水利枢纽灌浆洞开挖及衬砌工程工艺研究

2023-01-20山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心山东济南市250100王文召

石河子科技 2022年3期

（山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，山东济南市，250100）王文召

随着科学技术的不断进步，水利工程建设也在快速发展。在水利枢纽工程中，需要以合理设计平洞开挖，炸药的数量和爆破方法。并根据材料的优缺点，选择适当的材料最优的配比进行混凝土搅拌。同时，工程中需要考虑到电力，灌溉，运输，照明等因素的情况下采取防洪措施，以此让水利枢纽灌浆洞开挖及衬砌工程更精准。

1 平洞钻孔爆破工艺

1.1 开挖方式确定

平洞开挖包括全断面开挖、断面开挖和导洞开挖。开挖方式的选择主要根据工程地质条件、断面尺寸、施工机械作业高度及范围、导流洞长度及工期等因素。

1.1.1 全断面

全断面是根据允许的曝光时间和施工过程，整个设计切口均可同时挖洞、长距离洞或通过隧道提供固定或镶面。这种方法适用于围岩紧固稳定，有大型开衬砌设备，设备开挖能力与开挖断面能相适应，平洞轴线不过长的情况。采用这种方法，洞内工作场面比较大，施工组织因工作面宽而相对比较容易安排，施工干扰也较容易解决，有利于提高平洞施工施工进度。

1.1.2 断面分部开挖

断面分部开挖是将整个断面分成几层，然后逐层推进，适用于开挖岩石质量差且孔径大的平坦洞穴。

1.1.3 导洞扩大法开挖

导洞扩大法开挖是一种在区域内穿透孔方法，然后在穿透的基础上扩展到整个截面的方法。

1.2 爆破基本原理

炸药是化学爆炸在某种爆炸能量的作用下，炸药会立即被化学分解，产生高温高压气体，对环境造成巨大的冲击，并以波浪的形式扩散。

1.2.1 预裂爆破

预裂爆破是一种控制开挖边线的爆破，在主爆区内正常钻孔装药，在开挖轮廓线处钻一排较紧密的孔。起爆时，先爆破边线上的孔，再引爆主爆区的孔。先爆的周边钻孔会产生几厘米的预裂缝，当主爆区爆破时，这些缝隙将会吸收减弱冲击波，也能保护好未开挖的区域。这样可减少30%～50%的地震强度，而且还能使边界开凿平整。

1.2.2 光面爆破

光面爆破是一种爆岀的新壁面保持平整而不受明显破坏的控制爆破技术。其特点是在设计开挖轮廓线上钻凿一排孔距与最小抵抗线相匹配的光爆孔，并采用不耦合装药或其他特殊的装药结构，在开挖主体爆破后，光爆孔内的装药同时起爆，从而形成一个贯穿光爆炮孔且光滑平整的开挖面。根据以上两种方法的比较选用光面爆破比较合适。

1.3 炮孔布置

炮孔布置采用平行直孔掏槽布置方法，平行直孔掏槽的布置是其中有一个或几个不装药的空孔，作为装药掏槽炮孔爆破时的自由面。直孔掏槽适用于坚硬、均质、裂隙不发育的岩体中，也适用于排炮进尺较大的隧洞开挖。当钻孔深度小于3m时，炮孔利用系数可达到0.90～0.92。当时炮孔深度3～4m时，可达到0.83～0.90，为了达到良好的爆破效果，有必要在施工要求周围钻孔，使其平整，笔直，均匀，准确。

1.4 爆破公害及安全控制

1.4.1 通风散烟

通风、除尘、除尘的目的是控制钻探过程中有毒气体和尘埃的含量、爆炸、煤渣装载、混凝土喷射、内燃机等。通风散烟可以及时补充新鲜空气，提高洞穴温度、湿度和风速，并在符合卫生标准的洞穴中创造工作条件。自然通风形成的条件有进、出口要有高程差和洞内外空气要有温度差。

1.4.2 安全检查与处理

工作中，一旦通风停止，检查隧道周围的周长，特别是拱门是否有任何危险的岩石。实际施工中，人们经常用长时间的休息来对付这些危险的岩石，但这并不安全。如果条件允许，可以使用轻型挖掘机来清除危险的岩石。

2 水利枢纽支护工艺

2.1 支护方式

支护中分一级和二级保护，此工艺需要注意隧道的混凝土砌筑工程有浇筑混凝土、先填料水泥、预制零件等。当施工中，一旦进入地下洞穴，就会形成临时支柱，以持续承受山岩或其他力量的压力，所以需要维持岩石的稳定，防止风化。施工中密封洞穴壁的漏气，形成一个平滑的洞穴轮廓，以确保建筑正常使用，所以需要还要进行二次支护，混凝土涂层是典型的二级防护。目前，混凝土砌筑与普通混凝土和钢筋混凝土工程大致相同，所以在混凝土衬砌二次支护的作用是加强地下洞室的耐久性和可靠度，以及减少水工隧洞的糙率系数，满足过水和通风要求，减少沿程损失，增加美观。

2.2 喷混凝土设计

2.2.1 喷混凝土方式确定

喷混凝土按搅拌方式不一样可分为干喷、湿喷、半湿喷、水泥裹砂法四种。

干喷。利用风压在喷射机喷嘴喷出，并在喷嘴加水，其特点是粉尘大，加水量不易控制，故质量不稳定，回弹高。一般水压为0.2～03MPa，风压为0.3～0.5MPa和0.5～0.7MPa两个等级，用风量为9m3/min。适用于少量喷混凝土如开挖工作面需及时喷混凝土，通风条件好的环境如边坡喷射混凝土等。

