水电站尾水隧洞特大断面爆破开挖施工技术

杨 超

(成昆铁路有限责任公司， 四川成都 610031)

水电站尾水隧洞特大断面爆破开挖施工技术

杨 超

(成昆铁路有限责任公司， 四川成都 610031)

黄金坪水电站尾水隧洞开挖标准断面积为494.08 m2，施工工段存在多处断层带，地质条件较复杂，大断面施工给隧洞结构安全以及施工进度带来较大的难度。为解决以上问题，施工中按照“平面多工序、立体多层次”的原则进行施工组织，根据不同开挖层的特点综合应用光面爆破、预裂爆破技术，有效的减少超挖和爆破对围岩的损害，在保证结构安全的前提下，提高了施工进度，工程的成功经验可为类似工程提供参考。

尾水隧洞； 大断面； 光面爆破； 预裂爆破

我国水电开发潜力巨大，水能资源蕴藏总量达6.76×108kW，多半集中在西部金沙江、雅碧江、大渡河、澜沧江、鸟江、红水河和黄河上游[1]。由于这一地区雨量充沛，河谷狭窄陡峻，适宜修建许多高水头大容量的水电站，所以也常需要布置大断面引水隧洞或高坝[2]。与交通隧洞相比，水电隧洞具有大断面、高埋深、高地应力等特点，同时水电建设大坝的基础开挖、地下厂房洞室群等开挖爆破工程量巨大，对爆破的技术要求也越来越高，这些特点给隧洞结构安全以及施工进度带来了较大的难度[2]。针对以上问题，黄金坪水电站尾水隧洞工程在施工中按照“平面多工序、立体多层次”[3]的原则进行施工组织，结合现场爆破试验效果与监控量测数据，根据不同开挖层的特点综合应用光面爆破、预裂爆破[4]的分层控制爆破技术，施工中不仅避免了各工序之间的相互干扰，而且减少超挖和爆破对围岩的损害，在保证结构安全的前提下，提高了施工进度。

1 工程概况

黄金坪水电站尾水隧洞处于大渡河上游河段，系大渡河干流水电规划“三库22级”的第11级电站，坝址位于四川省甘孜藏族自治州康定县姑咱镇黄金坪上游约3.2 km处。尾水隧洞断面为城门洞型，其开挖准断面为519.9 m2，纵坡i=0。尾水隧洞围岩为斜长花岗岩、石英闪长岩，并穿插有花岗闪长～角闪斜长岩质混染岩。施工洞段存在断层、裂隙密集带及卸荷拉裂缝，岩体总体较完整，多呈次块状或镶嵌结构，以Ⅲ类围岩为主，断层、裂隙密集带及卸荷拉裂缝为Ⅳ、Ⅴ类围岩，部分洞段垂直、水平埋深较大，施工中有发生轻微～中等岩爆的可能。

2 爆破钻爆设计及施工

2.1 总体开挖方案

尾水隧洞标准断面尺寸为19.4 m×26.8 m，为保证结构安全与提高施工进度，隧洞开挖分4层进行，第Ⅰ层开挖高度8.5 m(首先快速贯通，兼作通风通道)，第Ⅱ层、第Ⅲ层开挖高度8.0 m，尾水隧洞横断面开挖顺序见图1。

图1 横断面开挖顺序示意

尾水隧洞纵断面开挖施工顺序见图2，由2#施工支洞向上游方向完成尾水洞及连接洞上层开挖，降坡完成尾水支洞下层开挖。由于本工程尾水出口位置较高，为了改善上部施工条件与洞内通风效果，在第Ⅰ层开挖时，同时从出口方向向洞内开挖、支护至距预留岩塞下游面5 m位置，使第Ⅰ层开挖掌子面在洞内与外部贯通。同时为确保施工期间的安全度汛问题，在尾闸门下闸前，采用预留岩塞挡水，为避免岩塞在拆除时损坏闸门，岩塞与洞门之间预留15 m安全距离。

