造孔設(shè)計(jì)

開挖采用手風(fēng)鉆造孔，孔徑42mm；掏槽孔孔深3.8與4.0m，左右側(cè)掏槽孔間距3.5m，掏槽孔布置兩排，間排距0.5m×0.5m；崩落孔孔深3.5～3.6m，間排距0.9m×0.9m；底孔布置2排，間排距0.9m×0.9m，孔深3.5m；孔位布置見圖1，孔向布置見圖2。

4.1.2 裝藥量設(shè)計(jì)

進(jìn)廠交通洞穿越晶洞灰?guī)r、泥晶灰?guī)r，為Ⅲ類與Ⅳ類圍巖，夾層、裂隙發(fā)育，巖層為緩傾角薄層，局部地段巖層較為破碎；根據(jù)工程地質(zhì)特征，查閱相關(guān)資料，結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，開挖前對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行了初步擬定，施工過程中，根據(jù)爆破效果及進(jìn)尺情況，對(duì)孔位布置、起爆順序、裝藥量等進(jìn)行及時(shí)調(diào)整與總結(jié)，以取得合理的爆破參數(shù)，總結(jié)出進(jìn)廠交通洞開挖合理的爆破參數(shù)見表1。

4.2 臺(tái)車制作與造孔

根據(jù)洞身斷面與孔位布置情況，將作業(yè)臺(tái)車分為3層，層高2.2m，臺(tái)車寬8m，兩側(cè)可收縮節(jié)長1.5m；臺(tái)車采用20a工字鋼焊接成骨架，12的鋼筋焊接成網(wǎng)片鋪設(shè)在骨架上形成作業(yè)平臺(tái)。工人站在臺(tái)車上，采用手風(fēng)鉆造孔，洞身造孔分層與孔位布置見圖1。

4.3 測(cè)量放樣

根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的測(cè)量控制網(wǎng)，將測(cè)量控制點(diǎn)引至洞內(nèi)，并在洞內(nèi)單獨(dú)建立控制網(wǎng)，洞挖進(jìn)尺過程中，將控制點(diǎn)向洞內(nèi)傳遞，定期對(duì)洞內(nèi)控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)核。鉆孔前測(cè)量人員進(jìn)行放點(diǎn)，按照爆破設(shè)計(jì)方案放出每個(gè)光面孔孔位及洞軸線走向，并用油漆做好標(biāo)記。

4.4 裝藥

所有鉆孔均采用φ32的硝銨炸藥，為0.15kg/節(jié)，掏槽孔、崩落孔、底孔采取連續(xù)裝藥，光面孔采取間隔裝藥；光面孔孔底藥量為線裝藥密度的1.5倍，約2節(jié)，中間及孔頂將1節(jié)炸藥分為2～3節(jié)進(jìn)行間隔裝藥，間距20～30cm；光面孔采取將藥卷和導(dǎo)爆索同時(shí)捆綁在一起放入孔內(nèi)，其他孔將整節(jié)藥卷與非電管裝入孔內(nèi)。

4.5 網(wǎng)絡(luò)連接

起爆采用非電毫秒微差爆破，掏槽孔及崩落孔起爆采用塑料導(dǎo)爆管（非電管）起爆，光面孔采用導(dǎo)爆索起爆，其孔外采用塑料導(dǎo)爆管與導(dǎo)爆索連接。裝藥前，先將塑料導(dǎo)爆管分段擺放到地面，然后根據(jù)起爆順序選段裝入孔內(nèi)，起爆選用MS1～MS17段次塑料導(dǎo)爆管，起爆順序?yàn)椋禾筒劭住⒕彵缆淇住⒌卓住⒐饷婵祝桓鶕?jù)洞室孔位分層布置情況，同一排崩落孔，下層提前上層一個(gè)段次優(yōu)先起爆，以便為上層提供臨空面；考慮到光面孔較多，為了減少單向藥量，下、上半洞各為一個(gè)段次起爆。

網(wǎng)絡(luò)連接好后，將掏槽孔、崩落孔及光面孔的塑料導(dǎo)爆管統(tǒng)一連接至電雷管，采用發(fā)爆器引爆。網(wǎng)絡(luò)連接布置見圖1。

4.6 出渣

爆破結(jié)束后采用1.0m3挖掘機(jī)先清理開挖面危石，然后采用3.0m3側(cè)卸式裝載機(jī)裝車，20t自卸汽車出渣；出渣完成后再次采用挖掘機(jī)清理開挖面與掌子面危石。

5 特殊地段采取的支護(hù)方案

進(jìn)廠交通洞穿越巖層為緩傾角薄層，且地質(zhì)條件較差，開挖過程中，多處遇夾層、裂隙及斷層破碎帶，洞內(nèi)局部滲水嚴(yán)重；施工過程中根據(jù)開挖揭露情況，遵循“新奧法”原理，及時(shí)采取相應(yīng)方案進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，不同地質(zhì)條件采取的加強(qiáng)支護(hù)方案如下：

（1）遇斷層、破碎帶地段，采用鋼格柵結(jié)合噴混凝土進(jìn)行支護(hù)，鋼格柵采用22與16的鋼筋焊接形成，間距0.7～1.0m，然后按照設(shè)計(jì)圖紙掛設(shè)φ6.5@20×20cm的鋼筋網(wǎng)，噴混凝土進(jìn)行支護(hù)。

（2）遇夾層、裂隙發(fā)育地段，采取增設(shè)25、L=4.5m或6.0m的錨桿，間距1.0m×1.0m，錨桿垂直開挖巖面；同時(shí)根據(jù)頂拱薄層巖層揭露情況，設(shè)置25@100×100cm的鋼筋骨架與錨桿焊接，然后再按照設(shè)計(jì)圖紙掛設(shè)φ6.5@20×20cm的鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)與鋼筋骨架焊接，噴C20混凝土厚10cm或15cm進(jìn)行支護(hù)。

