蟠龙水电站引水隧洞的开挖施工

梁森森

(丽水市汇力水电建设有限公司,浙江 丽水 323000)

1 工程概况

蟠龙水电站位于乌溪江干流遂昌县境内,工程由拦河坝、发电引水建筑物和电站厂房组成,拦河坝为重力坝,坝顶总长135.5 m,坝顶高程257.9 m,顶宽5 m,最大坝高26.4m。厂房为地面式厂房,由主厂房、升压站、尾水渠及进厂公路组成,装机容量2×8 MW,发电引水隧洞布置在拦河坝右岸,由进水口、引水隧洞、调压井及压力管道等组成,水平投影长度为1187 m,设计引用流量83.8 m3/s,引水隧洞为圆形有压洞,开挖洞径8.8 m。

引水隧洞洞线基岩为流纹岩,新鲜岩石致密坚硬。进口段弱风化带厚一般2～6 m,出口段弱风化带厚一般3～18 m。隧洞沿线有2条区域性断层F1和F2通过,隧洞进出口段节理均较发育。进口段覆盖层较薄,岩体较完整,工程地质条件较好;出口段覆盖层较薄,节理较发育,岩体完整性一般,且出口段有区域性断层通过,工程地质条件较差;洞身段上覆岩体厚一般50～300 m,多属Ⅰ～Ⅱ类围岩。隧洞于2008年12月开工,2009年10月开挖完毕,开挖历时11个月,比计划工期提前1个月。本文结合蟠龙水电站引水隧洞施工中的一些实际经验,对隧洞开挖的一些关键技术进行探讨。

2 隧洞开挖主要技术要求

蟠龙水电站属低水头电站,平均水头仅23.72 m,隧洞85%不进行钢筋混凝土衬砌,因此对开挖表面的平整度提出了严格要求。隧洞周边采取预裂和光面爆破,预裂和光面爆破应达到如下要求:①残留炮孔痕迹应在开挖轮廓线均匀分布;②炮孔痕迹保存率应达到完整岩石在80%以上,较完整和完整性较差的岩石不小于50%,较破碎岩石不小于20%;③相邻2孔间的岩面平整,孔壁不应有明显的爆震裂隙;④相邻2茬炮之间的台阶或预裂爆破孔的最大外斜值不应大于15 cm;⑤预裂爆破后必须形成贯穿连续性的裂缝;⑥设计开挖线以内不允许欠挖,设计开挖线以外超挖控制在20 cm内,同时规定开挖后过水表面糙率应低于设计要求值0.032。

3 隧洞开挖

3.1 施工要点分析

蟠龙水电站的发电引水隧洞的施工,在确定光面爆破施工的光爆参数时,主要考虑了以下几个因素:①围岩的完整性和结构特征;②围岩的物理力学指标,主要取决于围岩岩体中存在的各种软弱岩层及软弱面的指标;③地下水的分布情况;④采用的施工方法;⑤开挖隧洞洞径的大小等。

3.2 施工总体方案

根据本工程特点,施工中采用全断面开挖方式,ZY-27型凿岩机钻孔,光面爆破,循环进尺平均为2.5 m,循环作业时间为11.5 h,日进尺5.0 m,隧洞采用1 m3挖掘机装载,4台10 t自卸汽车运送弃渣。为加快出渣速度,隧洞在掘进500 m后设1个错车道。因隧洞为圆形,为便于行车方便,在洞下部填铺一定的渣量,待贯通后由内向外,并结合衬砌的运输情况逐步清渣。采用1台YZF200L1-2型通风机通风,排烟除尘时间为30 min。

3.2 布孔、孔深、孔径及装药量

按照设计要求,本工程的隧洞开挖断面为直径8.8 m圆洞,在进行光面爆破施工时,在布孔、孔深、孔距、孔径及装药量等方面,采用的施工办法是:首先,打眼时,先照好中心、腰线定出掌子面中心点位,然后根据中心点位来布置掏槽眼、辅助眼及周边眼的位置。

眼位的布置应视上述考虑的几个因素的情况而定,一般情况下,也就是岩石较好的情况下,掏槽眼布置9个,即由5个炮孔和4个空孔对称组成,空孔间距20 cm;炮孔间距30 cm。辅助孔5排,间距70 cm,抵抗线75 cm。钻孔直径 Φ 42,钻孔深度2.7 m。周边孔46个,孔深2.7 m,间距0.6m,均匀布置。

装药时,一般情况下掏槽眼只装5孔,其余4孔不装药;辅助眼及周边眼全部装药。所装药量见表1:

