浅析观音阁输水工程大峪竖井施工

王 帅

(辽宁燕东土木建筑工程咨询有限公司，辽宁 本溪 117000)

1 工程概况

辽宁省观音阁水库输水工程是大(2)型水利工程，是水利部重点172项工程之一，工程位于本溪市境内，是通过管线和隧洞，将已建成的观音阁水库的水，引向本溪市自来水、本钢、北台钢铁厂、石桥子经济技术开发区等用水客户的水利工程，工程主要包括取水头部、消能电站、调度中心、配水站、输水隧洞和输水管线等组成，隧洞长41.5km，管线长49.8km。工程输水量125万m3/d，工程的建设保障了本溪市居民生活和工业用水的安全与稳定，是本溪市有史以来最大和最重要的民生工程、水利工程。

2 背景和目的

大峪竖井控制段是在大峪分洞施工时，以大峪竖井作为施工通道(人员、设备出入和物料运输)的对应主洞施工段。大峪竖井控制段上游从大峪分洞的起点27+420开始到30+000共2580m，控制段以大峪竖井(桩号28+936.767)为界分为上、下游两个工作面，其中上游与9#支洞下游控制段相连，工作面长度为1516.767m，下游与大峪出口控制段相连，工作面长度为1063.233m。竖井净深度35m，竖井施工在水利工程上一直是难点和重点工程，文章以观音阁输水工程大峪竖井施工段为例，主要介绍了水利工程竖井施工过程中爆破设计、开发、支护、锚喷的施工方法和注意事项。

3 施工过程

3.1 爆破设计

3.1.1 爆破地震的安全校核

按照《爆破安全规程》，单段次最大使用炸药量是Q=R3(V/K)3/a，其中R为长度距离，上游侧通过住宅区，取隧洞与地面垂直距离35m，V为质点振动速度，根据《水工建筑物地下开挖工程施工规范》(SL378-2007)表D.0.3-1爆破质点震动安全允许标准，按照一般砖房、非抗震大型砌块建筑物质点震动速度和《爆破安全规程》(GB6722-2011)表13-1爆破震动安全允许标准，按一般民用建筑，计算取V=2.7cm/s，其中K、a为与爆破地形地质有关系数，取K=250，a=1.8。则Q=353(2.7/250)3/1.8=22.6kg，按照本工程爆破设计，每次相关段位或最大段位爆破使用量<22.6kg，即可。实际分段最大药量仅为18.4kg，<22.6kg。

3.1.2 爆破飞石的安全校核

本部位爆破施工，个别飞石的危害主要是洞内施工设备。根据孔径公式Rf=(40/2.54)D计算飞石最大距离。其中Rf-个别爆破飞石未加覆盖的最大距离；D为钻孔孔径，单位cm；则：Rf=(40/2.54)*4.2=66.1m。

考虑到飞石扩散受到隧洞的制约而减小，但避免个别飞石危害，本工程施工机械距掌子面的安全距离取150m。人员的安全距离按照爆破安全规程GB6722-2011表10的规定≥300m。

3.1.3 爆破参数的确定:

隧洞开挖采用气腿钻钻孔，孔径均为42mm。为保证掏槽效果，掏槽孔的孔深比崩落孔超前20cm。爆破采用2#岩石乳化炸药，Φ32mm药卷，掏槽装药系数取0.7-0.85；崩落孔装药系数取0.5-0.8；为保证光爆效果，周边孔采用不耦合间隔装药结构，Φ25mm药卷，装药量控制在(300-400)g/m。

混凝土衬砌段钻爆施工布置和技术参数详见表1，钢衬段钻爆施工布置和技术参数详见表2。

表1 混凝土衬砌段爆破技术参数表

表2 钢管衬砌段爆破技术参数表

3.2 开挖方法

开挖工序循环为：顶拱和工作面危石撬除→测量布孔→钻孔→装药、连线、起爆→通风除尘→出渣→清底→安全处理→锚喷支护。

施工原则：上游工作面比下游工作面长出453.6m，所以上游工作面作为重点工作面，若两个工作面施工发生冲突时以上游工作面为主，必要时下游工作面可以暂停，以确保上游工作面的顺利进行。为不影响隧洞出渣作业，上、下游两个工作面应交替进行爆破作业，避免同时出渣的情况发生[1]。

