特大洞室多層同步施工技術在巴塘水電站導流洞施工中的應用

高卓輝

(中國水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

1 工程概況

巴塘水電站是金沙江上游河段十三級開發中的第九級電站,總裝機容量為750 MW。導流洞斷面為城門洞型,為有壓洞,最大開挖斷面面積268 m2,屬于特大型隧洞,隧洞全長808.98 m。導流洞斷面形式為城門洞型,襯砌成形斷面尺寸為12 m×14 m(寬×高),樁號導0+000.00～導0+025.00為進口漸變段,開挖斷面尺寸由20.20 m×19.05 m(寬×高)漸變到16.20 m×18.05 m(寬×高),均為Ⅴ類圍巖。泄洪放空洞為有壓洞,隧洞總長度651.65 m,隧洞斷面為圓形,襯砌后直徑14.2 m。

在特大洞室開挖過程中,每層石方開挖工期是控制洞室進度的關鍵環節。傳統的特大洞室開挖通常采用先開挖上層,再開挖中層,最后開挖下層(保護層)的施工方法。上層分輻采用手風鉆水平鉆孔爆破開挖,裝載機配合自卸車出渣;中層全輻潛孔鉆豎直鉆孔爆破開挖,液壓反鏟配合自卸車出渣;下層(保護層)全輻采用手風鉆水平鉆孔爆破開挖,液壓反鏟配合自卸車出渣。傳統方法每層開挖均為關鍵線路,不利于節約關鍵線路關鍵項目施工工期。項目部在電站導流洞施工中結合現場情況,采用特大洞室多層同步開挖技術[1],即在完成上層開挖200延米后啟動中層開挖,中層開挖完成200延米后啟動下層(保護層)開挖,過程中同步進行各層支護,多層同步開挖的施工方法,有效提高了施工效率,節約了工期及成本。

2 技術特點及適用范圍

2.1 技術特點

與傳統的洞室分層開挖施工方法相比,多層同步開挖施工技術具有以下特點:

(1)根據寬度計算第二層開挖高度,按8%縱坡比計算每循環開挖長度;繪制洞室平面多層同步開挖流程圖和臺階斷面圖。

(2)在洞室上層開挖200 m后,啟動洞室第二層開挖,洞室第二層開挖200 m后,啟動保護層開挖。

(3)先開挖下支洞側半輻第二層,利用上支洞另半輻作為上層交通通道,按溝槽明挖進行爆破開挖,兩次出渣;先開挖半輻具體通車條件后,開挖另半輻第二層。

(4)利用該技術可以縮短開挖工期,為后序混凝土創造提前施工條件[2]。

2.2 適用范圍

多層同步開挖施工技術主要適用于洞室寬度不小于10 m的地下特大洞室開挖工程施工,可推廣于溝槽、基礎等開挖。

3 工藝原理

該技術原理核心為洞室左右半輻交替開挖,分兩次出渣,交替調整施工道路,第Ⅰ、Ⅱ階段施工交通平面布置分別見圖1和圖2。施工前先確定施工便道寬度,再計算溝槽開挖深度[3]。溝槽開挖深度計算采用下式。

圖1 第Ⅰ階段施工交通平面布置

圖2 第Ⅱ階段施工交通平面布置

H=(B-2×B路)/0.5

(1)

式中,H為溝槽開挖深度,m;B為洞室寬度,m,設計值;B路為上層和下層施工便道寬度,m,根據邊墻錨桿外露長度、機械設備寬度和安全距離確定,臺階坡比1∶0.5。

洞室開挖寬度14.6 m,臨時支護厚度0.2 m,洞內上下層施工便道設計為5.5 m,長64 m,坡度為10%,道路臺階坡比1∶0.5。洞內上下層施工道路設計見圖3。

圖3 洞內上下層施工道路設計(單位:cm)

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程為導流洞上層繼續開挖→下層支洞至上游方向通道(保證下層支洞至泄洪洞段道路暢通)→上游右側第II層開挖、支護(單次開挖長度約30 m)→改移便道(右側距上層掌子面約60 m)→上游左側第II層開挖、支護→上層支洞臨時防護→II層下游左側通道→II層下游右側開挖、支護→改移便道(右側距上層掌子面約60 m)→下游左側第II層開挖、支護。

4.2 操作要點

4.2.1 洞內上下層施工道路設計

根據電站導流洞高度16.2 m和寬度14.6 m,分三層開挖,第一層開挖高度7.9 m,第二層開挖高度6.4 m,第三層開挖高度2 m。第二層開挖高度6.4 m,采用分輻溝槽開挖,洞內上下層施工便道設計為5.5 m,長64 m,坡度為10%,道路臺階坡比1∶0.5。

