成果文本(泄洪洞进口反坡预留保护层光面爆破施工技术研究)

泄洪洞进口反坡预留保护层光面爆破施工技术研究与应用研究成果报告中国水利水电第五工程局有限公司白鹤滩泄洪洞项目部二○一六年六月项目名称：泄洪洞进口反坡预留保护层光面爆破施工技术研究与应用负责单位：中国水利水电第五工程局有限公司参加单位：中国水利水电第五工程局有限公司项目负责人：康建荣主要完成人：中国水利水电第五工程局有限公司：康建荣田洪靳忠杨波张相明陈敏甄耀祖刘凡张云峰罗雪峰报告编写：陈敏报告审核：田洪报告批准：康建荣目录1概述 22依托工程情况介绍 42.1工程概况 42.2课题立项 53课题研究特点及难点 53.1技术特点 53.2主要创新点 53.3技术难点 64课题研究内容及主要思路 64.1课题研究的主要内容 64.2课题研究的总体思路 75研究主要成果 85.1爆破分区 85.2钻孔工艺研究及钻孔质量控制检验措施制定 85.3光面爆破设计 85.4开挖结构体型控制措施研究 95.5围岩变形观测技术 95.6承重排架的设计 105.7最终研究成果 106技术经济指标的先进性 126.1与国内外同类技术比较 126.2主要技术经济指标的先进性 127应用情况及成效 137.1推广应用情况 137.2应用成效分析 137.2.1工期效益 137.2.2经济效益 137.2.3社会效益 131概述泄洪洞进洞点桩号为0+003.0m，自0+003～0+011.95m桩号为支绞大梁反坡段，开挖结构体型顺水流方向为方形，垂直水流方向为三角形。1#、2#泄进口反坡段开挖设计高度10.75m（EL.798.25m～EL.787.5m），宽度23m，反坡设计斜长14m，反坡的坡度为1:0.83。3#泄进口反坡段开挖设计高度6.5m（EL.794.0m～EL.787.5m），宽度23m，反坡设计斜长为11.79m，反坡为变折坡，以1:8.0的坡度于0+6.95m桩号变为1:0.83，反坡的体型相比1#、2#要复杂。为保证反坡体型开挖质量，对于支绞大梁反坡施工方法、钻孔设备的选择及钻孔精度的控制及光面爆破参数选择是工程实施的一大难点。课题研究取得了以下主要成果：（1）支绞大梁反坡段施工分区：尽量减少分区施工，加快施工进度，分两区较为合理，支绞大梁周边2m范围为保护层区域，成为Ⅱ区，保护层以内的爆破区为掏槽区成为Ⅰ区。反坡段施工前，下部洞室开挖已完成，为反坡爆破开挖提供了良好临空面。（2）根据分区规划，测量依据监理审批的爆破设计进行放样，每个孔的开孔位置作出标示，并将每个孔的设计孔深标明。采用手风钻配合100Y潜孔钻钻孔，尽量一次将反坡段爆破孔全部施钻完成，分区爆破时将延后爆破的区域爆破孔采用细砂回填封堵保护。减少搭设钻孔平台搭拆次数。缩短了施工工期。（3）I区爆破孔装药、联网利用10t吊车将专业炮工吊送至794m平台进行操作；主爆孔间排距为1.5m×1m控制，孔内为MS13段延时，从中间向两侧掏槽，排与排之间通过MS3段延时，周边孔间距0.5m。周边孔装药为φ32mm药卷，间隔37cm装药，线装药密度360g/m，主爆孔装药φ32mm药卷，连续装药，每延米装药量800g/m。II区（预留2m保护层）爆破孔装药、联网利用10t吊车将专业炮工吊送至794m平台进行操作；光爆孔间距80cm，距开挖面50cm，光爆孔间距50cm。光爆孔装药φ32mm药卷，间隔37cm装药，线装药密度360g/m，主爆孔装药φ32mm药卷，连续装药，每延米装药量800g/m。