緩傾角薄層圍巖下大斷面洞室開挖與支護施工

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴陽，550081)

1 工程概況

馬馬崖一級水電站位于北盤江中下游，地處貴州省關嶺縣花江大橋上游20.2km的峽谷中。為北盤江干流(茅口以下)梯級開發的第二個電站，其上游是已建成的光照水電站，為本流域龍頭電站；下游有規劃的馬馬崖二級水電站和剛建成的董箐水電站。電站裝機容量558MW，安裝3臺180kW水輪發電機組與1臺18kW生態小機組。

進廠房交通洞位于大壩下游左岸，是進入引水發電系統地下廠房的唯一通道；交通洞起點為下游交通橋左岸橋頭，終點與廠變交通洞相接，全長753.34m，穿越中厚層夾薄層灰巖、晶洞灰巖及泥晶灰巖，洞內夾層、裂隙及巖溶發育，滲水嚴重；巖層單斜，產狀N60°～70°W，NE∠10°～14°，為緩傾角薄層。交通洞為馬蹄形結構，開挖斷面11.98m×8.83m(寬×高)，洞室斷面較大；一期支護形式為：設置φ22、L=3.0m的錨桿@1.5m×1.5m，拱頂設置單層鋼筋網φ6.5@20cm×20cm，Ⅲ類圍巖噴C20混凝土厚10cm、Ⅳ類圍巖噴C20混凝土厚15cm。

2 開挖掏槽方式的確定

地下洞室爆破開挖采取中間掏槽、周邊崩落、四周光面爆破的技術方案，中間掏槽是洞室爆破成敗的關鍵，關系到開挖進尺與洞身成型效果，目前國內主要采取“直眼”與“楔形”兩種掏槽方式；根據馬馬崖一級水電站進廠交通洞穿越的地質情況，對上述兩種掏槽方式進行比選確定。

2.1 掏槽方式定義

楔形掏槽：即工作面上由兩排對稱的傾斜炮眼組成，爆破后形成如楔狀的掏槽。

直眼掏槽：即掏槽眼均垂直于掘進工作面，彼此間距較小，并有不裝藥空眼的掏槽方式。

2.2 掏槽方式比選

2.2.1 直眼掏槽

(1)優點：即使在小斷面洞室中亦可實現深孔作業，所有炮眼都相互平行，鉆眼方便，爆破時巖石拋擲力小，利于保護掌子面以外的臨時支架。

(2)缺點：由于要在開挖掌子面中心造孔，需在鉆爆臺車中間增設作業平臺，增加臺車自重，臺車移動不便；鉆孔數目多，中間不裝藥炮孔為大直徑孔，增大鉆孔難度、增加鉆孔時間，單位巖體炸藥消耗量較大，鉆眼與軸線的平行度、與斷面的垂直度、孔位的精度等要求高，由于孔距較小，易造成殉爆，從而擾亂起爆順序，造成掏槽失敗。

2.2.2 楔形掏槽

(1)優點：爆破力比較集中，爆破效果較好，掏出的槽子體積較大，可以適應各種不同程度的巖層；造孔數目小，單位巖體炸藥消耗量??；只需在掌子面中心兩側造孔，臺車自重輕，且便于移動。

(2)缺點：需要足夠的掌子面，確保掏槽鉆孔；如小斷面洞室開挖時會出現造孔難度大，只能淺孔作業，進尺短。

2.2.3 地質條件對掏槽方式的要求

進廠交通洞圍巖為緩傾角薄層，局部為極薄層，根據巖層情況，為了確保頂拱開挖成型，同時減少對薄層爆破破壞，中間掏槽需從以下兩個方面進行考慮：

(1)增加洞室爆破掏槽面積，在掌子面中部形成一個較大凹槽，為崩落區創造較好的臨空面，以減少爆破震動對洞身圍巖的破壞；

(2)控制起爆藥量，減少爆破震動對頂拱薄層的破壞。

2.3 掏槽方式的確定

根據進廠交通洞地質條件，結合上述兩種掏槽方式比選情況，選用楔形掏槽更有利于確保洞室開挖成型，且可以采取全斷面開挖方案；進廠交通洞開挖斷面面積為87.0m2，洞身最大開挖寬度11.98m，適合楔形掏槽施工條件，因此，確定進廠交通洞開挖采用楔形掏槽爆破方案。

3 楔形掏槽原理

楔形掏槽的原理是充分利用隧道斷面大、圍巖硬度大等特點，在洞室開挖掌子面上加大第一級掏槽眼的水平距離，縮小掏槽角，沿洞身軸線兩側大范圍內布置掏槽眼，逐級爆破形成槽腔，從而達到掏槽效果，炮孔布置原則如下：

