陳 敏

(中國水利水電第五工程局有限公司,成都，610066)

白鶴灘水電站泄洪洞底板水平光爆施工技術(shù)

陳 敏

(中國水利水電第五工程局有限公司,成都，610066)

泄洪洞襯砌表面平整度、裂縫控制是整個泄洪洞施工過程中的控制重點，而洞身開挖質(zhì)量的優(yōu)劣，對于防止圍巖應(yīng)力集中造成后續(xù)襯砌結(jié)構(gòu)的破壞，以及開挖期間洞室安全起著非常重要的作用。目前國內(nèi)已建成的大斷面泄洪洞工程，所采用分層并預(yù)留底板保護層的開挖方式進行施工，但由于各工程特性、地質(zhì)條件的差異，施工工藝及關(guān)鍵施工參數(shù)存在很大的差異。本文通過金沙江白鶴灘泄洪洞的施工實踐，總結(jié)并形成了玄武巖、柱狀節(jié)理玄武巖地質(zhì)條件下大斷面隧洞底板保護層的施工工藝，并取得了較好的開挖質(zhì)量效果。

白鶴灘水電站 大斷面洞室 柱狀節(jié)理玄武巖 底板保護層 水平光面爆破工藝

1 概述

1.1 工程概況

白鶴灘水電站共在左岸布置3條泄洪洞作為主要的泄洪樞紐。每條泄洪洞由上平段和龍落尾段組成，隧洞總長6745m,其中上平段長度5463m,龍落尾段長度1282m。泄洪洞設(shè)計斷面采用城門洞型屬于特大型斷面洞室，其最大開挖斷面結(jié)構(gòu)尺寸寬×高為20m×23m,頂拱半徑11.53m,最大開挖斷面面積422.35m2；典型開挖斷面寬×高為17m×20m，頂拱半徑10.03m,開挖斷面面積為316.5m2。泄洪洞上平段開挖坡度為1.5%，龍落尾最大坡度為25%。

1.2 地質(zhì)情況簡介

泄洪洞沿線為單斜地層，玄武巖巖流層；巖性為杏仁狀玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、凝灰?guī)r、柱狀節(jié)理玄武巖。圍巖類別以II類、III類為主，局部斷層段、層間錯動帶為IV類圍巖。主要地質(zhì)構(gòu)造有斷層、層間錯動帶、層內(nèi)錯動帶、發(fā)育裂隙，其中斷層發(fā)育寬度0.2m～2.5m,層間錯動帶發(fā)育寬度5cm～60cm。巖石物理力學(xué)性能對于II類圍巖堅固系數(shù)為7～8，III1類圍巖堅固系數(shù)為5～6，III2類圍巖堅固系數(shù)為4～5，IV類圍巖堅固系數(shù)為2～3，V類圍巖堅固系數(shù)為0.5～2。

2 洞身開挖方法簡介

白鶴灘泄洪洞工程屬于特大型斷面，其開挖方法的選擇尤為重要，結(jié)合前期導(dǎo)流隧洞以及溪洛渡、向家壩等大型水電站已建大斷面洞室的施工經(jīng)驗，并結(jié)合本工程的工期要求、地質(zhì)條件等特性，確定白鶴灘泄洪洞采用自上而下分層開挖的方法。對于開挖分層，要充分考慮施工道路、風(fēng)、水、電、供排風(fēng)系統(tǒng)的布置、開挖支護設(shè)備最優(yōu)施工效率的發(fā)揮以及開挖質(zhì)量。鑒于此，白鶴灘泄洪洞工程共分三層進行開挖，第Ⅰ層開挖高度為10m(主要考慮9m錨桿使用三臂鉆機鉆孔和插桿空間)，中層開挖高度8m,底板預(yù)留保護層2m，其中第Ⅰ層又按照先掏中導(dǎo)洞，兩側(cè)邊墻滯后中導(dǎo)洞2～3循環(huán)后進行擴挖，邊墻擴挖時考慮中層邊墻梯段預(yù)裂造孔需要，技術(shù)超挖20cm,具體開挖分層見圖1。

