泄洪洞开挖施工技术研究

1、概述XXX水电站泄洪洞工程由泄洪洞进水口、泄洪洞洞身、出口工程、通风洞及通风竖井工程、堆积体处理等组成，泄洪洞洞身为无压隧洞，由上平段和龙落尾段组成，洞身断面为城门洞形。泄洪洞上平段底坡为0.015，衬砌后断面尺寸为15米18米(宽高)，直墙高14.0米。泄洪洞进口高程为770.0米，出口高程为650.0米。2#泄洪洞上平段桩号为泄0+0141+845.80，长度1831.8米，3#泄洪洞上平段桩号为泄0+014泄1+709.58，长度1695.58米。上平段开挖分三层开挖，其中第一层分层高度10m，第二层分层高度811米，第三层分层高度2m。开挖工程量共计1218676立方米。本工程中泄洪洞

2、第一层采用周边孔光爆技术，第二层采用边墙预裂技术，第三层采用底板保护层爆破技术。课题研究取得了以下主要成果：（1）一层开挖成果泄洪洞开挖过程中其中2#泄洪洞I层共计63单元，3#泄洪洞共计58单元，开挖单元验收合格率100%，优良共计109单元，合格12单元，优良率90.1%。围岩类别半孔率（%）最大超挖值（cm）最小超挖值（cm）平均超挖值（cm）II类围岩94.5%32.74.212.7III1类围岩94%33.13.912.3III2类围岩93.5%34.24.112.5IV类围岩92.4%38.54.513.2柱状节理洞段92.7%28.73.513.5（2）中下层开挖成果泄洪洞开挖过

3、程中其中2#泄洪洞中下层共计126单元，3#泄洪洞共计116单元，开挖单元验收合格率100%，优良共计230单元，合格12单元，优良率95%。泄洪洞中层开挖成果表围岩类别半孔率（%）最大超挖值（cm）最小超挖值（cm）平均超挖值（cm）II类围岩94.5%32.713.215.9III1类围岩94%33.115.916.3III2类围岩93.5%34.214.116.4IV类围岩92.4%38.515.517.6柱状节理洞段92.7%28.714.518.5泄洪洞保护层开挖成果表围岩类别半孔率（%）最大超挖值（cm）最小超挖值（cm）平均超挖值（cm）II类围岩95.1%28.63.812.8

4、III1类围岩94.3%31.54.113.1III2类围岩93.2%32.33.613.4IV类围岩93.5%33.54.513.6柱状节理洞段93.6%34.73.914.32依托工程情况介绍2.1 工程概况XXX水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，上游距乌东德坝址约182km，下游距溪洛渡水电站约195km，控制流域面积43.03万k，占金沙江以上流域面积的91%。XXX水电站的开发任务以发电为主，电站正常蓄水位为825.0m，水库总库容206.27亿m。枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、二道坝及水垫塘、泄洪洞、引水发电系统等建筑物组成。混凝土双曲拱坝坝顶高程834.0m，最

5、大坝高289.0m，坝身布置有6孔泄洪表孔和7孔泄洪深孔；泄洪洞共3条，均布置在左岸；电站总装机容量16000MW，左、右岸地下厂房各布置8台单机容量1000MW的水轮发电机组。泄洪洞洞身沿线为单斜地层，玄武岩岩流层产状总体为N4050E，SE1525。洞身自下游向上游依次穿过P212、P213、P214、P22、P23、P241和部分P242岩流层，岩性为杏仁状玄武岩、隐晶质玄武岩夹角砾熔岩、凝灰岩、玄武质碎屑砂岩、含灰岩角砾玄武岩等，其中P233层主要为第一类柱状节理玄武岩，P232层主要为第二类柱状节理玄武岩，P222层中下部发育3小层第二类柱状节理玄武岩，P23层顶部的P236为厚0.

