特大断面洞室爆破开挖施工方法.pdf

DWRHE水利水电工程设计2023年第42 卷第3期特大断面洞室爆破开挖施工方法窦健楠李涛摘要某特大断面导流洞洞室，开挖断面尺寸：2 0.4mx24.2m24.6mx27.3m，最大开挖高度达2 7.3m，进口方向岩石完整性较差，分为I、和IV四层进行分层分区开挖，导洞采取楔形掏槽爆破，周边孔采用小药量、密孔型的光面爆破，起爆网络采用微差起爆网络，洞内采用合理安排用水、排水、排风、供风、用电施工辅助设施的标准化布置，洞外做好所需用料的供给，结合围岩类别、施工机械特性等合理划分爆破作业区，以“开挖为先导，支护为重点”的原则，选择适宜的爆破参数及爆破网络，充分发挥了大型作业机械设备钻孔和出渣的性能。同时在施工时，施工管理人员要做好协调与安排，对施工工艺进行严格把控，施工人员做好质量控制及关键工序的验收工作，确保工程质量，特大断面导流洞洞室爆破开挖支护施工，对推动规模集群化、施工系统化、管理科学化等技术发展，为同类工程提供经验具有重要意义。关键词特大断面隧洞光面爆破爆破参数优化施工科学化管理中图分类号TV542文献标识码B文章编号1007-6980(2023)03-0001-051概况1.1工程概况某大坝施工导流设计洪水标准5 年一遇，导流流量10 38 0 m/s，泄水建筑物采用2 条导流洞导流，导流洞布置在河道左岸，从左到右依次为A、B导流洞，断面形式均采用“D”形断面，开挖断面尺寸为2 0.4m（宽）2 4.2 m（高），顶拱圆心角18 0。其中A导流洞长15 2 4.0 5 m，进口底板高程762.9m，出口底板高程7 5 8.7 0 m；B导流洞长132 7.0 2 m，进口底板高程7 6 2.9 m，出口底板高程7 5 9.7 0 m。1.2基本地质条件1.2.1地形地貌导流洞位于左岸，整体地势东高西低，高程790.51240.7m，坡度约38，出口坡度较陡，坡度约5 0，坡面无植被覆盖；进口位置沟内有季节性流水。导流洞A埋深一般15 0.3 32 0.5 m，导流洞B埋深一般130.7 2 30.6 m。1.2.2地层岩性场区大部分区域基岩裸露，部分区域分布覆盖层。导流洞按工程部位类型可分为进口段、洞身段与出口段，工程区地层岩性为第四系崩坡积（Q）地层和白垩系（K）K a m i l a 角闪石序列。第四系崩坡积（Q)地层主要岩性为碎石土，棕黄色，稍密，干。碎块石为灰黄色，岩性为麻粒岩，块石含量约40%；碎石含量约30%；细颗粒含量约30%。进口段覆盖层厚度5 8 m，出口段覆盖层厚度0.5 1.5 m。白垩系（K)Kamila角闪石序列主要有3种岩性，从上向下依次是苏长岩/辉长苏长岩、麻粒岩/变质闪长岩和角闪岩浅变质花岗岩（花岗片麻岩)或砂屑花岗岩。A、B导流洞揭露岩性为麻粒岩，灰色-青灰色，进口段与出口段呈强风化-弱风化，洞身段呈弱风化-微新。进口段、出口段边坡陡立，整体基岩出露，局部上覆5 8 m的崩坡积物覆盖层。1.2.3地质构造导流洞未见大的断层构造，开挖过程中见少量剪切带出露，进、出口段裂隙发育，岩体多呈次块状结构，单块强度较高，整体完整性较差。裂隙多张开，宽1 2 cm，充填风化岩屑。部分裂隙锈染严重，呈褐黄色。根据勘察阶段成果，导流洞区域附近地表的麻粒岩上可见很多5 5 0 cm宽的剪切带。左岸发育2 个剪切带，No.1剪切带走向NW-SE，垂直发育；No.2剪切带走向N-S或NNW-SSE，垂直-近垂直发育。洞身段岩体多呈块状-次块状结构，单块强度高，岩体完整性一般。裂隙面多平直粗糙，闭合一微张，充填风化岩屑，发育间距较大。局部裂隙密集带处呈碎裂结构，部分裂隙面因锈蚀呈褐黄色。局部洞段发育有石英岩脉，灰白色；多成组发育，普遍宽度1 2 cm，最宽可见10 cm。局部发育剪切带与裂隙密集带，发育较集中，宽度0.5 1.5 m，多DWRHE2023年第42 卷第3期水利水电工程设计组裂隙切割导致岩体破碎。由于剪切带和裂隙局部较发育，在洞顶和洞壁易组合形成大小不等的楔形块体，产生掉块，局部受软弱带控制的楔体易塌方。1.2.4围岩分类根据前期报告，导流洞A洞段Q,类围岩约占75.8%，Q 4类围岩约占2 4.2%（其中Q4上类约占18.8%，Q 4下类约占5.4%）；导流洞B洞段Q，类围岩约占7 3.3%，Q4类围岩约占2 6.7%（其中Q4类约占20.1%，Q 4下类约占6.6%)。Q,类围岩岩体多呈块状-次块状结构，岩块强度高，完整性一般。裂隙较发育，裂隙面平直粗糙，多微张，充填风化岩屑；Q4上类围岩岩体多呈次块状结构，整体完整性较差。裂隙多张开，充填风化岩屑。Q4下类围岩岩体多呈镶嵌碎裂结构，整体完整性破碎，多由剪切带及挤压带引起，带内岩石强度较低。2施工总体原则导流洞进口设置有封堵闸门，并在进口段及出口洞身过渡段采用全断面混凝土衬砌，其余洞身段底板采用1m厚混凝土衬砌，底板纵坡0.5%，边墙及顶拱采用锚杆配合喷射混凝土支护。