泄洪排砂洞毗邻无衬砌有压输水洞爆破影响研究

孟姣宇，黄海波，王裕沛，孟 葛

（清原满族自治县红河水库除险加固工程建设管理处，辽宁 清原 113300）

1 工程概况

红河水库位于辽宁省清原满族自治县境内浑河上游左岸支流红河上，集水面积806 km2，总库容1 207万m3。水库工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级。枢纽工程主要由拦河坝、二道坝和输水系统等组成：拦河坝为混凝土拱坝，全长233.52 m；二道坝位于大坝下游100.00 m处，全长135.00 m；二道坝下游设有交通桥，输水系统位于库区左岸，进水口在大坝上游约1 000.00 m处。

清原县红河水库为混凝土单曲拱坝，由于初建时坝体未设冲砂闸，运行期间经历几次洪水后库区严重淤积。新建泄洪排砂洞毗邻无衬砌有压输水洞，为保证水库发挥效益，新建泄洪冲砂隧洞主要是与大坝共同承担红河水库的泄洪任务，兼顾输水洞进水口区域内的清淤冲沙任务，同时，由于进口底板高程低于死水位，因此可兼作大坝检修放空之用。

2 泄洪排沙洞施工特点

为满足水库泄洪排沙要求，新建泄洪排沙洞为深孔有压洞，中心线距离原输水洞进口中心线16.63 m，两侧洞壁最近距离9.83 m。原输水洞底板高程255.50 m，新建泄洪排砂洞开挖底板高程248.00 m，高差7.50 m。新建长1 199.00 m，直径6.00 m圆形断面的泄洪排沙洞，与大坝共同承担红河水库的泄洪任务，兼顾输水洞进水口区域内的清淤冲沙任务，同时，由于进口底板高程低于死水位，因此可兼作大坝检修放空之用。泄洪排沙洞由进口洞内喇叭口段、矩形标准段、竖井式闸门井段、有压洞身段、出口闸室段、出口消能防冲段等部分组成。

隧洞纵剖面采用“一坡到底”的布置形式，纵坡为i=0.011 67。隧洞采用钢筋混凝土衬砌支护，Ⅲ类围岩衬砌厚0.40 m，Ⅳ类围岩衬砌厚0.60 m。全洞顶拱120°范围内进行回填灌浆。为加固围岩，提高围岩承载能力和减少渗漏，对全部洞段围岩进行固结灌浆。出口渐变段长10.00 m，内尺寸由直径6.00 m的圆形断面渐变为6.00 m×5.40 m（宽×高）的矩形断面。

出口闸室段后接消能防冲段，采用底流消能，消力池总长40.00 m，两侧扩散角均为8°。消力池底板高程237.00 m，厚1.50 m，池后设消力坎，坎高1.50 m，坎顶宽2.50 m。消力池下游设25.00 m长混凝土护坦，厚0.50 m。

2.1 区域地质概况

属于辽东中低山区，地面高程为550.00～1 000.00 m，相对高差200.00～700.00 m。按地貌成因及形态可分为中低山区，山麓斜坡堆积，河流侵蚀堆积区地貌。

区内出露的地层主要为元古界震旦系和中生界下白垩系及第四系松散堆积层。

2.2 工程地质条件及评价

1）工程区地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，相当于地震基本烈度为Ⅵ度。

2）工程区标准冻土深度1.30 m。

3）泄洪排沙洞进口边坡整体稳定，但在施工过程中发生局部崩塌、掉块的可能性较大，应予注意。开挖可能导致围岩不稳定且存在发生突水、涌水的可能，应予以及时支护。洞出口边坡现状条件下可基本保持稳定，但经工程扰动，存在发生边坡失稳的可能，应采取必要工程措施。

将打好的面团放于案台静置5～10 min（冬季可置于醒发室，温度28℃，湿度75%），每个80 g，搓圆后中间醒发10～15 min。

3 采取的措施方法

3.1 进口洞脸锁口

泄洪排沙洞进口进洞点开挖基础高程248.00 m，依据施工高程、部位不同采用不同洞支护参数：土质边坡1∶1.5；淤泥开挖边坡1∶2.5，进口石方开挖坡比1∶0.5。

对排沙洞进口洞脸开挖、支护完成后，进行隧洞进口段洞室开挖。由于隧洞进口岩石为强风化岩体，节理发育、岩石破碎，顶拱岩面线与进洞口在右拱肩位置存在0.60 m的间隙。因此，为保证进口安全进洞，对进口进行锚杆锁口：洞室顶部开挖线外按0.30 m间距布设双排超前锚杆，按梅花形布设，锚杆采用ϕ22@300，L=4.50 m，入岩4.30 m。

在洞口右上肩部，洞口与岩面线存在0.60 m的空隙。洞口开挖时，为防止由于岩石风化、破碎等不利因素带来的影响，采用在超前锚杆上绑扎ϕ8@200钢筋网，封闭空隙，外喷20 cm厚C20混凝土，以达到锁口效果。在边墙外侧，设置单排固结锚杆ϕ22@300，L=4.50 m，布设至钢拱架以上0.50 m处。