6、011.3m的凝灰岩，P234顶部为厚0.10.7m的凝灰岩，P22层顶部的P224为厚0.31.75m的凝灰岩。泄洪洞上平段断层发育主要有F14、F13、F31、f104、f145、f147、f515等，断层主要为NW走向、陡倾角，断层F14、F13规模较大，宽度达0.52.5m，延伸近1km长，构造岩主要为角砾化构造岩及劈理化构造岩，局部夹断层泥。断层F31规模次之，发育宽度0.20.4m，延伸0.30.4km，其余断层规模较小，其破碎带宽度一般为1040cm；层间错动带发育有C2、C3-1及C3三条，错动带位于凝灰岩的中上部，宽560cm，主要由角砾化构造岩及劈理化构造岩组成；发育有4组

7、代表裂隙：N42W，SW80；N38W，NE85；N39E，SE21；N31E，NW73。无压上平段岩体为微新无卸荷岩体。2.2课题立项目前，国内大型隧洞玄武岩洞段开挖一般采用短进尺、弱爆破、紧支护的保守施工原则，由此工序繁多，单循环周期长、施工难度较大，不能满足工期紧张、地质条件复杂下的施工，不能有效针对性的对玄武岩洞段进行施工，洞室开挖施工期安全不能保障。通过优化开挖分层、分区，开挖支护关系，尤其是玄武岩洞段的开挖支护流程及优化预应力锚杆施工方法，可以在保证安全施工前提下提高施工进度、质量，通过优化施工程序也减少了人员设备投入、提高了经济效益。为保证泄洪洞开挖安全进度质量。解决玄武岩开挖施

8、工难点，我公司综合考虑后批准XXX泄洪洞开挖施工技术研究课题立项申请。3 课题研究特点及难点3.1技术特点（1）优化开挖分层、分区，开挖支护关系。（2）优化洞室开挖施工布置、开挖程序及方式。（3）优化爆破参数，在保证支护安全前提下，扩大爆破规模，加快开挖施工进度。（4）优化不良地质洞段施工技术。3.2主要创新点（1）洞室开挖施工布置、开挖程序及方式相对于常规洞室开挖分层，增加上层开挖分层高度；对中层梯段爆破及下层保护层开挖分区及开挖程序进行调整，以保证围岩稳定性并控制超欠挖。（2）洞挖爆破技术研究支护受开挖爆破振动的影响程度；优化爆破参数，在保证支护安全前提下，扩大爆破规模，加快开挖施工进度。

9、（3）安全支护距离常规洞段上层开挖中导洞、左右边墙、系统支护各差30m；不良地质段中导洞、左边墙、右边墙各差15m、支护紧跟作业面，加快施工进度。（4）不良地质洞段施工技术柱状节理洞段开挖进尺2.5m、提前进行拱脚锚杆/预应力锚杆施工，再进行系统支护。保证围岩稳定，加快支护进度。3.3技术难点：（1）第层开挖采用先中导洞、后两边侧墙扩挖的施工方式，侧墙扩挖滞后23个循环，呈“品”字型推进。中导洞开挖断面尺寸为10.0m10.0m（宽高），采用手风钻钻孔，周边光面爆破。侧墙厚1.30m，人工在自制钻孔平台车上钻孔，周边光面爆破。开挖循环进尺均为3m，开挖渣料均使用侧卸式装载机装自卸汽车运输至指定

10、渣场。两侧边墙扩挖时，技术超挖15cm，为第层边墙预裂架立钻机定位支架提供空间，保证第层边墙预裂质量。（2）第、层开挖、层开挖高度均为811m，采用边墙预裂、分段梯段爆破开挖的方式施工，分段长度10m。边墙预裂先于梯段开挖单独进行，使用QZJ-100Y潜孔钻机钻孔，边墙竖直预裂到底。梯段爆破使用ROC-D7型液压钻机钻孔，开挖渣料用正铲、装载机装自卸汽车运输至指定渣场。（3）第III层开挖第III层为泄洪洞底板保护层，厚2m。在第III层开挖时，采用人工配YT-28气腿钻机钻孔，底板光面爆破。开挖渣料用3m3装载机、1.6 m3反铲装25t/20t自卸汽车运输至指定渣场。（4）施工安全监测安全

11、监测目的是及时掌握地下洞室围岩在开挖施工过程中产生的变形，监控施工过程中存在的安全隐患，指导施工，检验和评价地下洞室的稳定性，并根据观测成果资料及时调整开挖方法与施工安全措施，保证施工过程的安全。主要方法：使用收敛反光板、配合全站仪进行收敛监测，反光板在同桩号对称布置或者地质围岩较差洞段。4 课题研究内容及主要思路4.1 课题研究的主要内容经技术讨论、方案会审及现场勘察实践，对玄武岩的岩体特征、可能发生的不良地质现象及开挖质量指标的难控制性有了针对性的总结并制定出有效的控制改善措施。相对于玄武岩洞段开挖支护进行有效调整：由于玄武岩段有长锚杆，需增加上层开挖分层高度，以便快速进行支护；对中层梯段