导流洞洞室开挖断面尺寸2 0.4m24.2m24.6mx27.3m，其中进、出口衬砌洞段开挖高度达27.3m，且进口方向岩石完整性较差，分为I、和IV四层进行分层分区开挖，其中第I层开挖高度为8.3m，第层开挖高度为8.0 m，第层开挖高度为8.0 m，第IV层开挖高度为3.0 m；非衬砌洞段拟分为I、和IV四层进行开挖，其中第I层开挖高度为8.2 m，第层开挖高度为5.0 m，第层开挖高度为8.0 m，第IV层开挖高度为3.0 m。同时考虑到导流洞跨度较大，为了保证施工安全，将第I层开挖分为中导洞和两侧墙扩挖2 个阶段进行，开挖施工时，根据岩石情况确定中导洞与侧墙开挖的滞后距离，中导洞开挖爆破方式采用楔形掏槽，周边孔采用小药量、密孔型的光面爆破，起爆网络采用微差起爆网络。开挖爆破典型断面示意如图1、2 所示。3非衬砌洞段开挖施工方法第1层开挖高度8.2 m，开挖全断面宽度为20.4m，根据岩石情况计划分两序进行开挖施工，先开挖中间导洞，待中间导洞掘进3个循环后（10.5 m），再进行两侧扩挖，后续扩挖段钻孔、爆破、出渣将与中间导洞同步进行。上层开挖钻孔设备主要采用I-2I-21I-21I-3II-2II-3IV-2IVIV-3图1开挖爆破典型断面示意图（进出口衬砌洞段）I-2I-2II-21I-2图2开挖爆破典型断面示意图（非衬砌洞段）41133mm两臂凿岩台车进行钻孔施工。首期中导洞开挖宽度为9 m，位于顶拱层中部，中导洞超前于两侧扩挖3个循环即超前10.5 m。第层开挖高度5.0 m，采用中部梯段配合侧墙保护层爆破。梯段开挖前先沿保护层外侧进行预裂爆破施工，预裂孔间距1.2 m，孔深5.5 m，然后相继进行中部梯段开挖和侧墙保护层开挖。中部梯段开挖断面尺寸为14.4mx5.0m。第层开挖高度8.0 m，采用深孔梯段爆破。第IV层为底板保护层开挖，开挖高度3.0m，采用全断面开挖。4非衬砌洞段施工爆破网络及爆破参数4.1第I层爆破网络及爆破参数中导洞开挖采取楔形掏槽，周边光面爆破，钻孔直径42 mm，炸药采用Q32mm乳化药卷，毫秒非电雷管分段组网、光爆孔导爆索传爆。周边孔间距根据岩石情况采用40 6 0 cm，针对特殊地质情况可将周边孔间距调整为30 cm，并采用间隔装药爆破。爆破参数见表1，爆破网络如图3所示。窦健楠等#大断面洞室爆破开挖施工方法表1导流洞第I层爆破参数表孔深/孔数/药卷直单孔装药雷管段别/总装药部位钻孔名称孔距/mm说明mm个径/mm量/(kg/m)ms量/kg掏槽孔355050014323.0142.0掏槽孔464050014324.0356.0导流洞第I层中导洞开挖工辅助掏槽孔424087010323.2532.0程量：2 47.5 6 m；总装药量：312.2导洞主爆孔40009001 02041323.039123.0kg;线装药量：0.2 kg/m,则单位底板爆破孔400010008323.01124.0耗药量为1.2 6 kg/m3周边光爆孔4 00049044320.81135.2小计131312.2主爆孔400010001300133231739.0导流洞第I层两侧扩挖工程底板爆破孔40008201.20043231712.0量：9 1.2 8 m；总装药量：6 7.0 kg;扩挖周边光爆孔400050020320.8916.0线装药量：0.2 kg/m，则单位耗药小计3767.0量为0.7 3kg/m34900081.0900061230001600350000030030082000500500700/800t900一00800811500000001000820/10801200/1200/1200900012001200/1200/1080820图3导流洞第I层爆破网络图（单位：mm）4.2第层爆破网络及爆破参数采用ROC-T35液压型钻机或带除尘功能的ROC-D50型露天钻车进行钻爆，钻孔直径8 9 mm，主爆孔间距2.4m，排距2 m，矩形布孔，孔深5.5 m。炸药采用防水硝铵炸药，非电毫秒雷管分段“二”字形起爆。侧墙保护层开挖断面尺寸为3.0 m5.0m，采用三臂凿岩台车进行钻爆，钻孔直径42 mm，主爆破孔间距1.2 m，周边孔间距0.5 m，孔深4.0 m；炸药采用 32 mm乳化炸药，非电毫秒雷管分段组网、光爆孔导爆索传爆。4.3第层爆破网络及爆破参数采用深孔梯段爆破，KSZ-100改进型支架式潜孔钻机沿边墙垂直钻孔进行预裂爆破，钻孔直径89mm，孔间距0.9 m，孔深8.5 m；主爆破孔采用ROC-T35型液压钻机或带除尘功能的ROC-D50型露天钻车进行梯段钻爆，钻孔直径8 9 mm，孔间距2.4m，排距2 m，矩形布孔，孔深8.5 m；炸药采用防水硝铵炸药，非电毫秒雷管分段“二”形起爆。YTP-28型手持式气腿钻机进行边墙修整。4.4第IV层爆破网络及爆破参数采用 41 133mm三臂凿岩台车配合人工手风钻钻孔，浅孔爆破和水平光面爆破相结合的方式开挖。