古学水电站蝶阀室开挖施工技术

王世军

中国水利水电第十一工程局有限公司 郑州市高新区 450007

摘 要 本文根据古学水电站蝶阀室不良地质条件开挖实践，从开挖方法选择、开挖爆破控制和安全临时支护等方面进行了阐述，为类似工程施工提供参考借鉴。

关键词:古学蝶阀室 开挖方法 斜导洞开挖 反向扩挖 爆破控制 安全支护

1、工程概况

古学水电站的蝶阀室垂直于压力管道方向布置，开挖断面为城门型，开挖尺寸为17.5×8.3×18.1m（长×宽×高），蝶阀室结构图如图1所示。

图1 蝶阀室结构图

蝶阀室埋深100m～120m，EL2226高程以下出露地层岩性为三迭系中统曲嘎寺组第一段(T2q1) 灰色灰岩、角砾状灰岩夹少量砂质钙质板岩，岩层产状320/NE∠55；岩体新鲜完整，较坚硬，稳定性好。EL2226高程以上围岩为水平状层状板岩，岩体强风化且破碎夹泥，溶蚀现象较明显；洞室顶拱轴线陡倾角发育数条裂隙，裂隙间镶嵌软弱泥层，右边墙EL2228高程出露2个直径1.2m溶洞，溶洞空腔影响范围为：蝶0+000～0+010段右边墙及局部顶拱，高程EL2226～2133，开挖后上部围岩自稳能力差。整个洞室无渗水出现，EL2226高程以下围岩以Ⅲ类为主，EL2226高程以上围岩以Ⅳ类为主。

安全支护主要为锚杆、ф4mm@100×100cm镀锌钢丝网、Φ8钢筋网和喷混凝土等几项支护措施。

临时支护为先素喷5cm厚C20混凝土，再打设ф22,L=3.0m随机锚杆挂Φ4机编镀锌钢丝网复喷C20混凝土10cm；

系统支护为EL2226.9高程以上：系统锚杆Φ28、L=6.0m，间排距2m和1.5m，挂Φ8钢筋网喷C20混凝土厚15cm，排水孔Φ56、L=5.0m，间排距3.0m；EL2226.9高程以下：系统锚杆Φ25、L=4.5m，排距2m，挂Φ4机编镀锌钢丝网喷C20混凝土厚10cm。

2、开挖支护施工方法

2.1、开挖程序及方法

由于蝶阀室EL2226高程以上地质条件较差，为Ⅳ类围岩，开挖后上部围岩难以自稳，若开挖方法不合理和临时支护不及时，很容易发生坍塌。且蝶阀室长高比较小，与蝶阀室相连的蝶阀室交通洞开挖断面相对较小，又位于蝶阀室底部，无法按常规方法自上而下分层开挖。若先开挖下半部，则上半部因底部挖空后倒悬极易发生大范围塌方，危及下部施工人员作业安全；若将蝶阀交通洞与蝶阀室连接段蝶交0+292.60+302.6进行扩挖，则连接段临时支护及后期混凝土衬砌工程量将加大，工程建设投资将增加。经研究讨论分析，最终决定先从蝶阀室交通洞与蝶阀室连接处（蝶0+000）斜向上约32度夹角开挖一个斜导洞至蝶阀室端头（蝶0+017.5）顶部EL:2233.2高程。蝶0+000～0+007.5段围岩相对较好，导洞开挖断面6m×6m，以便于利用打钻台车和小反铲在下部扒渣作业；蝶0+007.5～0+017.5段（EL：2226高程以上）围岩条件变化以后，导洞按原坡度向前开挖，断面调整为3m×3m。然后沿斜导洞从蝶阀室蝶0+017.5顶部开始反向进行顶拱及边墙扩挖，边扩挖边进行临时支护，对已开挖到位的部位及时做好永久系统支护，顺斜导洞反向扩挖支护至蝶0+000后，再进行下部边墙及底板开挖及支护。

由于不良地质段导洞开挖断面小，爆破后围岩经过应力重新分布能够很快达到再次平衡，加之临时支护及时跟进，故不会发生大塌方，施工安全能够得到有效保证。蝶阀室分区开挖示意图见图2，开挖顺序见图3。