圖1 泄洪洞開挖分層

泄洪洞第I層開挖采用型鋼焊接鉆爆平臺，采用YT28氣退式手風(fēng)鉆進行鉆孔爆破，第II層采用100Y支架輕型潛孔鉆機，搭設(shè)鋼管樣架進行邊墻預(yù)裂鉆孔、爆破，采用D7液壓鉆機進行梯段爆破鉆孔爆破，保護層則采用手風(fēng)鉆鉆水平孔爆破。

3 保護層施工工藝

3.1 預(yù)留保護層的意義

對于泄洪洞底板建基面，在整個洞室結(jié)構(gòu)中其所承受的荷載最大，主要承受的荷載包括上部圍巖壓力、襯砌混凝土自重、內(nèi)、外水壓力等，這就要求泄洪洞底板巖石必須完整、堅硬，具有較高的承載能力，如果不預(yù)留保護層，而中層梯段爆破鉆孔直接鉆至設(shè)計基礎(chǔ)面高程，由于爆破的影響必然會對建基面造成一定范圍內(nèi)的損傷，同時由于梯段爆破鉆孔深度較大，鉆孔精度控制較難，極易造成底板基礎(chǔ)面的超欠挖，增加了欠挖處理工序以及回填混凝土工程量。因此，大斷面洞室底板采用預(yù)留保護層的方法，對于控制建基面施工質(zhì)量、減少超欠挖、節(jié)約施工成本具有重要意義。

3.2 保護層厚度及施工方法的選擇

目前對于水平建基面保護層的開挖主要采用小孔徑、密孔、小藥量爆破開挖，所采用的方法有豎向鉆孔分層剝離爆破開挖、一次性鉆斜孔或豎直孔爆破開挖、水平光面爆破開挖等方式。對保護層分層開挖而言，其增加了鉆孔工序，對施工工期影響較大，如果采用豎向鉆孔進行保護層的開挖，可節(jié)省鉆孔作業(yè)平臺的布置，但對鉆孔角度、深度、精度要求極為嚴格，同時需在爆破孔底板增加柔性墊層，裝藥結(jié)果較為復(fù)雜，過程控制難度較大。綜合比較選用水平光面一次性爆破進行本工程洞室保護層的開挖。

保護層的預(yù)留厚度主要考慮施工的便捷性和對建基面的保護效果。如果厚度過小則中層梯段爆破時對建基面將會造成爆破損傷；厚度過大則增加了保護層的開挖工程量，并且需增加鉆孔作業(yè)平臺。根據(jù)“葛洲壩水利樞紐工程”、“三峽水利工程”、“安康水電站”等已建工程的大量試驗數(shù)據(jù)分析，爆破對巖體的破壞深度約為20～30倍爆破藥卷的直徑，本工程中層梯段爆破采用直徑為7cm的乳化炸藥，因此其對巖石面爆破破壞深度約為1.4m～2.1m,本工程按照2m進行設(shè)計。

3.3 保護層爆破參數(shù)設(shè)計

3.3.1 光面爆破簡介

光面爆破是在爆破開挖過程中，沿設(shè)計開挖輪廓線布設(shè)密孔，裝少量炸藥，在開挖區(qū)主爆孔爆破后再起爆的一種爆破技術(shù)，采用光面爆破技術(shù)具有獲得平順、整齊的設(shè)計開挖面，同時對被保留巖體爆破損傷較小的優(yōu)點。衡量光面爆破成功的必要條件是爆破不壓壞孔壁和沿預(yù)定方向成縫，其成縫機理與預(yù)裂爆破成縫機理基本相同，均是利用間距較小的相鄰爆孔，爆破產(chǎn)生的高壓沖擊力、高壓氣體作用，在相鄰爆孔的連線方向發(fā)生疊加，使巖體受拉產(chǎn)生裂縫，同時通過采用間隔和不耦合裝藥來降低孔壁壓力，以達到減少爆破對被保留巖體的損傷。

