淺埋深特大斷面溢洪洞開挖技術研究與應用

楊 小 華， 王 良 兵

(中國葛洲壩集團第一工程有限公司，湖北 宜昌 443000)

1 工程概況

猴子巖水電站位于四川甘孜孔玉鄉(xiāng)，其樞紐建筑物主要由攔河壩、兩岸泄洪及放空建筑物、右岸首部式地下引水發(fā)電系統等組成。攔河壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高223.50 m；泄洪建筑物由右岸溢洪洞和泄洪放空洞，左岸深孔泄洪洞和非常泄洪洞組成；引水發(fā)電系統布置于大渡河右岸，采用首部式地下廠房，電站裝機容量1 700 MW(4×425 MW)，為大(1)型工程。

溢洪洞置于右岸，洞身進口高程為1 805.51 m，洞身出口高程為1 784.42 m，縱坡坡比為2.5%。洞開挖斷面為城門洞型，寬×高尺寸為18.4 m×26.2 m，其中頂拱高為6.5 m，長825 m。圍巖為白云巖、白云質灰?guī)r、變質灰?guī)r，整個洞段地質結構復雜，圍巖類型變化頻繁，大多為Ⅳ類圍巖，位于強卸荷帶內，穩(wěn)定性差，局部為Ⅲ類圍巖，特別是進出口局部還為Ⅴ類圍巖，洞頂及臨河側向埋深淺且破碎覆蓋層較多，現場測量含覆蓋層在內最小埋深僅6 m，平均埋深約50 m，埋深巖埂厚度最小僅2 m，成洞難度大。

2 主要施工方案

2.1 進洞方案

洞斷面尺寸大，進洞口巖石破碎、裂隙發(fā)育且位于強卸荷帶內，洞臉已完全暴露且洞臉前已有施工操作平臺距離洞頂高差達到29.71 m。采用在洞臉前回填石渣至離洞頂較小高差形成操作平臺后從洞頂拱開始進行施工的方法取代常規(guī)的靠洞一側從洞口底板開始打斜導洞至洞頂，到洞頂后水平轉向到另一側，再靠另一側從內向洞口進行水平導洞開挖的施工方法。

2.2 分層開挖方案

由于洞高度超過26 m，部分洞段下部存在交叉洞室、閘門井且之間巖埂厚度較小，開挖采用自上而下分層進行。頂拱層高度為9.5 m，底板保護層高度為1.5 m，中下層除存在交叉洞室、井的洞段按厚度不大于3 m分層外，其余洞段分為兩層，中層高度8 m、下層高度7.2 m。

2.3 頂拱層開挖方案

Ⅲ類圍巖段頂拱層全斷面進行開挖；Ⅳ類、Ⅴ類圍巖段頂拱層分左右半幅進行開挖。

2.4 中下層開挖方案

中下層設計結構面采用深孔預裂一次性爆破成型，中間采用梯段爆破、分層開挖。

2.5 分塊開挖方案

溢洪洞外側為河側基坑且覆蓋層和巖埂均較薄，在鉆爆施工中有效降低對淺埋深薄巖埂的震動，減少淺埋深薄巖埂受破壞甚至滑動、垮塌的可能性是關鍵，因此，為減少爆破對淺埋深邊坡的震動確保邊坡穩(wěn)定，分塊開挖時，首先開挖的半幅靠內側山體進行，以便在進行靠外側山體部分開挖時已形成較好臨空面降低對外側山體巖埂或覆蓋層的擠壓破壞力。

3 主要施工方法

3.1 進洞施工方法

3.1.1 摒棄傳統施工方法

靠洞一側從洞口底板開挖一條斜坡導洞至頂拱層，然后水平轉向90°至另一側，再沿另一側向洞口方向開挖一條水平導洞，水平導洞貫通后利用斜坡導洞和水平導洞為通道從上而下分層開挖成型并完成支護項目。