表1 隧洞爆破药量表

当遇有小断层及破碎带时,掏槽眼减少2个,辅助眼加2个,同时周边眼装药量必须减少。以减小放炮时对围岩的震动,达到减少塌方和较好的开挖效果。在装药量上采取了以下不同的方法:①在遇到岩石不易开崩的情况下,多打周边孔,周边孔孔距调整为50 cm,并且将周边眼的装药量变为0.35 kg/m,其他孔数及装药量不变;②当遇到岩石软硬程度不一致时,且外面为较硬岩石,里面岩石较软,装药时里面装3管药再加雷管,并且外面留20 cm不装药;③当遇到岩石软硬程度不一致时,且外面为较软岩石,里面岩石较硬,装药时里面装1管药再加雷管,并且外面留下较软岩石长度的1/2不装药;④遇到隧洞开挖中出现较大渗水时,必须用防水炸药,但由于防水炸药爆破效果不如普通炸药,因此在使用防水炸药时,每个药眼还需加装0.2 kg药量,才能产生较好的爆破效果。

4 岩爆洞段施工

4.1 岩爆发生的现象与特征

蟠龙引水隧洞0+310～0+710 m洞段,围岩为流纹岩,岩石新鲜致密坚硬,判定以Ⅰ～Ⅲ类围岩为主,成洞条件较好。洞顶高程为256.115～262.12 m,地面高程在460～560 m之间,埋深在200 m以上,围岩坚硬干燥,在实际施工中出现了不同程度的岩爆,累计记录达100余次,造成了砸坏机械、砸伤作业人员和停工等严重事故。

从岩爆发生过程中观察和记录到的资料分析,蟠龙隧洞岩爆一般具有以下特点:①岩石以流纹岩为主,岩石坚硬干燥,在未发生前,无明显的征兆,虽经过仔细寻找,并无空响声,一般认为不会掉落石块的地方,会突然发生岩石爆裂声响,石块一般应声而下;②岩爆发生的地点多在新开挖的掌子面及距离掌子面1～3倍洞径范围内,个别的也有距新开挖工作面较远;岩爆部位以左边洞项部为多,岩爆在开挖后陆续出现,多在爆破后的2～8 h,24 h内最为明显;③岩爆围岩的破坏过程:在0+310～0+680 m桩之间,岩体为Ⅰ、Ⅱ类围岩,新鲜坚硬,岩爆发生前先产生声响,并伴随片状剥落的裂隙出现,裂隙一旦贯通就产生剥落或弹出,属于表部岩爆,围岩破坏的规模一般几厘米厚,石块由母岩弹出,形状常呈中间厚、周边薄,不规则的片状脱落,脱落面多与岩壁平行。在 0+680～0+710 m桩号之间,岩体为Ⅲ类围岩,强度相对较低,洞顶部沿洞轴线方向存在一条厚约1 cm的缓倾角夹层,该段洞室岩爆时围岩破坏的规模较大,最大岩块达1.5 m3;④蟠龙水电站引水隧洞岩爆破坏形式主要为劈裂破坏和剪切破坏2种,破坏总体属爆裂脱落型,局部地段也曾出现过弹射现象。

4.2 岩爆洞段开挖爆破方法

(1)在施工过程中,加强超前地质探测,预报岩爆发生的可能性及地应力的大小。采用超前钻探方法,同时利用隧道内地质编录观察岩石特性,提前判断可能发生岩爆的范围。同时加强与设代地质工程师联系,对收集的资料进行分析,及时对即将施工部位进行分析预测。在施工中加强监测工作,通过对围岩和支护结构的现场观察、通过对圆形观测、两维收敛以及锚杆测力计、多点位移计读数的变化,可以定量地分析预测滞后发生的深部冲击型岩爆,用于指导开挖和支护的施工,以确保安全。

(2)0+310～0+710 m为中等岩爆段,该洞段施工中,首先在洞顶部1200范围内钻安 Φ 28 mm,L=6 m,间距50 cm的超前锚杆,以达到超前地质探测,提前释放应力并防止劈裂型岩爆,在开挖过程中采用“短进尺、多循环”,同时利用光面爆破技术,严格控制用药量,以尽可能减少爆破对围岩的影响并使开挖断面尽可能规则,减小局部应力集中的可能性。在岩爆地段的开挖进尺严格控制在2.5 m以内,周边孔增加10个,间距缩短为50 cm,炸药量调整为0.25 kg/m。