2.2、Ⅰ区斜导洞开挖

斜导洞蝶0+000～0+007.5段（EL2226高程以下）围岩状况相对较好，基本以Ⅲ类为主，按6m×6m断面开挖，主要是想利用原有打钻台车进行钻爆作业，且爆破后现代150反铲可直接扒渣，省略人工扒渣这一繁重的施工工序，可加快施工进度。出渣采用ZL50侧翻装载机配合现代150反铲在交通洞桩号0+300处装车、20t自卸车运至渣场。爆破采用斜掏槽、周边光爆、非电毫秒延期导爆管雷管微差起爆网络，工业电雷管引爆的方法进行。周边孔间距50cm,掏槽孔的倾角为55°～70°，孔底距离为0.1～0.3m。爆破参数见表1，装药结构见图4。

图2 蝶阀室分区开挖示意图 图3 蝶阀室开挖分区顺序图

表1 爆破参数表

序号	名称	掏槽孔	崩落孔	光爆孔
1	钻孔机械	YT-28	YT-28	YT-28
2	钻孔孔径（mm）	42	42	42
3	药卷直径（mm）	φ32	φ32	φ25
4	钻孔深度（m）	3.0	2.6	2.5
5	装药长度（m）	2.6	1.8	2.0
6	堵长（m）	0.4	0.8	0.5
7	孔距（m）		0.7-0.8	0.5
8	排距（m）		0.7-0.8
9	线装药密度（g/m）			200

图4 装药结构示意图（单位：cm）

导洞0+007.5～0+017.5段（EL2226高程以上）不良地质段，围岩以Ⅳ类为主，开挖时安全问题比较突出，因此爆破开挖后采取了先进行临时安全支护再人工扒渣的安全措施，避免出现安全问题。斜导洞开挖按短进尺、弱爆破的开挖方法，循环进出控制在1.0m左右，施工时严格按设计光爆破参数进行爆破控制，这样可以减少爆破后洞壁残留的不稳定块体数量，确保临时支护施工期间安全；并避免过大扰动周边围岩，而发生塌方。爆破参数见表2。

表2 爆破参数表

炮孔类别	炮孔直径（mm）	孔深（m）	孔间距（cm）	抵抗线（cm）	装药量（kg）
周边孔	42	1.2	40～50	40～60	0.14～0.16
辅助孔	42	1.2	50～70	50～70	0.6～0.8
掏槽孔	42	1.5	80～100		1.1

导洞E2226高程以下围岩较好，开挖后能够自稳，施工安全能够有保障。导洞EL2226高程以上围岩虽然为水平状层状板岩，岩体强风化且破碎夹泥，溶蚀溶洞现象较明显，但无渗水；由于开挖断面较小，采取短进尺弱爆破的开挖方式对岩体爆破扰动较小，爆破后围岩经过应力重新分布能够很快达到再次平衡，可确保临时支护期间施工安全。

2.3、Ⅱ区边墙及顶拱反向扩挖

斜导洞开挖支护完成后即可进行边墙及顶拱反向扩挖，（如图2中2步开挖所示）扩挖时由里向外按每3.5m为一段，每段先进行顶拱中部扩挖支护，再交替进行顶拱两侧及边墙扩挖支护，目的：一是不至于破坏设计结构而发生过大超挖，二是扩挖范围小，可及时做好该部位的临时支护和永久系统支护，不至于因安全支护不及时导致破碎围岩裸露时间过长而发生塌方，三是永久支护施工完成的部位，可作为作业人员应急避险空间。

由于上部岩体较破碎，开挖后难以自稳而发生塌方，因此开挖过程中爆破控制至关重要，尽量减小爆破对围岩的扰动和破坏，充分利用围岩在爆破后经过应力重新分布后达到再次平衡的能力，及时做好临时安全支护，并对已开挖到位的及时做好永久支护，以防止塌方。