（4）开挖体型控制主要通过控制钻孔等方式，钻孔时为保证开挖面的施工质量，考虑10cm技术超挖，并将斜向光爆孔的倾角向外0.6°，以减少钻杆深度施钻时的自重影响。第一个斜向边墙光爆孔贯通后，对贯通后的孔末端进行测量确定孔的坐标，进行实际孔位与设计结构线的位置对比，确定该光爆孔是否出现超挖过大或欠挖的现象。现场按照上述方法施工后，开挖面无欠挖，超挖小于20cm，满足质量要求。（5）泄洪洞进口反坡段开挖均采用钻爆法，为将爆破振动速度控制在允许值内，确保施工安全，洞内在开挖钻爆作业时有选择地进行爆破振动监测。根据监测结果选择爆破参数，控制最大单响药量，减小爆破针对对围岩及系统锚杆或其他结构物的影响。根据现场施工揭露的岩体工程地质情况，对不利的地质构造带、岩体松动带、各种不稳定因素组合形成的各种楔体等，随机补埋单点式位移计或测缝计进行位移监测。（6）泄洪洞进口反坡段开挖采用北京卓良模板有限公司十字盘支撑脚手架作为支撑体系，上部φ48mm钢管搭设施工作业平台排架，在此工程中，经过详细计算单根立杆的承载力为10吨，针对此工程作为作业平台脚手架支撑体系，按1200mm×1500mm布置十字盘脚手架是安全的。课题研究成果有力地保证了工程高效、优质和安全的施工，取得了较大的经济和社会效益，也为类似工程提供了参考。2依托工程情况介绍2.1工程概况白鹤滩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%。白鹤滩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m³。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。泄洪洞洞身为无压隧洞，由上平段和龙落尾段组成。本标段洞身工程仅包括2#、3#泄洪洞洞身以及1#泄洪洞桩号0+14m以前的洞身。泄洪洞进口工作闸门下游接明流上平段，洞身断面为城门洞形，上平段底坡为0.015，泄洪洞洞高考虑掺气后的水深及通气面积要求，断面尺寸为15m×18m(宽×高)，直墙高14.0m。1#～3#泄洪洞上平段长度分别为1908m、1846m和1710m，考虑到上平段长达1900m，在上平段中部结合施工支洞布置1条通风洞。通风洞断面尺寸9m×7.5m(宽×高)的城门洞型。2.2课题立项光面爆破是支撑新奥法原理的重要技术之一。是指通过正确选择爆破参数和合理的施工方法，分区分段微差爆破，达到爆破后轮廓线符合设计要求，临空面平整规则的一种控制爆破技术。该技术在水电大、中型工程中已普遍应用，在实施过程一般采用气腿式风钻进行造孔，短进尺爆破，钻孔深度控制在4m以内，孔径42mm～48mm之间。据调查分析位于白鹤滩水电站下游的溪洛渡水电站泄洪洞进水口也采用了弧形工作门，其反坡段采用100B潜孔钻机造光爆孔，并预留保护层整体爆破技术，但由于开挖跨度、高度及围岩条件与本工程的差异很大，可借鉴的经验有限。为保证反坡体型开挖质量，解决支铰大梁反坡施工方法、钻孔设备的选择及钻孔精度的控制及光面爆破参数等难点。我公司综合考虑后批准泄洪洞进口反坡预留保护层光面爆破施工技术研究与应用课题立项申请。3课题研究特点及难点3.1技术特点1、施工分区。2、一次钻孔、三面整体光面爆破。3、保留岩体贯穿的光爆及缓冲孔空孔，在反坡爆破前采用速凝砂浆全孔封堵。4、采用100Y型潜孔，实现14m光爆孔一次钻孔成型。