3.1.2 現場實施施工方法

回填一條斜坡道至頂拱層底板并在洞前頂拱層底板高程形成施工平臺后，直接從洞頂拱層開始按設計斷面結構線進行開挖的方法進行施工，每開挖一循環(huán)即按設計要求進行頂拱層支護項目施工。首先在洞前方平臺上回填一條斜坡道(滿足裝載機通行即可)至頂拱層底板，然后再在洞前頂拱層底板高程形成施工平臺(平臺大于洞尺寸范圍方便爆破時鉆爆臺車停放)，鉆爆臺車在施工平臺上拼裝后直接投入使用，前期洞渣料直接用于斜坡道降緩，待斜坡道降緩至自卸汽車可通行后利用自卸汽車將渣料運輸至指定渣場堆放。

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3.2 頂拱層施工方法

3.2.1 Ⅲ類圍巖段

摒棄常規(guī)的特大斷面洞室頂拱層開挖所采用的先導洞開挖、后擴挖的施工方法，采取全斷面一次性完成造孔(中間直孔掏槽，周邊光面爆破)、一次性完成裝藥爆破、非電網絡進行施工，選用的爆破材料有φ32 mm乳化炸藥、毫秒非電雷管、毫秒延期導爆管雷管和導爆索。

鉆機選用YTP-28汽腿鉆和CM351型履帶鉆機，人工手持汽腿鉆機站立在自制鉆爆臺車上進行周邊孔和崩落孔造孔，而CM351型履帶鉆機主要進行中間2個不裝藥的掏槽孔造孔(CM351型履帶鉆機鉆孔直徑大，在中間造的不裝藥的孔相當于爆破臨空面)。周邊孔孔位全部由測量隊采用全站儀根據爆破設計要求進行放樣并用油漆標出，專人進行鉆孔驗收，鉆孔驗收合格后方進行裝藥，其中周邊孔采用不耦合裝藥，選用φ32 mm乳化炸藥，竹片綁扎，導爆索串聯，單循環(huán)單耗為0.89 kg/m3，周邊孔抵抗線不大于70 cm，單響起爆最大裝藥量不大于36 kg，有效進尺2.7 m。爆破參數如下：

孔名孔徑/mm孔深/cm孔距/cm孔數(個)藥徑/mm單孔藥量/kg總藥量/kg掏槽孔423207322.2015.40崩落孔4230085～100162321.80291.6周邊孔423005061320.6036.60合計343.60

3.2.2 Ⅳ類圍巖段

摒棄特大斷面洞室頂拱層常規(guī)的導洞施工方法：分兩個半幅相隔一定安全距離一前一后同時進行開挖支護的施工方法或中導洞先行施工、兩側擴挖相隔一定安全距離后同時進行開挖支護的施工方法，采用全斷面臺車一次性造孔，然后分成兩個半幅進行爆破，將先爆破半幅渣料進行簡單整平并排險確保后爆破半幅臨空面后再進行后半幅裝藥爆破，最后將兩個半幅渣料一起挖裝運輸，渣料挖裝運輸完成后再進行全斷面支護。在先爆破半幅爆破前將靠近先爆破半幅的后爆破半幅兩排崩落孔和周邊孔用與孔徑大小相當的PVC管插入孔內以防止塌孔堵塞現象。

先施工半幅采用直孔掏槽，周邊孔采用光面爆破，后施工半幅以先施工半幅為臨空面采取分段爆破，周邊仍采用光面爆破。鉆機選用YTP-28汽腿鉆和CM351型履帶鉆，人工手持汽腿鉆機站立在自制鉆爆臺車上進行周邊孔和崩落孔造孔，而CM351型履帶鉆機主要進行先施工半幅中間2個不裝藥的掏槽孔造孔(CM351型履帶鉆機鉆孔直徑大，在中間造的不裝藥的孔相當于爆破臨空面)。周邊孔孔位全部由測量隊采用全站儀根據爆破設計要求進行放樣并用油漆標出，專人進行鉆孔驗收，鉆孔驗收合格后方進行裝藥，其中周邊孔采用不耦合裝藥，選用φ32 mm乳化炸藥，竹片綁扎，導爆索串聯，單耗為先施工半幅0.74 kg/m3、后施工半幅0.60 kg/m3，周邊孔抵抗線不大于60 cm，單響起爆最大裝藥量不大于20 kg，有效進尺為1.5 m。爆破參數如下：

