水电站尾水隧洞特大断面爆破开挖施工探讨

熊信镇，吕江明

(1.江西省水利水电开发有限公司，南昌 330000；2.南昌市政建设集团有限公司，南昌 330000)

1 问题的提出

某水电站枢纽工程由混凝土碾压式重力坝、地下发电厂房、灌溉取水系统等组成，工程兼具防洪、发电、航运、灌溉及旅游等综合功能。水电站右岸引水发电系统主要包括引水隧洞、厂房、尾水隧洞等部分，其中尾水隧洞断面宽×高为10m×12m，城门式洞型，隧洞长420.55m。该尾水隧洞时水电站地下厂房内最低的洞室，洞底板标高较低，其上覆岩体厚度在30-95m之间，岩层走向正交于河流方向并向下游倾斜，和隧洞轴线形成40°-55°的夹角。除局部表现出层间错动、断层及节理裂隙发育等现象外，岩体完整性较好，且主要为Ⅰ、Ⅱ类围岩，局部为Ⅲ、Ⅳ类围岩。

水电站尾水隧洞断面大、埋深高、地应力高，而且水电站建设过程中大坝基础开挖、地下厂房洞室群爆破开挖工程量大，对爆破开挖安全、技术要求较高。针对爆破开挖施工难度较大的问题，该水电站尾水隧洞爆破开挖过程中主要按照平面多工序、立体多层次的施工原则，结合不同岩层性能分层次综合使用预裂爆破和光面爆破等开挖技术，既有效避免了不同工序之间的干扰，又避免了超欠挖及爆破施工对围岩的破坏[1]。

2 爆破开挖方案设计

2.1 爆破开挖方案

本水电站尾水隧洞设计断面尺寸19.4m×26.8m，并按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ层开挖，首层开挖高度8.5m，中间两层开挖高度均为8.0m，最下面一层开挖高度2.3m，该水电站尾水隧洞特大断面横断面开挖次序如图1所示。从2#支洞往上游进行尾水隧洞和连接洞的开挖，考虑到本水电站工程尾水隧洞出口较高，为保证隧洞内通风效果及良好的施工条件，在开挖首层的过程中还应同时从出口处向隧洞内开挖，同时进行预留岩塞下游面5.0m以内隧洞洞身支护，以保证隧洞内外首层开挖掌子面实现贯通。为保证施工期间的安全度汛，还应在尾闸闸前预留岩塞挡水；为防止岩塞拆除过程种闸门结构的损坏，还应在闸门和岩塞之间预留出安全距离。

2#施工支洞是水电站尾水隧洞Ⅱ层开挖的主要通道，从该施工支洞开始按照15%的坡度分别向上下游降坡，同时进行上下游侧尾水隧洞Ⅱ1和Ⅱ2层开挖支护。3#施工支洞是该水电站尾水隧洞Ⅲ层开挖的主要通道，在完成2#施工支洞降坡处理及Ⅱ层开挖支护后，先爆通Ⅱ层底板和3#施工支洞顶部，在从该支洞开始按照15%的坡度分别向上下游降坡，上游爬坡至Ⅱ层底板高程，并继续完成Ⅱ层剩余的开挖支护，最后进行Ⅲ1和Ⅲ2层开挖支护。Ⅳ层开挖支护在从3#支洞开始按照15%的坡度分别向上下游降坡后水平进行。

图1 水电站尾水隧洞特大断面横断面开挖次序

2.2 爆破开挖参数

结合类似工程爆破开挖施工经验及本水电站工程尾水隧洞爆破试验，其顶拱中部应通过楔形掏槽方式开挖，周边则通过光面爆破开挖，中层采用预裂爆破，下层则通过水平光面爆破，底部预留厚度2.3m的开挖保护层，具体的爆破施工参数设计如下：

2.2.1 预裂爆破参数

W=(60-90)cm

(1)

α=(7-20)d

(2)

q=0.042[σp]0.63α0.6

(3)

式中：W为最小抵抗线；α为爆破孔距，m，对于硬质破碎岩取小值，软岩取大值；d为爆破孔径，m；q为线装药密度，通过总装药量减除底部增加装药量后的余量除以装药长度确定；σp为极限抗压强度，应按照岩体极限抗压强度的70%-80%确定[2]。

2.2.2 光面爆破参数

W=(7-20)d

(4)

α=(1.0-1.5)W

(5)

q=kαW

(6)

式中：k为单位耗药量，kg/m3，其余参数含义同前。

2.2.3 爆破施工安全控制

水电站尾水隧洞爆破开挖过程中，爆破规模、爆破方式、爆源所处位置、装药结构、地形地质等均影响爆破振动幅度。本工程主要采用质点峰值振动速度进行爆破振动安全控制，即将质点振动速度实测值控制在允许质点振动速度以下，具体公式如下：

(7)

式中：v为爆破开挖所引起的振动对周围建筑物所产生质点的垂直振速，cm/s；KK为爆破点与受保护建筑物之间地形地质相关系数；Q为炸药使用量，采用齐发爆破的方式下为总装药量，而采用延期爆破方式时为最大段装药量；R为爆破点与受保护建筑物之间的水平距离，m；α为爆破点与受保护建筑物之间的衰减指数。