3.2主要创新点1、采用预留保护层，一次钻孔、三面整体光面爆破，减少分次钻孔错台，保证开挖面平整。2、反坡段斜面光爆孔采用钻孔贯通法检测钻孔质量，便于钻孔纠偏。3、针对于3#泄进口支铰大梁反坡段保留岩体贯穿的光爆及缓冲孔空孔，在反坡爆破前采用速凝砂浆全孔封堵，确保保留岩体的整体性，减少爆破对保留岩体的振动损害。4、采用100Y型潜孔钻光爆孔及主爆孔，样架固定钻机，钻杆加扶正器，控制孔向及角度，实现14m光爆孔一次钻孔成型。3.3技术难点1.施工分区是难点支绞大梁反坡段体型较复杂，施工质量要求较高，开挖的分区既要考虑其施工的合理性，又要兼顾现场施工便宜性及施工质量。施工分区尽量少分区，减少爆破次数，减少反坡段钻孔脚手架平台的搭拆次数；爆破开挖预留周边保护层，以保证开挖面的成型质量。2.钻孔控制是难点进口支绞大梁反坡段钻孔，斜向边墙保护层光爆孔及缓冲孔为斜向孔，两侧直墙部位钻水平孔，中间正脸坡面钻进水平孔。施工时首先钻进斜向边墙的光爆孔及缓冲孔，再钻进水平孔。反坡段开挖钻孔作业通过搭设排架作为钻孔平台，钻孔设备YT-28手风钻配合100Y潜孔钻钻孔。手风钻主要对两侧直墙水平光爆孔深度小于4m的孔位进行施钻，孔径42mm；100Y潜孔钻搭设样架固定主要对反坡斜向边墙光爆孔、缓冲孔及两侧直墙水平光爆孔孔深大于4m的孔位进行施钻，孔径76mm。进口支绞大梁反坡段斜坡长度14m，坡度为1:0.83，斜向边墙保护层光爆孔及缓冲孔钻孔一次成型孔深较深，孔的后半段由于钻杆自重的原因，孔向偏差较大，难以保证成型孔的质量。其余两侧直墙水平光爆孔，孔位布置仍需测量放样确定，每个孔的孔位高程及设计孔深均应标明，注意水平孔孔底至已施工的斜向保护层边墙光爆孔及缓冲孔的孔壁水平距离不小于50cm，需要现场逐孔进行控制，防止水平孔与斜向孔的贯穿或交叉。水平孔的钻孔过程控制与斜向孔过程控制相同。测量放样对周边光爆孔钻孔时孔位偏差不大于5cm，其他炮孔的孔位偏差不大于10cm。4课题研究内容及主要思路4.1课题研究的主要内容（1）支绞大梁反坡段施工分区：尽量减少分区施工，加快施工进度，分两区较为合理，支绞大梁周边2m范围为保护层区域，成为Ⅱ区，保护层以内的爆破区为掏槽区成为Ⅰ区。反坡段施工前，下部洞室开挖已完成，为反坡爆破开挖提供了良好临空面。（2）爆破时首先对掏槽Ⅰ区施爆，爆破时Ⅱ区的爆破孔进行填砂封堵保护，Ⅰ区施爆后Ⅱ区一次三面光爆完成支绞大梁反坡段开挖。支绞大梁反坡段钻孔施工：根据分区规划，测量依据监理审批的爆破设计进行放样，每个孔的开孔位置作出标示，并将每个孔的设计孔深标明。采用手风钻配合100Y潜孔钻钻孔，尽量一次将反坡段爆破孔全部施钻完成，分区爆破时将延后爆破的区域爆破孔采用细砂回填封堵保护。减少搭设钻孔平台搭拆次数。缩短了施工工期。（3）钻孔时为保证开挖面的施工质量，考虑10cm技术超挖，并将斜向光爆孔的倾角向外0.6°，以减少钻杆深度施钻时的自重影响。第一个斜向边墙光爆孔贯通后，对贯通后的孔末端进行测量确定孔的坐标，进行实际孔位与设计结构线的位置对比，确定该光爆孔是否出现超挖过大或欠挖的现象。现场按照上述方法施工后，开挖面无欠挖，超挖小于20cm，满足质量要求。（4）支绞大梁反坡段钻孔质量控制：100Y潜孔钻搭设样架固定，钻杆的钻进方向进行校核、调整，并在钻杆上安装扶正器。钻进0.5m，1m，3m、5m、10m的阶段均采用坡度尺、锤球对钻杆进行复核。