南俄4水电站引水隧洞针对不同围岩的开挖施工工艺

黄治焕

摘要：引水隧洞总长16479.1m，纵坡采用i=0.2%/0.6%;压力钢管段总长1031.31m纵坡采用i=5%/10%。其中Ⅱ、Ⅲ₁ 类围岩占比50%，Ⅲ₂、Ⅳ、Ⅴ类围岩占比50%。本文就不同岩层，探讨隧洞开挖过程中的施工工艺及重难点。

关键词：围岩;开挖;爆破;施工工艺

1.概况

南俄4水电站位于老挝南俄河上游川圹省境内，坝址距离首都万象公路里程约371km。南俄4水电站为引水式开发，主要包括大坝、引水隧洞、发电厂房等相关建筑。

2.开挖施工方法

2.1 洞身段开挖

2.1.1 施工工艺及作业措施

2.1.1.1 Ⅱ、Ⅲ₁类围岩开挖工艺作业措施

洞室Ⅱ、Ⅲ₁类围岩开挖施工工艺如下图。

（1）开挖准备：洞内风、水、电就绪，施工人员、机具准备就位。

（2）测量放线：测量作业由专业人员实施，每排炮后进行设计规格线测放，在掌子面上画出隧洞中线、轮廓线，并按爆破设计进行布孔。每个月进行一次洞轴线及坡度的全面检查、复测，确保测量控制工序质量。

（3）钻孔作业：由熟练的钻工严格按照设计钻爆设计图进行钻孔作业。各风钻手分区、分部位定人定位施钻，实行严格的钻手作业质量经济责任制。每排炮由值班工程师按“平、直、齐”的要求进行检查。周边孔及掏槽孔的偏差不得大于5cm，其它炮孔孔位偏差不得大于10cm。炮孔的孔底应落在爆破设计图规定的平面上。

（4）装药爆破：爆破工在造孔台车装药平台上按钻爆设计参数装药，爆破孔采用φ32mm药卷进行装药，孔口均用砂袋或爆破泥堵塞严实。装药完成后，由技术员和专业爆破工分区分片检查，联结爆破网路，撤退工作面设备、材料至安全位置，非电毫秒雷管引爆，周边光面齐爆。

（5）通风散烟及除尘：爆破后利用洞内通风系统进行排烟，爆破散烟结束后，对开挖面爆破渣堆洒水除尘。

（6）安全处理：爆破通风排烟后，采用小挖机或人工清除掌子面及边墙、顶拱上的浮石和松石，保证出渣和下一循环施工安全。岩面破碎洞段可先喷一层5cm厚混凝土。出渣后再次进行安全检查及处理。

（7）出渣及清底

洞室采用侧卸式装载机配自卸汽车出碴出渣完毕后人工配合清理底板工作面的积渣并整平，为下一循环钻爆作业做好准备。

2.1.1.2 Ⅲ₂、Ⅳ类围岩洞段开挖工艺作业措施

对于地下洞室Ⅲ₂、Ⅳ类围岩，除按照Ⅲ₁类围岩施工工艺和方法施工外，还需要采取以下措施：

（1）钻爆作业：按照“短进尺、弱爆破、少扰动”的原则施工。开挖按浅孔、小药量、多循环钻爆，钻爆循环进尺1.5m～2.0左右，初期支护及时紧跟。

（2）施工监测：成洞后，布置观测点对围岩进行变形测量，通过勤量测，及时反馈信息，指导开挖支护施工，确保成洞稳定和施工安全。

2.1.1.3 Ⅴ类围岩及不良地质段开挖工艺作业措施

对于地下洞室Ⅴ类围岩和层间错动带、断层破碎带、软弱夹层等不良地质段开挖，除按照Ⅲ₁类围岩施工工艺和方法施工外，还需要采取以下措施：

（1）地质探察：在开挖过程中，加强地质跟踪及预测，若有必要，可采取超前导洞摸清围岩性状，以便采取恰当的施工程序及措施，保证围岩稳定。

（2）超前支护：开挖钻孔前，根据设计图纸、现场地质需要，采用超前锚杆、小导管预注浆等措施进行预支护加固，增强围岩自稳能力。

（3）钻爆作业：按照“短进尺、弱爆破、少扰动”的原则施工。开挖按浅孔、小药量、多循环钻爆，钻爆循环进尺1.0m～1.5m左右。

（4）围岩支护：钻爆后暂不出渣，经安全处理、平渣后，立即对边墙上部及顶拱进行一次支护，采用5cm厚素喷混凝土进行初支护，防止围岩掉块等，保证施工安全;初支护后再进行出渣，出渣完成即可进行砂浆锚杆、挂网钢筋、钢支撑的安装施工，喷混凝土至设计厚度，形成柔性封闭环，确保围岩稳定。

（5）透水处理：遇到透水层，则需根据透水情况进行集中或分散引排的方式。若存在局部涌水透水，则在涌水位置预埋孔径符合要求的排水管，并用混凝土進行封堵;若渗水量小而面积大则需根据实际情况，适量进行超挖，浇筑一层盖板混凝土，并进行固结灌浆处理，降低渗透性或形成帷幕阻水。

（6）超前灌浆：对于卸荷严重地带，采用超前灌浆的方法进行施工，超前灌浆的范围、布孔、灌浆材料、灌浆压力及工艺要求等需要进行专项设计，超前灌浆后的开挖，采取“短进尺、弱爆破、快支护、早衬砌、勤监测”的原则进行。

