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复杂地质条件下超长隧洞爆破开挖与支护方案探讨

2015-11-24 17:02:58.0 责任编辑:崔玮娜

 

王守伟1  饶辉灿2  王小和3

(1.重庆市公安局,重庆,4011472.重庆银利土石方工程有限公司,重庆,400023

3.葛洲坝建设工程有限公司,湖北宜昌,443002)

摘要:巴基斯坦Neelum-Jhelum工程因地下洞窀的地质条件复杂,开挖长度、难度以及工程量等在国内外实属罕见。本文着重介绍巴基斯坦N-J项目地下工程超长隧洞开挖施工中的高应力区段、高透水地段以及高温洞段的施工方案及施工支护处理措施,并对超长隧洞开挖施工中的通风提出肤浅看法,以供探讨。

关键词N-J工程;超长隧洞;CD法开挖;地质缺陷跨越;隧洞支护

 

1基本情况

11工程概况

巴基斯坦N-J项目全称Neelum-Jhelum(尼鲁姆-杰卢姆)工程,位于巴基斯坦克什米尔地区,距离印度Tithwal(停火线)以西6km,距伊斯兰儇253km,海拔在6001100m

(1)地下引水系统隧洞总长约40km,在NauseirThotha之间的20km隧洞开挖工程为整个工期的控制段。断面面积为82m2的单隧洞,隧洞上段10km基本水平,可用于坝后前池每日峰值储备调节用。隧道穿越Jhelum河流EL4000以下的部分,其在河床底的埋深接近380m

(2)隧洞沿线设置8个施工支洞以用来运输隧洞开挖石渣。其分布为Nauseri1个,Thotha2个,Maijhoi1个,Chattar Kalas 3个,Muzaffarabad1个。

(3)调压室系统由34216m高的竖井和一个接近820m长的调压隧洞组成。调压竖井开挖成Ф107m,并用混凝土喷射浇注其表面。

(4)35km长的尾水隧洞截面积为82m2

(5)地下厂房有四台机组,总装机容量为963MW。正常泄洪速度280m3s。电站厂房长1316m,宽212m,从水轮机底座算起高40m(地下厂房开挖及支护不在本文中叙述)

本工程总工期为93个月。

12主要工程量及特征

本项目地下工程主要包括施工支洞、引水洞及尾水洞等的开挖和支护工程,隧洞开挖总量340万立方米。主要地下洞室工程特征见表l

13现场自然条件

工程地区夏季炎热,冬季寒冷。六七月份最热,温度为+42℃,而1月份最冷,温度为-4℃。在NeelumJhelum河流交汇之间较高的海拔处,来划分降雪界线。

工程地区海拔为6001100m,地势较高,地质条件复杂,地下渗水最大漏量达2000Lmin以上。

尼鲁姆-杰卢姆约32km长的隧洞将穿过岩层(由陡降的夹层砂岩和页岩组成)。两大主要的断层将对本工程构成影响。其中,MURREE断层由大坝支承,而引水隧洞将在THOTHA区穿过喜马拉雅前逆断层。

质量中等或较差的岩石在整个隧洞系统中占主导地位,在河流交叉处的下游,质量状况有所改善。在整个隧洞中,各类岩石与渗水情况见表2 

电站区地震水平加速度为020gcm3,进水口区地震水平加速度为025g,/cm3,垂直加速度是水平加速度的13

 

2长隧洞开挖方案

21工程特点及难点

引水隧洞开挖与支护是控制本工程的关键项目,它具有地质条件复杂、洞挖断面小、地应力高、工程量大、线路长等特点。洞内地下渗水、岩爆、围岩稳定等将对洞室安全施l:极为不利,是本项目施工控制的难点。

为此,合理规划排水、通风散烟路径是保证施工顺利进行的前提;合理安排施工程序;采取有效控制爆破措施,减少对围岩的振动破坏,是保证顺利完成施工任务的关键。施工中还应充分考虑Ⅳ类、V类围岩及断层等不良地质缺陷对洞室稳定的影响,以及开挖过程中可能发生的渗、涌水对施工的不利因素,保证开挖、支护及混凝土浇筑等工程质量是本标施工的重点。

