大型水电站导流洞开挖施工技术研究

梁勇

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004

【摘要】：大型水电站导流洞开挖施工地理环境复杂、断面大、工作面多，施工干扰大，施工组织难度大。本文通过参建项目的施工实践，对大型水电站导流开挖施工技术进行了研究，尤其是爆破计算、试验等进行深入分析……，确定采用分层开挖施工技术方案。经实践，该施工技术方案保证了特大断面洞室开挖进度、质量的要求，为同类型隧洞开挖起到良好的指导作用。

【关键词】：建设工程简介；工程施工开挖办法；工程开挖爆破施工技术方案；施工过程质量控制重点。

1 引言

参建大型水电站枢纽工程由拦河大坝、泄洪建筑物、引水发电建筑物及导流建筑物组成。拦河大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高278.Om，坝顶高程610.Om，顶拱中心线弧长698.07m。泄洪采取“分散泄洪、分区消能”的布置原则，在坝身布设7个表孔、8个深孔与两岸5条泄洪洞参与渲泄洪水。坝后设有水垫塘消能，遭遇1000年一遇以上洪水时启用竖井泄洪洞参与渲泄洪水；发电厂房为地下式，分设在左、右两岸山体内，各布置9台单机容量为70万千瓦的水轮发电机组。大型水电站两岸各布置了3条导流洞，自左向右，左岸为1～3号导流洞，右岸为4～6号导流洞。导流洞平面上呈单弯道布置，洞身断面为城门洞形，洞身衬砌后顶拱半径11.25m,拱肩夹角为106º15´36.7″,断面尺寸为18m×20m。4～6号导流洞洞身总长4390.947m，导流洞开挖断面(宽x高)为20m×22m，开挖断面面积为409㎡。4～6号导流洞数据见表1。

表 1  电站右岸导流洞数据表

编号	断面形式	进口高程 （m）	出口高程（m）	洞身长度 （m）	洞身坡（‰）	尺寸 （m×m）	闸孔 （m×m）
4#	城门型	368.0	364.5	1258.852	2.780	18×20	2-9×20
5#	城门型	368.0	362.0	1434.955	8.252	18×20	2-9×20
6#	城门型	380.0	362.0	1697.110	22.050	18×20	不设闸室

2 工程施工开挖办法

右岸导流洞开挖断面顶拱跨度大、高度高，开挖拟采用分层开挖的施工方法，导流洞全断面从上至下分三层开挖，依次为：上层开挖高度9m，中层开挖高度11m，下层开挖高度2m。上层开挖时先开挖出12×9m中导洞一定距离后，然后进行两侧扩挖。中层的开挖施工采用明挖台阶爆破，即两侧边墙预裂爆破与中部深孔梯段爆破相结合的方式。下层开挖采用水平光面爆破施工方法。开挖步骤见图1（单位为m）。右岸导流洞开挖于2004年7月开始施工，除预留进出口岩梗外，截止2005年年底基本结束，满足了施工进度的要求。                                图1 导流洞开挖横剖图

3 工程开挖爆破施工技术方案

3.1 上层开挖

导流洞工程上层开挖利用移动式作业台车人工采用YT-28手风钻造孔，中导洞开挖采用掏槽爆破、崩落孔爆破与周边孔光面爆破相结合的方式,两侧墙扩挖采用崩落孔爆破与周边孔光面爆破相结合的方式。

3.1.1爆破参数设计

爆破参数经初步拟定、现场爆破试验结果确定。

（1）掏槽孔布置设计

采用复楔形掏槽和角柱式掏槽相结合，孔径为42mm，孔深3m～3.5m。楔形掏槽炮孔与工作面相交角度为60º，角柱式掏槽垂直于工作面且装药孔旁留有一个空孔作自由面。掏槽孔布置方式见图2。

