天花板水電站左岸交通洞施工
岑巨鵬
（廣西桂能工程咨詢集團有限公司）
【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的工程特點、鉆爆設計和施工情況。
【關鍵詞】天花板水電站、交通洞、新奧法、光面爆破、控制爆破
1 概述
1.1工程概況
天花板水電站位于云南省昭通市境內的牛欄江上，是牛欄江中下游梯級規劃的第七級電站。距離巧家和魯甸縣城公路里程分別為123km和57km。本工程等別為Ⅲ等工程，工程規模為中型。
天花板水電站為開發目標單一的發電工程，水電站樞紐主要由碾壓混凝土拱壩、引水系統、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。引水系統沿牛欄江右岸布置，由岸塔式進水口、引水隧洞、調壓井和壓力管道等組成。天花板水電站發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90MW混流式水輪發電機組。
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，交通洞設計為城門洞型，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。
1.2地質條件
左岸交通洞所穿過的地層為Tid2—4深灰色薄層、極薄層灰巖夾中厚層灰巖，層間夾有軟弱夾層，巖層為薄層狀結構，方解石膠結微裂隙發育，巖層傾角為30°~40°，K0+100~K0+220為Tid3灰黑色中厚層、厚層細晶灰巖，巖體呈厚層狀結構，裂隙發育為中等，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巖，巖層產狀N65°E/NW34°，巖體基本完整，局部穩定性差；Ⅳ類圍為葉片狀含泥質條帶泥晶灰巖，巖層產狀N65°E/NW34°，洞軸線與巖層走向夾角60°，呈薄層狀結構，巖體完整性差，圍巖不穩定。
2 新奧法簡介
“新奧法（NATM）”不單純是一種施工方法，也不能認為錨噴支護就是新奧法，新奧法實質是一種現代先進設計與施工的一體化方法，其基本出發點是把巖體視為連續介質,充分利用地下洞室開挖后產生變形的時間效應及圍巖的自持承載能力, “適時”地予以錨噴支護,控制圍巖變形, 達到洞室穩定的目的。
新奧法的要點可歸納如下：
（1）根據巖體具有的彈、塑性物理性質，研究洞室圍巖的應力－應變狀態，并將其變形發展控制在允許的變形壓力范圍內，及時施作支護，以保持圍巖穩定。
（2）充分利用圍巖自身承載能力，把圍巖當作支護結構的基本組成部分，施作的支護將同圍巖共同工作，形成承載環或承載拱。
（3）施作的支護結構應與圍巖緊密結合，即要具有一定的剛度，以限制圍巖變形自由發展，防止圍巖松散破壞；又要具有一定的柔性，以適應圍巖適當的變形，使作用在支護結構上的變形壓力不致于過大。
（4）設置固定的觀測系統，進行必要的反饋分析，以確定施作初期支護的有利時機和是否需要補強支護等措施。
現階段“新奧法”設計與施工運用最多的還是“工程類比法”，即在地下洞室工程施工初期，根據擬建工程提供的水文地質斟測資料對圍巖物理力學特性進行分類，參照已建成類似地下工程的經驗，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、方法及實施圍巖支護施工方案；并在施工過程中加強測量監查觀測，根據反饋的信息及時調整開挖程序、方法和支護參數。
3 開挖、支護施工設計
天花板水電站左岸交通洞根據不同部位和地質條件的差異而采用了不同的開挖、支護程序。
3.1開挖程序設計
（1）對于Ⅲ類圍巖開挖采取全斷面掘進方式，該全斷面開挖與常規全斷面開挖有區別：即下導洞先行1~2個循環（導洞寬4.2m，高4.4m），光面爆破滯后1~2個循環進行。
（2）對于Ⅳ類圍巖分兩層進行開挖：上導洞先行1~2個循環，上部兩側擴挖滯后1~2個循環進行，上層貫通后再進行下部擴挖。
（3）進出口段和洞身Ⅳ類圍巖采用淺孔爆破，遵循“短進尺、小藥量、弱爆破”的原則，單循環進尺控制在1.5~2.5m；洞身Ⅲ類圍巖采用深孔爆破，每一循環有效進尺不低于3.5m。
實施該種開挖方式的優點在于：滯后進行的光面爆破具有良好的自由面，使爆破產生的震動大大降低，既保證了周邊光爆效果，又最大限度減少了對圍巖的擾動；同時導洞先行可預先探明地質情況，及時調整支護方案。
3.2支護程序設計