12、爆破及下层保护层开挖分区及开挖程序进行调整，以保证围岩稳定性及控制超欠挖；为加快支护及限制围岩变形，洞挖进尺及支护程序相应进行调整；改变常规预应力锚杆锚固材料，加快预应力锚杆施工时间。同时加强围岩变形观测及施工期爆破震动速度试验，为改善爆破参数及调整施工相对关系有很好地效果，有效的保证了不良地质段的施工安全、施工进度及施工质量。4.2 课题研究的总体思路国内大型隧洞玄武岩洞段均采用短进尺、弱爆破、紧支护的保守施工原则，由此工序繁多，单循环周期长、施工难度较大，不能满足工期紧张、地质条件复杂下的施工，不能有效针对性的对地质不良洞段进行施工，洞室开挖施工期安全不能保障。通过优化开挖分层、分区，开挖

13、支护关系，尤其是调整地质不良段的开挖支护流程及优化预应力锚杆施工方法，可以在保证安全施工前提下提高施工进度、质量，通过优化施工程序也减少了人员设备投入、提高经济效益。5 研究主要成果5.1层开挖5.1.1施工工作面划分泄洪洞由进口支洞分为4个工作面，即2#泄洪洞2个作业面，3#泄洪洞2个作业面；另泄洪洞由1#施工支洞分为4个工作面，即2#、3#泄洪洞上下游各1个作业面。2#泄洪洞：2-1段（泄0+130.5泄0+460，共329.5m）；2-2作业面（泄0+003泄0+130.5，共127.5m）；2-3段（泄0+460泄0+857.294，共397.3m）；2-4段（泄0+857.294泄1

14、+845.50，共988.2m）。3#泄洪洞3-1作业面（泄0+164.5泄0+480，共315.5m）；3-2作业面（泄0+003泄0+164.5，共161.5m）3-3作业面（泄0+480泄0+856.88，共376.88m）；3-3作业面（泄0+856.88泄1+709.58，共852.7m）。5.1.2施工机械 泄洪洞上平段第层开挖及临时支护均采用T28手风钻钻孔，中导洞开挖时每个作业面自制1台钻爆台车作为施工平台，两侧扩挖时左右两侧各制1台钻爆台车作为施工平台。开挖设计轮廓线采用光面爆破，PC300反铲进行危石清理，开挖石渣采用WA470（3.7m）侧卸装载机和PC300配合20t自

15、卸汽车出渣，、类围岩循环进尺3.03.5m, 类围岩循环进尺控制在2.5m左右。5.1.3 I层分层分区根据泄洪洞开挖设计断面图，泄洪洞上平段洞身开挖共分为四个断面，分别为A型(17.0m20m)、B型(17.4m20.4m)、C型(18m21m)、D型(20m23m)。由于泄洪洞开挖断面属大断面，洞身开挖采用分层开挖，项目部计划分三层开挖，即、层。根据现场实际施工情况，综合考虑预裂孔施工钻机操作空间，以B型断面为例将泄洪洞第层分层高度定为10m，其余开挖类型断面按照底板顺接即可。泄洪洞上平段第层开挖分层如下：泄洪洞上平段第层开挖分3区施工，即中导洞开挖区中区，左侧扩挖区左区、右侧扩挖区右区。

16、中导洞断面尺寸为10m宽10m高，中导洞顶拱直接开挖至设计结构边线。泄洪洞上平段第层中导洞开挖支护完成后进行两侧扩挖区开挖。另外，导洞两侧扩挖区开挖时，为便于下一层预裂施工，为钻机作业余留空间，第层边墙向外侧技术超挖30cm。5.1.4 I层施工方法a测量放线：控制测量采用全站仪做导线控制网。施工测量采用全站仪进行。测量作业由测量工程师带领专业测量人员依据施工图纸及相关规范认真进行，测量仪器必须经过鉴定后方可使用，每次钻孔前均用红油漆在掌子面上标示各施工钻孔位置，标示周边孔轮廓线。另外每班还进行一次测量检查，确保测量及开挖工序质量。洞内测量控制点埋设牢固隐蔽，做好保护，防止机械设备破坏，并定期

