溫正策 張友錄

(1. 平陽(yáng)縣水利局, 浙江 平陽(yáng) 325400;2. 浙江省第一水電建設(shè)集團(tuán)股份有限公司, 浙江 杭州 310000)

1 工程概況

平陽(yáng)縣南湖分洪工程位于平陽(yáng)縣水頭鎮(zhèn), 工程任務(wù)為防洪, 工程等別為Ⅲ等, 分洪隧洞工程主要建筑物為3 級(jí), 次要建筑物為4 級(jí), 分洪規(guī)模為820m3/s。該分洪隧洞包括2 條隧洞, 從南向北分別為南線隧洞和北線隧洞, 其中南線隧洞長(zhǎng)6538m, 北線隧洞長(zhǎng)6563m, 單洞襯后洞寬14m, 單洞設(shè)計(jì)流量410m3/s。隧洞斷面采用城門(mén)洞形, 根據(jù)不同的圍巖類(lèi)別, 最大開(kāi)挖斷面尺寸15.50m ×15.25m (寬× 高), 最小開(kāi)挖斷面尺寸14.90 ×14.45m (寬×高)。

2 分洪隧洞倒虹吸銜接段重點(diǎn)難點(diǎn)分析

倒虹吸銜接段近距離穿越已建隧洞, 施工干擾大, 安全風(fēng)險(xiǎn)高。 倒虹吸段與平陽(yáng)引供水工程3 號(hào)已建引水隧洞近乎平行, 且距離較近, 水平距離僅為40 ~120m, 且倒虹吸段下穿平陽(yáng)引供水工程4 號(hào)已建引水隧洞, 高程相差僅為7m, 施工技術(shù)難度大, 存在一定的施工安全隱患, 施工工期受到嚴(yán)重制約。

隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜, 開(kāi)挖斷面大, 隧洞塌方、 突涌水等尤為突出, 且需近距離穿越已建的引水隧洞和交通隧洞, 施工安全防范點(diǎn)多、 風(fēng)險(xiǎn)大, 確保施工生產(chǎn)安全是本工程重點(diǎn)之一。

3 倒虹吸銜接段開(kāi)挖施工基本情況

南北線倒虹吸銜接段按照新奧法原理組織施工,北線上游設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅵ級(jí), 施工部位ND1 +524.707 ~ND1 +614.707, 南線上游銜接段設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅵ級(jí), 施工部位SD1 + 570.974 ~ SD1 +660.974 (根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)判以上區(qū)域圍巖級(jí)別以Ⅲ級(jí)偏差為主, 實(shí)際地質(zhì)情況以現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄為準(zhǔn))。

北線下游銜接段圍巖級(jí)別為Ⅱ~Ⅲ級(jí), 施工部位ND3 +519.697 ~ ND3 +609.697, 南線下游銜接段圍巖級(jí)別為Ⅱ~Ⅲ級(jí), 施工部位SD3 +455.976 ~SD3 +565.976 (根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)判以上區(qū)域圍巖級(jí)別以Ⅲ級(jí)偏差為主, 實(shí)際地質(zhì)情況以現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄為準(zhǔn))。

在施工過(guò)程中, 為保證施工及結(jié)構(gòu)安全, 根據(jù)量測(cè)監(jiān)控的各類(lèi)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)、 支護(hù)的受力狀態(tài)、監(jiān)測(cè)的位移數(shù)據(jù)的反饋, 對(duì)隧洞施工方法、 開(kāi)挖步驟及順序、 支護(hù)參數(shù)等進(jìn)行合理調(diào)整, 以保證施工安全及支護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

倒虹吸銜接段采用機(jī)械化配套施工, 無(wú)軌運(yùn)輸出渣, 形成鉆爆 (鉆孔、 爆破) 或機(jī)械開(kāi)挖、 裝運(yùn)(裝渣、 運(yùn)輸)、 支護(hù) (拌和、 運(yùn)輸、 錨噴)、 襯砌(運(yùn)輸、 泵送混凝土、 灌注、 搗固) 四條主要機(jī)械化作業(yè)線。 合理配備開(kāi)挖、 襯砌、 運(yùn)輸配套設(shè)備, 以及具有豐富隧洞施工經(jīng)驗(yàn)的隊(duì)伍承擔(dān)該段施工任務(wù), 并制定切實(shí)可行的施工方法和可靠的保證措施。

