缓倾角薄层围岩下大断面洞室开挖与支护施工

(中国水利水电第九工程局有限公司，贵阳，550081)

1 工程概况

马马崖一级水电站位于北盘江中下游，地处贵州省关岭县花江大桥上游20.2km的峡谷中。为北盘江干流(茅口以下)梯级开发的第二个电站，其上游是已建成的光照水电站，为本流域龙头电站；下游有规划的马马崖二级水电站和刚建成的董箐水电站。电站装机容量558MW，安装3台180kW水轮发电机组与1台18kW生态小机组。

进厂房交通洞位于大坝下游左岸，是进入引水发电系统地下厂房的唯一通道；交通洞起点为下游交通桥左岸桥头，终点与厂变交通洞相接，全长753.34m，穿越中厚层夹薄层灰岩、晶洞灰岩及泥晶灰岩，洞内夹层、裂隙及岩溶发育，渗水严重；岩层单斜，产状N60°～70°W，NE∠10°～14°，为缓倾角薄层。交通洞为马蹄形结构，开挖断面11.98m×8.83m(宽×高)，洞室断面较大；一期支护形式为：设置φ22、L=3.0m的锚杆@1.5m×1.5m，拱顶设置单层钢筋网φ6.5@20cm×20cm，Ⅲ类围岩喷C20混凝土厚10cm、Ⅳ类围岩喷C20混凝土厚15cm。

2 开挖掏槽方式的确定

地下洞室爆破开挖采取中间掏槽、周边崩落、四周光面爆破的技术方案，中间掏槽是洞室爆破成败的关键，关系到开挖进尺与洞身成型效果，目前国内主要采取“直眼”与“楔形”两种掏槽方式；根据马马崖一级水电站进厂交通洞穿越的地质情况，对上述两种掏槽方式进行比选确定。

2.1 掏槽方式定义

楔形掏槽：即工作面上由两排对称的倾斜炮眼组成，爆破后形成如楔状的掏槽。

直眼掏槽：即掏槽眼均垂直于掘进工作面，彼此间距较小，并有不装药空眼的掏槽方式。

2.2 掏槽方式比选

2.2.1 直眼掏槽

(1)优点：即使在小断面洞室中亦可实现深孔作业，所有炮眼都相互平行，钻眼方便，爆破时岩石抛掷力小，利于保护掌子面以外的临时支架。

(2)缺点：由于要在开挖掌子面中心造孔，需在钻爆台车中间增设作业平台，增加台车自重，台车移动不便；钻孔数目多，中间不装药炮孔为大直径孔，增大钻孔难度、增加钻孔时间，单位岩体炸药消耗量较大，钻眼与轴线的平行度、与断面的垂直度、孔位的精度等要求高，由于孔距较小，易造成殉爆，从而扰乱起爆顺序，造成掏槽失败。

2.2.2 楔形掏槽

(1)优点：爆破力比较集中，爆破效果较好，掏出的槽子体积较大，可以适应各种不同程度的岩层；造孔数目小，单位岩体炸药消耗量小；只需在掌子面中心两侧造孔，台车自重轻，且便于移动。

(2)缺点：需要足够的掌子面，确保掏槽钻孔；如小断面洞室开挖时会出现造孔难度大，只能浅孔作业，进尺短。

2.2.3 地质条件对掏槽方式的要求

进厂交通洞围岩为缓倾角薄层，局部为极薄层，根据岩层情况，为了确保顶拱开挖成型，同时减少对薄层爆破破坏，中间掏槽需从以下两个方面进行考虑：

(1)增加洞室爆破掏槽面积，在掌子面中部形成一个较大凹槽，为崩落区创造较好的临空面，以减少爆破震动对洞身围岩的破坏；

(2)控制起爆药量，减少爆破震动对顶拱薄层的破坏。

2.3 掏槽方式的确定

根据进厂交通洞地质条件，结合上述两种掏槽方式比选情况，选用楔形掏槽更有利于确保洞室开挖成型，且可以采取全断面开挖方案；进厂交通洞开挖断面面积为87.0m2，洞身最大开挖宽度11.98m，适合楔形掏槽施工条件，因此，确定进厂交通洞开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断面大、围岩硬度大等特点，在洞室开挖掌子面上加大第一级掏槽眼的水平距离，缩小掏槽角，沿洞身轴线两侧大范围内布置掏槽眼，逐级爆破形成槽腔，从而达到掏槽效果，炮孔布置原则如下：