引水调压竖井深34216m,开挖与混凝土浇注均存在较大的风险。主要包括导洞的开挖精度,导洞扩挖炮渣可能堵塞导洞,混凝土浇注的垂直运输与人员上下安全。

22主要施工对策

    结合本工程的具体情况,施工中拟采取以下主要对策:

(1)配置各类先进的地下洞室施工设备和优秀的施工作业人员,采用新奥法施工作业,保障洞内施工满足招标文件技术要求。

(2)加强洞室围岩安全监测,建立健全安全预警机制。根据监测分析报告,及时调整钻爆参数和开挖、支护程序及方法。

(3)对地下隧洞拟采用C6系列多功能快速钻机进行快速长距离超前地质钻探,超前30m预报地质情况,并利用该设备对地下水进行防突,注浆止水,超前支护管棚作业,抢险救助,基础锚固、锚索、锚杆等处理。

(4)对竖井在高程780m增加一条施工隧洞解决竖井一次开挖过深的问题,亦可削弱混凝土施工难度。

23长隧洞的爆破开挖

231地下洞室爆破开挖的总体程序

爆破开挖总体程序可考虑设备配置能力进行安排。

隧道属于Ⅳ类、V类围岩且断面积不大,其施工采取超前小导洞(4m×5m)的施工方法进行施工,超前小导洞超前46m,然后采取全断面扩挖跟进,周边光爆开挖成型。在围岩地质情况较为恶劣的洞段,采取CD法及双侧壁导坑法进行,洞室顶拱可采取超前管栅灌浆支护。Ⅱ类、Ⅲ类围岩及正常隧洞采取全断面开挖。

2311  钻眼爆破

(1)钻眼:采用二臂或三臂钻眼台车及手持式气腿钻机钻孔,分区定人定眼。

(2)炮眼数目:炮眼数目与岩层性质,掘进断面和装药结构等因素有关,在施工进度过程中,施工技术人员应根据上述特点并经过多次试验后及时调整。

(3)炮眼布置:掏槽质量的好坏,直接影响全断面爆破的效果,要提高掏槽质量,除要求好的爆破设计外,施工技术人员及打眼操作人员必须严格按照眼的位置、角度、深度以及装药量等方面进行操作。

(4)炮眼深度:Ⅱ类、Ⅲ类围岩及正常隧洞采取全断面开挖,炮眼深度选择3540m,掏槽眼比其他眼深02m,循环进尺3236m,炮眼利用率90%。

Ⅳ类、V类围岩采用超前小导洞及地质条件较差地段炮眼深度选择2021m,掏槽眼比其他眼深02m,循环进尺20m;全断面扩挖爆破炮眼深度40m,循环进尺38m。炮眼利用率90%。

(5)装药结构:周边眼采用空气柱装药法,掏槽眼和辅助眼采用反向连续装药结构。

(6)爆破:采用光面爆破技术,考虑爆破对围岩的扰动太大而不利于岩石的稳定,所以还是按光面爆破进行设计,力图对围岩的扰动降到最低限度,为顺利施工打下基础。

2312  挖装运输

(1)双线洞渣料采用120180m3h立爪式扒渣机装渣,单线洞渣料采用25m。侧卸装载机装渣,15t自卸汽车运输。

(2)洞内出渣采用无基座汽车回转平台进行调头。断面较小的双线隧洞,在计划安装回车平台处的两侧各扩挖12m,以利安装汽车回转平台,后期用于安装洞内箱式变压器或汽车错车平台。

(3)隧洞掘进过程中Ⅱ类、Ⅲ类围岩及正常隧洞采取二掘一喷护的掘进模式,在遇地质缺陷段时,采用短进尺、弱爆破法施工、一掘一喷护。开挖前进行适当的超前支护,开挖后及时进行系统支护。

锚杆施工紧跟开挖面,喷射混凝土工程滞后开挖面30m。锚杆采用多臂液压凿岩台车、YZ-90型导轨式凿岩钻机或手持式气腿钻机钻孔,平台台车配合人工挂钢筋网,喷射混凝土采用麦斯特DOK-VK088型湿喷台车或TK-96l型湿喷机。