17、进行检验复核。b钻孔作业：洞室开挖前，首先根据围岩地质情况进行爆破设计，现场施工时，根据爆破试验对爆破参数进行调整，泄洪洞上平段第层开挖爆破设计参数详见附图。钻孔孔位根据测量放线定出的开挖轮廓线确定，周边孔在开挖轮廓线上开孔，沿轮廓线的调整范围和掏槽孔的孔位偏差不大于5cm，其他炮孔的偏差不大于10cm。炮孔造设选派熟练的操作手，严格按照设计图纸规定进行钻孔作业。各钻工分区、分部定位施钻，实行严格的钻工作业质量经济责任制。每排炮由值班技术员按爆破图的要求进行检查。为了减少超欠挖，钻孔角度要求光面爆破孔的外偏角不得大于1度，一般爆破孔不得大于2度。c装药、联线、爆破：炮孔经检查合格后，方可进行装

18、药爆破。炮孔的装药、堵塞和引爆线路的联结，由均经考核合格的炮工，严格按监理工程师批准的爆破设计成果进行施工。装药严格按照爆破安全规程，装药前用风冲洗钻孔，掏槽孔由熟练的炮工装药，周边孔用小药卷捆绑于竹片上，形成不连续装药，利用自制台车作为登高设备装药。炸药选用乳化炸药。掏槽孔、主爆孔药卷直径32mm且连续装药，光爆孔选用25药卷，间隔装药，不连续装药。二周边孔采用32药卷，连续孔装药。装药结束后，由值班技术员和专业炮工分区分片检查，联结爆破网络，爆破前将人员、工作设备、材料撤退至安全区域。最后由炮工和值班技术人员复核检查，确认无误，撤离人员和设备，炮工负责引爆。d通风散烟：爆破后启动洞口布置的

19、轴流通风机压入通风，射流风机向洞外排烟，爆破渣堆进行洒水除尘。e安全处理：通风散烟后，采用PC300反铲进洞清理危石和碎块，以确保洞内人员、设备安全。在施工过程中，经常检查已开挖洞段围岩稳定情况，清撬可能松动的岩块。f出渣泄洪洞上平段第层开挖采用侧卸式装载机配合20t自卸汽车进行出渣。g撬挖、清底下一循环前，掌子面石渣采用PC300反铲进行清底，必要时采用人工配合撬底，最后反铲清理掌子面石渣，并保证钻爆台车就位。5.1.5 I层开挖爆破参数泄洪洞I层主要采用中导洞楔形掏槽、两边边墙扩挖方式进行施工，采用手风钻造孔、孔径42mm、孔深3m，周边孔间距50cm、抵抗线60cm，辅助孔间距91.7c

20、m、抵抗线80cm，主爆孔间距为80cm，排距均为80cm，底板孔间距92cm、抵抗线70cm。周边孔采用光面爆破，利用竹片间隔25mm药卷装药，线装药密度为200g/m。辅助孔采用25mm药卷连续装药，单孔装药量1.4kg。主爆孔采用32mm药卷连续装药，单孔装药量2.1kg。掏槽孔采用32mm药卷连续装药。柱状节理洞段调整周边孔钻孔爆破参数：间距50cm、抵抗线60cm，利用竹片间隔25mm药卷装药，线装药密度为120g/m。表1 泄洪洞上平段第一层光面爆破参数表部位钻孔类型钻孔参数装药参数雷管段别装药结构孔径（mm）孔深（cm）孔距（cm）孔数（孔）药经（mm）堵塞长度（cm）每延米装药

21、量（kg/m）单孔装药量（kg）总装药量（kg）一层中导洞（区）周边孔4230035.3506525600.20.4830.24Ms13间隔装药辅助孔4230091.72825700.61.3838.64Ms11连续装药主爆孔4230093.597.448329012.1100.8Ms7、Ms9连续装药掏槽孔42904232105/70/501/63Ms1、Ms3、Ms5连续装药底边孔42300929329012.118.9Ms15连续装药一层边墙扩挖（区）周边孔4230035502725600.20.4813Ms11间隔装药辅助孔42300701325700.61.3817.94Ms7连续装