4 倒虹吸銜接段開(kāi)挖施工工藝

4.1 施工方法一

二襯自上而下進(jìn)行, 適用Ⅳ、 Ⅴ類(lèi)圍巖。 南北線上下游倒虹吸銜接段施工按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行初期支護(hù),其開(kāi)挖施工方法為分臺(tái)階開(kāi)挖(見(jiàn)圖1)。

圖1 二、 三、 四臺(tái)階開(kāi)挖炮眼布置及網(wǎng)路連接示意圖

為保護(hù)上臺(tái)階二襯混凝土, 二、 三、 四臺(tái)階開(kāi)挖采用新型電子雷管逐孔爆破, 以控制爆破振動(dòng)速度。臺(tái)階開(kāi)挖法施工注意事項(xiàng)如下:

a. 隧洞施工堅(jiān)持“弱爆破、 短進(jìn)尺、 強(qiáng)支護(hù)、早封閉、 勤量測(cè)” 的原則, 每循環(huán)進(jìn)尺約為2m; 期間根據(jù)實(shí)際圍巖地質(zhì)情況適當(dāng)調(diào)整, 開(kāi)挖后及時(shí)施作初期支護(hù)。

b. 開(kāi)挖方式為弱爆破, 采用小炮開(kāi)挖, 嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量。

c. 上臺(tái)階按隧洞標(biāo)準(zhǔn)斷面開(kāi)挖, 上臺(tái)階開(kāi)挖完成后, 即進(jìn)行二襯混凝土澆筑。 下部分為二、 三、 四共3 個(gè)臺(tái)階, 下臺(tái)階開(kāi)挖先開(kāi)挖左側(cè), 初期支護(hù)及二襯完成后, 再開(kāi)挖右側(cè), 右側(cè)初期支護(hù)及二襯完成后, 再開(kāi)挖左側(cè), 循環(huán)推進(jìn)。

d. 施工中應(yīng)按有關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)圖的要求, 進(jìn)行監(jiān)控量測(cè), 及時(shí)反饋結(jié)果, 分析洞身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性, 為支護(hù)參數(shù)的調(diào)整提供依據(jù)。

4.2 施工方法二

二襯自下而上進(jìn)行, 適用Ⅱ、 Ⅲ類(lèi)圍巖。 南北線上下游倒虹吸銜接段施工按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行初期支護(hù),其開(kāi)挖施工方法為分臺(tái)階開(kāi)挖(見(jiàn)圖2)。

圖2 上臺(tái)階開(kāi)挖炮眼布置及網(wǎng)路連接示意圖

為保護(hù)上臺(tái)階二襯混凝土, 二、 三、 四臺(tái)階開(kāi)挖采用新型電子雷管逐孔爆破, 以控制爆破振動(dòng)速度。臺(tái)階開(kāi)挖法施工注意事項(xiàng)如下:

a. 隧洞施工堅(jiān)持“弱爆破、 短進(jìn)尺、 強(qiáng)支護(hù)、早封閉、 勤量測(cè)” 的原則, 每循環(huán)進(jìn)尺約為2m; 期間根據(jù)實(shí)際圍巖地質(zhì)情況適當(dāng)調(diào)整, 開(kāi)挖后及時(shí)施作初期支護(hù)。

b. 開(kāi)挖方式為弱爆破, 采用小炮開(kāi)挖, 嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量。

c. 上臺(tái)階按隧洞標(biāo)準(zhǔn)斷面開(kāi)挖, 下部分為二、三、 四共3 個(gè)臺(tái)階, 下臺(tái)階開(kāi)挖先開(kāi)挖左側(cè), 初期支護(hù)完成后, 再開(kāi)挖右側(cè), 右側(cè)初期支護(hù)完成后, 再開(kāi)挖左側(cè), 循環(huán)推進(jìn), 銜接段全部開(kāi)挖完成后再進(jìn)行二襯澆筑。

d. 施工中應(yīng)按有關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)圖的要求, 進(jìn)行監(jiān)控量測(cè), 及時(shí)反饋結(jié)果, 分析洞身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性, 為支護(hù)參數(shù)的調(diào)整提供依據(jù)。

5 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

南北線上下游倒虹吸銜接段開(kāi)挖采用鉆爆法施工, 根據(jù)不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、 巖石性質(zhì), 采用臺(tái)階分層法(二至四臺(tái)階), 以新奧法理論指導(dǎo)施工。

