白鹤滩水电站泄洪洞龙落尾开挖支护关键技术

2016-07-01田洪，康建荣，甄耀祖，杨波，彭培龙

四川水力发电 2016年3期

关键词：开挖关键技术

田　洪，　康建荣，　甄耀祖，　杨　波，　彭培龙

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局，四川成都　610225)

白鹤滩水电站泄洪洞龙落尾开挖支护关键技术

田洪，康建荣，甄耀祖，杨波，彭培龙

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局，四川成都610225)

摘要：白鹤滩水电站泄洪洞龙落尾段断层、错动带分布广泛，岩体破碎，地质条件复杂，龙落尾开挖具有施工通道布置困难、安全隐患大、通风散烟难、开挖工期长等特点。从开挖方案、质量安全保障措施等方面介绍了泄洪洞龙落尾开挖支护施工采用的关键技术，对类似工程具有指导意义。

关键词：白鹤滩水电站；泄洪洞龙落尾；开挖；关键技术

1工程概述

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，上游距乌东德坝址约182 km，下游距溪洛渡水电站约 195 km。电站总装机容量为 16 000 MW，枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、二道坝及水垫塘、泄洪洞、引水发电系统等建筑物组成，泄洪洞龙落尾由渥奇曲线段、斜坡段、反弧段、下平段组成，最大断面尺寸为17.1 m×18 m。泄洪洞平面布置情况见图1。

龙落尾段上覆岩体厚度约为26～110 m，主

图1　白鹤滩水电站泄洪洞平面布置示意图

要穿过P2β21、P2β14、P2β13、P2β12、P2β11层斜斑玄武岩、含灰岩角砾(集块)玄武岩、玄武质碎屑砂岩、微晶玄武岩等微风化～新鲜岩体，断层平均发育密度约为0.5条/10 m。围岩以次块状和块状结构为主，部分为镶嵌结构，围岩类别以Ⅲ1类为主，Ⅱ类次之，少量为Ⅲ2类，断层及其影响带范围内的围岩类别为Ⅳ类，Ⅲ1、Ⅲ2类围岩整体稳定，局部稳定性较差，Ⅳ类围岩稳定性差。

2施工难点

(1)泄洪洞龙落尾上接上平段，由渥奇曲线、斜坡段、反弧段、下平段组成，每条泄洪洞均布置3个掺气坎，开挖断面突变较多，因此，对于龙落尾的开挖，其结构体型控制是难点。

(2)受施工条件限制，仅能布置上、中、下三条施工支洞，同时每条泄洪洞龙落尾斜坡段坡比为1∶4，既不能满足自然溜渣要求，也不能满足轮胎式设备的通行，在斜坡段局部地方的开挖需进行多次倒渣。

(3)由于泄洪洞龙落尾段采用分多层进行开挖的方式，单工作面开挖强度低，其资源组织与协调是难点。

(4)泄洪洞龙落尾段断层、错动带分布广泛，岩体破碎，开挖安全风险较大，开挖质量控制是其重点。

(5)施工支洞洞口距离开挖工作面较远、通风距离较长，洞内通风排烟是其难点。

3施工布置

3.1施工通道

结合泄洪洞龙落尾设计结构体型及现场边界条件，龙落尾的开挖共规划上、中、下3条施工支洞作为开挖通道。上通道由泄洪洞上平段第I层开挖支护完成后形成，主要满足渥奇曲线段及斜坡段部分洞段的开挖支护需求；中通道为布置在中部的2#施工支洞，主要满足斜坡段开挖支护需求；下通道从现有的506#公路接入，主要满足龙落尾反弧段的开挖支护需求。各施工支洞开挖断面均为8 m×7 m,城门洞型，最大纵坡8%，采用25 cm厚C20混凝土硬化。