22、药主爆孔423008024329012.150.4Ms1Ms5、Ms9连续装药底边孔42300904329012.18.4Ms13连续装药注：一层开挖采用光面爆破，周边孔装填25mm药卷间隔装药，采用竹片绑扎，导爆索引爆；辅助孔采用25mm连续装药，其余爆破孔采用32mm药卷连续装药，均采用非电毫秒延迟导爆管雷管联网引爆，磁电雷管起爆。5.1.6 I层成果泄洪洞开挖过程中其中2#泄洪洞I层共计63单元，3#泄洪洞共计58单元，开挖单元验收合格率100%，优良共计109单元，合格12单元，优良率90.1%。围岩类别半孔率（%）最大超挖值（cm）最小超挖值（cm）平均超挖值（cm）II类围岩94.

23、5%32.74.212.7III1类围岩94%33.13.912.3III2类围岩93.5%34.24.112.5IV类围岩92.4%38.54.513.2柱状节理洞段92.7%28.73.513.55.2中下层开挖5.2.1工作面划分2#、3#泄洪洞上平段各自为独立的施工线路。每个泄洪洞均有进口、1#施工支洞上游面、1-2#下支洞塌顶后上下游共计4个工作面。5.2.2施工机械第II层开挖采用液压钻钻孔进行梯段爆破方式开挖，ZLC50型装载机或PC320液压反铲配20t/25t自卸汽车出渣第层采用手风钻全幅水平钻爆或根据现场半幅水平钻爆进尺，ZLC50型装载机或PC320液压反铲配20t/25

24、t自卸汽车出渣。5.2.3 、层开挖施工方法a开挖施工工艺流程泄洪洞第、层开挖施工工艺流程见下图： 图1 边墙预裂爆破施工工艺流程 图2 梯段爆破施工工艺流程b开挖主要工序施工方法泄洪洞中层预裂爆破施工开挖主要通过100Y潜孔钻机搭设样架进行固定钻孔，钻孔间距控制在80cm。梯段爆破施工主要包括以下方面：反铲扒面：采用PC220反铲对准备钻孔的作业面进行清理，挖除基岩上部的积渣以备钻孔。放线布孔：施工测量采用全站仪进行，测量由专业人员认真进行，测量仪器必须经过鉴定后方可使用，每个月进行一次测量检查，复测，确保测量控制工序质量。洞内测量控制点埋设牢固隐蔽，作好保护，防止机械设备破坏，建立由上一级

25、测量部门定期复核的制度。每排炮由测量在边墙上放出高程参照点，以控制主爆孔孔深。梯段爆破孔孔位由技术人员根据爆破设计的孔网参数在现场进行布孔，并用塑料袋或纸板对孔位进行标示，主爆孔的偏差不大于10cm。泄洪洞上平段第层梯段爆破孔及缓冲孔均采用ROCD7液压钻钻孔，钻孔直径76mm。钻孔时，在已布设好的孔位点进行开孔，倾角采用坡度尺进行控制，严格按照设计孔深钻孔。第层爆破孔采用YT-28气腿钻进行钻孔，钻孔直径42mm，位于设计轮廓线的光爆孔由测量放线确定。装药、联线、起爆：炮孔经检查合格后，方可进行装药爆破；炮孔的装药、堵塞和引爆线路的联结，由经考核合格的炮工，严格按监理工程师批准的钻爆设计成果

26、进行施作。装药严格遵守安全爆破操作规程。装药前，先用PVC管或其他工具检查炮孔有无堵孔的情况，以便及时利用钻机进行洗孔。然后由专业炮工根据爆破设计进行每孔孔内非电雷管分发。装药的炮工则根据爆破设计装药量进行装药，孔内延期雷管及时装入。装药完成后，采用炮泥进行堵孔，堵塞长度按照爆破设执行。同时，炮工根据爆破设计进行孔外网路连接。最后由炮工和值班技术员复核检查，确认无误，撤离人员和设备，炮工负责引爆。通风、散烟：爆破后起动洞口布置的大容量强力通风机通风，结合工作面水雾降尘，搞好洞内通风除尘、散烟。安全处理：通风散烟后，采用PC320液压反铲进洞清理危石和碎块，以确保进入洞内的人员和设备的安全。在施