图2 中导洞掏槽孔位布置图

（2）崩落孔布置设计

掏槽爆破形成槽腔后，类似露天台阶爆破，因此爆破参数与台阶爆破类似。崩落孔孔径d为42mm，造孔深度2.8m。

最小抵抗线:,本工程取为1.5m。

间距：,本工程取为1.2m。

（3）周边孔布置设计

洞室周边采用光面爆破法施工。孔径d为42mm，孔深2.5m。

最小抵抗线：，取60cm。

炮孔间距：,周边孔距设计为：顶拱及边墙为50cm，底边因不涉及到开挖轮廓面取为80～100cm。

不偶合系数：=炮孔直径／装药直径。实践证明，在地下光爆工程中，不偶合系数选用1.5～2.5，光爆效果最好。本工程光爆采用药卷直径为25mm，炮孔直径为42mm，不偶合系数为1.68。

线装药密度：，计算结果为350g/m，为装药直径，为装药系数，为炸药密度。

周边孔爆破参数见表2。中导洞与边墙扩挖周边孔与崩落孔布置方式见图3。

表2  上层开挖光面爆破参数表

孔深 （m）	孔径 （mm）	药径 （mm）	不耦合系数	孔距 （cm）	最小抵抗线 （cm）	线装药密度 （g/m）
2.5	42	25	1.68	顶拱侧墙50， 底边80～100	60	350

图3  上层孔位布置

3.1.2 装药量与装药结构                                                

根据导流洞围岩特性，装药参数经过初步拟定、现场爆破试验结果确定各炮孔的装药系数为：掏槽孔80％，崩落孔70％、周边孔75％。装药结构为：掏槽孔、崩落孔耦合连续装药，周边孔等间距不耦合装药。

上层开挖炮孔参数见表3。

表3  上层开挖炮孔参数表

孔名	孔数（个）	孔深（m）	装药系数	单孔装药量（kg）	装药结构
掏槽孔	16	3～3.5	0.8	1.8（12节），2.1（14节）	耦合装药
崩落孔	52	2.8	0.7	1.5（10节）	耦合装药
周边孔	61	2.5	0.75	0.65（6.5节）	不耦合装药
空孔	1	3	0
合计	146	351.6		148.85

3.1.3 爆破网络设计

爆破网络设计是爆破的关键。因此在爆破网络设计和施工中，起爆时差以能获得最佳爆破效果和最少的有害作用为原则，必须保证能按设计的起爆顺序和时差起爆。

（1）设计原则

①起爆网络的单响药量应满足震动的安全要求。根据《爆破安全规范))GB6772-86第8.2.1条确定导流洞上层按最大单响药量43.2kg进行设计。

②爆破采用塑料导爆管连接非电毫秒雷管微差起爆，爆破网络为并串联孔外微差网络。根据爆破试验结果，各类炮孔间的起爆间隔时间以50～100ms最佳。复式掏槽的起爆间隔时间取为50ms，两圈崩落孔的起爆间隔时间按25ms毫秒爆破间隔时间确定。

（2）爆破器材选择

炸药选用Φ32mm×150g、Φ25mm×100g乳化炸药。采用塑料导爆管连接非电毫秒微差雷管起爆。

右岸导流洞上层开挖爆破，孔外排间采用1段、2段、3段非电毫秒导爆管串并连成微差网络。

（3）起爆方案

按照掏槽孔→崩落孔→周边孔的顺序，依次进行起爆。起爆点采用火雷管起爆，掏槽孔孔间采用导爆索串连，段间采用3段非电毫秒导爆管串连。崩落孔孔间采用导爆索串连，内圈、外圈崩落孔排间采用2段非电毫秒导爆管间隔，崩落孔与掏槽孔间采用3段非电毫秒导爆管连接。周边孔孔间采用导爆索串连，与外圈崩落孔采用3段连接。爆破网络设计图见图4装药结构见图5。 