3.2施工用的风水电

风水电设备的配置根据施工需求计算得出，风水管线沿施工通道规范布置，应确保其安全可靠。由于各交通洞进洞口距离龙落尾开挖工作面较远且弯道较多，通风散烟是龙落尾开挖支护的一大难点，尤其是中层通道作业面。该工程主要选用SD-Ⅱ-125、SD-Ⅱ-112以及AVH180.132进口风机，且将风机布置在各通道进洞口。

4所采用的施工关键技术

4.1施工分层及程序

龙落尾为整个泄洪洞工程的重点、难点、关键线路项目，主要表现在其结构体型复杂多变，测量放线难度大；地质条件差，安全隐患大；作业面施工强度低，施工资源协调组织要求高等几个方面。为保证后续施工难度更大的混凝土衬砌有充足的施工工期，龙落尾的开挖及支护工作宜早不宜迟，因此，制定合理的施工程序是龙落尾施工的关键。

4.1.1施工的分区与分层

泄洪洞龙落尾段具有曲线复杂、高差大的特点。在综合考虑施工通道布置、资源配置、工期要求等因素后确定，沿轴线方向总体分8个斜层开挖，即渥奇曲线段(Ⅰ、Ⅱ层)、斜坡段(Ⅲ、Ⅳ层)、反弧段及下平段(Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ层)，在断面上分3层进行开挖，具体开挖支护分层情况见图2(以3#龙落尾为例)。

图2　泄洪洞龙落尾分层示意图

4.1.2施工程序

泄洪洞龙落尾分3个工作面进行开挖，分别为上平段工作面、中层施工支洞工作面、下层施工支洞工作面。上平段第一层开挖结束后，利用上平段第一层做为施工通道，依次进行渥奇曲线段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层的开挖，Ⅲ层开挖结束后利用已开挖完成的洞段作为施工通道进行后Ⅳ-1层的开挖直至与中层施工支洞开挖的工作面相贯通；当中层施工支洞贯通后首先向下游半幅进行开挖至Ⅲ层分层底板上，然后向上游进行Ⅲ层的开挖，直至与上平段工作面贯通；待下层施工支洞具备施工条件后向下游开挖中导洞爬坡至Ⅵ层开挖分层底板上，首先向出口方向将Ⅵ层开挖至出洞口，然后反向压顶向上游方向将Ⅵ层剩余的部分开挖完成。待Ⅵ层开挖结束后一次性地进行施工支洞下游侧Ⅶ、Ⅷ层的开挖。具体施工程序见图3(以3#龙落尾为例)。

4.2施工方案

龙落尾段在断面上分3层进行开挖支护，每层的开挖爆破参数根据不同岩性通过爆破试验确定。

(1)上层根据不同部位的特点采用中导洞先行、两侧扩挖跟进、整体呈“品”字型推进，或分左右两幅进行开挖， YT28手风钻造孔，周边轮廓光面爆破，Ⅱ、Ⅲ类围岩开挖进尺不大于3.5 m， Ⅳ

图3　泄洪洞龙落尾开挖支护施工程序图

类围岩及断层裂隙破碎段开挖进尺不大于2 m。其中渥奇曲线及反弧线段分层线为曲线，开挖高度不断变化，每循环的开挖过程均需进行桩号、高程的测量并计算出下一循环的具体开挖尺寸。因中层开挖需要采用100Y型潜孔钻进行边墙预裂，故在边墙部位需提前预留25 cm技术超挖值，为中层预裂提供钻孔空间。系统支护及时跟进，锚喷支护采用三臂钻造孔、汽车吊配合人工插杆注浆、湿喷台车喷混凝土、型钢台车配合人工挂钢筋网。

(2)上层开挖支护结束、形成明挖临空面后即可适时分工作面分段进行中层、保护层的开挖。中层开挖采用100Y型潜孔钻机进行边墙预裂钻孔、D7或CM351高风压钻机进行梯段爆破钻孔。中层梯段爆破循环进尺按照8～11 m控制，中层边墙预裂钻孔应超前梯段爆破2～3个循环形成流水作业以提高工效。掺气坎洞段需完成上层掺气坎槽挖后再进行中层开挖。