3 尾水隧洞开挖施工

3.1 尾水隧洞Ⅰ层开挖

本工程采用自制钻孔作业台车进行尾水隧洞开挖，开挖后由装载机和自卸车配合出渣，清底工作通过反铲完成。根据设计，尾水隧洞Ⅰ层半幅开挖掏槽孔设计孔径42mm、孔深2.5m、孔距0.8m、药径32mm、装药长度2.0m、堵塞段长0.5m、单孔装药量2.0kg；主爆破孔设计孔径42mm、深2.5m、孔距1.0m、最小抵抗线0.8m、药径32mm、装药长度2.0m、堵塞段长0.5m、单孔装药量2.0kg；周边孔设计孔径42mm、深2.5m、孔距分0.88m和0.8m两种，最小抵抗线0.7m、药径25mm、装药长度2.0m、堵塞段长0.5m、单孔装药量0.375kg；底孔孔径42mm、深2.5m、孔距0.8m、最小抵抗线0.8m、药径32mm、装药长度2.0m、堵塞段长0.5m、单孔装药量1.8kg。为控制爆破规模和振动，将该水电站尾水隧洞开挖划分为中部开挖和两侧扩挖部分。中部设计开挖断面8.0m×8.7m并超前支护，两侧错开支护，顶部一次性开挖至设计边线，Ⅰ层开挖时还应结合围岩状况进行开挖进尺的调整。

3.2 尾水隧洞Ⅱ、Ⅲ层开挖

该水电站尾水隧洞Ⅱ、Ⅲ层宽度相同，且均为19.4m，层高均为8.0m，按照两个小层开挖施工，开挖进尺4.5m，且均采用边墙预裂爆破。通过手风钻和φ50cm孔径在尾水隧洞Ⅱ、Ⅲ层中部造孔，为保证开挖结构线的成型质量，边墙通过手风钻垂直造孔+50cm孔距预裂爆破开挖。根据设计，主爆破孔设计孔径50mm、孔深5.0m、孔距0.81m、最小抵抗线0.8m、药径32mm、装药长度3.4m、堵塞段长1.6m、单孔装药量分别为2.4kg、2.2kg、2.0kg；边墙预裂爆破孔设计孔径50mm、孔深4.0m、孔距0.5m、药径32mm、装药长度3.1m、堵塞段长0.9m、单孔装药量分别为2.0kg。预裂爆破开挖施工结束后，通过20t自卸车出渣清底。

3.3 尾水隧洞Ⅳ层开挖

根据设计可知，尾水隧洞Ⅳ层属于底板预留保护层，设计宽度19.4m，高2.3m，主要进行周边光面爆破及全断面一次性开挖施工，开挖进尺2.0-3.0m。通过手风钻开挖造孔，光面爆破则使用直径25cm的乳化炸药药卷，边墙和底板光面爆破的线密度分别为150g/m和250g/m，主爆破孔连续装乳化炸药，并通过电雷管引爆非电毫秒雷管网络。根据设计，主爆破孔设计孔径50mm、孔深4.5m、孔距0.81m、最小抵抗线0.9m、药径32mm、装药长度3.4m、堵塞段长1.1m、单孔装药量分别为2.4kg、2.2kg；底孔设计孔径50mm、孔深4.5m、孔距0.61m、最小抵抗线0.6m、药径25mm、装药长度3.4m、堵塞段长1.1m、单孔装药量分别为0.9kg；周边孔设计孔径50mm、孔深4.5m、孔距0.5m、最小抵抗线0.8m、药径25mm、装药长度3.7m、堵塞段长0.8m、单孔装药量分别为0.7kg。

3.4 尾水隧洞支护

该水电站尾水隧洞各开挖层均根据围岩等级，选择使用直径32mm、长度8.0m，直径28mm、长度6.0m，直径25mm、长度4.5m三种规格的系统锚杆，挂@15.0cm×15.0cm规格的钢筋网，并按20cm厚度喷射强度等级C25的混凝土加固。深孔锚杆造孔采用多臂台车和液压潜孔钻，短锚杆造孔则采用手风钻，锚杆施工过程中均先注浆后插杆，且浆液均使用M20水泥砂浆，掌子面开挖滞后于锚杆支护的距离应控制在60m以内。

4 监控量测

为进行该水电站尾水隧洞变形情况及应力变化情况的监测，在开挖过程中及开挖后在所设置的测点处布置多点位移计、锚杆应力计等进行量测。结合该水电站尾水隧洞爆破开挖施工情况，还应进行地表建筑物爆破振动情况监测，根据监测结果，尾水隧洞多点位移计累计位移量均不超出10mm，变形速率均控制在0.20-0.35mm/月，锚杆应力计拉应力和压应力最大值38.5MPa和23.1MPa。监测结果变化量较小，且均未出现异常情况。该水电站尾水隧洞爆破振动监测共进行220场次，所得出的地表竖向振动速度最大值为0.301cm/s，比地上建筑物安全振动速度限值0.5cm/s小[3]。

5 结 论

该水电站尾水隧洞断面尺寸大，且沿洞轴线地质条件复杂，局部范围内围岩稳定性差，针对复杂的地质条件采取了多工序分层爆破开挖的施工方案，且开挖施工过程中未发生涌水和坍塌，开挖效果良好。爆破开挖过程中及开挖后监控量测结果也表明，监测数据变化量较小，且均未出现异常情况。充分表明，该水电站尾水隧洞爆破开挖方案设计合理，施工过程可靠，可为同类型水利水电工程隧洞开挖施工提供借鉴参考。