2313  主要生产作业线机械设备配置

根据总的施工原则和确定的总体施工方案,在施工管理上以大型专用设备为主,形成三条主要生产作业线。主要生产作业线机械设备配置详见表3

232 地下洞室开挖方法

2321全断面隧道开挖段的施工方法

全断面隧道开挖段的施工方法于隧道断面不大且地质条件不复杂的洞段,如施工支洞((455)m×(57)m)1-4号引水岔管((4867)m×(6166)m)1-4号尾水岔管((4260)m×(5262)m)以及双线引水洞(769m×706m)

A洞挖施工流程

各水平隧洞包括施工支洞、引水洞及尾水洞等,先在洞口处进行锁口锚杆等洞口加强支护工作,洞口准备工作做好后,开始进行洞挖,洞挖施工采用全断面开挖一次成型。每一循环开挖施工工艺流程如图1所示。

B施工方法

各水平隧洞开挖采用全断面一次开挖成型,为保证各隧洞的成型与稳定,在初进洞56m范围内,采取先中间导洞,后扩挖成型,支护跟进的施工方法。初喷混凝土及锚杆施工紧跟开挖面,挂网和复喷混凝土滞后开挖面30m左右跟进施工。8条施工支洞中,除2号、7号、8号施工支洞、调压竖井支洞、厂房连通洞、引水岔管及尾水岔管等因开挖断面较小,采取TCAD型二臂电脑导引凿眼台车或YTP-28型手持式气腿钻机造孔外,其他施工支洞、引水洞、尾水洞及调压平洞均采用TPC型三臂电液控凿眼台车或YTP-28型手持式气腿钻机造孔,人工配合在台车的操作平台上装药联网,钻孔孔径Ф4245mm,小断面孔深3035m,较大断面孔深3540m,采用条形乳化炸药,掏槽孔及崩落孔孔内药径为Ф3235mm,耦合装药,周边光爆孔药径为Ф25mm,不耦合间隔装药。起爆采用非电毫秒雷管和导爆管,光爆孔内采用导爆索引爆。渣料采用3m3侧卸装载机或120180m3h斗式扒渣机(小断面洞)15t自卸汽车运至指定的料场或渣场,反铲进行岩面清理。锚杆施工采用三臂凿眼台车、YZ-90型导轨式凿岩钻机或手持式气腿钻机钻孔,自制移动平台台车配合人工挂网,喷混凝土采用麦斯特DOK-VK088型湿喷台车或TK-961型湿喷机施工。

由于引水洞、尾水洞及大部分施工支洞较长,为了行车方便,在较长洞的工作面前装一个ST-30H30t无基座汽车回转平台,回转平台距作业平台不超过300m。鉴于支洞断面较小,可每隔300m左右将支洞断面扩挖成长96m、宽88m、高50m的扩散段,以利安装汽车回转平台(该扩挖面可用作安装洞内箱式变压器、排水接力点或汽车交汇点)

洞挖掘进过程中遇Ⅳ~V类围岩及地质缺陷段时,采用短进尺、多循环、弱爆破的施工方法,开挖前先进行适当超前支护,开挖后及时进行系统支护,如需要按工程师的指示架设钢支撑加强支护,并随时观测,一旦出现异状,及时分析并采取相应措施进行处理,地质缺陷段按设计及工程师的要求处理。

2322 CD法施工方案

CD法施工爆破方案适用的范围,为施工支洞((7108)m×(8106)m)以及单线引水洞(974m×974m)洞段,该段的轮廓类型:城门洞形和马蹄形。由于该型开挖断面较大且为Ⅳ~V类围岩,因此采取CD法开挖施工。CD法又称中隔壁法,用于浅埋及比较软弱地层中,而且是大断面隧道开挖。CD法是在用钢支撑和喷射混凝土的隔壁分割开进行开挖的方法,是在地质条件要求分部开挖及时封闭的条件下采用。其优势在于可减小软弱围岩隧道及大跨道分部开挖跨度和开挖高度,通过增加中壁墙等临时支护构件,形成分部开挖初期支护快速封闭环,使分部开挖环环相扣,最后完成全部断面开挖与初期支护。

A施工方法

(1)本隧道分项工程围岩稳定性较差且开挖断面大,施工严格遵循“早预报、管超前、严注浆、弱爆破、短进尺、少扰动、紧支护、勤测量、快衬砌”的原则施工。

(2)采用CD法施工(必要时采用前锚钎预支护),喷锚网或喷锚+注浆、网一次支护,辅以钢拱架加强支护,全断面衬砌,施工仰拱超前衬砌施作(施工程序见图2)