(1)掏槽孔布置在斷面中部偏下位置，周邊孔按設計輪廓線布置，孔位布置均勻，確保光面爆破效果；

(2)崩落孔交錯均勻布置在掏槽孔和周邊孔之間，從內到外由略傾向掏槽孔逐漸過渡為垂直開挖面；孔位、孔向、孔深均勻布置，使爆下的石渣粒徑大小滿足裝渣要求；

(3)開挖斷面底部合理布置底孔，適當增加裝藥量，消除底板欠挖；

(4)周邊孔沿洞身開挖輪廓線均勻布置，孔向與洞軸線平行布置，確保爆破的洞室輪廓滿足設計要求，保證開挖面的平整。

4 開挖方案

4.1 爆破參數設計

4.1.1 造孔設計

開挖采用手風鉆造孔，孔徑42mm；掏槽孔孔深3.8m與4.0m，左右側掏槽孔間距3.5m，掏槽孔布置兩排，間排距0.5m×0.5m；崩落孔孔深3.5m～3.6m，間排距0.9m×0.9m；底孔布置2排，間排距0.9m×0.9m，孔深3.5m；孔位布置見圖1，孔向布置見圖2。

圖2 孔向布置

4.1.2 裝藥量設計

進廠交通洞穿越晶洞灰巖、泥晶灰巖，為Ⅲ2與Ⅳ類圍巖，夾層、裂隙發育，巖層為緩傾角薄層，局部地段巖層較為破碎；根據工程地質特征，查閱相關資料，結合類似工程施工經驗，開挖前對爆破參數進行了初步擬定，施工過程中，根據爆破效果及進尺情況，對孔位布置、起爆順序、裝藥量等進行及時調整與總結，以取得合理的爆破參數，總結出進廠交通洞開挖合理的爆破參數見表1。

表1 進廠交通洞爆破參數統計

說明：開挖斷面積S=87.0m2，每輪進尺2.6m～3.0m，按2.8m計，單耗0.89kg/m3。

4.2 臺車制作與造孔

根據洞身斷面與孔位布置情況，將作業臺車分為3層，層高2.2m，臺車寬8m，兩側可收縮節長1.5m；臺車采用20a工字鋼焊接成骨架，φ12的鋼筋焊接成網片鋪設在骨架上形成作業平臺。工人站在臺車上，采用手風鉆造孔，洞身造孔分層與孔位布置見圖1。

4.3 測量放樣

根據設計單位提供的測量控制網，將測量控制點引至洞內，并在洞內單獨建立控制網，洞挖進尺過程中，將控制點向洞內傳遞，定期對洞內控制網進行復核。鉆孔前測量人員進行放點，按照爆破設計方案放出每個光面孔孔位及洞軸線走向，并用油漆做好標記。

4.4 裝藥

所有鉆孔均采用φ32的硝銨炸藥，為0.15kg/節，掏槽孔、崩落孔、底孔采取連續裝藥，光面孔采取間隔裝藥；光面孔孔底藥量為線裝藥密度的1.5倍，約2節，中間及孔頂將1節炸藥分為2～3節進行間隔裝藥，間距20cm～30cm；光面孔采取將藥卷和導爆索同時捆綁在一起放入孔內，其他孔將整節藥卷與非電管裝入孔內。

4.5 網絡連接

起爆采用非電毫秒微差爆破，掏槽孔及崩落孔起爆采用塑料導爆管(非電管)起爆，光面孔采用導爆索起爆，其孔外采用塑料導爆管與導爆索連接。裝藥前，先將塑料導爆管分段擺放到地面，然后根據起爆順序選段裝入孔內，起爆選用MS1～MS17段次塑料導爆管，起爆順序為：掏槽孔、緩崩落孔、底孔、光面孔；根據洞室孔位分層布置情況，同一排崩落孔，下層提前上層一個段次優先起爆，以便為上層提供臨空面；考慮到光面孔較多，為了減少單向藥量，下、上半洞各為一個段次起爆。

網絡連接好后，將掏槽孔、崩落孔及光面孔的塑料導爆管統一連接至電雷管，采用發爆器引爆。網絡連接布置見圖1。

4.6 出渣

爆破結束后采用1.0m3挖掘機先清理開挖面危石，然后采用3.0m3側卸式裝載機裝車，20t自卸汽車出渣；出渣完成后再次采用挖掘機清理開挖面與掌子面危石。

5 特殊地段采取的支護方案

進廠交通洞穿越巖層為緩傾角薄層，且地質條件較差，開挖過程中，多處遇夾層、裂隙及斷層破碎帶，洞內局部滲水嚴重；施工過程中根據開挖揭露情況，遵循“新奧法”原理，及時采取相應方案進行加強支護，不同地質條件采取的加強支護方案如下：

(1)遇斷層、破碎帶地段，采用鋼格柵結合噴混凝土進行支護，鋼格柵采用φ22與φ16的鋼筋焊接形成，間距0.7m～1.0m，然后按照設計圖紙掛設φ6.5@20cm×20cm的鋼筋網，噴混凝土進行支護；

