长距离大断面水工隧洞下半洞开挖施工技术研究

张 卫 华， 孙 根 江， 罗 勇

(中国安能集团第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

硬梁包水电站引水隧洞为两条平行布置的隧洞，两洞中心间距为60 m，最大开挖洞径为15.64 m，洞长分别为14 316.909 m和14 420.679 m，全线布置了6条施工支洞，分3个标段施工，其中引水隧洞CⅡ标长度为3 945 m，单个作业面最大掘进长度为1 200 m。

硬梁包水电站位于松潘-甘孜地槽褶皱系巴颜喀拉冒地槽褶皱带与扬子准地台内的康滇地轴过渡部位，区域地质构造背景复杂，全线引水隧洞的围岩以Ⅳ、Ⅴ类居多，占比达75%以上，地层岩性主要为晋宁-澄江期花岗岩，辉绿岩脉穿插其中，局部为高岭土蚀变体、上下结构、左右结构和斜向结构蚀变带等，围岩稳定性差，地下水较发育，部分作业洞段还出现了碎石带等，开挖支护难度极大，在上半洞开挖支护过程中多次出现塌方，开挖支护进度缓慢。为加快施工进度，上、下半洞必须平行搭接作业，为此，笔者通过研究总结，有效地解决了上、下半洞平行搭接作业存在的工作面上施工道路、设备共用调度等干扰问题，为引水隧洞工程总体顺利完工奠定了良好的基础。

该隧洞开挖支护过程中存在的重难点问题：

(1)引水隧洞开挖断面大、围岩地质条件差，在下半洞开挖支护过程中如何确保上半洞开挖支护稳定是该工程的重点问题[1，2]。

(2)引水隧洞上、下半洞的开挖支护施工平行搭接作业存在工作面施工道路、设备共用调度等干扰，需要加强施工过程中的组织与管理，才能确保施工进度与安全[3]。

(3)实施下半洞开挖，为了不影响上层开挖交通道路，在进行中台阶开挖时采取了分左、右半幅交替进行开挖的方式，在一侧完成开挖后，另一侧作为临时道路时临边交通安全防护是重点[4，5]。

2 施工总体规划

硬梁包水电站引水隧洞Ⅲ1类围岩开挖洞径为14.1 m，Ⅲ2类围岩开挖断面半径尺寸为14.3 m，Ⅳ类围岩边顶拱240°范围内洞径为15.24 m、120°范围内洞径为15 m，Ⅴ类围岩边顶拱240°范围内洞径为15.64 m、 120°范围内洞径为15.4 m，分上、下半洞进行开挖支护，上半洞采用全断面或台阶法开挖，下半洞拟分两层(中台阶、底台阶)进行开挖支护，中台阶、底台阶控制以边顶拱240°范围为界限，中台阶开挖时采取分左、右半幅交替进行开挖的方式，具体分层参数见表1。

表1 引水隧洞分层开挖支护主要参数表

下半洞开挖采用手风钻造水平孔，周边采用光面爆破成型，将每循环开挖进尺控制在3 m以内，反铲挖掘机或装载机装渣，20 t自卸车运至渣场，下半洞开挖支护程序为：中台阶左半幅(右半幅)开挖→中台阶左半幅(右半幅)支护→中台阶右半幅(左半幅)开挖→中台阶右半幅(左半幅)支护→下半洞底台阶开挖。具体程序见图1、2所示。

图1 施工程序平面示意图

图2 施工程序断面示意图

3 关键施工工序作业要点

3.1 开挖钻爆设计

岩石爆破炸药采用2号岩石乳化炸药，雷管为数码电子雷管。周边孔采用竹片绑导爆索分节间隔装药，爆破孔采用柱状连续装药，各类围岩下半洞拟定的爆破参数为：

(1)Ⅲ类围岩：开挖钻爆循环进尺为3 m，钻孔深度为3.25 m，爆破单耗为0.6～0.7 kg/m3，周边光面爆破孔线装药密度为215 g/m，最大单响药量控制不超过30 kg。

(2)Ⅳ类围岩：开挖钻爆循环进尺为3 m，钻孔深度为3.25 m，爆破单耗为0.5～0.6 kg/m3，周边光面爆破孔线装药密度为180 g/m，最大单响药量控制不超过30 kg。

(3)Ⅴ类围岩：开挖钻爆循环进尺为2 m，钻孔深度为2.25 m，爆破单耗为0.4～0.5 kg/m3，周边光面爆破孔线装药密度为160 g/m，单响最大药量控制不超过30 kg。

3.2 钻爆施工工艺

隧洞开挖主要采取钻爆台车配合手风钻钻孔，周边结构面采用光面爆破(炮孔间距为45～50 cm)，中部大面为主爆孔(炮孔间距为90～110 cm)，采用数码电子雷管逐孔起爆网络的方法施工。

(1)布孔与钻孔。布孔时，先由测量人员用测量仪器准确放出主要控制点，再按照爆破设计的布孔参数用钢卷尺等工具准确定出每个炮孔的位置，孔位用红油漆标注于岩面上。钻孔采用钻爆台车配合手风钻进行，其孔位、孔向及孔深偏差必须符合规范要求，每排炮由质检员按“平、直、齐”的要求进行检查，周边光面爆破孔、预裂孔开孔与测量点位偏差不大于3 cm，钻孔完成并经检查合格后，由专业炮工根据钻爆设计要求进行装药。

(2)装药与联网。炮孔中的一般孔为连续装药，在连续装药结构中，孔内采用数码电子雷管引爆，数码电子雷管一般置于孔底第二节炸药上，并将聚能穴朝向孔口方向。数码雷管必须用胶带与炸药绑牢并注意保护好雷管脚线。装药时要严防药卷在孔内出现架空现象，每装入一节炸药必须用木制炮棍轻轻向下捅一捅，保证药卷与药卷之间紧挨。