3.2 进洞弧段及洞身有压段开挖、支护

进口锁口施工完成后，进行进洞弧段及有压段石方洞挖。进口段洞顶部设计为曲线型，开挖时采用阶梯式开挖，测量放样控制，采用短进尺爆破，以保障开挖断面满足初期支护、衬砌要求。洞口临时安全防护，依据SL 399-2007《水利水电工程土建施工安全技术规程》，在隧洞进口设置防护棚，长5.00 m，采用钢支撑搭建，顶部满铺木跳板，形成防护棚，以防止坡顶落石、坠物对进出口人员造成伤害。

洞室开挖采用新奥法施工，光面爆破，“短进尺、弱爆破、强支护、勤观测”。光面爆破的起爆顺序：掏槽眼→辅助眼→底板眼→周边眼。采用多段微差起爆(由内向外)，其中主爆区使用非电毫秒雷管，光爆眼用导爆索一次同时起爆。由于隧洞进口裸露出的岩石较破碎，且距离原输水洞距离近（最近处约9.83 m），为减少爆破震动对洞顶覆盖岩层、原输水洞造成的影响，进口段开挖计划采用台阶法施工，即上台阶导洞、下台阶跟进开挖。

进水口段每循环进尺1.00 m，下台阶预留高度2.50 m，因进口段成喇叭口状，顶部成弧形，且支护类型不同，高度由10.05 m降低至9.10 m，因此上台阶开挖高度为7.55～6.60 m。上台阶洞室开挖完成后立即进行安装钢支撑、超前锚杆、系统锚杆、钢筋网、喷混凝土联合支护，以确保洞室稳定。进洞口进尺2.00 m后，视围岩状况，支护参数调整至设计图纸参数。

上台阶施工至闸门井后（0+064），进行下台阶开挖，每开挖循环后立即将钢支撑接至设计开挖底板，进行锚杆、钢筋、喷混凝土联合支护。

3.3 上台阶开挖爆破参数

1）爆破设计参数

炮眼直径D=40 mm；炮眼深度L=1.20 m；爆破高度H=6.70～6.60 m。

2）炮眼布置

掏槽眼：用来先掏出开挖面上的一部分岩石，增加临空面，改善其它炮眼爆破条件，开挖采用楔形掏槽。考虑到岩石坚硬程度，设计采用二级复式楔形掏槽。有两对对称的斜眼，成对在炮眼地集中炸出一个楔形空间。楔形掏槽眼孔口距为0.65 m，孔深为1.20 m。炮眼数量为16个。

周边眼（光面爆破）：是指沿边缘轮廓线布设的炮眼。炮眼数量为64个，炮眼间距a=0.40 m，抵抗线W=0.55 m，炮眼深度为1.00 m，孔底向轮廓线外倾斜小于1°。

辅助眼：包括辅助孔、压炮孔等，用以扩大掏槽的体积，为周边眼爆破创造有利条件。辅助眼应交错均匀地布置在周边眼与掏槽眼之间，并垂直于开挖面打眼，力求爆下的石渣块体大小适合装渣要求。炮眼深度为1.20 m，炮眼数量为64个。

上台阶开挖爆破参数见表1。

表1 上台阶爆破施工参数表

3.4 围岩下台阶开挖爆破参数

1）爆破设计参数

炮眼直径D=40 mm；炮眼深度L=1.20 m；爆破高度H=2.50 m。

2）炮眼布置

上部台阶已开挖完成，下部台阶已具备2个临空面，可采用浅孔台阶爆破法施工。W取0.70～1.00 m，两面边弧和底弧按周边光爆孔布置，a=0.45 m；其余部分共布置3排炮孔，每排炮孔的孔距a均为0.80 m，沿底弧0.50 m布置第一排、第二排距第一排0.80 m、第三排距第二排1.00 m，采用排间微差起爆，第三排先爆，然后中间排，最后第一排，周边孔后爆。具体参数见表2。

表2 围岩下台阶钻爆参数表

4 爆破震动监测

在进口段爆破时，选择3～5个循环作为爆破试验段，并进行爆破震动监测，用于验证爆破参数、开挖效果与周边输水洞震动限值的关系，以求得满足爆破震动限值状态下，最佳爆破效果时的最佳爆破参数，指导爆破作业。每次试验爆破后，检测光爆效果、开挖平整度、洞壁爆破裂缝、超欠挖情况、石渣粒径，及时调整爆破参数，以获得最佳爆破参数。爆破监测委托中水东北勘测设计研究有限公司实施，在隧洞侧壁安装检测点，振源装药 量40 kg，距离爆心31.53，42.5，47.91，57.52，67.24，77.02 m安装监测设备，安全允许质点振动速度v在5 cm/s以内，均在控制标准范围内。

根据实际爆破效果确定爆心装药量控制在40 kg，单孔最大装药量不大于1 kg，能够最大幅度地减少对围堰的扰动，并且严格控制开挖。新建泄洪排砂隧洞毗邻原有输水隧洞爆破施工过程中取得了良好的效果，由于原输水洞没有衬砌靠围岩自稳，要确保对围岩的扰动在允许范围内。

5 结语

水工引水隧洞施工，地质条件多变，在红河水库泄洪排砂洞开挖过程中，上文对爆破开挖控制等施工过程中采用的方法进行了详细的分析。目前，清原县红河水库除险加固工程新建泄洪排砂洞开挖已经全线贯通，毗邻无衬砌有压输水洞爆破作业未对输水洞造成影响。施工期间采用上述方法爆破开挖排沙洞，未对原输水洞造成破坏，结合工作实际为类似隧道毗邻既有建筑段控制爆破施工提供有价值的参考。