3.2.1 测量布孔

有专业测量人员使用莱卡牌全站仪进行测量布孔作业，测量内容包括掌子面桩号、底板高程、洞室中心线、洞顶中心线、轮廓线、洞腰线等，进而根据爆破设计参数合理布置掌子面爆破孔位。每排炮后对洞线中心线进行检查和复测，同时在洞室侧壁及洞顶每隔10n设置桩号标志，确保洞线准确。标志应埋设稳固和做好防护工作，防止外探部位刮伤施工机具及设备。

3.2.2 钻孔

根据设计图纸和以往施工经验，钻孔采用4台T28气腿钻，制作简易的型钢钻爆平台，供钻孔、装药以及锚喷施工作业。气腿钻由熟练的技术工人操作，根据测量放样的提供的掏槽孔、崩落孔、和周边孔等数据进行钻孔作业，孔位偏差应小于等于5cm，崩落孔和周边孔孔底应落在同一平面上，炮孔要求“平、直、齐”。钻孔采取先上后下的原则，为防止上排孔被掉落的岩块覆盖，应及时使用竹竿缠上编织袋等柔性物对孔口进行封堵[2]。

3.2.3 装药、联线、起爆

装炸药前进行扫孔，扫孔采用高压风冲，经带班负责人和监理工程师检查合格后方可进行装药，装药、堵塞和联结起跑线路需由持有爆破证件的人员进行操作，装药过程应严格按照有关规程的要求进行操作。掏槽孔和崩落孔采用连续装药结构，周边孔采用不耦合间隔装药结构，各爆孔装药结构示意图见图1。

图1 各爆孔装药结构示意图

掏槽孔由熟练的爆破工负责装药，光爆孔用小药卷捆绑于竹片上间隔装药，各孔口用黏土掺沙封堵密实，封堵长度≥400mm。用导爆管雷管联结起爆网络。电启爆器火花起爆，最后由爆破工和值班技术员复核检查，确认无误，撤离人员和设备，爆破工负责引爆。炮响至少20min后，爆破工先进入洞内检查是否有瞎炮，若有则迅速排除，然后才能进入下一道工序。在隧洞接近贯通的相向开挖的两个工作面不足30m后，每次爆破应通知对方掌子面施工人员撤离，以免爆破震动产生石块塌落发生安全事故[3]。在掌子面距离15m时，应单向掘进，直至贯通。

3.2.4 通风除尘

采用一台2×54kW轴流通风机进行隧洞通风排烟，支洞内主通风筒直径1.2m，在支洞与主洞交点位置安装钢制三通，向上下游工作面各分出直径0.8m的通风管道，三通设有可抽拉的阀门调控供风方向。施工过程中一直启动通风设备通风，风带口距开挖工作面40m左右，随着隧洞开挖的延伸，送风管逐渐延长，当隧洞通风距离在800-1000m时，增加加压风机(FPDA-8.0)提高通风效果，保证放炮后40min内将有害气体浓度降到允许范围，爆破散烟结束后，向开挖面爆破渣堆洒水除尘。

3.2.5 安全处理

通风散烟后，用扒渣机(或小型挖掘机)清除掌子面及边顶拱上残留的危石及碎块，保证进入人员及设备的安全。如遇围岩较差，及时采取系统支护处理，确保洞挖顺利掘进和施工安全。

3.2.6 出渣

出渣设计：上游工作面长1516m，每隔200m设一避车洞，计6个避车洞；下游工作面长1063m，每隔200m，设一避车洞，计4个避车洞，避车洞长8m，宽5m。分洞采用无轨运输，洞内采用矿用装载机装5t自卸车运输，由分洞运至竖井井底，自卸汽车自动经卸料槽卸入垂直起升吊桶，吊桶经过垂直提升设备卷扬机垂直提升到井口地面以上，经过自翻卸料装置，输送到出口转渣场。出渣起升设备详见《竖井出渣系统施工方案》。

