新奥法在向家坝水电站骨料输送线8#隧洞施工中的应用

2015-12-24王少华吴宏丽

湖南水利水电 2015年5期

关键词：炮孔装药隧洞

王少华吴宏丽

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司长沙市 410014）

1 工程概况及工程地质条件

1.1 工程概况

向家坝水电站位于金沙江下游，电站大坝为混凝土重力坝，最大坝高161 m，总装机容量6 400 MW。电站建设所需砂石骨料由大坝上游右岸太平料场供应，采用长距离带式输送机运输，设计运输能力为3 000 t/h。

骨料输送线Ⅱ标段8#隧洞断面采用城门洞型，断面净空尺寸为5 m×4 m（宽×高），路面设计纵坡坡比i=1.144 3%。隧洞全长4 649.18 m，为本标段最长的隧洞段。8#隧洞施工是控制性关键项目，施工进度直接影响本标段关键线路的直线工期。

1.2 工程地质条件

8#隧洞所在区域构造部位上属糖房湾穹窿状短轴背斜的SW 翼。隧洞轴线方向25°，穿越玛瑙山脉。隧洞最大埋深316 m。岩层总体走向10°～40°、倾向SE、倾角10°～30°。8#隧洞穿过了3 层不同的地层，第1 层为侏罗系沙溪庙组粉细砂岩、泥岩，岩石呈强风化、中等风化，围岩类型为Ⅳ～Ⅴ类，长度81.5 m；第2 层为侏罗系沙溪庙组砂岩与泥岩互层，岩石呈微风化至新鲜，围岩类型为Ⅱ～Ⅳ类,长度4 175 m，为主要地层；第3 层为侏罗系自流井组粉砂岩与泥岩互层，岩石呈强风化、中等风化，围岩类型为Ⅳ～Ⅴ类,长度392.67 m。整个8#隧洞Ⅴ类围岩长33 m，Ⅳ类围岩长774.17 m，Ⅲ类围岩长3 572 m，Ⅱ类围岩长27 m。

2 新奥法施工基本原理和主要原则

2.1 基本原理

新奥法是应用岩体力学理论，充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构（以锚杆和喷射混凝土为主要支护手段）及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的监控量测来指导地下工程设计与施工。

2.2 主要原则

新奥法施工主要原则可扼要地概括为“少扰动、早喷锚、快封闭、勤监测”。

（1）减少对围岩的扰动。新奥法将围岩视为隧洞承载构件的一部分，施工时应采用光面爆破、微差爆破等措施，以减少对隧洞周边围岩应力的扰动，维护围岩的整体性。

（2）充分发挥围岩的自承能力。为了充分发挥围岩的自承能力，应允许并控制围岩的变形。同时隧洞的支护结构，也应具有一定的变形量，以缓和来自隧洞的压力。

（3）尽快使支护结构闭合。为改善支护结构的受力性能，施工中应尽快使支护结构闭合，形成封闭结构。

（4）加强监控量测。通过对围岩和支护的监控量测，可判断围岩稳定性和支护可靠性，并根据监控量测数据修改施工方法，确保施工安全和质量。

3 新奥法施工应用

根据8#隧洞的特点和隧洞穿越岩层的地质条件，8#隧洞开挖和支护采用新奥法施工技术。隧洞进出口开挖工作面均各自配备一套钻架台车进行钻爆法施工，采用无轨出碴方式，洞内每200 m 左右设回车洞。8#隧洞施工方法和支护参数详见表1 和表2。

表1 8#隧洞施工方法一览表

表2 8#隧洞支护参数及适用范围表

3.1 隧洞开挖施工

3.1.1 开挖施工工艺流程

8#隧洞洞室开挖施工工艺流程见图1。

图1 洞室开挖施工工艺流程图

3.1.2 爆破开挖钻爆参数

洞室光面爆破顺序是掏槽孔先响，辅助孔次之，周边孔最后响，周边孔的爆破次序一般是帮孔、顶孔、底孔。

（1）掏槽孔钻爆参数。

●掏槽形式：掏槽形式采用小孔桶形直线掏槽，即空孔直径与装药孔相同，炮孔方向垂直工作面，如图2 所示。

●炮孔设置：中心孔为装药孔，一层矩形孔为空孔，二层及以上的矩形掏槽孔为装药孔，所有掏槽孔的方向皆垂直于作业面。

图2 掏槽孔布置示意图

●炮孔直径：Φ32 mm。

●炮孔深度：以各类围岩的每循环进尺为依据，中心孔及一层矩形孔比其他孔加深（15～20）cm。

●炮孔间距：一层矩形孔距中心孔约8 cm，二层矩形孔距中心孔约30 cm，三层矩形孔距中心孔约50 cm，四层矩形孔距中心孔约80 cm。

●炮孔装药：掏槽孔装药的基本原则是保留（30～40）cm 的堵塞段后全部连续耦合装药，但中心孔药量比其他孔增加15%～20%。

（2）辅助孔钻爆参数。

●炮孔布置：爆孔方向垂直于工作面，最小抵抗线取80 cm 左右，间排距取（80～100）cm 之间，堵塞长度为40 cm。

●孔径和孔深：以各类围岩的每循环进尺为依据，并与之相等。孔径与掏槽孔孔径相同。

●炮孔装药：除出堵塞后的长度进行全部连续偶合装药。

（3）周边孔钻爆参数。

●炮孔布置：周边孔都要向外侧倾斜一个角度，使孔底超出开挖边线20 cm，以使下一循环钻孔设备有足够的操作空间，确保隧洞的设计断面。顶孔间距为40 cm 左右，帮孔和底孔的间距适当增加。

