天花板水电站左岸交通洞施工
岑巨鹏
（广西桂能工程咨询集团有限公司）
【摘要】 本文主要介绍了天花板水电站左岸交通洞工程开挖支护的工程特点、钻爆设计和施工情况。
【关键词】天花板水电站、交通洞、新奥法、光面爆破、控制爆破
1 概述
1.1工程概况
天花板水电站位于云南省昭通市境内的牛栏江上，是牛栏江中下游梯级规划的第七级电站。距离巧家和鲁甸县城公路里程分别为123km和57km。本工程等别为Ⅲ等工程，工程规模为中型。
天花板水电站为开发目标单一的发电工程，水电站枢纽主要由碾压混凝土拱坝、引水系统、地面厂房等部分组成。水库正常蓄水位1071.0m，总库容0.787亿m3。拱坝坝顶高程1076.8m，最大坝高113.0m。坝顶轴线展开长度159.87m。引水系统沿牛栏江右岸布置，由岸塔式进水口、引水隧洞、调压井和压力管道等组成。天花板水电站发电厂房位于右岸银槽子弯道中部凸岸，主厂房尺寸为68.5m×22.2m×45.6m (长×宽×高)，安装2台90MW混流式水轮发电机组。
为满足外部交通及大坝施工需要，在大坝左右岸坝肩高程分别布置了交通洞，交通洞设计为城门洞型，其中左岸交通洞全长341m，右岸交通洞全长1664.8m，隧洞净宽7.5m、净高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地质条件
左岸交通洞所穿过的地层为Tid2—4深灰色薄层、极薄层灰岩夹中厚层灰岩，层间夹有软弱夹层，岩层为薄层状结构，方解石胶结微裂隙发育，岩层倾角为30°~40°，K0+100~K0+220为Tid3灰黑色中厚层、厚层细晶灰岩，岩体呈厚层状结构，裂隙发育为中等，岩层倾角34°。隧洞轴线与岩层走向夹角为70°。隧洞位于地下水位线之上，埋身70m，围岩类别主要为Ⅲ、Ⅳ类围岩，其中：Ⅲ类围岩为薄层至中厚层及厚层夹薄层状致密灰岩，岩层产状N65°E/NW34°，岩体基本完整，局部稳定性差；Ⅳ类围为叶片状含泥质条带泥晶灰岩，岩层产状N65°E/NW34°，洞轴线与岩层走向夹角60°，呈薄层状结构，岩体完整性差，围岩不稳定。
2 新奥法简介
“新奥法（NATM）”不单纯是一种施工方法，也不能认为锚喷支护就是新奥法，新奥法实质是一种现代先进设计与施工的一体化方法，其基本出发点是把岩体视为连续介质,充分利用地下洞室开挖后产生变形的时间效应及围岩的自持承载能力, “适时”地予以锚喷支护,控制围岩变形, 达到洞室稳定的目的。
新奥法的要点可归纳如下：
（1）根据岩体具有的弹、塑性物理性质，研究洞室围岩的应力－应变状态，并将其变形发展控制在允许的变形压力范围内，及时施作支护，以保持围岩稳定。
（2）充分利用围岩自身承载能力，把围岩当作支护结构的基本组成部分，施作的支护将同围岩共同工作，形成承载环或承载拱。
（3）施作的支护结构应与围岩紧密结合，即要具有一定的刚度，以限制围岩变形自由发展，防止围岩松散破坏；又要具有一定的柔性，以适应围岩适当的变形，使作用在支护结构上的变形压力不致于过大。
（4）设置固定的观测系统，进行必要的反馈分析，以确定施作初期支护的有利时机和是否需要补强支护等措施。
现阶段“新奥法”设计与施工运用最多的还是“工程类比法”，即在地下洞室工程施工初期，根据拟建工程提供的水文地质斟测资料对围岩物理力学特性进行分类，参照已建成类似地下工程的经验，制定新奥法施工组织措施，针对性地选择尽量减少对围岩破坏的开挖程序、方法及实施围岩支护施工方案；并在施工过程中加强测量监查观测，根据反馈的信息及时调整开挖程序、方法和支护参数。
3 开挖、支护施工设计
天花板水电站左岸交通洞根据不同部位和地质条件的差异而采用了不同的开挖、支护程序。
3.1开挖程序设计
（1）对于Ⅲ类围岩开挖采取全断面掘进方式，该全断面开挖与常规全断面开挖有区别：即下导洞先行1~2个循环（导洞宽4.2m，高4.4m），光面爆破滞后1~2个循环进行。
（2）对于Ⅳ类围岩分两层进行开挖：上导洞先行1~2个循环，上部两侧扩挖滞后1~2个循环进行，上层贯通后再进行下部扩挖。
（3）进出口段和洞身Ⅳ类围岩采用浅孔爆破，遵循“短进尺、小药量、弱爆破”的原则，单循环进尺控制在1.5~2.5m；洞身Ⅲ类围岩采用深孔爆破，每一循环有效进尺不低于3.5m。
实施该种开挖方式的优点在于：滞后进行的光面爆破具有良好的自由面，使爆破产生的震动大大降低，既保证了周边光爆效果，又最大限度减少了对围岩的扰动；同时导洞先行可预先探明地质情况，及时调整支护方案。
3.2支护程序设计
喷锚支护与开挖平行交叉作业，岔口段、进出口段和洞身Ⅳ类围岩爆破后支护应及时跟进，洞身Ⅲ类围岩支护可滞后30~50m进行，对于出口段Ⅳ类围岩还应采取超前锚杆支护措施。
交通洞开挖、支护方案见表1：
交通洞开挖支护施工方案 表1
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工程