 

(3)施工时先行导坑与后行导坑前后错开8lOm,采用微振弱爆破开挖。

(4)衬砌段每循环进尺为12m,每095m架设一榀钢拱架。

(5)每部开挖后及时施作一次支护和临时支撑。

B施工工艺

(1)先行导坑施工。本先行导坑以微振弱爆破开挖为主,以人工风镐开挖为辅,每循环进尺10m。根据“新奥法”施工要求,隧道开挖必尽可能减轻对围岩的破坏,充分发挥围岩的自承能力,故在钻爆作业中采用微振控制爆破技术,实施光面爆破,并根据围岩情况,及时修正爆破参数,达到最佳爆破效果,并形成整齐准确的开挖断面。

(2)钻爆设计。爆破设计遵守以下原则:尽量提高炸药能量利用率,减少炸药量;减少对围岩的扰动,采用光面爆破,控制好开挖轮廓;控制好起爆顺序,提高钻爆效果;在保证安全的前提下,尽可能提高掘进速度,缩短工期;掏槽形式采用直眼掏槽。

3)钻爆参数。钻爆参数见表4

4)超欠控制。钻爆法开挖的关键是控制好超欠挖,钻爆施工中采取如下措施加以控制:一是根据不同地质情况,选择合理的钻爆参数;二是选用配备多种爆破器材,完善爆破工艺,提高爆破效果;三是提高画线、钻眼精度,尤其是周边眼的精度;四是提高装药质量,杜绝装药的随意性,防止雷管混装;五是断面轮廓检查,发现问题分析原因,及时调整减少误差;六是加强控制测量,及时反馈信息,严格施工管理。

2323  双侧壁导坑法施工方案

双侧壁导坑法施工方案的适用范围为调压洞隧道段(106m×106m),本段隧道跨度高且断面大,根据设计及现场施工实际条件,本隧道段拟定采用双侧壁导坑法开挖。开挖施工在双侧壁导洞开挖时采用人工搭建施工平台开挖,主洞开挖时使用机械开挖。

A施工准备   

(1)导线控制点、水平基点已布设,轴线放样和标高测量满足施工要求。

(2)围岩周边吸敛仪、精密水准仪等监控测量仪器齐全,洞口监控量测点已布设,量测数据反馈信息满足开挖正常施工要求。

(3)钻孔设备、出渣运输车辆等各项机械设备性能良好可靠,可满足施工作业需要。

(4)供电、供水、通风及排水等辅助作业应满足需要。

(5)对施工人员进行技术交底或技术培训。

    B测量放样

隧道开挖,测量人员定出开挖断面中线、水平线,根据设计图将开挖轮廓线标示在掌子面上。

C隧道开挖

因本工程围岩较差,严格遵循“早预报、管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、少扰动、紧支护、勤测量、快衬砌”的原则施工,洞身在超前注浆小导管及超前大管棚的超前支护下,采用双侧壁导坑法开挖施工。开挖主要采用人工风镐为主,辅以机械配合,局部进行控制弱爆破松动。