钻孔直径42 mm，炸药采用 32 mm乳化药卷，非电毫秒雷管分段组网、光爆孔导爆索传爆。爆破参数见表2，爆破网络如图4所示。5进出口衬砌洞段施工方法导流洞进口衬砌洞段长48 m，采用2 m厚混凝土全断面衬砌，其开挖断面为2 7.3m24.6m（高宽），较非衬砌洞段高度和宽度方向各增加3.1m和4.2m。根据进口段岩石情况，设计图纸在洞脸和进洞口区域采取了超前管棚支护和H200钢拱架支护，在进行洞挖施工前必须确保该区域管棚超前支护已全部完成。进口衬砌洞段（48 m）分为4层开挖，其中第I层开挖高度为8.3m，第I、层开挖高度均为8 m，DWRHE水利水电工程设计2023年第42 卷第3期表2导流洞第IV层爆破参数表钻孔名称孔深/mm孔距/mm孔数/个药卷直径/单孔装药/雷管段别/总装药量/kg说明mm(kg/m)ms主爆孔4 000127032323.01396.0循环进尺：3.5 m；开挖工底板孔400040016320.8512.8程量：2 14.2 m；总装药量：148.8kg；线装药量：0.2周边光爆孔4 00040050320.8740.0kg/m，则单位耗药量为小计98148.80.69 kg/m1.2700000t0017001.270400图4导流洞第IV层爆破网络图（单位：mm）第IV层开挖高度为3m。考虑到进口段需采用钢拱架支护，为了保证已开挖断面的稳定性，使钢拱架支护更靠近开挖掌子面，开挖方法如下。第I层先开挖中部导洞宽度为9 m，开挖进尺为1.5 2 m每循环，开挖出渣完后随即进行中导洞顶部喷射混凝土和锚杆支护，其后随即进行左、右侧墙扩挖以形成完整的开挖断面；在左右侧墙扩挖完成后首先进行喷射混凝土初喷支护，其后进行该断面钢拱架安装支护；完成该断面钢拱架支护及已开挖部位全部锚杆支护及喷混后进行下一循环中导洞开挖，其后与上述方法一致循环推进，直到将顶拱层48 m全部开挖完成为止。在第I层全部开挖完成后，返回进洞口进行第层开挖。第层开挖高度为8 m，考虑到第层开挖需保证顶部已安装钢拱架稳定，将其分3序开挖，首先进行中部槽挖，其后依次进行两侧保护层短进尺开挖。中部石方槽挖宽度为18.6 m，采用两侧预裂中部梯段爆破开挖方式，开挖循环进尺为5m。完成中部开挖以后，再进行左侧（或右侧)保护层开挖，开挖方式为设计结构轮廓线光面爆破，开挖循环进尺1.5 m。左侧（或右侧）保护层开挖完成后，首先进行混凝土岩面初喷，其后迅速对顶部已安装钢拱架进行连接延长支撑，在完成顶部钢拱架支撑以及已开挖侧锚杆和喷射混凝土支护工作后，方可开始另一侧（右侧）保护层开挖，开挖方式与前一侧一致。如此循环，直到第层全部开挖完成后，返回第层开挖。第层开挖方式与第层相同，参考上述工序执行。第IV层开挖方式基本与第I、层开挖方法相同，唯一不同的是中部槽挖开挖进尺调整为3.54m，采用水平光面爆破开挖，两侧墙扩挖与第、层一致，两侧墙分先后进行。上述开挖施工方法同时适用于其他段有钢拱架支护的洞身施工，以及导流洞出口部位，但每层的实际开挖高度可以进行适当调整。在采用该方法进行导流洞开挖时第、I V 层左右侧墙必须分为2次开挖，严禁同时扩挖两边侧墙，导致顶部已安装钢拱架基础完全脱空。侧墙开挖后，需尽快完成已安装钢拱架的延长支撑和锚杆支护，确保施工安全。6导流洞支护施工导流洞开挖施工过程中，总体支护原则为：Q3类及以下围岩每开挖一循环立即进行该段锚杆及喷射混凝土支护施工，待上一循环支护全部完成后方可进行下一循环洞挖爆破作业。Q1、Q,类围岩原则上支护工作可以滞后2 0 30 m，但不得滞后超过5 0m，同时根据每循环开挖后现场情况采取素喷混凝土或随机锚杆支护。如果开挖时遇到Q,类及以下围岩时，首先暂停施工并立即通知工程师和技术人员到现场，根据现场实际情况，确定支护措施和下一循环开挖进尺和开挖方式。导流洞开挖施工期支护主要包含所有边坡和地下洞室围岩的永久支护，以及施工期的临时支护等。其主要支护类型有：砂浆锚杆、喷射混凝土（包括喷素混凝土、钢筋网片喷射混凝土、钢纤维喷射混凝土）、型钢拱架支撑等。洞室支护工艺流程如图5 所示，洞室开挖支护典型断面如图6 所示。开挖面验收初喷锚杆加工锚杆孔钻孔锚杆安装、注浆Q,-Q,等级围岩Q,-Q,等级围岩挂网（钢拱架）复喷混凝土复喷混凝土下一循环支护施工图5洞室支护工艺流程图讯简窦健楠等#大断面洞室爆破开挖施工方法导流洞中心线锚杆,D25,L=5.0m27根 1.2 m11.259.25l1.25%12512828070.251R10000LI钢纤维喷射混凝土(t=200mm,w=g0kg/m)排水孔 3.0 m75mm钻孔1.5m人岩图6洞室开挖支护典型断面图（Q,类围岩，单位：mm）7结语本导流洞最大开挖跨度2 4.6 m，高度2 7.3m，是该工程施工的难点和重点，如何实现导流洞快速高质量的贯通对按期截流至关重要。在施工前，一定要对工程进行认真的分析，根据工程的实际情况综合考虑选择最佳的施工方法。