3.2 中层开挖

中层开挖首先是在各施工下岔洞与导流洞相交段进行，即下岔洞的顶部，爆破后与导流洞贯通，每条支洞形成六个中层开挖施工面。中层开挖以全幅为主，根据施工进度，以半副为辅，因开挖梯断较大，所以开挖采用沿边墙开挖轮廓线预裂爆破、缓冲爆破、梯断爆破相结合的方式。

图4 上层开挖爆破网络设计                      图5  上层装药结构图

3.2.1爆破参数设计

（1）中层深孔梯断爆破

中层全幅开挖延洞轴中心线方向每12米为一爆破梯断，爆破参数按照露天台阶深孔爆破来确定，主爆孔采用CM351履带式钻机造孔，直径为80mm，钻孔角度为80º，朝向临空面，主爆孔爆破主要技术参数：

底盘抵抗线：，取3m。

孔深：孔深按台阶高度11m加上超深控制，孔深11.5m。

主爆孔间排距：，3.5m。 

排距:，取2.5m。

堵塞长度：且，取2.4m。

靠近预裂面布置一排缓冲孔，缓冲孔距预裂孔的间距为1.0m，即预裂孔的最小抵抗线。缓冲孔间距1.8m，,堵塞长度为4m。

爆破孔设计参数统计见表4.

表4    爆破孔爆破设计参数

孔深   （m）	孔径（ mm）	钻孔角度（°）	孔间距 （m）	孔排距 （m）	抵抗线 （m）	药卷直径（mm）	单孔药量（kg）	堵塞长度（m）
11.5	80	80	3	2.5	3	60	26	2.4

(2）边墙预裂爆破

两侧边墙预裂孔采用YQ-100B型潜孔钻造孔，钻孔直径为80mm，钻孔角度为90º,孔距采用计算，根据爆破后的实际情况进行调整，溪洛渡右岸导流洞预裂孔距从最初的50cm调整到80cm，按照80cm的预裂孔间距起爆，外观质量较好，半孔率90%以上。预裂孔设计参数见表5。

表5    预裂孔爆破设计参数

孔深   （m）	孔径（ mm）	孔距（m）	药卷直径（mm）	装药间距（cm）	单孔药量（kg）	线装药密度（kg/m）	堵塞长度(m)	不耦合系数
11.5	80	0.8	32/60	25	7.2	0.44	1．5	2.5

3.2.2 装药量与装药结构

主爆孔、缓冲孔采用Φ60mm乳化炸药连续不耦合装药，主爆孔单孔装药量为26kg，缓冲孔装药量为主爆孔的70%～80％，为21kg。预裂孔采用Φ32mm乳化炸药等间距不耦合装药，线装药密度为0.44kg/m。

3.2.3 爆破网络设计

（1）设计原则

①根据《爆破安全规范))GB6772-86第8.2.1条确定导流洞中层按照最大单响药量150kg进行设计。

②因多排药包布置，以前排先爆、后排相继依次起爆为原则，排间延时采用毫秒延时，延时时间100～200ms。

（2）爆破器材选择

炸药选用Φ60mm×1kg×35cm、Φ32mm×150g×20cm乳化炸药，爆破采用塑料导爆管连接非电毫秒雷管微差起爆。

爆破采用塑料导爆管连接非电毫秒雷管微差起爆，采用并串联孔外延时的爆破网络爆破，排间采用7段非电毫秒导爆管串并成微差网络。

（3）起爆方案

按照预裂孔→缓冲孔→第一排爆破孔→第二排爆破孔→……→第五排爆破孔的顺序，依次进行起爆。起爆点采用火雷管起爆，爆破孔孔间采用导爆索串连，排间采用7段非电毫秒导爆管串连。缓冲孔孔间采用导爆索串连，段间用2段非电毫秒导爆管串联。预裂孔孔间采用导爆索串联，段间用2段非电毫秒导爆管串联。爆破网络设计图及装药结构见图6。