(1)开挖施工在两侧壁导洞开挖时采用人工搭建施工平台开挖,正洞开挖时,使用机械开挖,开挖施工方法及顺序如图3所示。

(2)局部控制弱爆破钻爆参数见表5

D注意事项

(1)围岩较软段,每循环纵向进尺以安放一榀工字钢长度即50cm为宜;围岩稍好段每循环纵向进尺以安放一榀工字钢长度即100cm施工,但不宜大于100cm

(2)侧壁开挖后,中央部分实际处于悬空状态,这部分围岩经开挖已扰动过两次,中部开挖方法不当,易导致临对壁墙破坏,为此应以不爆破开挖为宜,同时加强支护、量测。

(3)由于分多次开挖,应加强断面测量工作,防止超欠挖,并配合出碴进行断面检查,清除欠挖,处理危石。

(4)临时侧壁的拆除,必须等围岩稳定后进行。

(5)隧底两隅与侧壁连结处应平顺开挖,避免引起应力集中,当遇变形很大的膨胀性围岩时,两隅应预先打入锚钎或其他措施加固。

(6)位于洞口浅埋段,应加强地表稳定性及围岩稳定性的判别,并根据变形管理等级及时采取相应措施。

(7)施工中及时处理和分析监控量测数据,当位移-时间曲线出现反常的急骤变化时,表明此时围岩支护系统已处于不稳定状态,应立即停止开挖,并对危险地段加强支护。

(8)隧道洞身开挖时严格控制爆破振动,开挖轮廓要预留支撑沉落量,并利于用量测反馈信息及时调整。

(9)严格控制超欠挖。

233引水洞调压竖井开挖

2331施工程序

鉴于引水洞调压竖井较深,施工难度较大,为了方便开挖及混凝土衬砌,拟在竖井的中部E L780Om的部位增加一条5Om×45m的施工支洞,支洞全长约700m,洞内纵坡比约10%,将引水洞调压竖井分成两段施工。在上部的调压平洞、竖井施工支洞及下部引水洞开挖支护施工完成后,形成上、中、下层三条通道。

(1)第一段上部可由8号施工支洞EL950Om进入到调压竖井的上开口,下部从施工支洞进入到中段的EL780m

(2)第二段上部呵从施工支洞进入到EL780m的调压竖井中段,下部从引水洞EL5981m进入到调压竖井的底部。

分别用BMC-400反井钻机自上而下凿一个Ф270mm的导向孔,然后再分别在EL780m施工支洞端头底板和引水洞E L5981m的底板调换钻头,从下至上扩凿成Ф2Om的溜渣导井,为了确保顺利溜渣,正井开挖施工分成两次扩挖成型。

开挖采用人工手持Y-26型风钻钻孔爆破从上至下进行扩挖(人员及器具用5t卷扬机牵引Ф3Om的钢制吊篮),同时临时支护跟进,每次自上而下的扩挖高度为2Om。引水洞调压竖井开挖程序如图4所示。

2332  施工方法

引水洞调压竖井开挖先采用BMC-400反井钻机从上至下钻导孔,然后换钻具从下至上扩钻为Ф20m溜渣导井,反导井的渣料在引水洞内用30m3侧卸装载机装15t自卸汽车运至指定的存、弃料场。

在Ф20m溜渣导井形成后即可进行第一次扩挖,第一次扩挖尺寸为Ф52m的较大溜渣导井,采用从上至下的施工方法,为防止石渣堵塞溜渣导井,每层正井扩挖高度约20m,且只能用手持风钻钻孔,布置两排钻孔扩挖;第二次扩挖成型尺寸为Ф107m,第l2排为主爆孔,周边钻光爆孔。扩挖施工时,操作人员必须系带安全绳,并固定在井壁周边的锚杆上,钻孔作业时,Ф2052m的溜渣导井口必须用吊篮或钢箅覆盖。钻孔孔径Ф42mm,主爆孔药卷Ф3235mm,连续装药,周边光爆孔药径为Ф25mm,不耦合间隔装药,非电雷管引爆,周边孔孔内用导爆索引爆,渣料大部分通过溜渣井溜至E L780m施工支洞和引水洞,少部分用人工清渣溜至EL780m施工支洞和引水洞,用3Om3侧卸装载机装15t自卸汽车运至指定的存、弃料场。

井挖掘进过程中遇Ⅳ~V类围岩及地质缺陷段时,采用短进尺、多循环、弱爆破的施工方法,并先在四周便墙进行适当超前支护,开挖后及时进行系统支护,并随时观测,一旦出现异状,及时分析并采取相应措施进行处理,地质缺陷段按设计及工程师的要求处理。

为解决扩挖爆破时,部分石渣堵塞溜渣导井时,可用氢气球绑上炸药引爆,疏通溜渣导井。

234施工循环作业时间

地下洞室开挖支护作业循环工序时间见表6

24掏槽方式与爆破设计

(1)采用光面爆破,根据地质条件选择合理循环进尺。

(2)选择合理的掏槽形式(主要为直眼掏槽形式或斜眼掏槽形式)

(3)选择品种规格合适的炸药及其他火工材料。

(4)合理选择周边孔间距及最小抵抗线。

(5)严格控制周边孔的装药量,采用不耦合间隔装药结构。

(6)选择合理单响药量,控制爆破质点振动速度。

5为方形直眼掏槽形式,图6为矩形V字斜眼掏槽形式。

3地下洞室支护施工

31施工项目

本项目支护施工主要支护类型有:

