土石方与导截流工程

鲁地拉水电站尾水洞出口岩塞开挖支护施工技术

曾玉林/中国水利水电第十四工程局有限公司

【摘 要】 金沙江鲁地拉水电站尾水洞出口岩塞段处于Ⅳ类围岩，岩石陡倾裂隙较为发育，不利结构面成组出现，不利结构面组合作用会形成不稳定块体。采用短进尺、弱爆破、强支护的方式完成了尾水洞出口岩塞段的开挖支护施工，并取得了良好的效果。【关键词】 尾水出口岩塞 开挖支护 施工技术

1 概述

鲁地拉水电站是金沙江中游河段梯级开发的第七级水电站，上接龙开口水电站，下接观音岩水电站。电站以发电为主，兼有水土保持、库区航运、旅游等综合效益。电站属大（1）型一等工程，尾水系统采用“二机一井一洞”的布置。尾水隧洞共计3条，沿轴线总长为1428.26m（含渐变段）。其中1#尾水洞长389.06m，2#尾水洞长480.27m，3#尾水洞长558.93m。尾水洞洞身开挖断面为圆形，进、出口渐变段为城门洞形。3条尾水洞平行布置，尾水洞间最小间距42.5m。1#～3#尾水洞出口渐变段长30m，前期已完成出口段下游侧12m段的开挖支护，预留上游侧岩塞段，长20m，其中标准段长2m，渐变段长18m。岩塞段为逆坡，坡度为6%。标准段支护后断面尺寸为φ21.3m，30m渐变段为圆形渐变为城门洞形，支护后断面尺寸为φ（21.3～20）m×21.6m（宽×高）。

2 施工方案

2.1 开挖施工

根据岩塞段的结构特点，结合其施工道路、施工方法及设备，将岩塞段分为2#岩塞段、1#与3#岩塞段两种施工程序。2#岩塞段分中导洞与两侧扩挖两块，每块分为3层，分别为中导洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层（下、中、上三层）与两侧Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅴ1、Ⅴ2、Ⅵ1、Ⅵ2层（上、中、下三层），中导洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层层高分别为9m、9m、3.9m，两侧Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ层层高分别为9.57～9.37m、9m、3.57m。1#、3#岩塞段各自分3层开挖，开挖高程分别为9.57～9.37m、9m、3.57m，除Ⅰ层分3区施工，其余各层均全断面一次施工。1＃～3#岩塞段总体按2#→1#→3#顺序依次施工，除2#岩塞段中导洞按自下而上的顺序开挖外，其余全部按自上而下的施工顺序开挖，以确保施工安全。施工时可根据现场实际情况将3个尾水洞出口岩塞段施工先后顺序予以调整。

2.1.1 2#岩塞段施工

（1）中导洞开挖。中导洞开挖分3层。首先开挖下层，下层开挖渣料全部用于垫渣形成中层施工道路。

中层施工道路形成后开挖中层，中层渣料主要用于修建尾水洞顶拱开挖支护施工通道。中导洞下层、中层的顶拱需根据围岩揭露情况确定安全喷混凝土5cm，以确保围岩稳定。

中层贯通，顶拱开挖的施工道路形成后，开挖中导洞上层。上层每排炮开挖完成后及时进行系统锚杆支护，待上层全部贯通后再进行系统喷混凝土施工。

（2）两侧扩挖。待中导洞顶拱部位系统支护全部完成后，再进行两侧扩挖施工。扩挖按上、中、下3层分层进行，开挖顺序为自上而下，每层开挖全部完成后及时进行系统支护，待系统支护完成后再进行下层开挖。

2.1.2 1#、3#岩塞段施工程序

（1）Ⅰ层顶层施工。1#、3#尾水洞则分别利用2#尾水洞开挖渣料垫渣形成施工道路。道路形成后先开挖中导洞。为确保施工安全，中导洞每排炮开挖完成后均及时进行其顶拱系统锚杆施工，待中导洞贯通后再进行系统喷混凝土施工。