图6 中层开挖孔位及网络爆破设计图

3.3 下层开挖

导流洞下层开挖高度2m，采用水平光面爆破开挖。下层开挖滞后中层开挖50m。为了解决中下层开挖施工交通干扰的问题，下层开挖以半幅开挖为主。

爆破采用塑料导爆管连接非电毫秒雷管微差起爆，炸药选用Φ32mm×0.15kg、Φ25mm×0.1kg乳化炸药。

爆破参数可参照上层开挖，光爆孔、主爆孔间距为0.5m、1.2m，孔深为2.5m、2.8m，光爆孔采用Φ25mm乳化炸药等间距不耦合装药，主爆孔采用Φ32mm乳化炸药连续装药。光爆孔线装药密度350g/m。下层光面爆破参数见表6。下层开挖炮孔布置和爆破网络连接见图7,装药结构与上层类似。

表6 下层水平光面爆破参数表

类型	孔径（ mm）	孔深（m）	抵抗线（cm）	间距（cm）	排距（cm）	单孔药量（kg）	线装药密度（g/m）	单耗 (kg/m3)	堵塞长度(m)
光爆孔	42	2.5	60	50		0.65	350		62.5
主爆孔	42	2.8	70	120	0.7	1.5		0.465	80

图7  下层开挖孔位及爆破网络设计图

4 施工过程质量控制重点]

4.1 光面爆破施工

为保证光面爆破的效果，除根据地质条件、正确的光爆参数外，精确钻孔非常重要。对炮孔的要求是：“平、直、齐、准”。钻孔过程质量控制应注意以下事项：

（1）所有光面爆破孔相互平行，其深度不大于其它炮孔孔深。

（2）每个炮孔须垂直工作面。根据炮孔深度允许炮孔的倾斜度为3º～5º。

（3）如工作面不整齐，按照实际情况调整炮孔深度，保证所有光爆孔孔底在同一个断面上。

（4）开孔位置必须准确，偏差值应小于3～5cm。

4.2 预裂爆破施工

预裂面是最终的开挖轮廓面，所以，预裂缝的位置必须准确，现场施工按照设计孔位精确的测量。

（1）钻孔

    钻孔允许偏斜度不大于1º。如果基础面不平整，采用人工撬凿出孔口位置，检查无误后开孔。钻进50～100cm时，必须对钻孔的垂直度进行一次检查，如有偏差，立即纠正，每钻进一定深度后，进行检查，直到终孔。

（2）装药、堵塞

为了使炸药爆炸时能取得良好的不耦合效果，药卷串应置于炮孔的中心，本工程采用药卷串绑在竹片上，再放入孔中。因预裂孔为垂直孔，竹片放置位置应背离欲裂面。炸药装好后，孔口的不装药段用松散材料堵塞，在堵塞过程中，随时注意使药卷串保持在孔的中心位置。堵塞须密实，防止爆炸气体冲出，影响预裂效果。

（3）起爆

    预裂孔最好一次同时起爆，但预裂规模较大时，为了减轻预裂爆破过程中振动的影响，沿轮廓线进行分区，分段起爆。

5 结束语

该大型水电站导流洞洞群，洞室规模庞大，工期紧迫，施工强度大。为满足导流洞高强度的工期要求，保证按期大江截流的顺利实现，经过反复研究、讨论，在导流洞开挖实施自上而下分层开挖的施工方法，特别是中层开挖采用明挖的施工方案，为进度工期顺利实现奠定了坚实的基础。

参考文献

[1] 袁光裕.水利工程施工.北京：中国水利水电出版社，2002

[2] 水利水电工程施工组织设计手册第二卷.北京：中国水利水电出版社，1996

[2]戴俊.爆破工程.北京：机械工业出版社，2005：169-171.

作者简介：

梁勇、男、1990.11、汉、 工程师、大学本科、

研究方向：水利水电工程施工技术