5.1 二至四臺(tái)階分層開(kāi)挖

二至四臺(tái)階分層法施工順序見(jiàn)圖3。

5.2 二至四臺(tái)階分層法施工注意事項(xiàng)

a. 隧洞施工應(yīng)堅(jiān)持“弱爆破、 短進(jìn)尺、 強(qiáng)支護(hù)、早封閉、 勤量測(cè)” 的原則。

b. 開(kāi)挖方式為弱爆破, 爆破時(shí)嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量。

c. 上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)完成后(90m 全部完成) 再行開(kāi)挖下臺(tái)階。

d. 施工中下部圍巖施工時(shí)應(yīng)減少對(duì)上部圍巖、支護(hù)的擾動(dòng)。

e. 施工中應(yīng)按有關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)圖的要求, 進(jìn)行監(jiān)控量測(cè), 及時(shí)反饋結(jié)果, 分析洞身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定, 為支護(hù)參數(shù)的調(diào)整、 灌筑二次襯砌的時(shí)機(jī)提供依據(jù)。

f. 下臺(tái)階在上臺(tái)階噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%以上時(shí)開(kāi)挖, 當(dāng)巖體不穩(wěn)定時(shí)需縮短進(jìn)尺, 及時(shí)施作初期支護(hù)。

g. 下臺(tái)階施工時(shí)要保證初支鋼架整體順接平直,螺栓連接牢靠。

5.3 炮孔布設(shè)及參數(shù)設(shè)計(jì)

爆破開(kāi)挖拱部邊墻采用光面爆破, 核心采用控制爆破, 掏槽采用拋擲爆破的爆破工藝。

a. 炮孔深度。 爆破設(shè)計(jì)的炮眼深度主要受爆破振動(dòng)強(qiáng)度控制, 設(shè)計(jì)炮眼深度根據(jù)爆破部位不同進(jìn)行調(diào)整。

b. 炮孔直徑:d=42mm。

c. 掏槽孔。 掏槽孔布置在爆破上臺(tái)階斷面中央偏下位置, 本方案隧洞爆破設(shè)計(jì)采用楔形掏槽(見(jiàn)圖4)。

圖4 掏槽孔布置示意圖

楔形掏槽的每對(duì)掏槽眼呈完全對(duì)稱(chēng)形或近似對(duì)稱(chēng)形。 每對(duì)掏槽眼由淺變深, 孔底間距為0.1 ~0.3m,楔形掏槽孔與工作面夾角為55° ~75°, 由小變大, 為保證復(fù)式楔形掏槽取得良好的爆破效果, 應(yīng)盡量減小鉆眼的偏差。

根據(jù)掏槽眼布置原則, 大斷面隧洞應(yīng)采用楔形掏槽, 并盡量加大第一級(jí)掏槽眼之間的水平距離, 縮小掏槽角; 炮眼深度超過(guò)2.5m 時(shí), 應(yīng)采用二級(jí)或三級(jí)或多級(jí)復(fù)式楔形掏槽。

5.4 輔助孔布設(shè)

輔助孔布置在掏槽孔和周邊孔之間, 炮孔間距根據(jù)圍巖種類(lèi)即所處不同位置從60 ~100cm 之間選取,施工中可做適當(dāng)調(diào)整。

5.5 周邊孔布設(shè)

周邊眼布置在距開(kāi)挖斷面邊緣0.1 ~0.2m 位置,周邊眼的眼底要朝隧洞輪廓線方向傾斜, 當(dāng)隧洞穿過(guò)的巖體堅(jiān)硬時(shí), 眼底可達(dá)到或稍稍超出輪廓線位置;巖體中等堅(jiān)固時(shí), 間距一般取炮孔直徑的8 ~15 倍,眼底距輪廓線約0.1 ~0.2m; 在松軟巖體中, 炮眼不必傾斜, 眼底距輪廓線的距離與眼口處相同。

本隧洞各類(lèi)圍巖均采用光面爆破, 以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng), 在節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石中, 應(yīng)取小值; 在整體性較好的巖石中, 應(yīng)取大值。 周邊孔間距一般為50 ~75cm, 施工中可做適當(dāng)調(diào)整。 周邊孔鉆孔時(shí)應(yīng)提高鉆孔精度, 以減少超欠挖, 并保證開(kāi)挖輪廓面積。周邊孔爆破時(shí)應(yīng)同時(shí)起爆, 確保爆破質(zhì)量。

