熊信鎮(zhèn)，呂江明

(1.江西省水利水電開發(fā)有限公司，南昌 330000；2.南昌市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，南昌 330000)

1 問題的提出

某水電站樞紐工程由混凝土碾壓式重力壩、地下發(fā)電廠房、灌溉取水系統(tǒng)等組成，工程兼具防洪、發(fā)電、航運(yùn)、灌溉及旅游等綜合功能。水電站右岸引水發(fā)電系統(tǒng)主要包括引水隧洞、廠房、尾水隧洞等部分，其中尾水隧洞斷面寬×高為10m×12m，城門式洞型，隧洞長420.55m。該尾水隧洞時(shí)水電站地下廠房內(nèi)最低的洞室，洞底板標(biāo)高較低，其上覆巖體厚度在30-95m之間，巖層走向正交于河流方向并向下游傾斜，和隧洞軸線形成40°-55°的夾角。除局部表現(xiàn)出層間錯(cuò)動(dòng)、斷層及節(jié)理裂隙發(fā)育等現(xiàn)象外，巖體完整性較好，且主要為Ⅰ、Ⅱ類圍巖，局部為Ⅲ、Ⅳ類圍巖。

水電站尾水隧洞斷面大、埋深高、地應(yīng)力高，而且水電站建設(shè)過程中大壩基礎(chǔ)開挖、地下廠房洞室群爆破開挖工程量大，對爆破開挖安全、技術(shù)要求較高。針對爆破開挖施工難度較大的問題，該水電站尾水隧洞爆破開挖過程中主要按照平面多工序、立體多層次的施工原則，結(jié)合不同巖層性能分層次綜合使用預(yù)裂爆破和光面爆破等開挖技術(shù)，既有效避免了不同工序之間的干擾，又避免了超欠挖及爆破施工對圍巖的破壞[1]。

2 爆破開挖方案設(shè)計(jì)

2.1 爆破開挖方案

本水電站尾水隧洞設(shè)計(jì)斷面尺寸19.4m×26.8m，并按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層開挖，首層開挖高度8.5m，中間兩層開挖高度均為8.0m，最下面一層開挖高度2.3m，該水電站尾水隧洞特大斷面橫斷面開挖次序如圖1所示。從2#支洞往上游進(jìn)行尾水隧洞和連接洞的開挖，考慮到本水電站工程尾水隧洞出口較高，為保證隧洞內(nèi)通風(fēng)效果及良好的施工條件，在開挖首層的過程中還應(yīng)同時(shí)從出口處向隧洞內(nèi)開挖，同時(shí)進(jìn)行預(yù)留巖塞下游面5.0m以內(nèi)隧洞洞身支護(hù)，以保證隧洞內(nèi)外首層開挖掌子面實(shí)現(xiàn)貫通。為保證施工期間的安全度汛，還應(yīng)在尾閘閘前預(yù)留巖塞擋水；為防止巖塞拆除過程種閘門結(jié)構(gòu)的損壞，還應(yīng)在閘門和巖塞之間預(yù)留出安全距離。

2#施工支洞是水電站尾水隧洞Ⅱ?qū)娱_挖的主要通道，從該施工支洞開始按照15%的坡度分別向上下游降坡，同時(shí)進(jìn)行上下游側(cè)尾水隧洞Ⅱ1和Ⅱ2層開挖支護(hù)。3#施工支洞是該水電站尾水隧洞Ⅲ層開挖的主要通道，在完成2#施工支洞降坡處理及Ⅱ?qū)娱_挖支護(hù)后，先爆通Ⅱ?qū)拥装搴?#施工支洞頂部，在從該支洞開始按照15%的坡度分別向上下游降坡，上游爬坡至Ⅱ?qū)拥装甯叱?，并繼續(xù)完成Ⅱ?qū)邮Ｓ嗟拈_挖支護(hù)，最后進(jìn)行Ⅲ1和Ⅲ2層開挖支護(hù)。Ⅳ層開挖支護(hù)在從3#支洞開始按照15%的坡度分別向上下游降坡后水平進(jìn)行。

圖1 水電站尾水隧洞特大斷面橫斷面開挖次序

2.2 爆破開挖參數(shù)

結(jié)合類似工程爆破開挖施工經(jīng)驗(yàn)及本水電站工程尾水隧洞爆破試驗(yàn)，其頂拱中部應(yīng)通過楔形掏槽方式開挖，周邊則通過光面爆破開挖，中層采用預(yù)裂爆破，下層則通過水平光面爆破，底部預(yù)留厚度2.3m的開挖保護(hù)層，具體的爆破施工參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