结合现场实际条件进行施工道路规划，形成相对独立的多工作面施工。洞内合理安排用水、排水、排风、供风、用电施工辅助设施的标准化布置，洞外做好所需用料的供给，结合围岩类别、施工机械特性等合理划分爆破作业区，以“开挖为先导，支护为重点”的原则，选择适宜的爆破参数及爆破网络，充分发挥了大型作业机械设备钻孔和出渣的性能。同时在施工时，施工的管理人员一定要做好协调与安排，对施工工艺进行严格的把控，施工人员做好质量控制及关键工序的验收工作，确保工程的质量。特大断面导流洞洞室爆破开挖支护施工，对推动规模集群化、施工系统化、管理科学化等技术发展，为同类工程提供经验具有重要意义。作者简介窦健楠男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222李涛男高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222（收稿日期2023-05-26)欢迎订阅2 0 2 4年水利水电工程设计杂志中国期刊网全文上网期刊万方数据一数字化期刊群入网期刊中国学术期刊（光盘版）入编期刊中文科技期刊数据库收录期刊中国学术期刊综合评价数据库统计源期刊水利水电工程设计杂志是向国内外公开发行的技术性期刊，国际刊号ISSN1007-6980，国内刊号CN12-1246/TV，1982年创刊。：水利水电工程设计杂志以总结工程建设经验，传播先进科学技术，开展专题讨论，为水利水电工程建设服务为办刊宗旨。以设计、施工技术方案为特色，辅以地质勘测、基础处理、科学试验、水利经济、大坝安全、新技术应用和科技信息等栏目。水利水电工程设计杂志以大、中、小水利水电工程为主线，配合技术改造全方位展开报导。水利水电工程设计杂志以水利、水电、铁道、交通、建筑，及其他工程建设的技术人员、管理人员、科研人员和大专院校相关专业师生为读者对象。水利水电工程设计杂志为季刊，每季中月2 5 日出版，大16 开本，5 6 页，配以彩色封面，每期定价6.0 0 元，全年2 4.0 0 元，自办发行，亦参加全国非邮发报刊联合征订（代号9 436），并由中国国际图书贸易总公司代办向国外发行（代号46 48 Q）。汇款账户名称：天津市水力发电工程学会，账号：0 30 2 0 6 0 9 0 9 0 0 9 2 5 49 10，开户行：工行天津双水道支行。电话：[phone]，E-mail:。水利水电工程设计杂志自19 9 6 年12 月起人编中国学术期刊（光盘版），属理工C类，分检索站版和普通版。欲订购的读者请与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社联系。地址：北京清华大学邮局8 4-48 信箱，邮编：10 0 0 8 4，电话：[phone]。2023No.3Vol.42Design of Water Resources&Hydroelectric Engineering56ABSTRACTConstruction Method for Large-section Chamber Blasting ExcavationDou Jiannan,Li Tao(China Water Resources Beifang Investigation,Design and Research Co.Ltd.,Tianjin,300222)This paper presents the construction method for a large-section diversion tunnel chamber with excavation dimensions ranging from20.4 mx24.2 m to 24.6 mx27.3 m and the maximum excavation height of 27.3 m.The rock integrity in the inlet direction is poor,andthe excavation is divided into four layers,namely I,I,II,and N,for stratified excavation.The wedge-shaped slot blasting methodis adopted for the pilot tunnel,and smooth blasting with small charge and closely spaced holes for the peripheral holes.A milliseconddelayed blasting is used,and standardized arrangements of water supply,drainage,ventilation,airflow,and power supply facilitiesare set up