(2)遇夾層、裂隙發育地段，采取增設φ25、L=4.5m或6.0m的錨桿，間距1.0m×1.0m，錨桿垂直開挖巖面；同時根據頂拱薄層巖層揭露情況，設置φ25@100cm×100cm的鋼筋骨架與錨桿焊接，然后再按照設計圖紙掛設φ6.5@20cm×20cm的鋼筋網，鋼筋網與鋼筋骨架焊接，噴C20混凝土厚10cm或15cm進行支護；

(3)掌子面遇夾層、斷層，在進行下一循環鉆爆前，增設φ25、L=4.5m或6.0m的超前錨桿，設置2～4排，間排距0.5m，錨桿傾斜向上為45°角布置；

(4)遇嚴重滲水、涌水地段，噴混凝土前在開挖面造φ50、L=3.0m的排水孔，間距與孔數根據現場實際情況確定；造孔完成后在孔內安裝塑料管，將滲水引至支護面以外，確保噴混凝土施工；同時避免噴混凝土封閉后造成洞身水壓力增大，影響噴混凝土質量及洞身結構穩定。

6 施工技術總結

6.1 開挖施工技術總結

進廠交通洞為緩傾角薄層、巖體破碎，若開挖方案與爆破參數選擇不好，頂拱難于成型；開挖過程中，根據巖層性質，結合類似工程施工經驗，采取了如下技術方案，確保洞室開挖成型：

(1)開挖選用楔形掏槽方案，可以在掌子面中部形成一個較大凹槽，為崩落區創造較好的臨空面，從而減少周邊孔裝藥量，有效保證洞室開挖成型；

(2)增加起爆段次，避免因單響藥量過大對圍巖造成震動破壞而影響光面爆破質量；

(3)周邊光面孔選取合理的裝藥量及裝藥方式，確?？拙嗉把b藥量均勻；

(4)遇滲水嚴重部位，在當地物資公司不能提供乳化炸藥的情況下，底孔裝藥采取將硝銨炸藥裝入塑料袋內裝入孔中，避免炸藥受水浸泡失效；

(5)開挖過程中掌子面出現涌水或大量滲水時，在涌水、滲水部位設置排水孔，集中將水從掌子面引出，確保造孔與裝藥施工。

6.2 支護施工技術總結

進場交通洞頂拱為緩傾角薄層，開挖過程中頂拱極易出現掉塊或沿層面垮塌，且多處遇夾層、裂隙，根據實際施工經驗，采取設置鋼筋骨架與錨桿焊接，然后在骨架上掛設鋼筋網的支護方案，可以有效防止頂拱薄層沿夾層、裂隙繼續掉落；采取鋼筋骨架加鋼筋網進行防護的方案，施工工藝簡單，能及時對洞身進行有效支護，確保施工安全。

7 施工方案優化

7.1 取消先導洞后擴挖方案優化

進場交通洞穿越巖層地質條件較差，為緩傾角薄層，在原施工方案中，曾考慮采取先開挖一個3.0m×3.0m的導洞，然后再沿導洞進行全斷面擴挖，導洞超前全斷面擴挖20m，采取先導洞后擴挖方案，施工難度大、成本高，嚴重影響施工進度；施工過程中，根據實際地質情況，選取適用于大斷面洞室開挖的楔形掏槽方案，選用合理的爆破參數與起爆方案，使得洞室全斷面一次開挖成型，加快了施工進度、節約了施工成本。

7.2 選取楔形掏槽方案優化

進場交通洞開挖選用楔形掏槽方案，洞身全斷面開挖總鉆孔數約140個，單耗在0.80kg/m3～1.0kg/m3之間；若選用直眼掏槽，總鉆孔數量將在155個以上，單耗在1.0kg/m3～1.2kg/m3之間；楔形掏槽方案節約了造孔數量與炸藥單耗量，同時也節約了造孔時間；楔形掏槽在進廠交通洞全斷面開挖中的應用，確保了施工進度，也節約了施工成本。

8 結語

馬馬崖一級水電站進廠交通洞地質條件較差，在緩傾角薄層地質條件下進行如此大斷面的洞室開挖，頂拱成型難度大，對結構穩定較為不利；根據地質情況，采取楔形掏槽施工技術，并經過多次爆破實踐與總結，得出了一個合理的爆破參數。洞身成型后的頂拱為緩傾角薄層，開挖后容易出現掉塊與沿層面垮塌，根據巖層揭露情況，采用鋼筋骨架加鋼筋網進行噴混凝土支護方案，取得了較好的效果。進廠交通洞開挖采用楔形掏槽方案，確保了洞身全斷面一次開挖成型，采用鋼筋骨架支護方案，確保頂拱緩傾角薄層結構穩定與施工安全。馬馬崖一級水電站進廠交通洞開挖與支護施工技術方案的總結，為后期引水發電系統土建工程地下洞室群開挖與支護施工提供了寶貴經驗。