(3)下层为底板保护层，厚2 m,采用YT28气腿式风钻钻水平孔进行底板光面爆破。

4.3质量控制措施

4.3.1测量放样

控制网测量采用全站仪，周边光爆开孔点测放后，每间隔一个孔在开孔点后方4 m处测放一个方向控制点，在起拱、顶拱中心部位增设一个方向控制点以确保造孔控制精度。对于渥奇曲线段和反弧段，每个孔在开孔线后方2～3 m处加密布置方向控制点。

4.3.2钻爆施工

(1)造孔。

造孔作业实行定人、定机、定孔“三定”制度，开钻前进行测量放线交底。首先，要求经验丰富的钻工根据后视点造好第一个基准孔，控制好基准孔的上下方向与角度，然后采用“插杆”作为基准造其它的周边孔；其次，测量两孔口间的距离，再对比开孔钻杆与插入钻杆的距离，并使两距离保持相等，从而保证钻孔的平行；最后，采用插杆法检查钻孔质量。对于中层边墙预裂孔，搭设潜孔钻样架控制钻孔角度，样架结构形式见图4。

(2)装药及联网。

装药前，用风水冲洗炮孔，分片、分区由专人负责装药。周边孔按爆破设计要求用小药卷捆绑于竹片上间隔装药，插药入孔时还应注意药卷的方向，竹片应靠洞室轮廓线一侧；爆破网络非电雷管段数应符合爆破设计要求，联网时雷管标签要外露以便检查；装药、联网检查实行“四证”(《准钻证》、《钻孔合格证》、《准爆证》、《爆后检查证》)和“五表”(《测量放样成果表》、《钻工责任分区图表》、《钻孔质量检查表》、《装药联网检查表》、《开挖爆破界面质量检查统计表》)制度。

4.3.3系统支护

泄洪洞龙落尾支护程序为：超前支护→随机支护→初喷混凝土→系统短锚杆→系统长锚杆→挂网钢筋→复喷混凝土。Ⅱ、Ⅲ类围岩系统支护滞后开挖掌子面≤30 m、Ⅳ类围岩系统支护紧跟开挖掌子面。

(1)锚杆支护。

① 造锚杆孔：测量人员使用全站仪按照设计支护图纸逐孔放样，根据锚杆类型用红油漆用以不同的图案标识。采用三臂钻造孔，插标杆检查、校正孔位偏差和孔向偏差，钻孔完毕及时喷水清孔。

② 砂浆拌制：砂浆拌制现场实行“五个一”制

图4　泄洪洞龙落尾中层边墙预裂钻孔样架结构示意图

度(一套稠度仪，一台电子称，大、小量杯各一个，一个配合比牌)；砂浆拌制过程中，必须严格按照先放砂，再放水泥、最后放水的顺序进行投放，特别需要注意减水剂应按用量先加入盛水桶中，在与水搅拌均匀后随加水时一起加入，砂浆稠度须满足设计要求。

③ 锚杆安装：锚杆安装前，用铅丝可靠绑扎注浆管及回浆管且保证管路顺直、通畅；锚杆长度≥4 m时，沿长度方向每隔3 m焊接对中支架(至少3个)；锚杆安装采用汽车吊配合人工进行，安装时杆体对中插入，防止造成锚杆弯折，锚杆安装完成后及时采用锚固剂对锚杆孔进行严密封堵。

④ 锚杆注浆：注浆过程全过程旁站，对每一盘砂浆的稠度进行检测。注浆前，先将注浆机的注浆管与锚杆的进浆管用塑料管接头对接严密、确保不漏浆并先打水试验；注浆时，在外露回浆管外悬挂装满水的矿泉水瓶，以判断注浆是否饱满(注浆时有气泡冒出则说明注浆尚未饱满，若无气泡冒出或有浆液冒出则说明注浆饱满)；注浆结束后，将进浆管、回浆管弯曲后进行绑扎以防止浆液在未凝固前流出。