中导洞系统支护完成后再进行两侧扩挖，两侧扩挖每排炮完成后先及时进行系统锚杆施工，扩挖完成后再进行系统喷混凝土施工。

（2）Ⅱ层中层施工。待Ⅰ层系统支护全部完成后方可进行Ⅱ层开挖，Ⅱ层全部开挖完成后再进行系统支护施工。

（3）Ⅲ层底层施工。Ⅱ层系统支护完成后进行Ⅲ层（底层）开挖，受开挖坡度影响，为避免引起顶拱较大超挖，开挖顺序调整为下游侧向上游侧依次开挖。待Ⅲ层全部开挖完成后再进行剩余的系统支护。

2.1.3 开挖主要工序施工工艺

（1）开挖准备：风、水、电以及施工人员、三臂凿岩台车准备就位。

（2）测量放线：测量人员利用全站仪，根据设计开挖图及钻爆设计图对设计开挖轮廓线进行放样。

（3）钻孔作业：由熟练的潜孔与手风钻钻工严格按测量放样的控制线及钻爆设计图中的钻孔参数进行钻孔。

（4）装药、连线、起爆：由考核合格的爆破工按批准的爆破设计图（爆破参数需在实施中根据爆破效果不断优化）装药；采用非电雷管连接起爆网络，要求做到装药密实、堵塞良好；由爆破工和技术员复核检查无误后，爆破工负责引爆。

（5）通风散烟及除尘：岩塞段采用自然通风，确保在爆破后30min内将有害气体浓度降到允许范围内。爆破散烟结束后，开挖面爆破渣堆洒水除尘。

（6）安全处理：爆破后用1.6m3反铲清除边墙残留危石。经常检查已开挖边墙稳定情况，清撬可能塌落的（1）测量放样：锚杆孔位采用全站仪放样，不同的锚杆孔位需用不同的符号标示。

（2）平台搭设：利用φ48mm施工脚手架管搭设施工脚手架，间距为1.5m，排距为1.8m，两端与中间各设置一道剪刀撑，中部设置一道纵向剪刀撑。

松动岩块。

（7）出渣及清底：2#尾水洞前期修建施工道路的渣料利用1.6m3反铲直接修建施工道路，多余开挖渣料仍然利用1.6m3反铲直接翻渣至前期施工道路部位，以减缓原有的坡度。2#尾水洞多余的渣料采用30t自卸汽车运输至1#、3#尾水洞，利用1.6m3反铲修建1#、3#岩塞段Ⅰ层开挖施工道路。1#、3#尾水洞开挖渣料可直接利用1.6m3反铲配合30t自卸汽车运输至2#渣场。

（8）围岩支护：2#尾水洞前期开挖中导洞下中层每排爆破开挖结束后，根据实际围岩揭露情况安全喷混凝土5cm，以确保施工安全。其他部位需将系统锚杆施工完成。

2.2 爆破参数

开挖全部采用三臂凿岩台车水平钻爆，孔径均为48mm，周边孔采用光面控制爆破。其爆破参数如下：

（1）中导洞与两侧开挖。掏槽孔采用两层，孔深分别为1.5m和3.2m，间距为50cm，层距100cm，φ32mm乳化炸药连续装药。崩落孔孔深3m，间排距均为100cm，φ32mm乳化炸药连续装药。周边孔孔深3m，间距均为50cm，φ25mm乳化炸药间隔不耦合装药。

（2）其他部位开挖。主爆孔孔深3m，间排距均为150cm，φ32mm乳化炸药连续装药。周边孔孔深3m，间排距均为50cm，φ25mm乳化炸药间隔不耦合装药。

2.3 支护施工

系统锚杆钻孔采用三臂凿岩台车，麦斯特高压注浆机注浆，1.6m3反铲改装的施工平台配合人工安插锚杆。

系统喷混凝土采用湿喷工艺，利用麦斯特喷车，8m3混凝土搅拌运输车运输喷混凝土料。

2.3.1 砂浆锚杆施工工艺

砂浆锚杆施工工艺流程见图1。

（3）锚杆钻孔：系统砂浆锚杆采用三臂凿岩台车钻孔，6m与9m砂浆锚杆孔径分别为φ51mm与φ57mm。不同孔深的锚杆要有明显的标记，以免出错。系统锚杆垂直于岩面布置，孔位偏差不大于10cm，孔深偏差不大于5cm。对于随机支护的锚杆，锚杆孔向一般与可能滑动面交角约为45°。