（3）掌子面遇夾層、斷層，在進(jìn)行下一循環(huán)鉆爆前，增設(shè)φ25、L=4.5m或6.0m的超前錨桿，設(shè)置2～4排，間排距0.5m，錨桿傾斜向上為45°角布置。

（4）遇嚴(yán)重滲水、涌水地段，噴混凝土前在開挖面造φ50、L=3.0m的排水孔，間距與孔數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定；造孔完成后在孔內(nèi)安裝塑料管，將滲水引至支護(hù)面以外，確保噴混凝土施工；同時(shí)避免噴混凝土封閉后造成洞身水壓力增大，影響噴混凝土質(zhì)量及洞身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

6 施工技術(shù)總結(jié)

6.1 開挖施工技術(shù)總結(jié)

進(jìn)廠交通洞為緩傾角薄層、巖體破碎，若開挖方案與爆破參數(shù)選擇不好，頂拱難于成型；開挖過程中，根據(jù)巖層性質(zhì)，結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，采取了如下技術(shù)方案，確保洞室開挖成型：

（1）開挖選用楔形掏槽方案，可以在掌子面中部形成一個(gè)較大凹槽，為崩落區(qū)創(chuàng)造較好的臨空面，從而減少周邊孔裝藥量，有效保證洞室開挖成型。

（2）增加起爆段次，避免因單響藥量過大對(duì)圍巖造成震動(dòng)破壞而影響光面爆破質(zhì)量。

（3）周邊光面孔選取合理的裝藥量及裝藥方式，確保孔距及裝藥量均勻。

（4）遇滲水嚴(yán)重部位，在當(dāng)?shù)匚镔Y公司不能提供乳化炸藥的情況下，底孔裝藥采取將硝銨炸藥裝入塑料袋內(nèi)裝入孔中，避免炸藥受水浸泡失效。

（5）開挖過程中掌子面出現(xiàn)涌水或大量滲水時(shí)，在涌水、滲水部位設(shè)置排水孔，集中將水從掌子面引水，確保造孔與裝藥施工。

6.2 支護(hù)施工技術(shù)總結(jié)

進(jìn)廠交通洞頂拱為緩傾角薄層，開挖過程中頂拱極易出現(xiàn)掉塊或沿層面垮塌，且多處遇夾層、裂隙，根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，采取設(shè)置鋼筋骨架與錨桿焊接，然后在骨架上掛設(shè)鋼筋網(wǎng)的支護(hù)方案，可以有效防止頂拱薄層沿夾層、裂隙繼續(xù)掉落；采取鋼筋骨架加鋼筋網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)的方案，施工工藝簡單，能及時(shí)對(duì)洞身進(jìn)行有效支護(hù)，確保施工安全。

7 施工方案優(yōu)化

7.1 取消先導(dǎo)洞后擴(kuò)挖方案優(yōu)化

進(jìn)廠交通洞穿越巖層地質(zhì)條件較差，為緩傾角薄層，在原施工方案中，曾考慮采取先開挖一個(gè)3.0m×3.0m的導(dǎo)洞，然后再沿導(dǎo)洞進(jìn)行全斷面擴(kuò)挖，導(dǎo)洞超前全斷面擴(kuò)挖20m，采取先導(dǎo)洞后擴(kuò)挖方案，施工難度大、成本高，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度；施工過程中，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，選取適用于大斷面洞室開挖的楔形掏槽方案，選用合理的爆破參數(shù)與起爆方案，使得洞室全斷面一次開挖成型，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了施工成本。

7.2 選取楔形掏槽方案優(yōu)化

進(jìn)廠交通洞開挖選用楔形掏槽方案，洞身全斷面開挖總鉆孔數(shù)約140個(gè)，單耗在0.80～1.0之間；若選用直眼掏槽，總鉆孔數(shù)量將在155個(gè)以上，單耗在1.0～1.2之間；楔形掏槽方案節(jié)約了造孔數(shù)量與炸藥單耗量，同時(shí)也節(jié)約了造孔時(shí)間；楔形掏槽在進(jìn)廠交通洞全斷面開挖中的應(yīng)用，確保了施工進(jìn)度也節(jié)約了施工成本。

8 結(jié)束語

馬馬崖一級(jí)水電站進(jìn)廠交通洞地質(zhì)條件較差，在緩傾角薄層地質(zhì)條件下進(jìn)行如此大斷面的洞室開挖，頂拱成型難度大，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定較為不利；根據(jù)地質(zhì)情況，采取楔形掏槽施工技術(shù)，并經(jīng)過多次爆破實(shí)踐與總結(jié)，得出了一個(gè)合理的爆破參數(shù)。洞身成型后的頂拱為緩傾角薄層，開挖后容易出現(xiàn)掉塊與沿層面垮塌，根據(jù)巖層揭露情況，采用鋼筋骨架加鋼筋網(wǎng)進(jìn)行噴混凝土支護(hù)方案，取得了較好的效果。進(jìn)廠交通洞開挖采用楔形掏槽方案，確保了洞身全斷面一次開挖成型，采用鋼筋骨架支護(hù)方案，確保頂拱緩傾角薄層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與施工安全。馬馬崖一級(jí)水電站進(jìn)廠交通洞開挖與支護(hù)施工技術(shù)方案的總結(jié)，為后期引水發(fā)電系統(tǒng)土建工程地下洞室群開挖與支護(hù)施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

【作者簡介】

胡中闊（1979— ），男，高級(jí)工程師，貴州省興義市人，長期從事水利水電施工技術(shù)與管理工作。