噴錨支護與開挖平行交叉作業，岔口段、進出口段和洞身Ⅳ類圍巖爆破后支護應及時跟進，洞身Ⅲ類圍巖支護可滯后30~50m進行，對于出口段Ⅳ類圍巖還應采取超前錨桿支護措施。
交通洞開挖、支護方案見表1：
交通洞開挖支護施工方案 表1
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工程
部位 |
圍巖
分類 |
施工方法 |
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開挖方法 |
支護 |
|
進
口
段 |
Ⅲ |
手風鉆造孔，下導洞超前1~2循環，跟進擴挖，短進尺，小藥量，弱爆破，單循環進尺1.5~2.5m，周邊密孔小藥量光爆 |
一次支護緊跟開挖進行 |
|
洞
身
段 |
Ⅲ |
手風鉆造孔，下導洞超前1~2循環，跟進擴挖，單循環進尺3.5m，周邊孔光爆 |
一次支護滯后30~50m進行，局部危巖支護及時跟進 |
|
Ⅳ |
手風鉆造孔，上導洞超前1~2循環，兩側跟進擴挖，上層貫通后再進行下部擴挖，短進尺，小藥量，弱爆破，單循環進1.5~2.5m，周邊密孔小藥量光爆 |
一次支護緊跟開挖進行
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|
出
口
段 |
Ⅳ |
手風鉆造孔，上導洞超前1~2循環，兩側跟進擴挖，上層貫通后再進行下部擴挖，短進尺，小藥量，弱爆破，單循環進1.5~2.5m，周邊密孔小藥量光爆 |
超前錨桿支護、一次支護緊跟開挖進行 |
4 洞室開挖
洞室的開挖，是實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，使開挖面輪廓平整、準確，減少爆破對圍巖的擾動破壞，維護圍巖強度、穩定性和自承能力。
4.1光面爆破技術簡介
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上發展起來的，其基本原理是：縮小一般鉆孔爆破法在炮孔周圍出現的爆破破碎區，把爆破產生的裂隙降低到最低；使徑向裂隙沿所希望的方向發展，形成平整的開挖面，保護巖石母體。光面爆破的技術要點如下：
（1） 應根據圍巖的特點合理選擇周邊眼間距及周邊眼最小抵抗線。
（2） 嚴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，應使周邊孔具有最好的臨空面。
4.2光面爆破參數設計與選擇
（1）主要參數確定
光面爆破參數一般按下列經驗公式計算：
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設計
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設計
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
在進行交通洞光面爆破設計時，密集系數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、巖石的性質和地質構造等的關系，在堅硬巖石的地區，光面爆破層厚度應布置薄點；在巖石松軟破碎的地區，光面爆破層厚度應布置厚點。
4.3控制爆破
采用光面爆破時，爆破振動速度應小于下列值：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定。要求的爆破振動速度是根據離開挖工作面1~2倍洞跨處測值。因此在施爆時必須控制單響藥量，最大單響藥量采用如下經驗公式計算：
V=K(Q1/3/R)a
V：爆破地震對建筑物及地基產生的質點垂直振動速度，cm/s
K：與巖石性質、地形和爆破條件有關的系數
a：爆破地震隨距離衰減系數
Q：炸藥量，毫秒微差爆破時最大單響藥量，kg
R：從爆破地點藥量分布的幾何中心至被保護對象的水平距離，m
根據圍巖屬中硬性偏軟巖石，施工中 K取150，a取1.5；最大允許質點振動速度取10cm/s，R取20m，計算出相應最大裝藥量為35.55kg。施工時按最大單響藥量30kg控制。
4.4裝藥及堵塞
（1）裝藥結構
采用小直徑PVC管填裝低爆速炸藥，不偶合間隔裝藥，裝藥結構如下圖所示。
Ⅲ類圍巖光面爆破裝藥結構
Ⅳ類圍巖光面爆破裝藥結構
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