（4）质量检查：孔深允许偏差为5cm，孔向与孔斜的偏差不大于3%。采用PVC管插入孔底检查孔深，利用全站仪紧靠PVC管来检测孔向与孔斜。

（5）锚杆注浆与安插：系统锚杆注装采用先注浆后插杆的程序。用麦斯特高压注浆机注浆，注浆前孔位应冲洗干净，注浆时要求饱满、密实。锚杆安插需人工配

（1）喷前准备：施工前先对喷射岩面进行检查，清除浮石、墙脚石渣和堆积物等，用高压风水枪冲洗岩面（易潮解的泥化岩层、破碎带和其他不良地质带用高压风清扫），并埋设钢筋作量测喷混凝土厚度标志。有水部位应采取埋设导管的方式进行排水处理，麦斯特喷车准备就绪。

（2）钢纤维混凝土拌制：喷混凝土料在右岸拌和系统进行拌制。其投料顺序是：钢纤维先与骨料进行干拌，再加入水泥进行干拌。搅拌好的钢纤维混凝土不得出现球结现象。

（3）喷混凝土：按湿喷工艺法分段分片依次进行。喷混凝土应自下而上分两层，底层初喷厚度为5cm，待底层初凝后再进行面层喷射。喷嘴与岩面距离1～2m，喷射方向大致垂直于岩面，在保证混凝土密实度的前提下，尽量减少回弹量。

（4）质量检查：喷混凝土厚度通过预埋钢筋作厚度标志或钻孔测深检查，外观质量通过肉眼检查评价，喷混凝土与岩石间及喷层之间的黏结强度可采用预埋试件从表1岩塞段在开挖时按上游侧已浇筑底拱混凝土为主要保护对象，岩塞段开挖的最大单响药量不得大于17kg。

根据尾水洞岩塞段现场情况，岩塞段的爆破飞石采用以下被动防护方案：

为防止1#～3#尾水闸室孔口1120～1138m高程内受爆破飞石的损坏，需在闸室流道面1138m高程以下满铺一层竹脚手板。竹脚手板外侧采用φ48mm单背管将其连接成整体，间排距为1.5m，内侧利用已有的φ12mm拉筋与钢管连接成整体。未设置φ12mm拉筋的部位需增设φ12mm插筋，长0.5m，外露0.2m，间排距1.5m，与背管连接成整体。

考虑现场实际施工及2012年汛期提前等一些不确定因素影响，若实际施工时出现3#尾水洞出口岩塞开合1.6m3反铲改装平台。锚杆注装完成后72h内避免扰动。

（6）锚杆施工完成后利用超声波对锚杆注浆密实度进行检测，注浆密实度不得小于80%。

2.3.2 喷钢纤维混凝土施工工艺

喷钢纤维混凝土施工工艺流程见图2。

或钻芯作拉拔试验。具体试验技术要求按《水电水利工程锚喷支护施工规范》（DL/T 5181—2003）执行。

（5）养护：喷混凝土终凝2h后喷水养护。养护时间一般不少于7d。当周围环境空气湿度不小于85%时，可自然养护。

2.4 爆破振动控制

尾水洞出口岩塞段的爆破振动控制参照鲁地拉水电站地下厂房工程主厂房的爆破振动测试阶段的结果开展，其爆破振动衰减规律的经验公式为：

尾水洞岩塞段爆破中心距离闸室最近距离R为13.5m，距离尾水底拱已浇筑底拱混凝土最近距离R为8.5m。根据《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》（DL/T 5099—1999）第2.4.1条，已浇筑底拱及闸室混凝土建筑物最大允许质点振动速度为10cm/s。岩塞段开挖最大单响控制药量Q见表1。

挖支护作业在2012年汛前暂未施工完成，需在3#尾水闸室闸门封闭后进行剩余部分岩塞开挖支护作业。由此为避免爆破飞石对闸门造成损坏，需在闸室附近设置一道被动柔性防护屏作为3#闸室岩塞段开挖防护预案。防护屏利用竹脚手板作为防护面板，在竹脚手板背面设置φ25mm水平背筋与新增φ25mm插筋焊接；为加强防护屏整体性，背筋后部设置φ48mm竖向脚手架管，并用φ25mm水平拉筋固定整个柔性防护屏。