上部顶拱曲面开挖及边墙保护层开挖质量要求高，为减少工程超挖，反向扩挖采用光面爆破工艺，按照短进尺、弱爆破、多循环方式进行开挖，严格控制超欠挖，确保开挖规格和质量。每循环开挖完成后及时做好临时安全支护，支护材料由人工通过斜导洞运往工作面，爆破洞渣通过斜导洞溜往蝶阀交通洞后装车运往渣场。设计爆破参数如下：

主爆孔：钻孔孔径42 mm，孔深2.0m，孔距1.0m，排距0.8～1.0m，单孔药量0.75kg，单耗0.38kg/m³，采用φ32×150g型乳化炸药连续柱状装药，非电毫秒延期导爆管雷管微差起爆网络，工业电雷管引爆。

光爆孔：钻孔孔径42mm，孔深1.8m，孔距0.45～0.5m，光爆层厚0.5m，线装药量为120～150g/m，采用φ25乳化炸药间隔不耦合装药，导爆索连接，电雷管引爆。

施工结果证明：按此爆破参数进行钻爆施工，对周边围岩的扰动和破坏小，上部顶拱扩挖过程中未发生较大塌方，洞室成型效果也比较理想。

2.4、Ⅲ区下部边墙及底板开挖

上部边墙及顶拱扩挖支护完成后，再自上而下进行Ⅲ区下部边墙及底板开挖及支护施工。由于下部边墙及底板围岩相对较好，开挖时适当增加了孔深和装药量，以增加每循环开挖进尺，加快施工进度。开挖采用分层梯段爆破，开挖分层高度2m～2.5m；边墙进行光面爆破技术控制。现场施工时主爆孔孔深最大为3.0m，单孔药量最大为1.5kg，光爆孔孔深最大为2.8m，线装药量为220g/m，开挖后洞室成型较好。上游边墙围岩较好，无较大的裂隙和不利结构组合体，整体爆破效果较好，光爆残孔率达75%以上。下游边墙受EL2228高程溶蚀区和溶洞影响，爆破后局部边墙出现岩体滑落，开挖面平整度稍差，光爆残孔率仅40%左右。由于开挖高度较大，每开挖一层及时进行了边墙永久系统支护，临时支护不再施工。

2.5、不良地质段开挖支护措施

交通洞顶拱及蝶阀室在扩挖过程中，若遇围岩破碎、溶蚀现象较明显的不良洞段时，在原设计图纸中支护参数基础上，增设I18钢支撑＋Φ32超前锚杆＋喷混凝土厚度增加（围岩破碎时）、I18钢支撑＋超前管棚预注浆＋喷混凝土厚度增加（溶蚀现象发育有松散堆积体和空腔时）进行强支护。溶蚀现象发育有松散堆积体和空腔时拟处理措施如下：

（1）EL2225高程以上边顶拱开挖时扩大18cm，开挖完成后先对开挖掌子面及边顶拱喷C20混凝土厚10cm进行封闭。

（2）利用下部渣体作为平台，EL2225高程以上架设I18钢支撑，钢支撑间距50cm～70cm，钢支撑之间采用Φ22@100cm纵向连接筋进行连接，锁脚锚杆Φ22、L=3m，共12根，局部可采用原图纸中系统锚杆兼作锁脚锚杆。

（3）挂Φ8钢筋网喷C20砼18cm厚进行支护，Φ8钢筋网间距15cm×15cm。

（4）沿钢支撑顶拱及局部边墙部位设置Φ48、L=4.5m超前管棚，超前管棚环向间距30cm，沿洞轴向排距0.5～1.0m，外夹角10°～15°。管棚四周钻Φ6注浆孔（间距15cm，梅花型布置），管前端加工成锥形，尾部留长度50cm不钻孔以利止浆。

（5）在掌子面上再加喷C20混凝土厚8cm将掌子面封闭形成防护层，同时作为后续管棚注浆施工的止浆层。

（6）对开挖面进行预注水泥浆加固处理，注浆采用纯水泥浆液，水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，浆液水灰比为0.5：1～1：1。 注浆压力为0.3～0.4Mpa.

