白鶴灘水電站泄洪洞二次刻槽開挖施工技術(shù)研究與應用

(中國水利水電第五工程局有限公司工程部，成都，610066)

1 工程概況

白鶴灘水電站泄洪洞采用左岸單側(cè)近平行布置，共3條，自山體向江側(cè)依次為1#、2#、3#，相鄰兩條洞室軸線間距為51m(進口段)，單條泄洪洞最長2.3km，總長6.7km。每條洞均布置3道摻氣設(shè)施，均為底摻氣+側(cè)摻氣組合；其中側(cè)摻氣為突擴型，兩側(cè)突擴寬度0.35m，前兩道側(cè)摻氣較底坎摻氣后退0.8m，后一道側(cè)摻氣與底摻氣齊平，每道摻氣設(shè)置獨立的通風洞由洞外補氣。

泄洪洞龍落尾摻氣坎處開挖斷面尺寸為24.2m×24.7m(城門洞型)，斷面尺寸較大。龍落尾段斷層發(fā)育，以陡傾角為主，平均發(fā)育密度0.5條/10m。斷層F3、F28、f544規(guī)模較大，寬0.5m～2m，以角礫化構(gòu)造巖為主，局部夾斷層泥。摻氣坎部位的圍巖以次塊狀和塊狀結(jié)構(gòu)為主，部分為鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖類別以Ⅲ1類為主，少量Ⅲ2類，其巖體局部為弱風化、弱卸荷，構(gòu)造發(fā)育，巖體的透水性增大。

2 施工技術(shù)方案

2.1 施工分層分區(qū)

結(jié)合龍落尾開挖分層，在摻氣坎處分三層進行開挖，第Ⅰ層開挖高度12.8m，第Ⅱ?qū)娱_挖高度9.9m，第Ⅲ層開挖高度2m。其中第Ⅰ層分三區(qū)進行爆破。具體開挖分層見圖1。

圖1 摻氣坎開挖分層

摻氣坎Ⅰ層計劃分四個區(qū)進行開挖：

①區(qū)為順水流方向掏槽區(qū)，首先在摻氣坎通風豎井部位進行掏槽，再順洞軸線方向擴槽，槽寬2m；

②區(qū)為頂拱中部拉槽區(qū)，利用已經(jīng)開挖完成的①區(qū)作為鉆孔操作空間，在摻氣坎中部洞軸線垂直于洞軸線方向進行拉槽，槽寬2m；

③區(qū)為摻氣坎上下游擴挖區(qū)，待②區(qū)開挖完成后，利用②區(qū)作為鉆孔空間，分上下游進行摻氣坎頂拱擴挖；

④區(qū)為邊墻擴挖區(qū)，③區(qū)擴挖完成，形成鉆孔平臺后，豎向鉆孔進行邊墻擴挖。

摻氣坎Ⅱ、Ⅲ層分兩區(qū)進行開挖，其中①區(qū)為龍落尾主洞的開挖，主洞開挖完成形成爆破臨空面后，進行邊墻突變部位的開挖，該區(qū)為開挖②區(qū)。

具體分區(qū)見圖2-圖5。

圖2 摻氣坎Ⅰ區(qū)開挖分區(qū)

圖3 摻氣坎Ⅰ區(qū)開挖分區(qū)剖面

圖4 摻氣坎Ⅱ/Ⅲ區(qū)開挖分區(qū)

圖5 摻氣坎Ⅱ/Ⅲ區(qū)1-1剖面

2.2 光面爆破參數(shù)設(shè)計

摻氣坎結(jié)構(gòu)面采用光面爆破技術(shù)進行開挖，第Ⅰ層及第Ⅲ層光面爆破鉆孔主要采用YT-28風鉆，成孔孔徑φ42mm，中層采用KS100B支架鉆機鉆孔，成孔孔徑φ90mm。根據(jù)施工組織設(shè)計手冊推薦的經(jīng)驗公式，光面爆破孔間距按照(10～15)d進行計算，因此，摻氣坎第Ⅰ層、Ⅲ層光面爆破孔距設(shè)計值為42cm～63cm，結(jié)合平洞開挖經(jīng)驗初步設(shè)計按照50cm進行控制；第Ⅲ層光爆孔距設(shè)計值為90cm～135cm，考慮藥徑與鉆孔孔徑的不耦合系數(shù)較大，結(jié)合白鶴灘水電站泄洪洞上平段中層預裂爆破參數(shù)，初步設(shè)計時選擇60cm。光面爆破孔最小抵抗按照1.2～1.4倍孔距進行計算，即60cm～84cm，初步設(shè)計選擇60cm。

3 主要施工工藝流程及操作要點

3.1 施工程序

摻氣坎第Ⅰ層開挖分別在龍落尾Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ層開挖完成后進行施工，中、下層隨龍落尾主洞的開挖同步進行，摻氣坎第Ⅰ層開挖完成后即施工3排鎖口錨桿。龍落尾段摻氣坎施工工藝流程見圖6。