图2 纵断面开挖顺序示意

尾水洞Ⅱ层的施工通道主要为2#施工支洞，由2#施工支洞分别向上、下游方向按照15 %的坡度降坡，先后进行2#施工支洞上、下游侧的尾水洞Ⅱ-1层和Ⅱ-2层的开挖支护工作。

尾水洞Ⅲ层的施工通道主要为3#施工支洞，待2#施工支洞降坡完成尾水洞Ⅱ层的开挖支护施工后，首先进行尾水洞Ⅱ层底板与3#施工支洞顶部之间的爆通工作，然后由3#施工支洞分别向上、下游方向按照15 %的坡度爬坡。3#施工支洞上游侧爬坡至尾水洞Ⅱ层的底板高程，进行Ⅱ层剩余部分的开挖支护工作，然后再分两层完成尾水洞Ⅲ层的开挖支护工作。由3#施工支洞分别向上、下游方向按照15 %的坡度降坡后水平进行尾水洞Ⅳ层的开挖支护工作。

2.2 爆破参数的确定

根据《水工建筑物地下开挖工程施工规范》[5]《水利水电施工手册》[6]与现场爆破施工实验，顶拱中部开挖采用楔形掏槽的方式，周边采用光面爆破；中层采用边墙预裂爆破的施工方式；下层采用水平光面爆破，底部预留保护层开挖，保护层厚2.3 m。爆破参数根据以下公式并结合现场爆破试验修订。

不耦合系数η=孔径/药径(工程取值为1.3～2)

(1)预裂爆破参数。

W=60～90

a=(7～20)d

q=0.042[σp]0.63a0.60

式中：W为最小抵抗线(cm)；a为炮孔间距；d为预裂孔径，炮孔间距a对于硬岩和破碎岩体取小值，对于软岩取大值；q为线装药密度(kg/m)，全孔装药量扣除底部增加的装药量后除以装药长度；σp为岩石极限抗压强度(Mpa)，根据工程施工经验，采用岩体极限抗压强度值计算装药量偏高，宜选用极限抗压强度的70 %～80 %或采用岩体抗压强度更适宜。

(2)光面爆破参数。

W=(7～20)d

a=(1.0～1.5)W

q=kaW

式中:k为松动爆破单位耗药量，可参考相关文献[7]。

2.3 尾水隧洞第Ⅰ层开挖

为减小单次爆破规模，控制爆破振动，尾水隧洞Ⅰ层开挖分为中部和两侧扩挖3部分。中部开挖支护超前，两侧扩挖支护错开跟进，中部开挖断面为8m×8.7m，顶部一次性开挖至设计结构边线，便于及时进行系统支护。开挖过程中需根据围岩情况调整开挖进尺，Ⅱ、Ⅲ类围岩开挖进尺中部按照3.0m进行控制，两侧扩挖按照4.0m进行控制，Ⅳ类围岩中部及两侧扩挖进尺按1.5～2.0m控制，Ⅴ类围岩(包含断层带)中部及两侧扩挖进尺按0.8～1.0m进行控制。

开挖采用自制钻孔作业台车，尾水洞中部开挖采用楔形掏槽的方式，周边采用光面爆破，竹片间隔绑扎装药。两侧扩挖采用手风钻水平造孔。开挖后采用装载机配合自卸车出渣，反铲进行清底及安全处理。第Ⅰ层开挖钻爆设计见图3，开挖效果见图4。

图3 尾水隧洞第Ⅰ层开挖钻爆设计

图4 第Ⅰ层开挖效果

2.4 尾水洞Ⅱ、Ⅲ层开挖

尾水洞Ⅱ、Ⅲ层的宽度均为19.4m，总高度均为8m，分为两小层进行开挖(即每小层的层高为4m)，都采用边墙预裂爆破的施工方式。

尾水洞Ⅱ、Ⅲ层中部采用手风钻水平造孔，造孔孔径为50cm。为确保设计开挖结构线的开挖最终成型质量，边墙采用手风钻垂直造孔预裂爆破的开挖方式。边墙预裂孔间距50cm，采用竹片绑扎间隔装药。主爆孔采用φ32药卷乳化炸药，连续装药，采用非电毫秒雷管网络爆破，起爆雷管使用电雷管引爆。爆破完成后，20 t自卸车出渣，反铲进行安全处理及清底。第Ⅱ、Ⅲ层开挖钻爆设计见图5。

