浅谈水利隧洞倒虹吸衔接段开挖方法

温正策 张友录

(1. 平阳县水利局, 浙江 平阳 325400;2. 浙江省第一水电建设集团股份有限公司, 浙江 杭州 310000)

1 工程概况

平阳县南湖分洪工程位于平阳县水头镇, 工程任务为防洪, 工程等别为Ⅲ等, 分洪隧洞工程主要建筑物为3 级, 次要建筑物为4 级, 分洪规模为820m3/s。该分洪隧洞包括2 条隧洞, 从南向北分别为南线隧洞和北线隧洞, 其中南线隧洞长6538m, 北线隧洞长6563m, 单洞衬后洞宽14m, 单洞设计流量410m3/s。隧洞断面采用城门洞形, 根据不同的围岩类别, 最大开挖断面尺寸15.50m ×15.25m (宽× 高), 最小开挖断面尺寸14.90 ×14.45m (宽×高)。

2 分洪隧洞倒虹吸衔接段重点难点分析

倒虹吸衔接段近距离穿越已建隧洞, 施工干扰大, 安全风险高。 倒虹吸段与平阳引供水工程3 号已建引水隧洞近乎平行, 且距离较近, 水平距离仅为40 ~120m, 且倒虹吸段下穿平阳引供水工程4 号已建引水隧洞, 高程相差仅为7m, 施工技术难度大, 存在一定的施工安全隐患, 施工工期受到严重制约。

隧洞地质条件复杂, 开挖断面大, 隧洞塌方、 突涌水等尤为突出, 且需近距离穿越已建的引水隧洞和交通隧洞, 施工安全防范点多、 风险大, 确保施工生产安全是本工程重点之一。

3 倒虹吸衔接段开挖施工基本情况

南北线倒虹吸衔接段按照新奥法原理组织施工,北线上游设计围岩级别为Ⅵ级, 施工部位ND1 +524.707 ~ND1 +614.707, 南线上游衔接段设计围岩级别为Ⅵ级, 施工部位SD1 + 570.974 ~ SD1 +660.974 (根据地质超前预判以上区域围岩级别以Ⅲ级偏差为主, 实际地质情况以现场地质编录为准)。

北线下游衔接段围岩级别为Ⅱ~Ⅲ级, 施工部位ND3 +519.697 ~ ND3 +609.697, 南线下游衔接段围岩级别为Ⅱ~Ⅲ级, 施工部位SD3 +455.976 ~SD3 +565.976 (根据地质超前预判以上区域围岩级别以Ⅲ级偏差为主, 实际地质情况以现场地质编录为准)。

在施工过程中, 为保证施工及结构安全, 根据量测监控的各类围岩物理力学指标、 支护的受力状态、监测的位移数据的反馈, 对隧洞施工方法、 开挖步骤及顺序、 支护参数等进行合理调整, 以保证施工安全及支护结构的经济性。

倒虹吸衔接段采用机械化配套施工, 无轨运输出渣, 形成钻爆 (钻孔、 爆破) 或机械开挖、 装运(装渣、 运输)、 支护 (拌和、 运输、 锚喷)、 衬砌(运输、 泵送混凝土、 灌注、 捣固) 四条主要机械化作业线。 合理配备开挖、 衬砌、 运输配套设备, 以及具有丰富隧洞施工经验的队伍承担该段施工任务, 并制定切实可行的施工方法和可靠的保证措施。

4 倒虹吸衔接段开挖施工工艺

4.1 施工方法一

二衬自上而下进行, 适用Ⅳ、 Ⅴ类围岩。 南北线上下游倒虹吸衔接段施工按设计要求进行初期支护,其开挖施工方法为分台阶开挖(见图1)。

图1 二、 三、 四台阶开挖炮眼布置及网路连接示意图

为保护上台阶二衬混凝土, 二、 三、 四台阶开挖采用新型电子雷管逐孔爆破, 以控制爆破振动速度。台阶开挖法施工注意事项如下:

a. 隧洞施工坚持“弱爆破、 短进尺、 强支护、早封闭、 勤量测” 的原则, 每循环进尺约为2m; 期间根据实际围岩地质情况适当调整, 开挖后及时施作初期支护。

b. 开挖方式为弱爆破, 采用小炮开挖, 严格控制炮眼深度及装药量。

c. 上台阶按隧洞标准断面开挖, 上台阶开挖完成后, 即进行二衬混凝土浇筑。 下部分为二、 三、 四共3 个台阶, 下台阶开挖先开挖左侧, 初期支护及二衬完成后, 再开挖右侧, 右侧初期支护及二衬完成后, 再开挖左侧, 循环推进。

d. 施工中应按有关规范及标准图的要求, 进行监控量测, 及时反馈结果, 分析洞身结构稳定性, 为支护参数的调整提供依据。

4.2 施工方法二

二衬自下而上进行, 适用Ⅱ、 Ⅲ类围岩。 南北线上下游倒虹吸衔接段施工按设计要求进行初期支护,其开挖施工方法为分台阶开挖(见图2)。

图2 上台阶开挖炮眼布置及网路连接示意图

为保护上台阶二衬混凝土, 二、 三、 四台阶开挖采用新型电子雷管逐孔爆破, 以控制爆破振动速度。台阶开挖法施工注意事项如下:

a. 隧洞施工坚持“弱爆破、 短进尺、 强支护、早封闭、 勤量测” 的原则, 每循环进尺约为2m; 期间根据实际围岩地质情况适当调整, 开挖后及时施作初期支护。

b. 开挖方式为弱爆破, 采用小炮开挖, 严格控制炮眼深度及装药量。

c. 上台阶按隧洞标准断面开挖, 下部分为二、三、 四共3 个台阶, 下台阶开挖先开挖左侧, 初期支护完成后, 再开挖右侧, 右侧初期支护完成后, 再开挖左侧, 循环推进, 衔接段全部开挖完成后再进行二衬浇筑。

d. 施工中应按有关规范及标准图的要求, 进行监控量测, 及时反馈结果, 分析洞身结构稳定性, 为支护参数的调整提供依据。

5 爆破参数设计

南北线上下游倒虹吸衔接段开挖采用钻爆法施工, 根据不同的地质结构、 岩石性质, 采用台阶分层法(二至四台阶), 以新奥法理论指导施工。

5.1 二至四台阶分层开挖

二至四台阶分层法施工顺序见图3。

5.2 二至四台阶分层法施工注意事项

a. 隧洞施工应坚持“弱爆破、 短进尺、 强支护、早封闭、 勤量测” 的原则。

b. 开挖方式为弱爆破, 爆破时严格控制炮眼深度及装药量。

c. 上台阶开挖支护完成后(90m 全部完成) 再行开挖下台阶。

d. 施工中下部围岩施工时应减少对上部围岩、支护的扰动。

e. 施工中应按有关规范及标准图的要求, 进行监控量测, 及时反馈结果, 分析洞身结构的稳定, 为支护参数的调整、 灌筑二次衬砌的时机提供依据。

f. 下台阶在上台阶喷射混凝土达到设计强度70%以上时开挖, 当岩体不稳定时需缩短进尺, 及时施作初期支护。

g. 下台阶施工时要保证初支钢架整体顺接平直,螺栓连接牢靠。

5.3 炮孔布设及参数设计

爆破开挖拱部边墙采用光面爆破, 核心采用控制爆破, 掏槽采用抛掷爆破的爆破工艺。

a. 炮孔深度。 爆破设计的炮眼深度主要受爆破振动强度控制, 设计炮眼深度根据爆破部位不同进行调整。

b. 炮孔直径:d=42mm。

c. 掏槽孔。 掏槽孔布置在爆破上台阶断面中央偏下位置, 本方案隧洞爆破设计采用楔形掏槽(见图4)。

图4 掏槽孔布置示意图

楔形掏槽的每对掏槽眼呈完全对称形或近似对称形。 每对掏槽眼由浅变深, 孔底间距为0.1 ~0.3m,楔形掏槽孔与工作面夹角为55° ~75°, 由小变大, 为保证复式楔形掏槽取得良好的爆破效果, 应尽量减小钻眼的偏差。