3.3 支护

大峪竖井控制段主要支护结构类型包括锚杆、喷射混凝土、护坡、钢筋网、钢支撑等用于边坡和地下洞室的支护结构。根据设计图纸，支护方法包括锚杆、挂φ8@150mm钢筋网、喷C30混凝土和钢支撑等方式，各类围岩支护结构类型详见表3。

表3 各类围岩支护方法统计表

按照新奥法原理对围岩进行适时支护的指导思想，对于不同的围岩类型，分别采用不同支护程序，分述如下：

3.3.1 II类围岩的支护施工

由于此类围岩自稳能力好，洞室均为全断面开挖，采用“先挖后支”的程序，支护与开挖并行或随后进行。洞室开挖后，对II类围岩洞室局部不稳定岩块撬挖除险，然后按设计喷射厚度50mm的 C30混凝土支护。

3.3.2 Ⅲ、IV类围岩的支护施工

由于此类围岩自稳能力较好，洞室均为全断面开挖，一般无需进行超前支护，故采用“先挖后支”的程序，支护与开挖并行或随后进行。洞室开挖后，对III类围岩洞室局部不稳定岩块或不利结构面，按照图纸要求，采用20、L=2.0m局部锚杆和系统锚杆，然后按设计喷射厚度100mm的 C30混凝土支护。对IV类围岩洞室顶拱范围，按照图纸要求，采用Φ20、L=2.0m系统锚杆，挂φ8@150×150mm的钢筋网，然后按设计喷射厚度100mm的 C30混凝土支护。

3.3.3 V类围岩支护施工

V类围岩采用短进尺开挖方法掘进，这类围岩稳定性差，开挖前需进行超前支护，短开挖后进行系统加强支护。

采用“先超前支护后开挖挖再加强支护”的程序进行支护施工，即：开挖前，视围岩自稳性状态，按照图纸要求或工程师指示，在顶拱180°范围内或按工程师指示范围布设超前锚杆或超前小导管。放小炮、短开挖后，先在洞周喷一层C30混凝土，层厚3-5cm，尽早封闭岩面，并全周布设系统锚杆。V类围岩架设I12型钢拱架，间距为0.6m。型钢拱架架设后，将超前锚杆尾端与钢拱架牢固焊为一体，起到加固支撑作用。然后再挂设钢筋网，Ⅳ类围岩仅顶拱挂网，V类围岩全周挂网。钢筋网安装后复喷第二层混凝土，使两次喷混凝土层总厚度达到设计厚度要求[4]。

对于围岩十分破碎易造成坍塌以及涌水等不良洞段，需进行超前支护处理后，再进行系统加强支护。超前支护方法常采用的是：超前小钢管、超前小导管注浆、管棚等施工。

3.4 喷射混凝土

用TK500型湿喷机按湿喷工艺进行喷射作业，分段分片依次进行，喷射顺序自下而上进行，侧墙喷混凝土层厚在10cm、拱部8cm以内可一次喷射完成，喷混凝土层厚边墙>10cm、拱部>8cm时，分二层喷射，下层在上层喷混凝土终凝后进行。钢筋网、钢支撑喷射混凝土保护层厚度≥40mm，钢支撑与围岩之间用喷射混凝土充填密实。 湿喷混凝土工艺流程如图2所示。

图2 湿喷混凝土工艺流程图

4 结 语

辽宁省观音阁水库输水工程的建设为本溪市人民群众和工矿企业提供了安全、稳定、健康的观音阁水库中层优质水源，是百年民生工程，工程竖井施工的质量与安全是水利工程控制的重点，文章结合观音阁水库输水工程实际，有针对性的提出水利工程竖井施工的重点与控制要点，较好的完成了工程建设任务，为今后类似工程提供一定的借鉴和的参考价值。