湿喷。在拌制好后，用风压通过喷射机从喷嘴里喷出加水量为设计加水量。特点：质量稳定，粉尘少，回弹相对较小，密实度高，强度高，喷射风压达到0.5～0.7MPa以上。使用大面积大量喷射混凝土，在各种环境条件下都适合使用。

半湿喷。改良后的干喷法，粉尘较小。但加水量不易控制因此质量不稳定，目前应用较为广泛。

水泥裹砂法。将水量和水泥用量的80%、砂量的80%搅拌后通过砂浆泵输送至干喷机混合管和剩余水泥、砂和速凝剂混合用风压喷出。特点：粉尘小，质量相对易控制但工艺繁琐，目前使用较少

2.2.2 喷混凝土材料确定

水泥进场时，应检查产品合格证、出厂检验报告，并抽样复验其强度、安定性及凝结时间等指标。同种水泥袋装者不超过200t，散装者不超过500t作为一个检验批。骨料以400m3或600m3为一检验批。检验颗粒级配、含泥量、泥块含量以及粗骨料中针片状颗粒含量等指标，砂中氯离子含量不得多于干砂质量的0.06%，对预应力混凝土不得多于0.02%。石子粒径，对一般构件不应超过其最小截面尺寸的1/4和3/4钢筋净距，对楼板则不超过板厚的1/3和40mm。饮用水可直接使用，使用其他水时应检验其成分，严禁使用海水。速凝剂：要求初凝时间不超过5min，终凝时间不超过10min。加速器不应含有氯。通过试验确定促凝剂的选择和用量为711型，用量为3.0%，初凝时间为2min，终凝时间为8min。减水剂：在喷射混凝土中加入减水剂，可以提高后期强度，增加工作性，减少回弹。有些还可以达到抗裂和防渗的效果。目前，国内减水剂的种类很多，选用的是通过实验来选择型号和用量，常用的有FDN型、JM型、H型等。通过试验，确定该方案适用于JM型。

2.2.3 喷混凝土主材配合比确定

喷混凝土水泥用量根据设计强度确定，一般为350～400kg/m3，胶骨比（水泥：砂+小米石）为1：3.6～1:5,砂率为0.45～0.6的重量比，水灰比为0.4～0.5，也可加入一些细粉料如粉煤灰、火山灰之类的物料以增加和易性和粘聚性。粗骨料应为坚硬的碎石或卵石，严禁具有碱活性的骨料。喷涂时，喷嘴垂直于岩石表面，并相对于刚喷涂的部分略微倾斜，效果更好。射流距离为1m。一次喷射的厚度主要取决于混凝土颗粒之间的内聚力和喷射混凝土表面之间的内聚力。喷射角为10°。洞室内壁面喷混凝土施工时先墙后拱，自下而上，先凹后凸，分区段顺序进行；喷嘴的运动呈螺旋形画图，画圈直径为30cm左右，并一圈套半圈的进行。喷砂混凝土中的水泥含量，凝结速度，为保证强度增加，防止混凝土收缩和开裂，通常在喷涂后2～4h内开始浇筑，并保持混凝土湿润，保温时间至少14d。

3 衬砌工艺

3.1 平洞衬砌的分缝分块

由于结构设计和施工能力的限制，混凝土一般沿洞口长度浇筑，需要分缝分块。当结构中有永久伸缩缝时，可将永久伸缩缝分为若干段；当永久伸缩缝间距过大或无永久缝时，衬砌施工中的截面可以一次浇铸，同时，切缝界面位于衬砌结构或内力较小的结构部分的转折点附近，截面上的浇筑顺序为第一底拱。此外，为了确保横断面衬砌结构的完整性，应在接合面上设置键槽，并适当布置插入肋。应力钢筋通过接缝表面直接连接，并且在剖分接缝处不得切断。

3.2 衬砌混凝土浇筑

泵送混凝土的骨料最大粒径，一般不超过导内径的40%，宜选用二级配骨料。

塌落度宜采用10～18cm，使用中途停泵时间不超过40min，如停泵时间超过了40min，应每隔5min启动活塞往复2～3次，以避免管道由于混士疑结而阻塞。

管道端部应尽量布置在高处，以便增加浇筑围，但要估算垂直管的折合长度。折算值如下:垂直升高1m管段相当于8m水平管1个90°弯头相当于12m水平管个45°头相当于6m水平管一段长5～8m的橡胶软管相当于30m水平钢管。

混凝土浇筑完成后应泵送清水中洗管路及混土泵缸体与活塞等处。在混凝土浇筑即将完成前，用混凝土泵尾管对未浇筑混凝土的拱顶缝隙和预留的检修窗进行封堵回填。在混凝土泵管末端接一短尾管，通过模板垂直伸入筒仓。同时，排气管距浇注段末端约1.5m，排气管出口与岩石表面的距离应保证压缩混凝土能自由摊铺，一般在20cm左右；在仓岩面最高点设置排气管，筒体内部在筒仓中部设置进气口，用于进入筒仓进行必要的辅助工作和检查圆顶的填充情况。