2.2.1 預(yù)裂爆破參數(shù)

W=(60-90)cm

(1)

α=(7-20)d

(2)

q=0.042[σp]0.63α0.6

(3)

式中：W為最小抵抗線；α為爆破孔距，m，對于硬質(zhì)破碎巖取小值，軟巖取大值；d為爆破孔徑，m；q為線裝藥密度，通過總裝藥量減除底部增加裝藥量后的余量除以裝藥長度確定；σp為極限抗壓強(qiáng)度，應(yīng)按照巖體極限抗壓強(qiáng)度的70%-80%確定[2]。

2.2.2 光面爆破參數(shù)

W=(7-20)d

(4)

α=(1.0-1.5)W

(5)

q=kαW

(6)

式中：k為單位耗藥量，kg/m3，其余參數(shù)含義同前。

2.2.3 爆破施工安全控制

水電站尾水隧洞爆破開挖過程中，爆破規(guī)模、爆破方式、爆源所處位置、裝藥結(jié)構(gòu)、地形地質(zhì)等均影響爆破振動(dòng)幅度。本工程主要采用質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度進(jìn)行爆破振動(dòng)安全控制，即將質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度實(shí)測值控制在允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度以下，具體公式如下：

(7)

式中：v為爆破開挖所引起的振動(dòng)對周圍建筑物所產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)的垂直振速，cm/s；KK為爆破點(diǎn)與受保護(hù)建筑物之間地形地質(zhì)相關(guān)系數(shù)；Q為炸藥使用量，采用齊發(fā)爆破的方式下為總裝藥量，而采用延期爆破方式時(shí)為最大段裝藥量；R為爆破點(diǎn)與受保護(hù)建筑物之間的水平距離，m；α為爆破點(diǎn)與受保護(hù)建筑物之間的衰減指數(shù)。

3 尾水隧洞開挖施工

3.1 尾水隧洞Ⅰ層開挖

本工程采用自制鉆孔作業(yè)臺(tái)車進(jìn)行尾水隧洞開挖，開挖后由裝載機(jī)和自卸車配合出渣，清底工作通過反鏟完成。根據(jù)設(shè)計(jì)，尾水隧洞Ⅰ層半幅開挖掏槽孔設(shè)計(jì)孔徑42mm、孔深2.5m、孔距0.8m、藥徑32mm、裝藥長度2.0m、堵塞段長0.5m、單孔裝藥量2.0kg；主爆破孔設(shè)計(jì)孔徑42mm、深2.5m、孔距1.0m、最小抵抗線0.8m、藥徑32mm、裝藥長度2.0m、堵塞段長0.5m、單孔裝藥量2.0kg；周邊孔設(shè)計(jì)孔徑42mm、深2.5m、孔距分0.88m和0.8m兩種，最小抵抗線0.7m、藥徑25mm、裝藥長度2.0m、堵塞段長0.5m、單孔裝藥量0.375kg；底孔孔徑42mm、深2.5m、孔距0.8m、最小抵抗線0.8m、藥徑32mm、裝藥長度2.0m、堵塞段長0.5m、單孔裝藥量1.8kg。為控制爆破規(guī)模和振動(dòng)，將該水電站尾水隧洞開挖劃分為中部開挖和兩側(cè)擴(kuò)挖部分。中部設(shè)計(jì)開挖斷面8.0m×8.7m并超前支護(hù)，兩側(cè)錯(cuò)開支護(hù)，頂部一次性開挖至設(shè)計(jì)邊線，Ⅰ層開挖時(shí)還應(yīng)結(jié)合圍巖狀況進(jìn)行開挖進(jìn)尺的調(diào)整。

3.2 尾水隧洞Ⅱ、Ⅲ層開挖

該水電站尾水隧洞Ⅱ、Ⅲ層寬度相同，且均為19.4m，層高均為8.0m，按照兩個(gè)小層開挖施工，開挖進(jìn)尺4.5m，且均采用邊墻預(yù)裂爆破。通過手風(fēng)鉆和φ50cm孔徑在尾水隧洞Ⅱ、Ⅲ層中部造孔，為保證開挖結(jié)構(gòu)線的成型質(zhì)量，邊墻通過手風(fēng)鉆垂直造孔+50cm孔距預(yù)裂爆破開挖。根據(jù)設(shè)計(jì)，主爆破孔設(shè)計(jì)孔徑50mm、孔深5.0m、孔距0.81m、最小抵抗線0.8m、藥徑32mm、裝藥長度3.4m、堵塞段長1.6m、單孔裝藥量分別為2.4kg、2.2kg、2.0kg；邊墻預(yù)裂爆破孔設(shè)計(jì)孔徑50mm、孔深4.0m、孔距0.5m、藥徑32mm、裝藥長度3.1m、堵塞段長0.9m、單孔裝藥量分別為2.0kg。預(yù)裂爆破開挖施工結(jié)束后，通過20t自卸車出渣清底。