inside the tunnel.Adequate materials supply is ensured outside the tunnel.The blasting operation areas are reasonablydivided based on rock conditions and construction machinery characteristics.Following the principle of excavation first,support asthe focus,appropriate blasting parameters and blast networks are selected to fully utilize the performance of large excavationmachinery for drlling and debris removal.In addition,effective coordination,strict process control,quality checks,and acceptanceof critical procedures are carried out by construction managers to ensure the projects quality.The construction of the large-sectiondiversion tunnel chamber excavation with blasting and support provides valuable experience for promoting the development of scaledand systematic construction and scientific management in similar projects.Key words:large-section tunnel,smooth blasting,optimization of blasting parameters,scientific construction management.Support Optimization for Increasing the Efficiency of Open TBM in a Deep Buried TunnelYang Fan,Zhang Haitao,Sun Qichen(China Water Resources Beifang Investigation,Design and Research Co.Ltd.,Tianjin,300222)Open TBM is used for the construction of a deep-buried long tunnel,and initial support pre-design for Class IV rock mass segmentsadopts the support mode of side crown bolt-shotcrete network combined with steel arch frame by reference of drill and blast method.During implementation,it is found that this support approach cannot give full play to the advantages of rapid excavation of TBM.Basedon the analysis of on-site construction conditions of open TBM,support measures are optimized.The results show that though the directinvestment in the support is relatively high,the support measures suitable for open TBM are more efficient and have better overallbenefits.Key words:tunnel,open TBM,construction efficiency,support optimization.Research and Application of Runoff Analysis Method in Areas without Flow DataWang Qi,Zheng Yonglu,Lu Jianyu(China Water Resources Beifang Investigation,Design and Research Co.Ltd.,Tianjin,300222)The