根据掏槽眼布置原则, 大断面隧洞应采用楔形掏槽, 并尽量加大第一级掏槽眼之间的水平距离, 缩小掏槽角; 炮眼深度超过2.5m 时, 应采用二级或三级或多级复式楔形掏槽。

5.4 辅助孔布设

辅助孔布置在掏槽孔和周边孔之间, 炮孔间距根据围岩种类即所处不同位置从60 ~100cm 之间选取,施工中可做适当调整。

5.5 周边孔布设

周边眼布置在距开挖断面边缘0.1 ~0.2m 位置,周边眼的眼底要朝隧洞轮廓线方向倾斜, 当隧洞穿过的岩体坚硬时, 眼底可达到或稍稍超出轮廓线位置;岩体中等坚固时, 间距一般取炮孔直径的8 ~15 倍,眼底距轮廓线约0.1 ~0.2m; 在松软岩体中, 炮眼不必倾斜, 眼底距轮廓线的距离与眼口处相同。

本隧洞各类围岩均采用光面爆破, 以减少对围岩的扰动, 在节理裂隙发育的岩石中, 应取小值; 在整体性较好的岩石中, 应取大值。 周边孔间距一般为50 ~75cm, 施工中可做适当调整。 周边孔钻孔时应提高钻孔精度, 以减少超欠挖, 并保证开挖轮廓面积。周边孔爆破时应同时起爆, 确保爆破质量。

5.6 光面爆破参数

a. 不耦合系数。 合理的不耦合系数应使炮孔压力低于岩壁动抗压强度, 而高于动抗拉强度, 本工程选用不耦合系数为1.31。

b. 光面炮孔间距。 一般取炮孔直径的8 ~15 倍。在节理裂隙发育的岩石中, 应取小值; 在整体性较好的岩石中, 应取大值; 本工程光爆孔间距取70cm,施工中可做适当调整。

c. 最小抵抗线W(E), 即光面层厚度或周边孔到邻近辅助孔间的距离, 是光面孔起爆时的最小抵抗线, 一般应不小于光面孔间距。 选取与各级围岩相对应的E值, 本工程为80cm。

d. 线装药量: 200 ~300g/m。

e. 不耦合装药结构见图5。

图5 不耦合装药结构

不同的情况可选择不同的装药结构。 在地质构造如破碎松软、 渗水、 漏水等不良情况严重时, 可选择(a) 或(b) 装药结构; 在情况相对较好时, 可选择(c) 装药结构。

由于地下工程地质情况十分复杂, 塌方段处理也无一定模式, 具体要视现场情况研究决定, 情况严重的位置可在原来的基础上增加辅助孔、 周边孔数量,采用特殊装药结构、 减少装药量等方法及时调整爆破施工工艺。

5.7 炮孔数

炮孔数目的多少直接影响每一循环凿岩工作量、爆破效果、 掘进进度、 隧洞成型的好坏, 设计时按下式计算炮孔数, 在施工过程中根据实际情况可做适当调整, 以达到最佳爆破效果。

式中N——炮孔数目, 个;

f——岩石普氏系数;

S——巷道掘进断面, m2。

隧洞岩石普氏系数f=8 ~12, 本工程为Ⅳ级围岩, 岩石普氏系数f取值9。

a. 倒虹吸衔接段: 经计算, 上台阶围岩面积为139m2。

b. 洞身开挖孔数:个。

5.8 装药结构

掏槽眼、 辅助眼采用连续装药方式, 见图6。

图6 隧洞掘进其余炮眼装药

周边孔参照光面爆破不耦合装药结构。

本工程隧洞开挖采用光面爆破技术时, 起爆使用非电毫秒雷管, 结合实际开挖后地下水情况, 使用2号岩石乳化炸药。 开挖时, 严格控制周边眼的间距和钻眼角度, 周边眼采用专用的光面爆破药卷或小药卷间隔装药结构, 根据隧洞埋深情况严格控制同段雷管的起爆药量, 以减少对周围环境的影响。