其余两侧直墙水平光爆孔，孔位布置仍需测量放样确定，每个孔的孔位高程及设计孔深均应标明，注意水平孔孔底至已施工的斜向保护层边墙光爆孔及缓冲孔的孔壁水平距离不小于50cm，现场利用卷尺进行检测，防止水平孔与斜向孔的贯穿或交叉。（5）加强围岩变形观测及爆破震动速度试验，有效的保证了反坡段的施工安全。4.2课题研究的总体思路国内针对洞室开挖，采用分区、分层开挖，光面爆破，手风钻钻光爆孔，一般进尺不大于4m，而针对于泄洪洞支绞大梁反坡段特殊体型的开挖，按照上述方式，采用手风钻分区、分层开挖时，每个循环间的错台无可避免，整个开挖面整体效果较差，且针对于支绞大梁反坡段的特殊性，一般在下部洞身开挖后进行开挖施工，这就造成了支绞大梁钻孔需搭设脚手架作为施工平台，若采用手风钻分层、分区施工时，导致了每次爆破均应进行脚手架平台的搭设、拆除作业，整个施工周期加长，导致人员、设备资源的投入增加。本次研究主要考虑合理的分层，减少爆破次数，减少脚手架搭拆次数，便于指导现场施工，保证施工质量、加快施工进度，降低成本，提高经济效益。5研究主要成果5.1爆破分区支绞大梁反坡段施工分区：尽量减少分区施工，加快施工进度，分两区较为合理，支绞大梁周边2m范围为保护层区域，成为Ⅱ区，保护层以内的爆破区为掏槽区成为Ⅰ区。反坡段施工前，下部洞室开挖已完成，为反坡爆破开挖提供了良好临空面。支铰大梁反坡段施工主要通过搭设脚手架进行钻孔，钻孔设备为100Y，通过搭设样架进行角度控制，钻孔完成后，对掏槽Ⅰ区施爆，爆破时Ⅱ区的爆破孔进行填砂封堵保护，Ⅰ区施爆后Ⅱ区一次三面光爆完成支绞大梁反坡段开挖。5.2钻孔工艺研究及钻孔质量控制检验措施制定支绞大梁反坡段钻孔施工：根据分区规划，测量依据监理审批的爆破设计进行放样，每个孔的开孔位置作出标示，并将每个孔的设计孔深标明。采用手风钻配合100Y潜孔钻钻孔，尽量一次将反坡段爆破孔全部施钻完成，分区爆破时将延后爆破的区域爆破孔采用细砂回填封堵保护。减少搭设钻孔平台搭拆次数。缩短了施工工期。钻孔时为保证开挖面的施工质量，考虑10cm技术超挖，并将斜向光爆孔的倾角向外0.6°，以减少钻杆深度施钻时的自重影响。第一个斜向边墙光爆孔贯通后，对贯通后的孔末端进行测量确定孔的坐标，进行实际孔位与设计结构线的位置对比，确定该光爆孔是否出现超挖过大或欠挖的现象。现场按照上述方法施工后，开挖面无欠挖，超挖小于20cm，满足质量要求。支绞大梁反坡段钻孔质量控制：100Y潜孔钻搭设样架固定，钻杆的钻进方向进行校核、调整，并在钻杆上安装扶正器。钻进0.5m，1m，3m、5m、10m的阶段均采用坡度尺、锤球对钻杆进行复核。其余两侧直墙水平光爆孔，孔位布置仍需测量放样确定，每个孔的孔位高程及设计孔深均应标明，注意水平孔孔底至已施工的斜向保护层边墙光爆孔及缓冲孔的孔壁水平距离不小于50cm，现场利用卷尺进行检测，防止水平孔与斜向孔的贯穿或交叉。5.3光面爆破设计I区爆破孔装药、联网利用10t吊车将专业炮工吊送至794m平台进行操作；主爆孔间排距为1.5m×1m控制，孔内为MS13段延时，从中间向两侧掏槽，排与排之间通过MS3段延时，周边孔间距0.5m。周边孔装药为φ32mm药卷，间隔37cm装药，线装药密度360g/m，主爆孔装药φ32mm药卷，连续装药，每延米装药量800g/m。II区（预留2m保护层）爆破孔装药、联网利用10t吊车将专业炮工吊送至794m平台进行操作；光爆孔间距80cm，距开挖面50cm，光爆孔间距50cm。光爆孔装药φ32mm药卷，间隔37cm装药，线装药密度360g/m，主爆孔装药φ32mm药卷，连续装药，每延米装药量800g/m。