圖6 摻氣坎爆破施工工法工藝流程

3.2 操作要點

3.2.1 槽挖分層、分區(qū)

白鶴灘水電站泄洪洞洞室開挖斷面為18.9m×21.9m，二次刻槽后最大斷面尺寸為24.5m×24.7m。采用先進行洞身分層(頂拱、邊墻、底板三層)開挖，每層洞身開挖完成后即進行刻槽開挖。頂拱刻槽先在中部(豎井下方)開挖2m×2m的深槽，然后沿洞壁向兩側(cè)拉2m寬槽，開挖采用手風鉆鉆孔，進尺不大于1.5m，光面爆破。2m拉槽開挖完成后，作為鉆孔空間向上下游方向光面爆破。頂拱開挖完成后作為邊墻槽挖鉆孔空間，采用100B鉆深孔，三面光爆一次爆破成型。底板采用光面爆破短進尺開挖。

3.2.2 爆破鉆孔放樣

(1)上層開挖測量放樣

為確保開孔精確，開挖施工放樣均按照爆破設(shè)計，對設(shè)計孔位進行逐孔放樣，開孔點測放后，每間隔一個孔，在開孔點后方4.0m處測放一個方向控制點，在起拱、頂拱中心部位另外在開孔線后方5.0m處測放增加一個方向控制點，確保造孔控制精度。同時在隧洞內(nèi)側(cè)測放一條樁號線，利于標識位置。

(2)中層開挖測量放樣

根據(jù)中層開挖施工方案，中層開挖施工采用垂直光爆的方式進行施工。施工測量放樣前首先對邊墻進行超欠挖檢查，欠挖的地方必須進行處理。邊墻欠挖處理完成后，將光爆鉆孔施工面清理干凈，清理出寬度為2.0m～2.5m的工作面，確保無松渣、浮渣，大致平整，平面起伏控制在0.5m以內(nèi)，不滿足平整度要求的采用手風鉆進行檢平，便于測量精確放點和滿足鉆機定位架穩(wěn)定搭設(shè)。施工放樣按照鉆爆設(shè)計每兩個孔測放一個孔位點，同時在孔位點后方1.7m處測放一個方向點，在結(jié)構(gòu)變化部位，逐孔放孔位點和方向點；梯段開挖施工放樣，進行開挖梯段高度控制，確保底板保護層厚度不小于2m，光面爆破孔施工完成，進行梯段爆破施工前，在兩側(cè)邊墻上距離底板頂面0.5m處測放高程控制點，便于作業(yè)班組技術(shù)員控制本段梯段孔孔深。

(3)下層開挖測量放樣

根據(jù)底層開挖施工方案，底層開挖施工采用水平光爆的方式進行施工，開挖方式與上層開挖施工相近，為確保底板開孔精確，底板開挖施工放樣按照爆破設(shè)計，對周邊孔進行逐孔放樣，確保每循環(huán)開孔點在同一條直線上。開孔點測放后，每間隔一個孔，在開孔點后方4.0m處測放一個方向控制點，在底板中心點另外在開孔線后方5.0m處測放增加一個方向控制點，確保造孔控制精度。

上、中、下層測量孔孔位均用紅油漆標注于巖面上，測量放樣成果表經(jīng)作業(yè)班組技術(shù)員、現(xiàn)場質(zhì)檢員會簽后，提交于開挖作業(yè)班組進行施工。

3.2.3 爆破鉆孔施工

設(shè)計開挖結(jié)構(gòu)輪廓測量放樣完成后，即進行鉆孔前準備工作，進行造孔施工，在鉆孔施工中，控制鉆孔孔位偏差、孔向偏差、孔深偏差都必須符合爆破設(shè)計和規(guī)范要求，每排炮按“平、直、齊”的要求進行檢查，周邊光爆孔、預裂孔開孔與測量點位偏差不大于3cm，其他鉆孔孔位偏差小于10cm。鉆孔作業(yè)中必須保護好孔口，炮孔鉆完后，用編織袋或棉紗堵塞孔口進行保護，防止石渣掉入孔內(nèi)(尤其中層爆破孔)。對于因堵塞無法裝藥的鉆孔，應予吹孔或補鉆。每個鉆孔施工完畢后，現(xiàn)場作業(yè)班組長對鉆孔進行初部檢查，并及時糾正偏差，所有鉆孔完成后作業(yè)隊當班技術(shù)員進行復檢，對不符合要求的鉆孔立即要求補打，最后將檢查結(jié)果通知項目部終檢，由終檢重點檢查周邊孔，所有鉆孔符合要求后報請現(xiàn)場監(jiān)理工程師驗收后進行下一步工序，為確保鉆孔施工質(zhì)量，加快驗收進程，復檢和終檢應在施工過程中根據(jù)情況，不定時旁站監(jiān)督。