光面爆破孔为不耦合间隔装药，使用导爆索引爆，施工时先将炸药药卷按设计药量、设计间距绑于导爆索上，再将炸药和导爆索绑于小竹片上，经检查无误后将绑有炸药的竹片缓慢插入炮孔内。

堵孔是影响爆破效果的关键因素之一，采用专制炮泥进行堵塞，待所有炮孔装药完毕经检查合格后，即可进行孔外联网作业进行起爆。

(3)警 戒。爆破前，必须做好相邻单位及洞内的安全警戒工作，并告知洞内所有工作面的施工人员，在起爆网络检查合格、各项工作准备就绪的情况下方可进入起爆程序。

(4)爆后排烟与排险。爆破后，待洞内烟尘部分消散后，爆破人员方可进入洞内进行检查，检查的内容主要包括：有无盲炮、危石等情况，一旦发现盲炮，必须立即处理。处理盲炮可视具体情况采用重新起爆法、打平行眼装药引爆法、掏空炮泥药包引爆法等。若无盲炮，则及时解除警报；对于拱顶、边墙的危石，必须采用反铲及时进行撬除。

(5)出渣。出渣采用3 m3侧卸式装载机或反铲挖掘机进行挖装， 由20 t自卸车运至弃渣场弃渣。

3.3 系统支护施工工艺

系统支护主要为引水隧洞边顶拱240°范围内的系统锚杆、钢支撑施工等，施工方法见表2。

表2 主要支护施工技术方案表

对于施工作业面开阔的部位，以三臂钻等大型机械设备为主；对于施工部位狭小的部位，主要采用体积小、重量轻、转运方便的小型设备进行施工。

3.4 洞内主要设施设备的防护措施

(1)供风、供水及排水管防护措施。洞内供风、供水及排水管横跨爆破区域，主要采取聚氨酯泡沫板对管线进行包裹，避免爆破引起的飞石对钢管造成损坏。

(2)通风排烟管及照明防护措施。通风排烟管主要为软质通风管。进行爆破时，作业面停止通风排烟，使通风排烟管为软质状态即可；对于照明设施，爆破时对所有照明灯具予以拆除，爆破后及时安装恢复并对照明线路进行检查。

(3)洞内变压器防护措施。在临近变压器100 m范围内进行爆破开挖时，采取竹跳板对变压器外围进行包裹防护的措施，避免爆破引起的飞石对变压器造成损坏。

4 施工安全监测措施

通过实施施工安全监测，初步掌握围岩动态，判断围岩的稳定性，具体措施包括：

(1)下半洞开挖支护的安全监测点拟在上半洞已布置的A、B、C三个监测点基础上再增加D、E两个监测点(图3)。

图3 监测点布置示意图

(2)围岩收敛观测断面间距按照Ⅲ类围岩不宜大于50 m、Ⅳ类围岩不宜大于40 m、Ⅴ类围岩不宜大于30 m布置，断层破碎带宜为5～10 m，下半洞临时安全监测点在满足上述断面间距要求的同时，原则上要求与上半洞已布置的监测点在同一断面上，并按照规范要求的监测频率进行收敛观测。

(3)如遇大暴雨、大洪水、强地震、大药量爆破、围岩变形或结构物受力状况发生突然变化等，应根据现场监理工程师的要求增加监测测次。

5 质量安全保证措施

5.1 质量保证措施

(1)成立专门的质量控制小组，设专职质量监测人员，质量控制小组对开挖支护施工进行全过程的质量监督检查。对每个班、每道工序进行跟踪检查、指导、监督并形成记录，将责任落实到每个施工人员。

(2)测量设备必须经检验合格才能使用，控制测量采用全站仪做导线控制网，测量作业由富有经验的专业人员进行测量放线、复测。

(3)开挖断面的测量误差不大于10 cm，相对于中线的误差不大于±5 cm，断面间距为5 m，对起伏较大、变径或转弯段应适当增加测绘断面。

(4)锚杆的开孔按照施工图纸的孔位布置进行，孔位偏差不大于10 cm。锚杆孔的孔轴方向应满足施工图纸的要求，施工图纸未做规定时，其系统锚杆的孔轴垂直于开挖面。

(5)砂浆锚杆采用“先注浆后安装锚杆”的程序施工，锚杆孔径大于锚杆直径15 cm以上，锚杆孔深必须达到施工图纸的规定，孔深偏差不大于50 cm。

5.2 安全保证措施

(1)钻孔前，首先检查工作面是否处于安全状态，灯光照明是否良好，其必须保证满足施工规范中要求的最低规定亮度，检查隧洞掌子面有无松动的岩石，如有松动的岩石应及时支护或清除。

(2)进洞施工人员必须戴安全帽、防护手套、穿工作服；电工和电钻工穿绝缘鞋、戴绝缘手套。

(3)加强监控量测，及时反馈信息，通过量测指导施工，如发现隧洞变形过速过量，必须及时采取有效措施进行处理，确保安全。

(4)加强洞内通风，配备进口大功率风机进行专业化的通风设计，配备专业人员进行通风管理，确保通风效果。

6 结 语

引水隧洞是引水式水电站的重要组成部分，在其开挖掘进过程中，不可避免地会遇到因岩体发育破碎、蚀变岩等造成隧洞掘进困难、隧洞塌方等多种不利因素而导致的施工进度缓慢，为此，施工过程中通过上、下半洞平行搭接施工作业，能够很好地满足施工进度与安全要求，同时也解决了平行搭接作业存在的工作面施工道路、设备共用调度等干扰问题。