(3)0+700～0+710 m洞段岩爆较强烈,采用先打小导洞,提前释放部分应力再扩挖的方法进行施工,导洞断面为圆形,直径4 m,导洞开挖至0+710 m桩号发现岩爆已明显减弱,随后进行洞室扩挖,在扩挖施工中周边孔数量调整为56个,采用导爆索进行爆破,严格控制装药密度及单耗,降低爆破动应力场的叠加,尽量减少对围岩的扰动,改善围岩的应力状态。

(4)开挖完成后,及时向岩面洒水,以释放应力。0+310～0+648 m洞段通过上述开挖方式施工岩爆得到了有效控制,仅左半洞室有少量掉块,为施工安全将洞内施工道路改在洞室右边。0+648～0+710 m洞段开挖后岩爆较频繁,洒水后及时进行初期支护,先初喷厚10 cm的混凝土,再布置Φ 25,L=3 m,间距3 m×3 m系统锚杆,挂 Φ 6.5 mm,间距15 cm×15 cm钢筋网,并复喷10 cm厚C20混凝土进行封闭。

(5)在0+690～0+708 m洞段虽然采取系统锚杆、挂网、喷混凝土等措施,但是效果不好,经常是刚施工完就发生岩爆塌方,存在很大的安全隐患。经分析主要是因为进一步支护的力度不够和爆破振动的影响,诱发了多次岩爆塌方,该部位采取增加Φ 25 mm,L=4.5 m的砂浆锚杆,间排距为1 m×1 m。后用16工字钢支护,每榀工字钢间距1.0 m,纵向布置 Φ 16 mm联系钢筋,挂 Φ 6.5 mm,间距15 cm×15 cm钢筋网,并喷20 cm厚C20素混凝土。

5 光面爆破质量控制

光面爆破与传统的爆破法相比,最显著的优点是能有效地利用不耦合装药控制周边眼炸药的爆破作用,从而减少对围岩的扰动,保持围岩自身的稳定,确保施工安全及减少超挖、杜绝欠挖。控制超欠挖是光面爆破质量控制的关键,采取了以下措施:

5.1 控制超欠挖

根据地质情况,通过调整周边布眼参数、装药参数或其它辅助方法等措施来控制超欠挖:①在水平层理地段,根据层厚情况,Ⅲ、Ⅳ级围岩地段顶部炮眼可内移5～10 cm。Ⅰ、Ⅱ级围岩拱顶部则减少装药,边墙部位周边适当加密炮眼,减少单孔线装药量;②在垂直层段,适当减弱边墙部位装药量,拱顶部周边眼药量相对边墙略大;③在倾斜层理地段,应尽量使周边眼全长均匀装药,在周边局部采取一些辅助措施;④尽量避免沿层理面钻孔,重视做好喷锚网等初期支护。

5.2 优化周边眼装药方法

对Ⅱ、Ⅲ级围岩地段实行空气间隔装药,导爆索串联,岩石整体性好时适当增加药量,对软弱破碎围岩地段减小装药量,周边眼隔眼装药或只装导爆索;特殊地段可预留光爆层。

5.3 严格控制作业质量

严格控制作业质量:①提高测量放样精度和钻孔精度,钻眼前要定出隧洞掘进方向,以便于钻工掌握周边眼的外插角,利用激光指向仪辅助钻孔定向,并重点加强司钻工的操作水平和责任心;②由于现有风枪的结构特点,常会出现 “左欠右超”的现象,测量人员时在放线时可适当调整消除;③钻眼时,周边眼和掏槽眼的钻眼精度控制在3～5 cm以内;④周边眼的外插角应随眼深的变化而变化,原则是使两茬炮的衔接台阶＜15 cm;⑤根据工作面眼口位置岩面的凹凸程度调整炮眼深度,以保证眼底在同一平面上。

6 结 语

除岩爆段洞室外,开挖爆破质量总体较好,洞挖后岩面无松动岩石,表面规格平整,孔底爆震裂痕轻微,前后排残孔基本保持在同一边线位置上,大部分洞段的顶拱光爆平整度较好,两侧略差,光爆实测质量情况为:半孔率88.2%,平均超挖6.9 cm,起伏差5.3 cm。隧洞贯通偏差值为:纵向2.1mm、横向7 mm、竖向11.2 mm。各洞段实测糙率为0.0236～0.0310,均未超出设计要求值。

在蟠龙水电站工程的发电引水隧洞的开挖施工中,针对出现的地质情况下按照上面介绍的施工方法进行布眼、装药,平均单循环进尺2.5 m,每天 2个循环,月进尺130 m左右。岩爆洞段施工中,通过不断总结经验和教训,以锚、网、喷支护手段结合多种防治措施,以较低的工程造价和损失,按期完成了蟠龙水电站引水隧洞的开挖施工。