(2)预应力锚杆支护。

预应力锚杆采用“二次注浆”工艺进行施工。锚杆张拉采用扭力扳手进行，具体步骤为：先在手柄上设定好设计扭矩值所对应的刻度，然后扭动扳手开始张拉，当施加的扭矩达到设定值时，扳手会发出“咔嗒”的声响，然后根据张拉分级要求调整扭力扳手对应值进行下级张拉直至张拉结束。

(3)喷射混凝土施工。

喷射混凝土顺序严格遵守“先下后上，先墙后顶，先凹后凸”的原则施工；喷嘴与受喷面应基本垂直，并始终保持0.6～1 m的距离；喷射作业的操作手必须技术熟练，喷射面应平整、无夹层，不能出现鼓皮、剥落、局部空洞及流淌等现象；喷层终凝2 h后，及时进行喷水养护且养护时间不得小于14 d。

4.4安全控制措施

结合龙落尾工程特点及施工方案进行分析后得知：危险项目主要有围岩坍塌、爆破飞石、爆破振动、爆破粉尘、有害气体、高处坠落、机械伤害及触电伤害等。

4.4.1超前地质预报

泄洪洞龙落尾段地质条件复杂，因此，超前地质预报工作就显得尤为重要。采用超前水平钻孔、红外线探水仪、地质雷达或直流电法等超前探测手段摸清掌子面前的围岩状况，以便制订相应的应对安全技术措施。当开挖后围岩自稳时间不能满足支护要求时，应先采取打设超前锚杆、超前注浆小导管等措施预加固围岩，然后再实施开挖。

4.4.2施工安全监测

做好现场巡视检查和洞室收敛监测工作。收敛点的布置及观测频次按照规范或设计要求进行。该工程采用非接触式收敛监测技术进行安全监测，该方法能够减少大跨度洞室施工中位移量测的困难，并可解决传统的接触量测中量测数据无法正确反映洞室的偏压变形、整体下沉的状态等问题，同时具有设站灵活、施工干扰小、量测精度高等优点，能够及时快速掌握围岩是否变形，从而为调整开挖支护方法提供数据支撑。

4.4.3爆破安全措施

(1)通过现场爆破试验选择合理的爆破参数、爆破微差起爆时间间隔，确保炸药均匀地分布在被爆岩体中，防止能量过于集中，减小爆破对围岩的扰动。

(2)每次放炮后，应进行全方位的安全检查并清除危石、浮石，若发现非撬挖所能排除的险情时，应果断采取其他措施进行处理。进行洞内安全处理时，应设专人监护，随时观察险石动态。

4.4.4特殊部位施工采取的安全措施

(1) 断层破碎带开挖。

开挖过程中，应根据围岩特性控制开挖进尺，并对局部不稳定部位增设随机锚杆，对控制稳定的软弱结构面采取锚筋束(锚筋桩)或预应力锚索加固并将其伸入到完整的岩体中维护围岩稳定。在松散、软弱破碎的岩体中开挖洞室时，尽量减少对围岩的扰动，先护后挖、边挖边护或先对岩体进行加固后再实施开挖。

(2)对塌方及较大裂隙采取的处理措施。

洞内发生塌方或遇到较大裂隙时，应及时查明塌方原因及其规模、规律，提出相应的措施迅速处理，防止塌方范围的延伸和扩大。塌方及较大裂隙段施工应采用以下措施：

① 先用钢支撑加固好端部未破坏的支护或岩体，再采用永久与临时相结合的支护方式进行事故段的加固处理。

② 塌落物未将洞室堵塞时，应先支护顶部，再清除石渣。

③ 塌落物将洞室堵塞时，宜采用小导管加注浆或顶注浆等方法进行加固，然后按边开挖、边支护的方法施工。

④ 有地下水存在时，宜先治水后再进行塌方的处理。