●孔径和孔深：以各类围岩的每循环进尺为依据，并与之相等。孔径与掏槽孔孔径相同。

●炮孔装药：顶孔和帮孔除去堵塞后的长度进行全部小药卷（Φ25 mm）连续不耦合装药。底孔装药量适当加大，起到“翻碴”作用。

3.1.3 起爆网络

考虑到隧洞断面太小，又有电缆电线及灯泡，采用非电雷管起爆方法，即孔内雷管和孔外过桥雷管用半秒延期导爆管雷管，起爆雷管用火雷管。设计的起爆方式为一次点火起爆。

3.1.4 各类围岩排炮循环时间

8#隧洞各类围岩排炮循环时间见表3。

3.2 隧洞支护施工

3.2.1 锚杆施工

超前锚杆、系统锚杆、随机锚杆和锁口锚杆采用风钻造孔，机械注浆、作业平台车配合人工安装。锚杆按先注浆后安插锚杆的程序施工。

表3 8#隧洞各类围岩排炮循环时间表 min

3.2.2 钢筋网施工

随开挖进度分区、分块进行，挂网前先喷一层（3～5）cm 厚素混凝土。钢筋网采用光面钢筋在场外按（2～4）m2一块进行编焊，运至工作面后，人工在脚手架平台上沿岩面铺设，利用锚杆头点焊固定，中间用膨胀螺栓加密固定，钢筋网距离壁面（3～5）cm，网间用铅丝扎牢。

3.2.3 喷射混凝土施工

喷混凝土采用混凝土喷射机半湿喷工艺施工，喷射早强混凝土。场外拌制喷混凝土料，5 t 自卸车运至工作面后，分层施喷。若有网喷混凝土则按“喷－网－喷”的程序进行。

3.2.4 钢支撑施工

钢支撑在专门指定地方分段分节加工制作，编好号后运至现场人工拼接安装、焊接，节间用螺栓连接，钢支撑立柱脚设钢垫板，必要时浇筑基础混凝土。每榀钢架间通过用纵向筋联接形成整体，整体与锚杆头焊接，再喷混凝土。拱脚及腰部打锁脚锚杆加固。

3.2.5 超前小导管施工

为确保8#隧洞进口洞室开挖安全、稳定，在隧洞顶拱部位采用小导管进行超前加固注浆。小导管沿顶拱开挖轮廓线布置，环向间距300 mm，长度L=6.0 m，上仰倾斜角5°。小导管采用Φ48 钢管制作，钢管前端加工成圆锥形，并予以封焊严实，管身设若干溢浆孔，孔径Φ10，孔距300 mm，梅花形布置；后端1 m 范围不设溢浆孔。注浆浆液采用0.5∶1～1∶1 纯水泥浆，注浆压力为（0.2～0.3）MPa。

3.3 隧洞监控量测

喷锚支护是新奥法的基础，监控量测是新奥法的灵魂。在隧洞施工过程中进行现场监控量测，及时获取围岩和支护的动态信息，并反馈于修正支护参数与施工措施。

3.3.1 监控量测的项目

（1）围岩和支护状况观察。观察记录工作面的工程地质与水文地质情况，作地质素描图，结合探孔情况对地质进行预测。观察开挖面附近初期支护状况和喷混凝土表面裂纹状况，结合变形监测判断围岩的稳定性和初期支护的可靠性。

（2）地表沉降监测。8#隧洞进口段和出口段覆盖层厚度较小，且8#隧洞进口左侧受滑坡体的影响，岩体破碎，隧洞开挖易塌顶，处理不当会造成地表沉陷，为此在地表设置沉降监测。布点原则为在8#隧洞进口段和出口段分别设置地表沉降横断面2个，沿洞轴线方向（10～30）m 设置地表沉降测点一个。监测仪器为精密水准仪。

（3）拱顶下沉及收敛量测。根据8#隧洞围岩类别和埋深情况，拱顶下沉及收敛量测沿隧洞洞轴线方向在拱顶和墙中布设测点，测点间距一般洞口浅埋段和Ⅴ级围岩为10 m，Ⅳ级围岩为（20～30）m，Ⅲ级围岩为50 m，Ⅱ级围岩为（80～100）m，而大变形软岩段断面间距最小为5 m。收敛量测在开挖后尽早进行，初读数在开挖12 h 时内且在下一循环开挖前读取，采用无尺量测法。浅埋地段洞内外量测点布设在同一横断面内。

3.3.2 量测频率与结束标准

（1）量测频率。量测频率根据监测数据的变化情况而定，一般情况按表4 进行。

（2）结束标准。根据收敛速度判别：收敛速度＞5 mm/d 时，围岩处于急剧变化状态，加强初期支护系统；收敛速度＜0.2 mm/d 时，围岩基本达到稳定。

各量测项目持续到变形基本稳定后2 周结束，软弱围岩大变形地段位移长时间不能稳定时，延长量测时间。