“三層五區”法在特大斷面隧洞開挖中的運用

□齊文欽 □翟春明（河南省水利第二工程局）

1 概述

河口村水庫是一座正在建設中的以防洪、供水為主，兼顧灌溉、發電、改善河道基流等綜合利用的大（2）型水利樞紐，工程位于黃河一級支流沁河最后一段峽谷出口處，位于濟源市東北約20km的沁河上。

泄洪洞工程主要包括：1#泄洪洞洞身及出口混凝土工程施工、2#泄洪洞龍抬頭段施工、洞身及出口改建等，工程特性見表1。

表1 泄洪洞工程特性簡表

根據勘探資料預測，1#泄洪洞樁號0+000～0+083洞段巖性為花崗片麻巖等，其圍巖類別為Ⅳ類（斷層帶為Ⅴ類）。樁號0+130～0+289洞段為五廟坡斷層（F8～F6）及影響帶，其圍巖類別為Ⅳ類（斷層帶為Ⅴ類）。樁號0+420～0+458洞段為F4、F5斷層及影響帶，其圍巖類別為Ⅳ類（斷層帶為Ⅴ類）。樁號0+458～0+600（出口）洞段，圍巖類別為Ⅳ類。其余地段巖體較為完整。

2 施工總體思路

該工程由于地質條件復雜多變，斷層帶多，斷層帶影響區域廣，設計開挖斷面隨地質情況的不同而發生變化，當圍巖類別為Ⅱ類時，設計襯砌厚度為0.8m，設計開挖斷面尺寸為（9+2×0.8）×（13.5+2×0.8）。隨著圍巖類別的逐步變化，洞身襯砌厚度逐級變化為1.0m，1.2m，1.3m，1.6m。在斷層寬度超過0.5m時增加斷層塞，斷層塞向外擴挖0.5～1.0m。F6斷層帶為本工程最大斷層帶，斷層帶寬19m（樁號為0+266～0+285），斷層帶處的設計襯砌厚度為1.6m，斷層塞處擴挖0.9m。

由于洞室跨度大，難以一次性成形，根據鉆孔、裝渣和噴錨等機械設備工作要求及進度安排，1#泄洪洞洞身采用“三層五區”法進行分層、分區開挖，即洞身分上、中、下三層。上層導洞最大分層高度參照所使用的大型機械（挖掘機及破碎錘）工作極限高度及非電雷管段數分配的需要，取值為8.5m，上層開挖時使用鉆爆臺車，鉆爆臺車高度為6.44m，一般按8m控制，如需按8.5m開挖時，臺車底部墊0.5m厚石渣。中下層高度為（13.5+2A-8.5）/2m（A=設計襯砌厚度+本處擴挖值），一般為3.5m左右，鉆孔時使用簡易的兩人可移動的工作平臺，工作平臺高度約1.2m。開挖分層見圖1。上層一次進行開挖，中、下層各分左右二個開挖區。在上層導洞進尺100m左右時，開始進行中層開挖。考慮到上層爆破時飛石對鉆爆臺車的影響及裝載機托運臺車的空間活動范圍，兩層間的最短距離一般按60m控制。在中層導洞進尺100m左右時，開始進行下層導洞開挖。中下洞開挖面的最短距離按層間高差/14%+行車緩沖距離（1.5倍車長）控制，施工中取值為45m，而后上、中、下三層同時進行、循環進尺。

3 施工工藝

3.1 風、水、電布置

通風設備選用JBT-61型軸流通風機，在洞口用壓入式通風，施工用風通過￠630風帶接至工作面。

洞內供水主要供噴錨施工巖面沖洗及鉆孔施工用，施工用水從河中由潛水泵抽至洞口高位水池，再由高位水池用增壓泵經150mm鋼管接至工作面。

從洞口變壓器接架空線至泄洪洞，供施工動力及照明用電。為保證洞內施工安全，洞外干線采用220V低壓的電源，使用絕緣電纜。工作面處采用36V電壓照明，電線懸掛高度大于2m。詳見圖2。

圖1 泄洪洞開挖分層示意圖

圖2 風、水、電布置圖

3.2 洞內施工道路

上層導洞前100m施工時，施工道路由中層頂面經中導洞頂部與洞外道路相連；進行中層開挖時，先進行1區開挖，上導洞經中層2區頂部斜坡與洞外道路相通，中導洞1區出渣路利用下導洞3區頂面與外部道路相連；中導洞1區進尺30m后，進行中導洞2區開挖，2區開挖時，上導洞施工路經1、3區頂部斜坡與洞外道路相連，中導洞2區施工道路經下導洞4區頂部斜坡與洞外道路相通，而后的中導洞每30m交替施工，洞內道路亦交錯使用；中導洞進尺90m后進行下導洞施工，下導洞施工時，3、4區可直接出渣，上、中導洞仍利用中、下導洞頂部斜坡經3、4區與洞外道路相連，詳見圖3～圖5。

圖3 上導洞洞內、外交通道路示意圖

3.3 機械配置

施工中共配置YT28氣腿式風鉆21臺，12m3油動空壓機2臺，27m3油動空壓機3臺，ZL50裝載機2臺，1m3挖掘機2臺，20t自卸汽車10臺，JBT-61型軸流式通風機1臺。