5.6 光面爆破參數(shù)

a. 不耦合系數(shù)。 合理的不耦合系數(shù)應(yīng)使炮孔壓力低于巖壁動(dòng)抗壓強(qiáng)度, 而高于動(dòng)抗拉強(qiáng)度, 本工程選用不耦合系數(shù)為1.31。

b. 光面炮孔間距。 一般取炮孔直徑的8 ~15 倍。在節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石中, 應(yīng)取小值; 在整體性較好的巖石中, 應(yīng)取大值; 本工程光爆孔間距取70cm,施工中可做適當(dāng)調(diào)整。

c. 最小抵抗線W(E), 即光面層厚度或周邊孔到鄰近輔助孔間的距離, 是光面孔起爆時(shí)的最小抵抗線, 一般應(yīng)不小于光面孔間距。 選取與各級(jí)圍巖相對(duì)應(yīng)的E值, 本工程為80cm。

d. 線裝藥量: 200 ~300g/m。

e. 不耦合裝藥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 不耦合裝藥結(jié)構(gòu)

不同的情況可選擇不同的裝藥結(jié)構(gòu)。 在地質(zhì)構(gòu)造如破碎松軟、 滲水、 漏水等不良情況嚴(yán)重時(shí), 可選擇(a) 或(b) 裝藥結(jié)構(gòu); 在情況相對(duì)較好時(shí), 可選擇(c) 裝藥結(jié)構(gòu)。

由于地下工程地質(zhì)情況十分復(fù)雜, 塌方段處理也無(wú)一定模式, 具體要視現(xiàn)場(chǎng)情況研究決定, 情況嚴(yán)重的位置可在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加輔助孔、 周邊孔數(shù)量,采用特殊裝藥結(jié)構(gòu)、 減少裝藥量等方法及時(shí)調(diào)整爆破施工工藝。

5.7 炮孔數(shù)

炮孔數(shù)目的多少直接影響每一循環(huán)鑿巖工作量、爆破效果、 掘進(jìn)進(jìn)度、 隧洞成型的好壞, 設(shè)計(jì)時(shí)按下式計(jì)算炮孔數(shù), 在施工過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況可做適當(dāng)調(diào)整, 以達(dá)到最佳爆破效果。

式中N——炮孔數(shù)目, 個(gè);

f——巖石普氏系數(shù);

S——巷道掘進(jìn)斷面, m2。

隧洞巖石普氏系數(shù)f=8 ~12, 本工程為Ⅳ級(jí)圍巖, 巖石普氏系數(shù)f取值9。

a. 倒虹吸銜接段: 經(jīng)計(jì)算, 上臺(tái)階圍巖面積為139m2。

b. 洞身開(kāi)挖孔數(shù):個(gè)。

5.8 裝藥結(jié)構(gòu)

掏槽眼、 輔助眼采用連續(xù)裝藥方式, 見(jiàn)圖6。

圖6 隧洞掘進(jìn)其余炮眼裝藥

周邊孔參照光面爆破不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。

本工程隧洞開(kāi)挖采用光面爆破技術(shù)時(shí), 起爆使用非電毫秒雷管, 結(jié)合實(shí)際開(kāi)挖后地下水情況, 使用2號(hào)巖石乳化炸藥。 開(kāi)挖時(shí), 嚴(yán)格控制周邊眼的間距和鉆眼角度, 周邊眼采用專(zhuān)用的光面爆破藥卷或小藥卷間隔裝藥結(jié)構(gòu), 根據(jù)隧洞埋深情況嚴(yán)格控制同段雷管的起爆藥量, 以減少對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

所有炮眼裝藥后需用炮泥堵塞密實(shí), 以確保爆破效果。

5.9 藥量計(jì)算

周邊眼單孔藥量計(jì)算公式為

式中QK——單孔裝藥量, g;

ρ0——炸藥的密度, g/cm3;

L——炮眼深度, m;

di——炸藥直徑, cm;

β——光面爆破炮眼填裝系數(shù)。

其他各部位炮眼裝藥量計(jì)算公式為

式中q——單眼裝藥量, kg;

K——裝藥密度, 取1.35kg/m3;

a——炮眼間距, m;