所有炮眼装药后需用炮泥堵塞密实, 以确保爆破效果。

5.9 药量计算

周边眼单孔药量计算公式为

式中QK——单孔装药量, g;

ρ0——炸药的密度, g/cm3;

L——炮眼深度, m;

di——炸药直径, cm;

β——光面爆破炮眼填装系数。

其他各部位炮眼装药量计算公式为

式中q——单眼装药量, kg;

K——装药密度, 取1.35kg/m3;

a——炮眼间距, m;

L——炮眼深度, m;

W——炮眼爆破方向的抵抗线, m;

λ——炮眼所在部位系数, 掏槽眼λ取3, 辅助眼λ取2。

5.10 各开挖形式具体爆破参数

台阶法光面爆破开挖方式适用于Ⅱ级围岩以及Ⅲ级围岩一般洞身段。 掏槽方式: 掏槽眼间距为30 ~50cm, 台阶法光面爆破炮眼布置见图2。

将开挖断面分上、 下台阶开挖, 采用减振控制爆破技术, 预计上台阶循环进尺3.5m, 下台阶循环进尺4.5m, 爆破参数设计详见表1。

表1 上台阶开挖爆破参数设计

下台阶开挖炮眼布置见图1, 爆破参数设计详见表2。

6 爆破振动校核

根据《爆破安全规程》 (GB 6722—2014) 中有关规定: 本工程隧洞爆破f＞50Hz, 爆破安全允许振速V取12cm/s, 据《爆破安全规程》 规定采用萨氏公式来计算爆破安全允许距离:

式中K、a——与地质地形条件有关的衰减系数,根据《平阳县南湖分洪工程初设勘察报告》,中硬岩石取K=150 ~250、a=1.5 ~1.8, 本工程K值取200,a值取1.8 ;

Q——一次爆破的最大药量。

上、 下游倒虹吸衔接段,R取5m,Q取0.9kg。

a. 二衬混凝土自上而下施工, 浅孔爆破针对爆区周边一般建(构) 筑物的核算如下:

根据《爆破安全规程》 GB 6722—2014 中有关规定, 本工程爆破安全允许振速: 一般建筑物取为2.0cm/s 根据公式:

式中K、a——与地质地形条件有关的系数和衰减指数, 查表知, 本工程取K= 200、a=1.8;

R——爆破振动允许安全距离, m;

Q——爆破时同段最大起爆药量, kg。

本设计按上述验算结果进行毫秒微差爆破设计,控制同段起爆药量符合爆破振动安全要求; 将有关数据代入上式得出爆破振动控制表。

爆区周边环境: 主要保护上台阶已施工完成的V1=K(Q1/3/R)α=200 × (51/3/0.9)1.8=10.35cm/s。

V1=10.35cm/s ＜爆破安全允许振速(V=12cm/s),符合爆破振动监测要求, 对上台阶二衬混凝土无影响。

b. 二衬混凝土自下而上施工, 浅孔爆破针对爆区周边一般建(构) 筑物核算(无保护对象)。

7 降低爆破振动的操作要求

a. 控制单响最大用药量。

b. 控制一次爆破最大用药量。

c. 采用毫秒延期及光面爆破, 下台阶采用新型电子雷管逐孔爆破。

d. 减小最小抵抗线。

e. 选择合理的装药结构。

f. 加强爆破振动监测。

8 安全检查

建立定期的安全检查制度, 定时间、 定要求, 明确重点部位、 重点设备、 危险岗位。 设定项目部半个月、 工区每周、 工程队每天一次进行检查和总结, 提出整改意见, 落实整改措施, 并进行复检。

9 结 语

倒虹吸衔接段施工工艺复杂、 施工难度大, 因此施工前的开挖方法和爆破技术参数的选择尤为重要。通过上述开挖方法和爆破技术参数选择, 有效地保证了平阳县南湖分洪工程倒虹吸衔接段的施工安全、 施工质量和施工进度。 ■