(1)掏槽孔布置在断面中部偏下位置，周边孔按设计轮廓线布置，孔位布置均匀，确保光面爆破效果；

(2)崩落孔交错均匀布置在掏槽孔和周边孔之间，从内到外由略倾向掏槽孔逐渐过渡为垂直开挖面；孔位、孔向、孔深均匀布置，使爆下的石渣粒径大小满足装渣要求；

(3)开挖断面底部合理布置底孔，适当增加装药量，消除底板欠挖；

(4)周边孔沿洞身开挖轮廓线均匀布置，孔向与洞轴线平行布置，确保爆破的洞室轮廓满足设计要求，保证开挖面的平整。

4 开挖方案

4.1 爆破参数设计

4.1.1 造孔设计

开挖采用手风钻造孔，孔径42mm；掏槽孔孔深3.8m与4.0m，左右侧掏槽孔间距3.5m，掏槽孔布置两排，间排距0.5m×0.5m；崩落孔孔深3.5m～3.6m，间排距0.9m×0.9m；底孔布置2排，间排距0.9m×0.9m，孔深3.5m；孔位布置见图1，孔向布置见图2。

图2 孔向布置

4.1.2 装药量设计

进厂交通洞穿越晶洞灰岩、泥晶灰岩，为Ⅲ2与Ⅳ类围岩，夹层、裂隙发育，岩层为缓倾角薄层，局部地段岩层较为破碎；根据工程地质特征，查阅相关资料，结合类似工程施工经验，开挖前对爆破参数进行了初步拟定，施工过程中，根据爆破效果及进尺情况，对孔位布置、起爆顺序、装药量等进行及时调整与总结，以取得合理的爆破参数，总结出进厂交通洞开挖合理的爆破参数见表1。

表1 进厂交通洞爆破参数统计

说明：开挖断面积S=87.0m2，每轮进尺2.6m～3.0m，按2.8m计，单耗0.89kg/m3。

4.2 台车制作与造孔

根据洞身断面与孔位布置情况，将作业台车分为3层，层高2.2m，台车宽8m，两侧可收缩节长1.5m；台车采用20a工字钢焊接成骨架，φ12的钢筋焊接成网片铺设在骨架上形成作业平台。工人站在台车上，采用手风钻造孔，洞身造孔分层与孔位布置见图1。

4.3 测量放样

根据设计单位提供的测量控制网，将测量控制点引至洞内，并在洞内单独建立控制网，洞挖进尺过程中，将控制点向洞内传递，定期对洞内控制网进行复核。钻孔前测量人员进行放点，按照爆破设计方案放出每个光面孔孔位及洞轴线走向，并用油漆做好标记。

4.4 装药

所有钻孔均采用φ32的硝铵炸药，为0.15kg/节，掏槽孔、崩落孔、底孔采取连续装药，光面孔采取间隔装药；光面孔孔底药量为线装药密度的1.5倍，约2节，中间及孔顶将1节炸药分为2～3节进行间隔装药，间距20cm～30cm；光面孔采取将药卷和导爆索同时捆绑在一起放入孔内，其他孔将整节药卷与非电管装入孔内。

4.5 网络连接

起爆采用非电毫秒微差爆破，掏槽孔及崩落孔起爆采用塑料导爆管(非电管)起爆，光面孔采用导爆索起爆，其孔外采用塑料导爆管与导爆索连接。装药前，先将塑料导爆管分段摆放到地面，然后根据起爆顺序选段装入孔内，起爆选用MS1～MS17段次塑料导爆管，起爆顺序为：掏槽孔、缓崩落孔、底孔、光面孔；根据洞室孔位分层布置情况，同一排崩落孔，下层提前上层一个段次优先起爆，以便为上层提供临空面；考虑到光面孔较多，为了减少单向药量，下、上半洞各为一个段次起爆。

网络连接好后，将掏槽孔、崩落孔及光面孔的塑料导爆管统一连接至电雷管，采用发爆器引爆。网络连接布置见图1。

4.6 出渣

爆破结束后采用1.0m3挖掘机先清理开挖面危石，然后采用3.0m3侧卸式装载机装车，20t自卸汽车出渣；出渣完成后再次采用挖掘机清理开挖面与掌子面危石。

5 特殊地段采取的支护方案

进厂交通洞穿越岩层为缓倾角薄层，且地质条件较差，开挖过程中，多处遇夹层、裂隙及断层破碎带，洞内局部渗水严重；施工过程中根据开挖揭露情况，遵循“新奥法”原理，及时采取相应方案进行加强支护，不同地质条件采取的加强支护方案如下：

(1)遇断层、破碎带地段，采用钢格栅结合喷混凝土进行支护，钢格栅采用φ22与φ16的钢筋焊接形成，间距0.7m～1.0m，然后按照设计图纸挂设φ6.5@20cm×20cm的钢筋网，喷混凝土进行支护；