4.2.2 測量放線

導流洞第二層爆破采用潛孔鉆打豎向孔,在第一層開挖完成200 m后,由測量人員使用全站儀按施工圖紙對先開挖半輻爆破孔進行放樣,白灰標記,每次放樣60～80 m。

第二層左半輻炮孔布置的順序:先周邊預裂孔和緩沖孔,中部“V”掏槽孔(主爆孔),最后輔助爆破孔。

右半輻炮孔布置的順序:先周邊預裂孔,再緩沖孔,最后主爆破孔。

4.2.3 鉆孔

炮孔采用潛孔鉆主要豎向鉆孔,部分傾斜鉆孔,鉆孔應嚴格按照測量放樣孔施鉆,開鉆前應用坡度尺量測鉆桿角度,調整標準后再開鉆。采用QZJ-100B或100E型鉆機鉆孔,并應根據設計角度和放樣點位搭設鉆孔鋼管樣架,精確控制預裂鉆孔的方向,使預裂孔平行,不出現交叉孔或“八”字孔,預裂孔的鉆孔不得隨意改變孔距、傾角和深度。

梯段爆破的主爆孔和緩沖孔采用履帶式液壓鉆機進行鉆孔,臨近設計邊坡坡面線的梯段造孔角度應與邊坡坡比一致,其他主爆孔角度根據設計角度確定,開孔時應通過角度測量工具不斷檢查鉆孔角度,保證鉆孔角度與設計一致。

4.2.4 裝藥爆破

主爆區炮孔采用直徑90 mm乳化炸藥連續裝藥,導爆管傳爆。緩沖孔采用直徑70 mm乳化炸藥細沙(或造孔巖粉)間隔裝藥,裝藥量為主爆區炮孔的1/2～1/3藥量,巖石破碎時取小值。預裂孔采用竹片綁扎直徑32 mm乳化炸藥不耦合間斷結構裝藥,導爆索傳爆,線裝藥密度滿足爆破設計要求。

炮孔堵塞材料應用沙、粘土或鉆孔石粉,采用木棍或竹竿來分層搗實,堵塞長度應滿足爆破設計的要求。

導流洞第二層爆破采用乳化炸藥,“V”字形起爆網絡,單耗0.28～0.3 kg/m3。預裂爆破孔為5孔一段,應先于相鄰主爆破孔起爆,時間間隔不得小于75 ms。主爆破孔網絡采用“V”形起爆,采用非電毫秒延遲電雷管串聯、并聯相結合的孔外延時分段和孔內延時爆破的連接網絡,實現分段延時起爆,控制最大單響藥量。

完成裝藥和網絡連接后,警戒范圍內所有人員和機械設備撤離至安全地帶。當所有警戒員報告警戒完成后,爆破指揮員方可下達起爆指令。起爆后,由爆破員檢查爆破結果,當確認無盲炮時,方可解除爆破警戒。

4.2.5 通風排煙

開啟布置在施工支洞口的SD-Ⅱ-140型(功率110 kW×2)軸流通風機壓入新鮮空氣,洞內廢氣從施工支洞排出。主風管接至到導流洞第Ⅰ層洞室開挖作業面,當第Ⅱ、Ⅲ層爆破影響時,應先拆除,爆破后重新進行安裝。

4.2.6 出渣與便道修筑

通風排煙后,1.6 m3液壓反鏟和自卸汽車進入洞內,先采用液壓反鏟進行修路,再進占式裝渣。出渣完成,造孔人員、潛孔鉆、支護人員、材料和支護設備進洞進入下一循環施工。

5 應用效果

巴塘水電站導流洞按照原施工開挖方案,即第一層開挖支護完成后再進行第二層開挖支護。根據以往施工經驗,第一層洞室按照Ⅲ類圍巖120 m/月、Ⅳ類圍巖85 m/月、Ⅴ類圍巖45 m/月強度計算;第二層洞室按照Ⅲ類圍巖200 m/月、Ⅳ類圍巖150 m/月、Ⅴ類圍巖120 m/月強度計算;第三層洞室按照平均200 m/月考慮。

以導流洞下游側洞室開挖支護作為控制工期,第一層洞室下游側共277.13 m(Ⅲ類圍巖61.63 m、Ⅳ類圍巖96 m、Ⅴ類圍巖120 m),第一層洞室開挖支護總耗時135 d;第二層洞室下游側共438 m(Ⅲ類圍巖141.28 m、Ⅳ類圍巖96 m、Ⅴ類圍巖120 m),第二層洞室耗時約120 d;第三層洞室耗時約70 d。

導流洞自2019年7月13日進行主洞上層洞室施工,綜上理論計算,預計于2020年6月15日第三層洞室貫通。實際于2020年4月30日貫通,工期提前45 d。最高強度一個月同時完成第一層開挖支護110 m,第二層開挖190 m。

6 結語

巴塘水電站導流洞通過特大洞室多層同步施工技術,有效降低了施工成本,節約了特大洞室開挖總工期。該技術的成功應用按期實現了水電站導流洞導流目標,得到了業主、監理的一致認可,所取得的經驗可為其他類似工程參考借鑒。