由于闸门下闸后，爆破冲击波对闸门产生极其不利影响，根据《爆破安全规程》（GB 6722—2003）空气冲击波的计算结果，17kg最大的单响药量岩塞段空气冲击波超压值为0.4MPa。为降低空气冲击波，现采取如下措施：

（1）严格按照爆破设计图进行微差爆破，充分利用其爆破冲击波干扰衰减作用。

（2）对爆破孔孔口堵塞严密，避免“冲天炮”发生。

（3）闸门前设置一道柔性防护屏（3#岩塞段开挖防护预案）既可阻挡飞石，又可有效地降低空气冲击波对闸门的损坏。

2.5 开挖质量控制措施

（1）开挖前认真做好控制爆破设计，根据现场地质情况选定合理的爆破参数，以获得满意的成型面，并使爆破振动对围岩影响最小。开挖过程中，根据地质变化情况，经监理工程师批准后及时修正爆破参数，尽量减小超挖，保证无欠挖。

（2）不良地质段岩塞的开挖，应严格按控制爆破参数实行短进尺、小药量爆破，并及时加强支护，以确保围岩（边墙）的稳定。

（3）钻孔严格按照设计钻爆图施工，各钻手分区、分部位定人定位施钻，每排炮由值班技术员按爆破图的要求进行检查，对周边孔进行验收。

2.6 支护质量控制措施

（1）锚杆施工需按相关规范要求进行造孔，砂浆配和比、锚杆注装密实度满足设计要求。

（2）喷混凝土施工的位置、面积、厚度等均符合施工图纸与施工技术要求有关规定，喷混凝土必须采用符合有关标准和技术规程规范要求的砂、石、水泥，认真做好喷混凝土的配合比设计，通过试验确定合理的设计参数，并征得监理人的同意。喷混凝土施工前，必须对所喷部位进行冲洗，预埋规定长度的检验钢筋以量测厚度。

2.7 安全控制

（1）加强地质监测，收集地质情况，指导和调整施工方案，确保施工安全。

（2）作业面需配备足量的照明器具，保证作业安全。

（3）所有进入地下洞室工作的人员，必须按规定配带安全防护用品，遵章守纪，听从指挥。开挖作业人员到达工作地点时，应首先了解相邻工作面的当前工序情况，并检查所施工的工作面是否处于安全状态，检查已支护部位是否牢固，边墙是否稳定，如有松动块体或裂缝应先予以清除。

（4）地下洞室施工爆破由取得“安全技术合格证”的爆破工担任,严格防护距离和爆破警界。爆破15min后，检查人员方可进入工作面，检查照明线路是否安全；检查有无“盲炮”及可疑现象；检查顶拱及边墙有无松动石块；检查支护有无损坏与变形。在进行安全处理并确认无误后，其他工作人员才可进入工作面。“盲炮”的处理主要有几种方法：①重新起爆法；②打平行爆破孔装药爆破法；③聚能诱爆法；④风、水吹管法。

（5）钻孔时严禁在残眼中继续钻眼，并禁止钻孔和装药平行作业。

（6）爆破作业和爆破器材加工人员严禁穿着化纤衣物，并严禁烟火。装药时使用木棍装药，严禁火种。无关人员与机具等均应撤离至安全地点。进行爆破时，所有人员应撤离现场，以确保爆破安全。

（7）施工期间，现场施工负责人会同有关人员对各部分支护进行定期检查，在不良地质段，每班应责成专人检查，当发现支护变形或损坏时，应立即修整加固。

（8）当发现系统支护区的围岩有较大变形或锚杆失效时，应立即在该区段增设加强锚杆，其长度宜不小于原锚杆长度的1.5倍。

（9）当喷射混凝土尚未达到一定强度围岩即趋失稳或喷锚后变形量超过设计容许值以及围岩发生突变时，应采取加强支护措施。

（10）把喷层的异常裂缝作为主要安全检查项目，经常进行观察与检查，并作为施工危险信号引起高度警惕。

3 结语

金沙江鲁地拉水电站尾水洞出口岩塞开挖支护施工，优化了施工工艺，使施工按时完成。中导洞采用自下而上分层开挖，两侧扩挖采用自上而下分层爆破，中导洞下层采用小导洞先行、扩挖跟进的反向开挖方法，克服了施工道路石渣短缺、便道布置等困难。