采用手風鉆機鉆孔，由于鉆機本身質(zhì)量較輕，鉆孔過程中極易發(fā)生滑鉆、偏移現(xiàn)象，因此，在開孔時至少有2名施工人員把控，1名控制鉆機、1名扶桿定位，開孔時先采用1m短鉆桿半風進行鉆進，待入巖深度達到20cm時再根據(jù)鉆爆臺車結(jié)構(gòu)尺寸分級更換鉆桿長度。鉆孔過程中應隨時檢查鉆孔方向、角度是否滿足爆破設(shè)計要求，鉆孔完成后采用高壓風將炮孔內(nèi)殘渣反吹干凈，清孔后掏槽孔及周邊光爆孔全數(shù)插標桿進行檢查，對于不滿足爆破設(shè)計及規(guī)范要求的孔，必須進行補打。在用風鉆進行底板光爆孔鑿孔時，必須采用腳手架搭設(shè)鉆孔樣架固定鉆機進行鉆孔，嚴禁施工人員腳踩鉆機鑿孔。

中層開挖采用豎直梯段光面爆破，采用KS100B支架鉆機造孔，根據(jù)乳化炸藥規(guī)格考慮爆破效果，孔徑采用φ90mm。為控制光面爆破孔造孔精度，采用鋼管在開孔線側(cè)搭設(shè)鉆孔樣架，樣架采用φ48mm×3.5mm的腳手架鋼管搭設(shè)成三角架型，樣架高度約為2.2m，采用預先埋設(shè)在基巖面上的固定桿固定，為便于與鉆孔樣架連接，固定桿采用長度為0.8m長的φ48mm×3.5mm腳手架鋼管，入巖深度為0.3m，用錨固劑錨固，預埋孔直徑φ50mm采用手風鉆造孔，固定桿預埋孔根據(jù)事先已經(jīng)放樣的預裂孔和方向孔定位。

鉆孔樣架定位安裝完成后，按照預定的檢查驗收項目進行三級檢查，合格后進行鉆機安裝。采用100B鉆機進行預裂孔造孔時，由于鉆機體型原因，在開孔時鉆孔中心線向設(shè)計開挖輪廓線內(nèi)偏移5cm(即開孔欠挖5cm)，鉆孔垂直向坡度控制不大于0.4%，以控制孔底施工超挖在10cm以內(nèi)，鉆機安裝完成后采用2.0m長的鉛垂線配合水平尺對鉆機偏角進行控制。

3.2.4 爆破設(shè)計

梯段爆破設(shè)計主要是根據(jù)巖性及炸藥類型，臨空面情況選定合理的爆破單耗，根據(jù)爆破單耗確定孔網(wǎng)參數(shù)，初步設(shè)計摻氣坎Ⅰ層①區(qū)爆破工程量為43.2m3，平均單耗按1.01kg/m3控制；龍落尾摻氣坎Ⅰ層②區(qū)爆破工程量為236m3，平均單耗按0.7kg/m3控制；龍落尾摻氣坎Ⅰ層③區(qū)/④區(qū)爆破工程量為302.64m3，平均單耗按0.4kg/m3控制；龍落尾摻氣坎Ⅱ?qū)颖乒こ塘繛?16.4m3，平均單耗按0.57kg/m3控制；Ⅲ層爆破單耗按0.4kg/m3控制。具體爆破參數(shù)見表1-表5。

表1 2#、3#龍落尾摻氣坎Ⅰ層①區(qū)爆破參數(shù)

表2 2#、3#龍落尾摻氣坎Ⅰ層②區(qū)爆破參數(shù)

表3 2#、3#龍落尾摻氣坎Ⅰ層③區(qū)/④區(qū)爆破參數(shù)

表4 2#、3#龍落尾摻氣坎Ⅱ?qū)颖茀?shù)

表5 2#、3#龍落尾摻氣坎Ⅲ層爆破參數(shù)

4 效益分析

白鶴灘水電站泄洪洞洞身龍落尾摻氣坎開挖通過合理的分層、分區(qū)，使三面光爆的開挖方式得以實現(xiàn)。由于采用三面光爆技術(shù)，最終半孔率達85%，平均超挖14.5cm，大大減少了摻氣坎開挖的超挖工程量，也意味著后期襯砌混凝土超填量大大降低。

通過此項刻槽開挖施工工藝的研究及應用，使得洞身龍落尾摻氣坎開挖體型控制精準、開挖面平整、超挖小，為類似工程提供了可靠的借鑒經(jīng)驗，為白鶴灘水電站工程建設(shè)為國際一流工程打下了基礎(chǔ)；同時，摻氣坎開挖施工方法大大提高了施工質(zhì)量，也是石方槽挖工藝的一次提高。

5 結(jié)語

白鶴灘水電站泄洪洞洞身摻氣坎開挖采用了該工法中的開挖工藝，泄洪洞摻氣坎開挖巖面平整，無欠挖，殘孔清晰無明顯裂隙，施工質(zhì)量滿足規(guī)范要求，得到業(yè)主一致認可。

開展大型洞室二次刻槽開挖施工技術(shù)研究，不僅對依托工程具有重要的指導作用，而且也必將促進我國洞身刻槽施工技術(shù)和理論進步，并為類似工程的設(shè)計、施工和管理提供參考，具有較廣闊的應用前景。