（7）待注浆完毕6～10h后，进行爆破开挖施工。开挖施工严格按照“短进尺、弱爆破、勤支护”的原则进行施工，每循环进尺控制在0.5m～0.8m之间。爆破作业后先将洞壁喷砼封闭，紧接着进行后续钢支撑、网喷支护和灌浆施工，施工方法同上。

（8）对于钢支撑外侧30cm以内超挖部分采用C20混凝土满喷，30cm以上超挖部分回填块石后注浆加固。

2.6、安全支护

蝶阀室上部岩石较破碎，在洞室开挖后出现了临空面，围岩发生卸荷裸露并同时向洞室内侧位移，打破了原有的三维应力平衡状态，经过应力重新分布形成了新的应力场（即二次应力），这个过程需要一定的时间。所以每个开挖循环完成后都必须及时进行临时安全支护，使开挖岩面形成封闭衬护体，利用喷混凝土速度快、早期强度高、能及时向围岩提供支护阻力这一特点，帮助围岩尽快重新达到二次稳定状态，确保施工安全。同时喷混凝土与钢筋网、锚杆能够组成联合支护体，可以将围岩压力传递给锚杆和钢筋网，使联合支护体共同起作用。安全支护主要为锚杆、ф4mm@100×100cm镀锌钢丝网、Φ8钢筋网和喷混凝土等支护措施。

临时支护参数：先素喷5cm厚C20混凝土，再打设ф22,L=3.0m随机锚杆挂Φ4机编镀锌钢丝网复喷C20混凝土10cm；

系统支护参数：EL2226.9高程以上：系统锚杆Φ28、L=6.0m，间排距2m和1.5m，挂Φ8钢筋网喷C20混凝土厚15cm，排水孔Φ56、L=5.0m，间排距3.0m。EL2226.9高程以下：系统锚杆Φ25、L=4.5m，排距2m，挂Φ4机编镀锌钢丝网喷C20混凝土厚10cm。

蝶阀室斜导洞上部及顶拱反向扩挖，由于围岩较破碎，且蝶阀室开挖断面较大，如果上部顶拱及边墙临时支护及永久支护不及时到位，对下层岩体开挖及后期压力管道斜井开挖都是一个极大的安全隐患。为此，斜导洞上部及顶拱反向扩挖，每循环都必须及时先喷5cm混凝土，再打设ф22,L=3.0m随机锚杆挂网复喷C20混凝土10cm；对于顶拱及边墙已扩挖到位的部分及时做好永久系统支护，下部边墙及底板由于开挖高度较大，每开挖一层后均及时进行了边墙永久系统支护，而临时支护不再施工。

2.7、溶蚀溶洞区域加固处理

为保证电站施工期及运行期的永久安全，经过各方共同研究决定，对右边墙EL2228高程溶洞溶蚀区域进行加固处理，以确保电站运行期间安全。加固处理措施如下：

①蝶0+000～0+010段顶拱及右边墙系统支护后，再挂设φ8@150x150mm钢筋网喷C20混凝土厚5m进行封闭。

②喷混凝土后，蝶0+000～0+010段顶拱及右边墙（EL2225高程以上）按间排距2m进行梅花型钻设径向注浆孔，进行回填兼固结灌浆，使围岩较破碎部位岩体能够胶结为一整体，同时也对空腔部位岩体进行了回填和填充，增强岩体的自身稳定能力。灌浆孔孔径φ42mm，孔深3.0m，灌浆压力控制在0.3MPa左右，水灰比1:1～0.5:1。

3、结语

古学水电站蝶阀室长高比较小，洞室EL2226高程以上多为强风化板岩，岩体破碎夹泥，溶蚀溶洞现象较明显，实施光面爆破存在着不利因素，施工难度较大。但由于采取了合适的开挖顺序和方法，爆破设计参数合理，现场控制严格，施工质量得到了保证、施工进度比较快；每循环临时安全支护施工及时跟进，施工过程中未出现较大塌方，施工安全上也得到了保障。蝶阀室开挖支护工期历时1.5个月，比预定工期缩短了0.5个月，因此蝶阀室开挖支护方法是成功的，为类似工程提供了借鉴经验。

作者介绍：

王世军(1981—) 男 中国水利水电第十一工程局有限公司七分局 工程师 项目总工