(2)遇夹层、裂隙发育地段，采取增设φ25、L=4.5m或6.0m的锚杆，间距1.0m×1.0m，锚杆垂直开挖岩面；同时根据顶拱薄层岩层揭露情况，设置φ25@100cm×100cm的钢筋骨架与锚杆焊接，然后再按照设计图纸挂设φ6.5@20cm×20cm的钢筋网，钢筋网与钢筋骨架焊接，喷C20混凝土厚10cm或15cm进行支护；

(3)掌子面遇夹层、断层，在进行下一循环钻爆前，增设φ25、L=4.5m或6.0m的超前锚杆，设置2～4排，间排距0.5m，锚杆倾斜向上为45°角布置；

(4)遇严重渗水、涌水地段，喷混凝土前在开挖面造φ50、L=3.0m的排水孔，间距与孔数根据现场实际情况确定；造孔完成后在孔内安装塑料管，将渗水引至支护面以外，确保喷混凝土施工；同时避免喷混凝土封闭后造成洞身水压力增大，影响喷混凝土质量及洞身结构稳定。

6 施工技术总结

6.1 开挖施工技术总结

进厂交通洞为缓倾角薄层、岩体破碎，若开挖方案与爆破参数选择不好，顶拱难于成型；开挖过程中，根据岩层性质，结合类似工程施工经验，采取了如下技术方案，确保洞室开挖成型：

(1)开挖选用楔形掏槽方案，可以在掌子面中部形成一个较大凹槽，为崩落区创造较好的临空面，从而减少周边孔装药量，有效保证洞室开挖成型；

(2)增加起爆段次，避免因单响药量过大对围岩造成震动破坏而影响光面爆破质量；

(3)周边光面孔选取合理的装药量及装药方式，确保孔距及装药量均匀；

(4)遇渗水严重部位，在当地物资公司不能提供乳化炸药的情况下，底孔装药采取将硝铵炸药装入塑料袋内装入孔中，避免炸药受水浸泡失效；

(5)开挖过程中掌子面出现涌水或大量渗水时，在涌水、渗水部位设置排水孔，集中将水从掌子面引出，确保造孔与装药施工。

6.2 支护施工技术总结

进场交通洞顶拱为缓倾角薄层，开挖过程中顶拱极易出现掉块或沿层面垮塌，且多处遇夹层、裂隙，根据实际施工经验，采取设置钢筋骨架与锚杆焊接，然后在骨架上挂设钢筋网的支护方案，可以有效防止顶拱薄层沿夹层、裂隙继续掉落；采取钢筋骨架加钢筋网进行防护的方案，施工工艺简单，能及时对洞身进行有效支护，确保施工安全。

7 施工方案优化

7.1 取消先导洞后扩挖方案优化

进场交通洞穿越岩层地质条件较差，为缓倾角薄层，在原施工方案中，曾考虑采取先开挖一个3.0m×3.0m的导洞，然后再沿导洞进行全断面扩挖，导洞超前全断面扩挖20m，采取先导洞后扩挖方案，施工难度大、成本高，严重影响施工进度；施工过程中，根据实际地质情况，选取适用于大断面洞室开挖的楔形掏槽方案，选用合理的爆破参数与起爆方案，使得洞室全断面一次开挖成型，加快了施工进度、节约了施工成本。

7.2 选取楔形掏槽方案优化

进场交通洞开挖选用楔形掏槽方案，洞身全断面开挖总钻孔数约140个，单耗在0.80kg/m3～1.0kg/m3之间；若选用直眼掏槽，总钻孔数量将在155个以上，单耗在1.0kg/m3～1.2kg/m3之间；楔形掏槽方案节约了造孔数量与炸药单耗量，同时也节约了造孔时间；楔形掏槽在进厂交通洞全断面开挖中的应用，确保了施工进度，也节约了施工成本。

8 结语

马马崖一级水电站进厂交通洞地质条件较差，在缓倾角薄层地质条件下进行如此大断面的洞室开挖，顶拱成型难度大，对结构稳定较为不利；根据地质情况，采取楔形掏槽施工技术，并经过多次爆破实践与总结，得出了一个合理的爆破参数。洞身成型后的顶拱为缓倾角薄层，开挖后容易出现掉块与沿层面垮塌，根据岩层揭露情况，采用钢筋骨架加钢筋网进行喷混凝土支护方案，取得了较好的效果。进厂交通洞开挖采用楔形掏槽方案，确保了洞身全断面一次开挖成型，采用钢筋骨架支护方案，确保顶拱缓倾角薄层结构稳定与施工安全。马马崖一级水电站进厂交通洞开挖与支护施工技术方案的总结，为后期引水发电系统土建工程地下洞室群开挖与支护施工提供了宝贵经验。