(1)36m锚杆(砂浆锚杆、树脂锚杆、膨胀锚杆等),约456万根。

(2)喷射混凝土(包括喷射素混凝土、喷射钢纤维混凝土、钢筋网喷射混凝土),约281万立方米。

(3)预应力锚索2400束。

(4)格栅钢拱架支护22122t

32支护施工程序

洞挖施工时,洞室围岩浅层支护随每层洞室开挖而跟进,即洞室开挖每个工作面成型且满足设计要求后应立即进行支护施工,锚喷支护工作面滞后开挖工作面不大于30m。对于揭露出来的地质缺陷所显现的不稳定岩体,随时进行随机锚杆锚固。在特别松散、软弱破碎的沿体中开挖洞室时,采取“一掘一支护”的方式进行支护施工,即:开挖一循环先喷混凝土,然后锚杆钻孔制安、挂网,再喷混凝土至设计厚度,如此循环掘进。上层支护施工未结束不得进行下层洞室开挖爆破作业。同时为加快施工进度,进行浅层支护尽量使用多臂凿岩台车,以缩短施工直线工期。

33支护施工简要说明

本项目支护工程主要施工简要说明见表7

(1)设备配置原则:洞室支护受施工部位狭小、施工干扰大等限制,支护施工主要以机动性强、效率高、转运灵活的设备进行施工。

(2)钻孔设备的选择。

1)小断面洞室孔深不大于50m的锚杆及排水沟孔采用TH-50l型两臂凿岩台车或YTP-28型手持式气腿钻造孔,较大洞室内不大于50m的锚杆采用353E型三臂凿岩台车造孔,钻孔孔径一般大于锚杆直径15mm以上(按设计孔径)

2)孔深大于50m的锚杆采用YZ-90型导轨钻机造孔,钻孔孔径一般大于锚杆直径25mm以上,该型钻机偏转范围0°~360°,钻孔深度可达2030m,适于洞内中长锚杆及深排水孔的施工。

3)锚索孔施工采用MZ-165型锚固钻机,具有质量轻、可拆性好、扭矩大、钻进能力强等优点,还可配置跟管钻进,适用于本工程复杂地质条件下钻进。

4)洞室内涨壳式锚杆采用多臂凿岩台车造孔或手持式气腿钻机造孔,其孔径为Ф4245mm

5)洞室内随机锚杆采用多臂凿岩台车造孔或手持式气腿钻机造孔,其孔径为Ф4245mm

(3)本标段锚索孔施工,其施工设备质量大,移位转场频繁,利用DHY3t电动环链提升机作为排架上大型设备及材料的垂直运输手段,其提升系统结构简单、安拆快捷方便,可快速形成现场施工条件。

34支护施工时机

(1)各洞室支护施工遵循在开挖过程中,自上而下分层进行的原则,其中主厂房顶拱第一层分块开挖,分块支护,顶拱支护完成后,方可向下开挖第二层。在上一层开挖完成后,先进行下一层的预裂爆破,再进行上一层的支护施工,只有在该层的支护施工完成后才能进行下一层的松动爆破作业。

(2)伴随开挖面的掘进延伸,及时进行锚喷支护。锚喷支护滞后开挖工作面不少于3050m

(3)洞室支护按初喷、锚固、复喷的顺序施工。

(4)张拉锚杆、锚索、砂浆锚杆及随机锚杆根据情况在开挖支护工作面喷完第一层混凝土后施工。

4施工排水布置

41  洞外布置

在引水洞的各支洞洞口分别设置污水处理池处理由洞内排出的施工废水,处理能力为300m3h。污水经处理后全部排出。

42洞内布置

隧洞开挖采用意大利C6多功能快速钻机,具有超前地质预报、防突和注浆止水等作用。考虑多功能钻机注浆止水作用将减少隧洞渗水量,因此在隧洞施工布置排水设备时,地下洞室最大渗漏量按100m3h考虑。

(1)引水洞、尾水洞及其他平洞施工排水。分别在引水洞、尾水洞及其他平洞每隔1000~1500m左右布置一个约20m3集水井(50m×20m×20m),安装125080m3h污水泵,开挖的废水及渗水由设置在掌子面附近的1530m3h潜水泵抽排至集水箱,经过排水泵站加压后排出洞外,并经污水沉淀池处理后才能就近排放。