3.3 尾水隧洞Ⅳ層開挖

根據(jù)設(shè)計(jì)可知，尾水隧洞Ⅳ層屬于底板預(yù)留保護(hù)層，設(shè)計(jì)寬度19.4m，高2.3m，主要進(jìn)行周邊光面爆破及全斷面一次性開挖施工，開挖進(jìn)尺2.0-3.0m。通過手風(fēng)鉆開挖造孔，光面爆破則使用直徑25cm的乳化炸藥藥卷，邊墻和底板光面爆破的線密度分別為150g/m和250g/m，主爆破孔連續(xù)裝乳化炸藥，并通過電雷管引爆非電毫秒雷管網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)設(shè)計(jì)，主爆破孔設(shè)計(jì)孔徑50mm、孔深4.5m、孔距0.81m、最小抵抗線0.9m、藥徑32mm、裝藥長度3.4m、堵塞段長1.1m、單孔裝藥量分別為2.4kg、2.2kg；底孔設(shè)計(jì)孔徑50mm、孔深4.5m、孔距0.61m、最小抵抗線0.6m、藥徑25mm、裝藥長度3.4m、堵塞段長1.1m、單孔裝藥量分別為0.9kg；周邊孔設(shè)計(jì)孔徑50mm、孔深4.5m、孔距0.5m、最小抵抗線0.8m、藥徑25mm、裝藥長度3.7m、堵塞段長0.8m、單孔裝藥量分別為0.7kg。

3.4 尾水隧洞支護(hù)

該水電站尾水隧洞各開挖層均根據(jù)圍巖等級(jí)，選擇使用直徑32mm、長度8.0m，直徑28mm、長度6.0m，直徑25mm、長度4.5m三種規(guī)格的系統(tǒng)錨桿，掛@15.0cm×15.0cm規(guī)格的鋼筋網(wǎng)，并按20cm厚度噴射強(qiáng)度等級(jí)C25的混凝土加固。深孔錨桿造孔采用多臂臺(tái)車和液壓潛孔鉆，短錨桿造孔則采用手風(fēng)鉆，錨桿施工過程中均先注漿后插桿，且漿液均使用M20水泥砂漿，掌子面開挖滯后于錨桿支護(hù)的距離應(yīng)控制在60m以內(nèi)。

4 監(jiān)控量測

為進(jìn)行該水電站尾水隧洞變形情況及應(yīng)力變化情況的監(jiān)測，在開挖過程中及開挖后在所設(shè)置的測點(diǎn)處布置多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)等進(jìn)行量測。結(jié)合該水電站尾水隧洞爆破開挖施工情況，還應(yīng)進(jìn)行地表建筑物爆破振動(dòng)情況監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，尾水隧洞多點(diǎn)位移計(jì)累計(jì)位移量均不超出10mm，變形速率均控制在0.20-0.35mm/月，錨桿應(yīng)力計(jì)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大值38.5MPa和23.1MPa。監(jiān)測結(jié)果變化量較小，且均未出現(xiàn)異常情況。該水電站尾水隧洞爆破振動(dòng)監(jiān)測共進(jìn)行220場次，所得出的地表豎向振動(dòng)速度最大值為0.301cm/s，比地上建筑物安全振動(dòng)速度限值0.5cm/s小[3]。

5 結(jié) 論

該水電站尾水隧洞斷面尺寸大，且沿洞軸線地質(zhì)條件復(fù)雜，局部范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定性差，針對復(fù)雜的地質(zhì)條件采取了多工序分層爆破開挖的施工方案，且開挖施工過程中未發(fā)生涌水和坍塌，開挖效果良好。爆破開挖過程中及開挖后監(jiān)控量測結(jié)果也表明，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量較小，且均未出現(xiàn)異常情況。充分表明，該水電站尾水隧洞爆破開挖方案設(shè)計(jì)合理，施工過程可靠，可為同類型水利水電工程隧洞開挖施工提供借鑒參考。