L——炮眼深度, m;

W——炮眼爆破方向的抵抗線, m;

λ——炮眼所在部位系數(shù), 掏槽眼λ取3, 輔助眼λ取2。

5.10 各開(kāi)挖形式具體爆破參數(shù)

臺(tái)階法光面爆破開(kāi)挖方式適用于Ⅱ級(jí)圍巖以及Ⅲ級(jí)圍巖一般洞身段。 掏槽方式: 掏槽眼間距為30 ~50cm, 臺(tái)階法光面爆破炮眼布置見(jiàn)圖2。

將開(kāi)挖斷面分上、 下臺(tái)階開(kāi)挖, 采用減振控制爆破技術(shù), 預(yù)計(jì)上臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺3.5m, 下臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺4.5m, 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表1。

表1 上臺(tái)階開(kāi)挖爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

下臺(tái)階開(kāi)挖炮眼布置見(jiàn)圖1, 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表2。

6 爆破振動(dòng)校核

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》 (GB 6722—2014) 中有關(guān)規(guī)定: 本工程隧洞爆破f＞50Hz, 爆破安全允許振速V取12cm/s, 據(jù)《爆破安全規(guī)程》 規(guī)定采用薩氏公式來(lái)計(jì)算爆破安全允許距離:

式中K、a——與地質(zhì)地形條件有關(guān)的衰減系數(shù),根據(jù)《平陽(yáng)縣南湖分洪工程初設(shè)勘察報(bào)告》,中硬巖石取K=150 ~250、a=1.5 ~1.8, 本工程K值取200,a值取1.8 ;

Q——一次爆破的最大藥量。

上、 下游倒虹吸銜接段,R取5m,Q取0.9kg。

a. 二襯混凝土自上而下施工, 淺孔爆破針對(duì)爆區(qū)周邊一般建(構(gòu)) 筑物的核算如下:

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》 GB 6722—2014 中有關(guān)規(guī)定, 本工程爆破安全允許振速: 一般建筑物取為2.0cm/s 根據(jù)公式:

式中K、a——與地質(zhì)地形條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù), 查表知, 本工程取K= 200、a=1.8;

R——爆破振動(dòng)允許安全距離, m;

Q——爆破時(shí)同段最大起爆藥量, kg。

本設(shè)計(jì)按上述驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行毫秒微差爆破設(shè)計(jì),控制同段起爆藥量符合爆破振動(dòng)安全要求; 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得出爆破振動(dòng)控制表。

爆區(qū)周邊環(huán)境: 主要保護(hù)上臺(tái)階已施工完成的V1=K(Q1/3/R)α=200 × (51/3/0.9)1.8=10.35cm/s。

V1=10.35cm/s ＜爆破安全允許振速(V=12cm/s),符合爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)要求, 對(duì)上臺(tái)階二襯混凝土無(wú)影響。

b. 二襯混凝土自下而上施工, 淺孔爆破針對(duì)爆區(qū)周邊一般建(構(gòu)) 筑物核算(無(wú)保護(hù)對(duì)象)。

7 降低爆破振動(dòng)的操作要求

a. 控制單響最大用藥量。

b. 控制一次爆破最大用藥量。

c. 采用毫秒延期及光面爆破, 下臺(tái)階采用新型電子雷管逐孔爆破。

d. 減小最小抵抗線。

e. 選擇合理的裝藥結(jié)構(gòu)。

f. 加強(qiáng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

8 安全檢查

建立定期的安全檢查制度, 定時(shí)間、 定要求, 明確重點(diǎn)部位、 重點(diǎn)設(shè)備、 危險(xiǎn)崗位。 設(shè)定項(xiàng)目部半個(gè)月、 工區(qū)每周、 工程隊(duì)每天一次進(jìn)行檢查和總結(jié), 提出整改意見(jiàn), 落實(shí)整改措施, 并進(jìn)行復(fù)檢。

9 結(jié) 語(yǔ)

倒虹吸銜接段施工工藝復(fù)雜、 施工難度大, 因此施工前的開(kāi)挖方法和爆破技術(shù)參數(shù)的選擇尤為重要。通過(guò)上述開(kāi)挖方法和爆破技術(shù)參數(shù)選擇, 有效地保證了平陽(yáng)縣南湖分洪工程倒虹吸銜接段的施工安全、 施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。 ■