（7）施工监测：成洞后，布置观测点对围岩进行变形测量，通过勤量测，及时反馈信息，指导开挖支护施工，确保成洞稳定和施工安全。

（8）混凝土跟进衬砌（若有必要）：通过变形监测，如发现局部围岩变形速率急增，采取一次支护措施后尚不能满足稳定要求时，进行边、顶拱钢筋混凝土衬砌。

地下洞室Ⅳ、Ⅴ类围岩及不良地质段开挖施工工艺见下图。

图  Ⅳ、Ⅴ类围岩及不良地质段施工工艺流程图

2.1.2 施工方法

引水隧洞开挖采用YT-28手风钻钻孔，分层开挖（底部分层1.8m）、中部掏槽、周边光面爆破的施工方法。掏槽采用直孔或楔形掏槽，掏槽孔一般超深崩落孔20～30cm。Ⅱ、Ⅲ₁类围岩开挖循环进尺2.5～2.8m，Ⅲ₂、Ⅳ类围岩开挖循环进尺1.5m～2.0m，Ⅴ类围岩开挖循环进尺1.0m～1.5m。

不同围岩段典型开挖循环作业时间如表所示。

开挖循环进尺1.0m～1.5m，月进尺50m～70m。

2.1.3 爆破设计

引水隧洞采用孔眼法爆破，爆破孔分为掏槽孔、崩落孔和周边孔。

（1）掏槽

楔形掏槽一般由4至6对、角度55°～70°对称布置的炮孔组成。孔距50mm～100mm，孔底距离控制在100mm左右，同时爆破，从孔底开始迅速撕裂，集中抛出。

（2）爆破参数

1）炮孔孔径

开挖施工中，采用气腿式手风钻钻孔，孔径一般是42mm。

2）炮孔深度

炮孔深度決定循环进尺，Ⅱ、Ⅲ₁类围岩炮孔深度为洞室0.45～0.55倍宽度，Ⅳ、Ⅴ类围岩炮孔深度0.8～1.8m。

3）炮孔数目

炮孔数目可按以下经验公式进行估算：

N=3.3

N——炮眼数目

f——岩石坚固性系数

S——隧洞断面面积，m²

4）炸药单耗

确定炸药单耗依据以下经验公式确定：

经验公式1：q=1.1K₀

q——炸药单耗，kg/m³

f——岩石坚固性系数

S——隧洞断面m²

K₀——炸药作功能力的校正系数，K₀=525/P

P——所用炸药的作功能力，ml。

经验公式2：q=14/S+a

a——修正系数，取0.6～0.8，炮孔偏差小取小值

S——隧洞断面，4≤S≤100，m²

5）单孔装药量

确定单耗，根据循环进尺和断面面积算出单循环爆破总装药量，然后根据掏槽孔、崩落孔、控制光爆层的崩落孔和周边孔进行药量分配，每孔装药量的比例按4：3：2：1分配。

（3）炮孔孔距和装药系数

1）掏槽孔

斜孔掏槽，尤其是楔形掏槽，每孔装药系数为0.4～0.6（装药系数为装药长度与炮孔长度之比）;直孔掏槽，每孔装药系数为0.7～0.8。

2）崩落孔

①辅助扩槽孔（辅助孔）

掏槽孔以外布置辅助孔进行扩槽，辅助孔的个数为4～6个（软岩取小值，硬岩取大值）;辅助孔的孔距一般与主掏槽孔对应，装药系数为0.5～0.6（软岩取小值，硬岩取大值）。

②主崩落孔（辅助扩槽孔与辅助崩落孔之间区域的崩落孔）

主崩落孔排距一般为600～900mm（硬岩取小值，软岩取大值），主崩落孔孔距一般为650～1200mm（硬岩取小值，软岩取大值）。装药系数为0.4～0.55（软岩取小值，硬岩取大值）。

3）缓冲孔

缓冲孔是确保光爆层厚度，其装药量和周边孔装药量的比值一般有“三比一”的规律，装药量为150～600g/m。其排距（抵抗线值）为500～600mm（硬岩取小值，软岩取大值），孔距略大于排距，一般为550～650（硬岩取小值，软岩取大值）。

4）周边孔

周边孔的抵抗线值一般为400～600mm（硬岩取小值、软岩取大值），周边孔孔距为350～500mm（软岩取小值，硬岩取大值）。炮眼密集系数，硬岩取值为0.8～1.0、软岩取值0.6～0.7。光爆孔装药量一般为：硬岩150～250g/m;中硬岩100～150g/m;软岩50～100g/m。

（4）装药结构及起爆顺序

开挖掏槽孔、崩落孔主要采用连续、偶合、方向起爆装药结构，周边孔采用间隔不偶合装药。炮孔堵塞一般采用钻孔岩屑、黄泥，采用木棍堵塞。

掌子面的炮孔应按掏槽孔、崩落孔（辅助扩槽孔、主崩落孔）、缓冲孔、周边孔（边孔、顶孔、底孔）的先后顺序起爆。

2.1.4 爆破试验

在进行引水隧洞开挖前，应在各支洞进行爆破试验，以选择爆破材料和爆破参数。

2.1.4.1 试验目的

取得适合本工程地下洞室开挖的钻爆参数，以指导现场施工;了解爆破对非开挖区岩体的破坏情况和范围;了解爆破对相邻建筑物的影响程度、爆破松动圈破坏范围。

2.1.4.2 试验内容

爆破试验内容包括：

1）爆破材料性能的试验检测和材料选择;

2）爆破参数选择试验;

3）爆破效果检测;

4）爆破对相邻洞室、喷锚区及已建临近建筑物的影响。

2.2 开挖渣料运输

洞室开挖渣料就近运往指定弃渣场。

参考文献

[1]《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》DL/T5389-2007;

[2]《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》DL/T5099-2011;

[3]《水电水利工程爆破施工技术规范》DL/T5135-2013;

[4]《水电水利工程施工测量规范》DL/T5173-2012;

[5]《爆破安全规程》GB6722-2014;