(2)其他地下洞室施工排水。其他地下洞室的施工排水在掌子面附近布置的5080m3h潜水泵抽排至外洞外的污水经沉淀池排放。

洞内落差太大时,可根据实际情况,在潜水扬程范围内设置集水井将污水分级排出。而引水洞最低位置处位于江底,此处山体渗水较大,应在此处设置集水井,用潜水泵将污水打入到施工支洞集水井内。

5不良地质段开挖安全措施

根据表l、表2及相关地质资料显示,本项目地下洞室存在一定比例的Ⅳ~V类围岩和部分洞段出现较大地下水渗漏的情况,必须进行提前预防和处理,主要出现在施工支洞、引水洞及尾水洞等。其长度约为39840m,其中:Ⅱ~Ⅲ类围岩长度为19257m,占4834%;Ⅳ类围岩长度为17103 m,占4293%;V类围岩长度为3480m,占873%。漏水量小于2000Lmin的围岩长度为18295m,占 459%;漏水量大于2000Lmin的围岩长度为6238m,占157%。因此,在Ⅳ~V类围岩和漏水量大于2000Lmin的围岩部分洞段需采取围岩超前加固和超前堵漏。

51超前地质勘探

施工过程中,当接近断层破碎带及节理发育地段时,为了准确了解地下洞室中尚未开挖岩体的地质情况,及时研究选定掌子面开挖后的支护形式,对前方可能出现的涌水、有害气体、崩塌等及时采取防范措施,改进施工方法,避免工程事故,确保人身安全。

在开挖中设超前钻探孔,水平超前钻探孔平行于隧洞轴线,布置35个超前钻探孔,位置在断面上半部中间,采用意大利CASAGRAND公司的C6型全液压旋转冲击地质钻机钻孔,孔径根据地下洞室断面大小及围岩情况为65170mm,孔深1230m(该钻机可集造孔、岩芯取样、止水、预埋注灌浆管及注浆和灌浆于一体,一次最深钻孔可达100150m。,可根据Ⅳ~V类围岩及断层破碎带的深度一次采取更深至3050m),在钻进过程中根据岩粉、岩碴、岩芯取样及钻孔的成形情况进行试验和分析,通过对钻孔内水压力的量测或抽水试验,探测各段水文地质情况,包括涌水量和水压力等,通过对岩芯分析,判断该段岩性、产状、岩层的性质和厚度、节理裂隙、断层以及岩体的结构。

(1)选择合理施丁方法。当断层破碎带内充填软塑状断层泥或特别松散的颗粒时,采取超前锚杆或超前导管以及超前管棚法超前支护,在超前支护的保护下,进行分部分层开挖。若断层地段出现大量涌水,则采取排堵结合的治理措施。

(2)采取分部开挖、分部支护;采用浅钻孔、弱爆破、多循环的施工方法,严格控制炮眼数量、深度及装药量,尽量减少爆破对围岩的振动。

(3)采取超前锚固,一掘一支护,爆破后立即喷混凝土封闭岩面,出渣后,再打系统锚杆、挂网、喷混凝土,必要时设置钢拱桥(或格栅支架)

52地下水堵漏措施

对地下水活动较严重地段,除加大工作面的排水强度外,在工作面上采用C6型全液压旋转冲击地质钻机钻孔,钻孔的深度可根据C6型地质钻机显示的回水减弱到压力,最长水平深度不超过80m,上斜45°,孔深不超过60m,并采用该钻机进行导管预注浆或全封闭深孔固结止水注浆进行综合治理。可提前在隧洞的掌子面用Ф101~125mm的钻机凿3~512~30m的超前勘探钻孔(根据透水层的深度一次采取更深至30~50m),以及用Ф101~125mm的钻机沿拱顶和便墙凿一排辐射灌浆孔,灌浆孔间距10~15m,孔深120~300m,钻孔角度向岩壁内倾斜5°~15°的超前勘探钻孔进行灌浆处理。

53跨越岩爆洞段的措施

由于本工程地下隧洞的埋藏深度均很深,其最大深度达到2000余米,属于高应力区,极有可能产生岩爆,对可能发生岩爆的洞段拟才取如下措施:

1)采取超前钻孔卸压,在可能发生岩爆的掌子面上结合中心掏槽爆破孔钻3个孔径102mm、孔深10m左右的孔,以释放岩体中的高构造应力。

2)在可能发生岩爆的掌子面上超前钻爆掘进一个4m×4m的小导洞卸压。并喷雾洒水湿润围岩,以利应力释放。

3)采取光面爆破以减少围岩的局部应力集中区的形成。

4)加强支护工作,爆破后立即喷射混凝土,再加设锚杆和钢筋网,以尽可能减少岩层暴露时间,减少岩爆发生和确保人身安全。

54高温地段的防护措施

1)首先对地质条件进行预报,采用大功率轴流式强力风机通风,设置冷却站,工作面采用冷风机加强通风。

2)在高温地段喷雾洒水湿润围岩,以确保洞内始终处于常温状态。

6  隧洞内通风系统布置

61引水、尾水隧洞通风量计算

按最低允许风速计算风量见式(1):

Vd=60vmin×Smax               (1)

式中 Vd _____保证洞内最小风速所需风量,m3/min

     Vmin_________洞内允许最小风速,大断面隧洞不小于025m/s

             根据招标文件要求最小风速取015~03m/s

Smax__________隧洞最大断面面积,m2

单线洞:V=60vmin×Smax=60×03×82=1476m3/min

双线洞:Vd=60vmin×Smax=60×03×43=774m3/min

62竖井爆破所需风量

井深小于300m的竖井爆破后炮烟温度比气温高,有一定的自然通风作用,一般宜采用压入式通风。其工作所需量按式(2)计算:

Vw=(QS2H 2K1)13×78t       (2)

式中Vw_____竖井通风量,m3min

H______井筒最终深度,m

S______井筒断面面积,m2

K______修正系数。

调压竖井:直径107m,断面面积S=90m2;井筒深度H=(950610)2=170m,修正系数K1=1,通风散烟时间t=30min

调压竖井首先采用反井钻机掘进Ф270mm的导向孔平均进尺3Omh,第一、二次扩挖每循环进尺平均为2m

Q=2×50×045=45kg,取50kg计算。

Vw=(50×902×1702×1)13×7830=590m3min

根据上述式(2),我们做了包括国内外的几种通风方案,并经过充分考察论证,结论是:(1)国内三家通风机的总功率约为49906660kW,其通风机、风筒等购置和安装成本约为17001800万元。(2)国外两家通风机的总功率约为27902960kW,其中芬兰GIA公司的专业通风机的总功率约为2170kW,但其通风机、风筒等购置和安装成本约为25002600万元。(3)本工程地下洞室总的通风换气时间约为40万小时,其主要经济指标为运行成本。表8为各主要地下洞室的通风设施布置及比较。

通过各主要地下洞室的通风设施布置与比较,可以看出,虽然芬兰GIA公司的通风机购置和安装成本要高于国内的产品,但从装机总功率来看,芬兰GIA公司的通风机要少22003800kW,按总运行时间约40万小时计算,可节省成本约8000万元以上(还不包括少安装46630800kVA的变压器及相应的高压电缆等),而且减少了许多运行管理量。

7结语

鉴于巴基斯坦N-J项目地下洞室这样的超长隧洞在国内外都不多见,存在着复杂的地质条件风险、高应力的风险、高地温问题的风险、长隧洞施工通风排水风险、人员居住区安全问题的风险、洞室地下渗水风险、深竖井施工技术风险、外界干扰因素等。为此我们在编制技术方案的工程中,对国内外有难度的较大型水电站地下洞室施工进行了考察与调研,并请教了国内的同行专家,尤其得到了一些国内知名爆破专家的指导,深表谢意。

参考文献

[1]中国葛洲坝集团公司三峡工程施工指挥部.DLT 51352001水利水电工程爆破施工技术规范[S]

北京:中国电力出版社,2002

[2]中国工程爆破协会.GB 6722____2011爆破安全规程[S].北京:中国标准出版社,2012

[3]吴贤振,刘洪兴.井巷工程[M].北京:化学工业出版社,2011

[4]钱鸣高,石平五,许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2010

[5]中交第一公路工程局有限公司.JTG F60___2009公路隧道施工技术规范[S].北京:人民交通出版社.2009

摘自《中国爆破新进展》