analysis of runoff in areas without flow data has always been a key focus in the design of water conservancy projects.This paperpresents a coupled model for the runoff convergence in medium and small river basins in Zhejiang Province,where no flow data isavailable.The model uses daily precipitation data as input to infer daily runoff series.The results indicate that the coupled model hasthe advantages of simplicity,clear physical significance of parameters,fast and flexible computation,and relatively high fitingaccuracy.It can be applied to the runoff analysis in areas of Zhejiang Province without flow data,providing valuable references forsimilar calculations in other areas without flow data.Key words:areas without flow data,runoff analysis,two-source Xinanjiang model,linear reservoir model.Consolidation Characteristics of Viscous Coarse Particle Soil and Its Influence on Slow Shear RatesZhang Qingjian,Xu Lizhou,Zhang Fuchen,Yu Lei(China Water Resources Beifang Investigation,Design and Research Co.Ltd.,Tianjin,300222)The shear rate of viscous coarse particle soil is related to the consolidation time.To explore suitable shear rates under differentconsolidation pressures,large-scale compression tests are conducted on mixed samples of mudstone and loess.Based on theto corresponding to the consolidation degree of 90%,the consolidation characteristics of the samples and the determination method ofshear rates are studied.The results show that the consolidation coefficient of the samples decreases rapidly at first and then increasesslightly with increasing consolidation pressure,and the permeability coefficient stabilizes near the inflection pressure.Thecompression coefficient shows significant changes.The shear rate is linearly related to the consolidation coefficient.For consolidationpressures below 1 000 kPa,the shear rate shouid be determined based on the consolidation coefficient,while for pressures above 1 000kPa,a shear rate of 0.03 mm/min can be used.Key words:large-scale compression tests,consolidation coefficient,consolidation degree,shear rate.