圖4 上、中導洞洞內、外交通道路示意圖

圖5 上、中、下導洞洞內、外交通道路示意圖

3.4 施工程序

每次循環爆破開挖工作內容主要包含施工準備、測量放線、鉆孔、爆破、通風排煙、危石處理、支護等，其程序詳見圖6。

圖6 開挖施工程序圖

3.5 鉆爆設計

根據地質條件及巖性、技術規范要求、開挖方法、有關經驗公式和以往施工經驗，爆破設計按“短進尺、弱爆破、少擾動”的新奧法原理組織施工，按圍巖類別和建筑物抗震要求嚴格控制最大一段起爆藥量。

（1）鉆孔直徑D：施工時使用Y-28氣腿鉆，使用42mm鉆頭，造孔直徑42mm。

（2）藥卷直徑d：選用d=32mm乳化改性銨油炸藥。

（3）鉆孔深度L：綜合鉆桿風鉆的影響及L=0.3～0.5洞寬經驗公式，取L=5m。

（4）掏槽孔：采用三層復式楔形掏槽，掏槽角度分別為75°、60°和50°。孔距50cm，排距 35cm。炮孔裝藥量Q1=η1l1r1,η1—輔助孔裝藥系數，取 0.85，l1—孔深，r1—每米藥卷重量。

（5）輔助孔：孔距80cm，排距80cm。炮孔裝藥量Q2=η2l2r2,η2—輔助孔裝藥系數，取0.7，l2—孔深，r2—每米藥卷重量。

（6）周邊光爆孔：炮孔間距取12D=50cm。炮孔裝藥量Q3=η3l3r3,η3—周邊孔裝藥系數，取0.6，l3—孔深，r3—每米藥卷重量。

泄洪洞開挖起爆網絡及相關參數見圖7和圖8。

圖7 上層導洞布孔示意圖

圖8 中、下層導洞布孔示意圖

鉆孔完成后，按炮孔布置圖進行檢查，要求掏槽孔眼口間距誤差和眼底間距誤差≤5cm，周邊孔沿導流洞設計斷面輪廓線上的間距誤差≤5cm，周邊孔外斜率≤5cm/m，孔底處開挖輪廓線最大距離≤15cm，并做好記錄。對于不符合要求的炮孔重新鉆孔。炮孔檢驗合格后，用高壓風管將孔內泥漿、石屑吹凈，將鉆具及其輔助用品撤到爆破安全區，現場清理干凈后，炮工組進入工作面，按爆破設計方案進行裝藥，已裝藥的炮孔及時用炮泥堵塞密封，炮孔采取反向連續裝藥，周邊孔采用光爆藥卷，同時為了克服巖石的挾制作用，其底部裝一加強藥卷。炸藥裝好并堵塞完畢后，由炮工組長檢查并確定無誤后起爆。

選用爆速低的φ32mm乳化炸藥藥卷和非電毫秒雷管。使用非電微差起爆網絡設計控制爆破震動。采用非電微差起爆技術，不但可以有效控制單段雷管的起爆藥量，又能有效地控制各段雷管的起爆間隔時間，使爆破震動波形不形成疊加，既能保證巖石破碎達到理想的效果，又能消除爆破震動的有害效應。在掏槽孔、掘進孔、底板孔或周邊光面爆破中，起爆藥量較大的段別的雷管，間隔時差設計為>25ms，即跳段設置。這樣可使爆破震動速度降低30%，達到很好的爆破效果。

洞室開挖至0+285樁號時，揭露出F6斷層，斷層帶長度為26m。采用“短進尺、弱爆破、少擾動，勤測量，多監測，強支護”的原則進行處理，每次進尺1m，間距50～60cm架設一榀22a工字鋼鋼拱架，順利地通過了該斷層帶。

4 實際工程進度

工程于2011年5月6日開工至2011年8月6日結束，采用“三層五區”法施工，3個月內上導洞進尺345m，中層洞臺階進尺480m（1、2區累計進尺），下層洞臺階進尺286m（3、4區累計進尺），并包括48榀鋼拱架制作、安裝。

5 結語

正臺階施工是將洞室分成兩個或多個工作面，上一個工作面超前下一個工作面一定距離的施工方法。在大斷面洞室石方開挖過程中，常采用分層施工，先掘進洞室上分層，然后掘進下分層，各分層間始終保持相對固定的距離。“三層五區”法分上、中、下三層，各層同時施工，平行作業，提高了掘進速度，比較適用于大斷面及特大斷面洞室開挖，尤其適應于地質條件復雜多變的洞室，例如當泄洪洞穿越F6斷層時，由于在上導洞內架設了36榀鋼拱架，該區段每循環進尺0.8m左右，更甚者循環進尺只有0.5m。架設鋼拱架時，鉆爆人員轉移至中、下導洞加大鉆爆工作力度，在上導洞由于架設鋼拱架當月進尺只有31m的情況下，當月中、下導洞累計進尺381m，有效避免了因架設鋼拱架而導致的鉆爆人員的窩工和設備的閑置，保證了計劃工期的順利實施，1#泄洪洞于2011年11月21日完成貫通，較施工進度計劃提前了10天。