特大洞室多层同步施工技术在巴塘水电站导流洞施工中的应用

高卓辉

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都 610066)

1 工程概况

巴塘水电站是金沙江上游河段十三级开发中的第九级电站,总装机容量为750 MW。导流洞断面为城门洞型,为有压洞,最大开挖断面面积268 m2,属于特大型隧洞,隧洞全长808.98 m。导流洞断面形式为城门洞型,衬砌成形断面尺寸为12 m×14 m(宽×高),桩号导0+000.00～导0+025.00为进口渐变段,开挖断面尺寸由20.20 m×19.05 m(宽×高)渐变到16.20 m×18.05 m(宽×高),均为Ⅴ类围岩。泄洪放空洞为有压洞,隧洞总长度651.65 m,隧洞断面为圆形,衬砌后直径14.2 m。

在特大洞室开挖过程中,每层石方开挖工期是控制洞室进度的关键环节。传统的特大洞室开挖通常采用先开挖上层,再开挖中层,最后开挖下层(保护层)的施工方法。上层分辐采用手风钻水平钻孔爆破开挖,装载机配合自卸车出渣;中层全辐潜孔钻竖直钻孔爆破开挖,液压反铲配合自卸车出渣;下层(保护层)全辐采用手风钻水平钻孔爆破开挖,液压反铲配合自卸车出渣。传统方法每层开挖均为关键线路,不利于节约关键线路关键项目施工工期。项目部在电站导流洞施工中结合现场情况,采用特大洞室多层同步开挖技术[1],即在完成上层开挖200延米后启动中层开挖,中层开挖完成200延米后启动下层(保护层)开挖,过程中同步进行各层支护,多层同步开挖的施工方法,有效提高了施工效率,节约了工期及成本。

2 技术特点及适用范围

2.1 技术特点

与传统的洞室分层开挖施工方法相比,多层同步开挖施工技术具有以下特点:

(1)根据宽度计算第二层开挖高度,按8%纵坡比计算每循环开挖长度;绘制洞室平面多层同步开挖流程图和台阶断面图。

(2)在洞室上层开挖200 m后,启动洞室第二层开挖,洞室第二层开挖200 m后,启动保护层开挖。

(3)先开挖下支洞侧半辐第二层,利用上支洞另半辐作为上层交通通道,按沟槽明挖进行爆破开挖,两次出渣;先开挖半辐具体通车条件后,开挖另半辐第二层。

(4)利用该技术可以缩短开挖工期,为后序混凝土创造提前施工条件[2]。

2.2 适用范围

多层同步开挖施工技术主要适用于洞室宽度不小于10 m的地下特大洞室开挖工程施工,可推广于沟槽、基础等开挖。

3 工艺原理

该技术原理核心为洞室左右半辐交替开挖,分两次出渣,交替调整施工道路,第Ⅰ、Ⅱ阶段施工交通平面布置分别见图1和图2。施工前先确定施工便道宽度,再计算沟槽开挖深度[3]。沟槽开挖深度计算采用下式。

图1 第Ⅰ阶段施工交通平面布置

图2 第Ⅱ阶段施工交通平面布置

H=(B-2×B路)/0.5

(1)

式中,H为沟槽开挖深度,m;B为洞室宽度,m,设计值;B路为上层和下层施工便道宽度,m,根据边墙锚杆外露长度、机械设备宽度和安全距离确定,台阶坡比1∶0.5。

洞室开挖宽度14.6 m,临时支护厚度0.2 m,洞内上下层施工便道设计为5.5 m,长64 m,坡度为10%,道路台阶坡比1∶0.5。洞内上下层施工道路设计见图3。

图3 洞内上下层施工道路设计(单位:cm)

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

施工工艺流程为导流洞上层继续开挖→下层支洞至上游方向通道(保证下层支洞至泄洪洞段道路畅通)→上游右侧第II层开挖、支护(单次开挖长度约30 m)→改移便道(右侧距上层掌子面约60 m)→上游左侧第II层开挖、支护→上层支洞临时防护→II层下游左侧通道→II层下游右侧开挖、支护→改移便道(右侧距上层掌子面约60 m)→下游左侧第II层开挖、支护。

4.2 操作要点

4.2.1 洞内上下层施工道路设计

根据电站导流洞高度16.2 m和宽度14.6 m,分三层开挖,第一层开挖高度7.9 m,第二层开挖高度6.4 m,第三层开挖高度2 m。第二层开挖高度6.4 m,采用分辐沟槽开挖,洞内上下层施工便道设计为5.5 m,长64 m,坡度为10%,道路台阶坡比1∶0.5。