27、工过程中，经常检查已开挖洞段的围岩稳定情况，清撬可能塌落的松动岩块。出碴：洪洞第、层开挖采用ZLC50型侧卸式装载机或PC320反铲装自卸车出碴。5.2.4非柱状节理玄武岩洞段中下层开挖爆破参数a. 泄洪洞、层预裂施工泄洪洞、层非柱状节理洞段边墙采用一次性预裂到底，底部预留50cm以避免超钻破坏底板结构面，柱状节理洞段预裂孔（光爆孔）底部以不超第层开挖面为宜。由于上层底板高程起伏较大，测量放出预裂孔孔位实际高程，再根据泄洪洞剩余开挖高度，通过计算确定孔深。 非柱状节理洞段边墙预裂孔采用100Y/100B潜孔钻造孔，孔径为90mm，孔距80cm，孔倾角89。柱状节理边墙预裂孔（光爆孔）采用100

28、Y/100B潜孔钻造孔，孔径为90mm，孔距50cm，孔倾角89。预裂孔（光爆孔）采用竹片间隔装药、导爆索引爆。b.第层梯段爆破非柱状节理洞段主爆孔孔深9.512.5m，主爆孔间距2.5m，排距2.2m，缓冲孔距预裂孔排距1.2m，采用D7液压钻钻孔，若受空间限制时，可采用100B潜孔钻造孔，孔径76mm，排距2.2m，抵抗线长度2.2m。主爆孔采用70药卷连续装药，堵塞长度250cm。缓冲孔采用2节32药卷捆绑连续装药结构，堵塞长度2.5m。c第层光面爆破第层采用手风钻钻水平孔平推开挖。孔径42mm，孔深3.5m，光爆孔间距60cm、抵抗线60cm，主爆孔间排距0.7m1.0m。爆破参数见下

29、表：泄洪洞上平段第层爆破设计5.2.5柱状节理玄武岩洞段中下层开挖爆破参数泄洪洞洞身柱状节理洞段中层开挖钻孔孔径76mm，采用中间拉槽、两边预留保护层光爆方法施工。主爆孔间距250cm、抵抗线200cm，预裂孔间距90cm、抵抗线100cm，光爆孔间距50cm、抵抗线70cm。光爆孔及预裂孔利用竹片间隔装药，主爆孔采用连续装药。拉槽区炸药单耗为0.52kg/m，两侧边墙扩挖炸药单耗为0.57kg/m。具体联网设计及爆破参数详见附表。泄洪洞洞身柱状节理洞段下层开挖主要采用手风钻钻孔，孔径42mm，孔深4m。光爆孔间距为50cm,抵抗线为70cm,主爆孔间距90cm或100cm,抵抗线110cm或

30、120cm。光面孔利用竹片间隔装药，主爆孔采用连续装药。炸药单耗为0.67kg/m。具体装药联网设计及爆破参数详见附表。5.2.6中下层开挖成果泄洪洞开挖过程中其中2#泄洪洞中下层共计126单元，3#泄洪洞共计116单元，开挖单元验收合格率100%，优良共计230单元，合格12单元，优良率95%。泄洪洞中层开挖成果表围岩类别半孔率（%）最大超挖值（cm）最小超挖值（cm）平均超挖值（cm）II类围岩94.5%32.713.215.9III1类围岩94%33.115.916.3III2类围岩93.5%34.214.116.4IV类围岩92.4%38.515.517.6柱状节理洞段92.7%28.714.518.5泄洪洞保护层开挖成果表围岩类别半孔率（%）最大超挖值（cm）最小超挖值（cm）平均超挖值（cm）II类围岩95.1%28.63.812.8III1类围岩94.3%31.54.113.1III2类围岩93.2%32.33.613.4IV类围岩93.5%33.54.513.6柱状节理洞段93.6%34.73.914.36技术经济指标的先进性6.1 与国内外同类技术比较国内大型隧洞玄武岩洞段均采用短进尺、弱爆破、紧支护的保守施工原则，由此工序繁多，单循环周期长、施工难度较大，不能满足工期紧张、地质条件复杂下的施工，不能有效针对性的对地质不良洞段