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岑巨鵬

（廣西桂能工程咨詢集團(tuán)有限公司）

【摘要】 本文主要介紹了天花板水電站左岸交通洞工程開挖支護(hù)的工程特點(diǎn)、鉆爆設(shè)計(jì)和施工情況。

【關(guān)鍵詞】天花板水電站、交通洞、新奧法、光面爆破、控制爆破

天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)的牛欄江上，是牛欄江中下游梯級規(guī)劃的第七級電站。距離巧家和魯?shù)榭h城公路里程分別為123km和57km。本工程等別為Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。

天花板水電站為開發(fā)目標(biāo)單一的發(fā)電工程，水電站樞紐主要由碾壓混凝土拱壩、引水系統(tǒng)、地面廠房等部分組成。水庫正常蓄水位1071.0m，總庫容0.787億m³。拱壩壩頂高程1076.8m，最大壩高113.0m。壩頂軸線展開長度159.87m。引水系統(tǒng)沿牛欄江右岸布置，由岸塔式進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道等組成。天花板水電站發(fā)電廠房位于右岸銀槽子彎道中部凸岸，主廠房尺寸為68.5m×22.2m×45.6m (長×寬×高)，安裝2臺(tái)90MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

為滿足外部交通及大壩施工需要，在大壩左右岸壩肩高程分別布置了交通洞，交通洞設(shè)計(jì)為城門洞型，其中左岸交通洞全長341m，右岸交通洞全長1664.8m，隧洞凈寬7.5m、凈高6.5m。左岸交通洞于2007年8月份施工完成，右岸交通洞正在施工。

左岸交通洞所穿過的地層為Tid^2—4深灰色薄層、極薄層灰?guī)r夾中厚層灰?guī)r，層間夾有軟弱夾層，巖層為薄層狀結(jié)構(gòu)，方解石膠結(jié)微裂隙發(fā)育，巖層傾角為30°~40°，K0+100~K0+220為Tid³灰黑色中厚層、厚層細(xì)晶灰?guī)r，巖體呈厚層狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育為中等，巖層傾角34°。隧洞軸線與巖層走向夾角為70°。隧洞位于地下水位線之上，埋身70m，圍巖類別主要為Ⅲ、Ⅳ類圍巖，其中：Ⅲ類圍巖為薄層至中厚層及厚層夾薄層狀致密灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀N65°E/NW34°，巖體基本完整，局部穩(wěn)定性差；Ⅳ類圍為葉片狀含泥質(zhì)條帶泥晶灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀N65°E/NW34°，洞軸線與巖層走向夾角60°，呈薄層狀結(jié)構(gòu)，巖體完整性差，圍巖不穩(wěn)定。

“新奧法（NATM）”不單純是一種施工方法，也不能認(rèn)為錨噴支護(hù)就是新奧法，新奧法實(shí)質(zhì)是一種現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計(jì)與施工的一體化方法，其基本出發(fā)點(diǎn)是把巖體視為連續(xù)介質(zhì),充分利用地下洞室開挖后產(chǎn)生變形的時(shí)間效應(yīng)及圍巖的自持承載能力, “適時(shí)”地予以錨噴支護(hù),控制圍巖變形, 達(dá)到洞室穩(wěn)定的目的。          

    新奧法的要點(diǎn)可歸納如下：

（1）根據(jù)巖體具有的彈、塑性物理性質(zhì)，研究洞室圍巖的應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)，并將其變形發(fā)展控制在允許的變形壓力范圍內(nèi)，及時(shí)施作支護(hù)，以保持圍巖穩(wěn)定。

（2）充分利用圍巖自身承載能力，把圍巖當(dāng)作支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本組成部分，施作的支護(hù)將同圍巖共同工作，形成承載環(huán)或承載拱。

（3）施作的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)與圍巖緊密結(jié)合，即要具有一定的剛度，以限制圍巖變形自由發(fā)展，防止圍巖松散破壞；又要具有一定的柔性，以適應(yīng)圍巖適當(dāng)?shù)淖冃?，使作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的變形壓力不致于過大。

（4）設(shè)置固定的觀測系統(tǒng)，進(jìn)行必要的反饋分析，以確定施作初期支護(hù)的有利時(shí)機(jī)和是否需要補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等措施。

現(xiàn)階段“新奧法”設(shè)計(jì)與施工運(yùn)用最多的還是“工程類比法”，即在地下洞室工程施工初期，根據(jù)擬建工程提供的水文地質(zhì)斟測資料對圍巖物理力學(xué)特性進(jìn)行分類，參照已建成類似地下工程的經(jīng)驗(yàn)，制定新奧法施工組織措施，針對性地選擇盡量減少對圍巖破壞的開挖程序、方法及實(shí)施圍巖支護(hù)施工方案；并在施工過程中加強(qiáng)測量監(jiān)查觀測，根據(jù)反饋的信息及時(shí)調(diào)整開挖程序、方法和支護(hù)參數(shù)。

天花板水電站左岸交通洞根據(jù)不同部位和地質(zhì)條件的差異而采用了不同的開挖、支護(hù)程序。

（1）對于Ⅲ類圍巖開挖采取全斷面掘進(jìn)方式，該全斷面開挖與常規(guī)全斷面開挖有區(qū)別：即下導(dǎo)洞先行1~2個(gè)循環(huán)（導(dǎo)洞寬4.2m，高4.4m），光面爆破滯后1~2個(gè)循環(huán)進(jìn)行。

（2）對于Ⅳ類圍巖分兩層進(jìn)行開挖：上導(dǎo)洞先行1~2個(gè)循環(huán)，上部兩側(cè)擴(kuò)挖滯后1~2個(gè)循環(huán)進(jìn)行，上層貫通后再進(jìn)行下部擴(kuò)挖。