影響光面爆破質(zhì)量的爆破參數(shù)包括：藥卷直徑、鉆孔孔徑、鉆孔間距、線裝藥密度、裝藥結(jié)構(gòu)、抵抗線、巖體特性等。

3.3.2 光面爆破參數(shù)設(shè)計

(1)抵抗線確定

一般光面爆破孔的抵抗線按公式(1)進行估算，如下：

Wmin=(10～20)×D

(1)

式中：Wmin——為光面爆破孔抵抗線；

D——光面爆破孔鉆孔直徑(采用YT28手風(fēng)鉆鉆孔、成孔孔徑42mm)。

計算結(jié)果Wmin取值范圍為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)進行估算，如下：

a=(0.6～0.8)×Wmin

(2)

a為光面爆破孔間距，計算值為42cm～56cm,本工程取50cm。

(3)裝藥量的確定

光面爆破孔裝藥量按公式(3)進行估算，如下：

Q線=q×a×Wmin

(3)

Q線——光面爆破孔裝藥線密度；

q——光面爆破炸藥單耗,根據(jù)規(guī)范推薦取值為0.15kg/m3～0.25kg/m3，對于硬巖取大值、軟巖取小值；本工程底板主要以II類、III1類圍巖為主，屬于硬巖，計算按照0.25kg/m3進行取值。

經(jīng)過計算，光面爆破孔線裝藥密度為88g/m,為便于實際操作，本工程光面爆破孔線密度按100g/m進行控制。

(4)裝藥結(jié)構(gòu)

本工程光面爆破孔裝藥采用間隔、不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，由于鉆孔采用手風(fēng)鉆鉆孔，成孔孔徑42mm,為使光面爆破孔裝藥不耦合系數(shù)大于2,泄洪洞底板保護層光面爆破孔藥卷采用直徑為25mm的乳化炸藥搓細后使用。根據(jù)線裝藥密度的選擇將1/2節(jié)藥卷按照50cm的中心間距綁扎在竹片上。具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光面爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計

(5)起爆

依據(jù)光面爆破成縫原理分析，為使爆破應(yīng)力波與爆炸氣體作用應(yīng)力場在兩孔之間疊加，應(yīng)盡量使光面爆破孔同時起爆，同時考慮爆破振動的影響，當(dāng)光面爆破孔數(shù)較多時可分段進行起爆，按照設(shè)計本工程每次爆破光爆孔數(shù)量為35個，總裝量為10.5kg，因此本工程采用導(dǎo)爆索整體爆破。

4 爆破質(zhì)量控制

光面爆破質(zhì)量效果的好壞60%取決于鉆孔質(zhì)量，40%取決于爆破技術(shù)水平。因此鉆孔質(zhì)量的控制尤為重要，鉆孔質(zhì)量控制的標準為“平、整、齊”，即鉆孔應(yīng)位于同一水平面，鉆孔孔底位于同一里程，鉆孔傾角滿足設(shè)計、規(guī)范要求。鉆孔質(zhì)量的控制，主要是定位控制、鉆孔過程控制、終孔質(zhì)量檢查。在本工程中采用全站儀逐孔坐標定位，保證開孔偏差不大于5cm,并在掌子面2m外按照5個孔的間距測放鉆孔方向控制后視點，在底板上埋設(shè)插筋，搭設(shè)架管鉆孔樣架控制鉆孔間距，并在釬桿上設(shè)置鉆孔深度控制標識。在鉆進過程中采用坡度尺、水平尺、鋼尺對鉆孔上、下、左、右傾角進行測量矯正。鉆孔結(jié)束后全孔插標桿進行孔深、孔距、傾角的測量。

5 實施效果

白鶴灘泄洪洞底板共計開挖130個單元，其中評定為優(yōu)良單元的數(shù)量為120個，優(yōu)良率為92%，開挖平均半孔率達90%，平均超挖小于15cm,開挖質(zhì)量滿足規(guī)范要求。按照設(shè)計要求對于Ⅲ1類圍巖要具備承載能力要求所達到巖體的波速為4200m/s,而通過采用預(yù)留保護層，水平光面爆破施工工藝，基礎(chǔ)面實測平均波速為4400m/s，滿足設(shè)計指標。

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