图5 尾水隧洞第Ⅱ、Ⅲ层开挖钻爆设计

2.5 尾水洞Ⅳ层开挖

尾水洞Ⅳ层为底板预留保护层，分层高度为2.3 m，宽为19.4 m，底板纵坡为0，采用周边光面爆破、全断面一次开挖方式。Ⅱ、Ⅲ级围岩开挖进尺为4.5 m左右，Ⅳ类围岩开挖进尺2.0～3.0 m，Ⅴ类围岩开挖进尺1.5～2.0 m。钻孔均采用人工手风钻造孔，光爆孔采用φ25药卷乳化炸药，采用竹片绑扎间隔装药，边墙光爆孔的线密度为150 g/m，底板光爆孔的线密度为250 g/m。主爆孔采用φ32药卷乳化炸药，连续装药，采用非电毫秒雷管网络爆破，起爆雷管使用电雷管引爆。第Ⅳ层开挖钻爆设计见图6，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ层边墙爆破施工效果见图7。

图6 尾水隧洞第IV层开挖钻爆设计

2.6 尾水洞支护方案

尾水隧洞第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ层支护均主要采用采用φ32、L=8.0 m；φ28、L=6.0 m和φ25、L=4.5 m 3种规格的系统锚杆(根据不同的围岩级别选择)，挂φ6.5钢筋网150 mm×150 mm(其中岔口段挂φ8钢筋网200 mm×200 mm)，喷射C25混凝土，厚度20 cm。其中深孔锚杆采用多臂台车、液压潜孔钻造孔，短锚杆采用手风钻造孔，锚杆均采用 “先注浆、后插杆”的施工工艺施工，浆液均为M20砂浆，锚杆支护滞后开挖掌子面不大于60 m，Ⅳ、Ⅴ类围岩锚杆支护跟进开挖掌子面。对于Ⅳ、Ⅴ类围岩，先进行初期喷射10 cm厚的C25钢纤维混凝土及系统锚杆支护，再喷射C25混凝土(厚10 cm)。第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ层边墙支护施工效果见图8，锚杆施工见图9。

3 结束语

黄金坪水电站的以下施工经验可为类似工程参考:

(1)施工中按照“平面多工序、立体多层次”的原则进行特大断面隧洞的施工组织和设计开挖方案，在保证隧洞安全的前提下，有利于各工序的平行开展，能较大的提高施工进度。

图8 第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ层边墙支护施工效果

图9 锚杆施工

(2)在尾水隧洞特大断面开挖施工中，首先快速贯通上部导坑，再进行后续的开挖工作，不仅有利于改善通风条件，还为后续开挖工作的开展提供施工条件，提高了整个施工进度。

(3)尾水隧洞特大断面开挖工程根据不同开挖层的特点综合采用预裂爆破、光面爆破的控制爆破技术，并结合现场试验与位移应力监控量测数据、爆破监测数据综合分析指导施工，减少爆破和超挖对围岩的扰动，较大程度的降低施工风险。

[1] 蒋键,周宇,和孙文.大型洞室群开挖爆破技术[J].工程爆破,2003,9(1).

[2] 张有天.水工隧洞建设的经验和教训[C].纪念贵州省水力发电工程学会成立20周年学术论文选集, 2005.

[3] 马洪琪.大型水电工程建设技术[M].中国电力出版社,2011.

[4] 王玉杰,梁开水.爆破工程[M].武汉理工大学出版社,2007.

[5] SL 378-2007 水工建筑物地下开挖工程施工规范[S].

[6] 全国水利水电施工技术信息网组.水利水电施工手册[M].中国电力出版社,2002.

[7] 朱永全，宋香玉.隧道工程[M].中国铁道出版社,2010.

杨超(1987～)，男，硕士研究生，助理工程师，从事隧道施工的管理工作。

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[定稿日期]2016-09-12