（3）進(jìn)出口段和洞身Ⅳ類圍巖采用淺孔爆破，遵循“短進(jìn)尺、小藥量、弱爆破”的原則，單循環(huán)進(jìn)尺控制在1.5~2.5m；洞身Ⅲ類圍巖采用深孔爆破，每一循環(huán)有效進(jìn)尺不低于3.5m。

實(shí)施該種開挖方式的優(yōu)點(diǎn)在于：滯后進(jìn)行的光面爆破具有良好的自由面，使爆破產(chǎn)生的震動(dòng)大大降低，既保證了周邊光爆效果，又最大限度減少了對圍巖的擾動(dòng)；同時(shí)導(dǎo)洞先行可預(yù)先探明地質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案。

噴錨支護(hù)與開挖平行交叉作業(yè)，岔口段、進(jìn)出口段和洞身Ⅳ類圍巖爆破后支護(hù)應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)，洞身Ⅲ類圍巖支護(hù)可滯后30~50m進(jìn)行，對于出口段Ⅳ類圍巖還應(yīng)采取超前錨桿支護(hù)措施。

交通洞開挖、支護(hù)方案見表1：

交通洞開挖支護(hù)施工方案                     表1                                                             

洞室的開挖，是實(shí)施新奧法的重要步驟之一。合理地利用光面爆破、控制爆破技術(shù)，使開挖面輪廓平整、準(zhǔn)確，減少爆破對圍巖的擾動(dòng)破壞，維護(hù)圍巖強(qiáng)度、穩(wěn)定性和自承能力。

光面爆破是在密孔爆破法、龜裂爆破法及緩沖爆破法等的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本原理是：縮小一般鉆孔爆破法在炮孔周圍出現(xiàn)的爆破破碎區(qū)，把爆破產(chǎn)生的裂隙降低到最低；使徑向裂隙沿所希望的方向發(fā)展，形成平整的開挖面，保護(hù)巖石母體。光面爆破的技術(shù)要點(diǎn)如下：

（1）    應(yīng)根據(jù)圍巖的特點(diǎn)合理選擇周邊眼間距及周邊眼最小抵抗線。

（2）    嚴(yán)格控制周邊孔的裝藥量，并使藥量沿炮眼均勻分布。

（3）    周邊眼宜采用小直徑和低爆速炸藥。

（4）    采用毫秒微差順序起爆，應(yīng)使周邊孔具有最好的臨空面。

    （1）主要參數(shù)確定

光面爆破參數(shù)一般按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

a、最小抵抗線(W)：W=(7～20)D_孔      

式中，W為最小抵抗線，m；D_孔為鉆孔直徑，m。

    b、光面爆破孔間距：a= (0.3～0.6)W 

式中，a為爆破孔間距，m。

c、裝藥量一般用線裝藥密度Q表示，即：Q=q·a·W         

式中，q為松動(dòng)爆破單位炸藥消耗量，0.3～0.4kg/m³。

（2）Ⅲ類圍巖光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

光面爆破孔距離：   50cm

光面爆破層厚度：   60 cm

鉆孔深度：    4.0 m

光面爆破孔裝藥長度：   3.0m

光面爆破孔裝藥量：    480g

光面爆破孔線裝藥密度：   160g/m

（3）Ⅳ類圍巖光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

光面爆破孔距離：    40cm

光面爆破層厚度：    60 cm

鉆孔深度：    2.5 m

光面爆破孔裝藥長度：   2.0m                                                

光面爆破孔裝藥量：    240g

光面爆破孔線裝藥密度：   120g/m

在進(jìn)行交通洞光面爆破設(shè)計(jì)時(shí)，密集系數(shù)m（亦稱相對距，m=E/W，即周邊孔的間距與最小抵抗線之比）一般控制在：中硬巖0.8~1.0，軟巖0.5~0.8。按照光面爆破層厚度同開挖斷面、巖石的性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造等的關(guān)系，在堅(jiān)硬巖石的地區(qū)，光面爆破層厚度應(yīng)布置薄點(diǎn)；在巖石松軟破碎的地區(qū)，光面爆破層厚度應(yīng)布置厚點(diǎn)。

采用光面爆破時(shí)，爆破振動(dòng)速度應(yīng)小于下列值：硬巖15cm/s，中硬巖10cm/s，軟巖5cm/s，以保證圍巖和噴射混凝土穩(wěn)定。要求的爆破振動(dòng)速度是根據(jù)離開挖工作面1~2倍洞跨處測值。因此在施爆時(shí)必須控制單響藥量，最大單響藥量采用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

V=K(Q^1/3/R)^a

V：爆破地震對建筑物及地基產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)垂直振動(dòng)速度，cm/s

K：與巖石性質(zhì)、地形和爆破條件有關(guān)的系數(shù)

a：爆破地震隨距離衰減系數(shù)

Q：炸藥量，毫秒微差爆破時(shí)最大單響藥量，kg

R：從爆破地點(diǎn)藥量分布的幾何中心至被保護(hù)對象的水平距離，m

根據(jù)圍巖屬中硬性偏軟巖石，施工中 K取150，a取1.5；最大允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度取10cm/s，R取20m，計(jì)算出相應(yīng)最大裝藥量為35.55kg。施工時(shí)按最大單響藥量30kg控制。

（1）裝藥結(jié)構(gòu)

采用小直徑PVC管填裝低爆速炸藥，不偶合間隔裝藥，裝藥結(jié)構(gòu)如下圖所示。