4.2.2 测量放线

导流洞第二层爆破采用潜孔钻打竖向孔,在第一层开挖完成200 m后,由测量人员使用全站仪按施工图纸对先开挖半辐爆破孔进行放样,白灰标记,每次放样60～80 m。

第二层左半辐炮孔布置的顺序:先周边预裂孔和缓冲孔,中部“V”掏槽孔(主爆孔),最后辅助爆破孔。

右半辐炮孔布置的顺序:先周边预裂孔,再缓冲孔,最后主爆破孔。

4.2.3 钻孔

炮孔采用潜孔钻主要竖向钻孔,部分倾斜钻孔,钻孔应严格按照测量放样孔施钻,开钻前应用坡度尺量测钻杆角度,调整标准后再开钻。采用QZJ-100B或100E型钻机钻孔,并应根据设计角度和放样点位搭设钻孔钢管样架,精确控制预裂钻孔的方向,使预裂孔平行,不出现交叉孔或“八”字孔,预裂孔的钻孔不得随意改变孔距、倾角和深度。

梯段爆破的主爆孔和缓冲孔采用履带式液压钻机进行钻孔,临近设计边坡坡面线的梯段造孔角度应与边坡坡比一致,其他主爆孔角度根据设计角度确定,开孔时应通过角度测量工具不断检查钻孔角度,保证钻孔角度与设计一致。

4.2.4 装药爆破

主爆区炮孔采用直径90 mm乳化炸药连续装药,导爆管传爆。缓冲孔采用直径70 mm乳化炸药细沙(或造孔岩粉)间隔装药,装药量为主爆区炮孔的1/2～1/3药量,岩石破碎时取小值。预裂孔采用竹片绑扎直径32 mm乳化炸药不耦合间断结构装药,导爆索传爆,线装药密度满足爆破设计要求。

炮孔堵塞材料应用沙、粘土或钻孔石粉,采用木棍或竹竿来分层捣实,堵塞长度应满足爆破设计的要求。

导流洞第二层爆破采用乳化炸药,“V”字形起爆网络,单耗0.28～0.3 kg/m3。预裂爆破孔为5孔一段,应先于相邻主爆破孔起爆,时间间隔不得小于75 ms。主爆破孔网络采用“V”形起爆,采用非电毫秒延迟电雷管串联、并联相结合的孔外延时分段和孔内延时爆破的连接网络,实现分段延时起爆,控制最大单响药量。

完成装药和网络连接后,警戒范围内所有人员和机械设备撤离至安全地带。当所有警戒员报告警戒完成后,爆破指挥员方可下达起爆指令。起爆后,由爆破员检查爆破结果,当确认无盲炮时,方可解除爆破警戒。

4.2.5 通风排烟

开启布置在施工支洞口的SD-Ⅱ-140型(功率110 kW×2)轴流通风机压入新鲜空气,洞内废气从施工支洞排出。主风管接至到导流洞第Ⅰ层洞室开挖作业面,当第Ⅱ、Ⅲ层爆破影响时,应先拆除,爆破后重新进行安装。

4.2.6 出渣与便道修筑

通风排烟后,1.6 m3液压反铲和自卸汽车进入洞内,先采用液压反铲进行修路,再进占式装渣。出渣完成,造孔人员、潜孔钻、支护人员、材料和支护设备进洞进入下一循环施工。

5 应用效果

巴塘水电站导流洞按照原施工开挖方案,即第一层开挖支护完成后再进行第二层开挖支护。根据以往施工经验,第一层洞室按照Ⅲ类围岩120 m/月、Ⅳ类围岩85 m/月、Ⅴ类围岩45 m/月强度计算;第二层洞室按照Ⅲ类围岩200 m/月、Ⅳ类围岩150 m/月、Ⅴ类围岩120 m/月强度计算;第三层洞室按照平均200 m/月考虑。

以导流洞下游侧洞室开挖支护作为控制工期,第一层洞室下游侧共277.13 m(Ⅲ类围岩61.63 m、Ⅳ类围岩96 m、Ⅴ类围岩120 m),第一层洞室开挖支护总耗时135 d;第二层洞室下游侧共438 m(Ⅲ类围岩141.28 m、Ⅳ类围岩96 m、Ⅴ类围岩120 m),第二层洞室耗时约120 d;第三层洞室耗时约70 d。

导流洞自2019年7月13日进行主洞上层洞室施工,综上理论计算,预计于2020年6月15日第三层洞室贯通。实际于2020年4月30日贯通,工期提前45 d。最高强度一个月同时完成第一层开挖支护110 m,第二层开挖190 m。

6 结语

巴塘水电站导流洞通过特大洞室多层同步施工技术,有效降低了施工成本,节约了特大洞室开挖总工期。该技术的成功应用按期实现了水电站导流洞导流目标,得到了业主、监理的一致认可,所取得的经验可为其他类似工程参考借鉴。