部位 |
围岩
分类 |
施工方法 |
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开挖方法 |
支护 |
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进
口
段 |
Ⅲ |
手风钻造孔，下导洞超前1~2循环，跟进扩挖，短进尺，小药量，弱爆破，单循环进尺1.5~2.5m，周边密孔小药量光爆 |
一次支护紧跟开挖进行 |
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洞
身
段 |
Ⅲ |
手风钻造孔，下导洞超前1~2循环，跟进扩挖，单循环进尺3.5m，周边孔光爆 |
一次支护滞后30~50m进行，局部危岩支护及时跟进 |
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Ⅳ |
手风钻造孔，上导洞超前1~2循环，两侧跟进扩挖，上层贯通后再进行下部扩挖，短进尺，小药量，弱爆破，单循环进1.5~2.5m，周边密孔小药量光爆 |
一次支护紧跟开挖进行
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|
出
口
段 |
Ⅳ |
手风钻造孔，上导洞超前1~2循环，两侧跟进扩挖，上层贯通后再进行下部扩挖，短进尺，小药量，弱爆破，单循环进1.5~2.5m，周边密孔小药量光爆 |
超前锚杆支护、一次支护紧跟开挖进行 |
4 洞室开挖
洞室的开挖，是实施新奥法的重要步骤之一。合理地利用光面爆破、控制爆破技术，使开挖面轮廓平整、准确，减少爆破对围岩的扰动破坏，维护围岩强度、稳定性和自承能力。
4.1光面爆破技术简介
光面爆破是在密孔爆破法、龟裂爆破法及缓冲爆破法等的基础上发展起来的，其基本原理是：缩小一般钻孔爆破法在炮孔周围出现的爆破破碎区，把爆破产生的裂隙降低到最低；使径向裂隙沿所希望的方向发展，形成平整的开挖面，保护岩石母体。光面爆破的技术要点如下：
（1） 应根据围岩的特点合理选择周边眼间距及周边眼最小抵抗线。
（2） 严格控制周边孔的装药量，并使药量沿炮眼均匀分布。
（3） 周边眼宜采用小直径和低爆速炸药。
（4） 采用毫秒微差顺序起爆，应使周边孔具有最好的临空面。
4.2光面爆破参数设计与选择
（1）主要参数确定
光面爆破参数一般按下列经验公式计算：
a、最小抵抗线(W)：W=(7～20)D孔
式中，W为最小抵抗线，m；D孔为钻孔直径，m。
b、光面爆破孔间距：a= (0.3～0.6)W
式中，a为爆破孔间距，m。
c、装药量一般用线装药密度Q表示，即：Q=q·a·W
式中，q为松动爆破单位炸药消耗量，0.3～0.4kg/m3。
（2）Ⅲ类围岩光面爆破参数设计
光面爆破孔距离： 50cm
光面爆破层厚度： 60 cm
钻孔深度： 4.0 m
光面爆破孔装药长度： 3.0m
光面爆破孔装药量： 480g
光面爆破孔线装药密度： 160g/m
（3）Ⅳ类围岩光面爆破参数设计
光面爆破孔距离： 40cm
光面爆破层厚度： 60 cm
钻孔深度： 2.5 m
光面爆破孔装药长度： 2.0m
光面爆破孔装药量： 240g
光面爆破孔线装药密度： 120g/m
在进行交通洞光面爆破设计时，密集系数m（亦称相对距，m=E/W，即周边孔的间距与最小抵抗线之比）一般控制在：中硬岩0.8~1.0，软岩0.5~0.8。按照光面爆破层厚度同开挖断面、岩石的性质和地质构造等的关系，在坚硬岩石的地区，光面爆破层厚度应布置薄点；在岩石松软破碎的地区，光面爆破层厚度应布置厚点。
4.3控制爆破
采用光面爆破时，爆破振动速度应小于下列值：硬岩15cm/s，中硬岩10cm/s，软岩5cm/s，以保证围岩和喷射混凝土稳定。要求的爆破振动速度是根据离开挖工作面1~2倍洞跨处测值。因此在施爆时必须控制单响药量，最大单响药量采用如下经验公式计算：
V=K(Q1/3/R)a
V：爆破地震对建筑物及地基产生的质点垂直振动速度，cm/s
K：与岩石性质、地形和爆破条件有关的系数
a：爆破地震随距离衰减系数
Q：炸药量，毫秒微差爆破时最大单响药量，kg
R：从爆破地点药量分布的几何中心至被保护对象的水平距离，m
根据围岩属中硬性偏软岩石，施工中 K取150，a取1.5；最大允许质点振动速度取10cm/s，R取20m，计算出相应最大装药量为35.55kg。施工时按最大单响药量30kg控制。
4.4装药及堵塞
（1）装药结构
采用小直径PVC管填装低爆速炸药，不偶合间隔装药，装药结构如下图所示。
Ⅲ类围岩光面爆破装药结构
Ⅳ类围岩光面爆破装药结构
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