3.3 中下層側墻施工方法

中下層結構面采取一次性完成造孔深孔預裂爆破施工、非電網絡進行施工，中間采用松動梯段微差爆破，預裂孔前設置一排緩沖孔。選用的爆破材料有φ32 mm和φ70 mm乳化炸藥、毫秒非電雷管、毫秒延期導爆管雷管和導爆索。

先施工半幅孔名孔徑/mm孔深/cm孔距/cm孔數/個藥徑/mm單孔藥量/kg總藥量/kg掏槽孔421707320.758.25崩落孔4215065～80124320.5365.72周邊孔421503544320.125.28合計79.25后施工半幅崩落孔4215065～80112320.5359.36周邊孔421503543320.125.16合計64.52

3.4 開挖分層分塊控制

3.4.1 頂拱層的分層分塊

根據中下層側墻深孔預裂爆破鉆孔機具100B型潛孔鉆機的特點，100B型潛孔鉆機支架架設高度約2.5 m，為了便于后期側墻深孔預裂爆破孔鉆孔，頂拱層開挖高度為9.5 m，Ⅲ類圍巖段寬度按全斷面進行，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖段寬度分兩個半幅進行，為減少爆破對淺埋深邊坡的震動確保邊坡穩(wěn)定，首先開挖的半幅靠內側山體進行，以便在進行靠外側山體部分開挖時已形成較好臨空面。

3.4.2 中下層的分層分塊

(1)中下層分兩個半幅進行開挖，為減少爆破對淺埋深邊坡的震動確保邊坡穩(wěn)定，首先開挖的半幅靠內側山體進行，以便在進行靠外側山體部分開挖時已形成較好臨空面。

(2)溢洪洞下部有洞、井部位的巖埂厚度一般在15 m，采用薄層、短進尺、弱爆破方式進行施工，分層厚度不大于3 m，底板預留1.5 m保護層單獨開挖，長度進尺不大于5m，單次最大起爆裝藥量控制在15 kg以內。

(3)溢洪洞下部無其它洞、井部位分3層進行開挖，除頂拱層外從上而下分層厚度為8 m、7.2 m和1.5 m(保護層)。

4 施工技術或施工方法的創(chuàng)新

(1)Ⅲ類圍巖段頂拱層開挖采用全斷面一次性鉆爆開挖的施工方法；

(2)Ⅳ類圍巖段頂拱層采用全斷面一次性鉆孔、分兩個半幅爆破的施工方法取代常規(guī)中導洞法和前后半洞法進行施工；

(3)效仿明挖邊坡和地面、地下廠房常用的深孔預裂爆破法，將洞室側墻采用垂直深孔預裂爆破取代中間先松動爆破側墻預留保護層進行水平光面爆破或垂直光面爆破；

(4)斷面大，洞底和洞頂高差大，進洞口采用填筑形成施工平臺從頂拱層開挖進洞取代常規(guī)從洞底斜導洞法到洞頂再反擴的方法進洞。

5 結 語

隨著各級政府、機構對各種工程建設環(huán)境保護的日漸重視，從長期運行安全、減少乃至杜絕植被破壞、減少水土流失考慮，水利水電工程中的各種取水、泄洪建筑物采用洞挖的形式越來越多，淺埋深特大斷面的洞室設計型式市場前景廣闊。本次淺埋深特大斷面溢洪洞開挖技術的成功研究與應用不但為水利水電行業(yè)在各種復雜地質條件下的取水建筑物和泄洪建筑物等的實施提供了成功的案例和研究改進思路，而且給設計方面在特定位置布置何種溢洪設施提供了參考，可在今后類似工程中具有借鑒和參考意義。