5.4开挖结构体型控制措施研究开挖体型控制主要通过控制钻孔等方式，钻孔时为保证开挖面的施工质量，考虑10cm技术超挖，并将斜向光爆孔的倾角向外0.6°，以减少钻杆深度施钻时的自重影响。第一个斜向边墙光爆孔贯通后，对贯通后的孔末端进行测量确定孔的坐标，进行实际孔位与设计结构线的位置对比，确定该光爆孔是否出现超挖过大或欠挖的现象。现场按照上述方法施工后，开挖面无欠挖，超挖小于20cm，满足质量要求。支绞大梁反坡段钻孔质量控制：100Y潜孔钻搭设样架固定，钻杆的钻进方向进行校核、调整，并在钻杆上安装扶正器。钻进0.5m，1m，3m、5m、10m的阶段均采用坡度尺、锤球对钻杆进行复核。5.5围岩变形观测技术测点的设置A：为了使测点能代表围岩表面，测点应紧靠在反坡段开挖断面B：清除测点处的松动岩石。C：测点设置完毕后立即进行初始值的测定。观测周期为：开始1-3天：3次/天。以后：1次/天。爆破震动检测泄洪洞进口反坡段开挖均采用钻爆法，为将爆破振动速度控制在允许值内，确保施工安全，洞内在开挖钻爆作业时有选择地进行爆破振动监测。根据监测结果选择爆破参数，控制最大单响药量，减小爆破针对对围岩及系统锚杆或其他结构物的影响。其他监测根据现场施工揭露的岩体工程地质情况，对不利的地质构造带、岩体松动带、各种不稳定因素组合形成的各种楔体等，随机补埋单点式位移计或测缝计进行位移监测。5.6承重排架的设计泄洪洞进口反坡段开挖采用北京卓良模板有限公司十字盘支撑脚手架作为支撑体系，上部φ48mm钢管搭设施工作业平台排架。具体范围：787.5m高程以下采用十字盘脚手架支撑体系，高度12.5m，宽度26.7m；787.5m高程以上作业平台采用φ48mm钢管搭设，高度约12.8m，宽度26.7m。在此工程中，经过详细计算单根立杆的承载力为10吨，针对此工程作为作业平台脚手架支撑体系，按1200mm×1500mm布置十字盘脚手架是安全的。5.7最终研究成果为保证反坡段开挖质量，在参考溪洛渡泄洪洞反坡段开挖施工经验基础上，总结其施工优点及施工过程中存在的问题。结合本工程实际特点，分别开展反坡段开挖爆破分区、钻孔工艺、开挖结构体型控制措施、光面爆破设计及承重排架的设计等方面的研究。采用光面爆破技术顺利完成了白鹤滩水电站泄洪洞进口反坡段的开挖施工，由于受错动带裂隙影响，进口反坡段局部因地质缺陷造成地质超挖但整体开挖半孔率达85%以上，无欠挖，平均超挖值小于20cm，提高了施工进度及施工质量，降低了施工成本。在2016年四川省工程建设系统优秀质量管理小组活动成果评选中，研究课题《提高泄洪洞进口反坡段开挖施工超欠挖验收合格率》获得QC小组活动一等奖。附表1白鹤滩水电站泄洪洞进水口反坡段超挖值统计表序号项目名称测量点位（个）各超挖值所占比例（%）备注≤10cm10cm～15cm15cm～20cm＞20cm11号进口反坡16113.3016.2021.7048.8022号进口反坡15014.0016.0021.6748.3333号进口反坡1669.7023.5025.3041.50附图1提高泄洪洞进口反坡段开挖施工超欠挖验收合格率QC成果一等奖附图2白鹤滩水电站泄洪洞进水口反坡段地质缺陷认定附图3白鹤滩水电站泄洪洞进水口反坡段开挖纵断面图附图4白鹤滩水电站泄洪洞进水口反坡段开挖完成后形象图6技术经济指标的先进性6.1与国内外同类技术比较参考溪洛渡泄洪洞反坡段开挖施工经验，总结其施工优点及施工过程中存在的问题。依托白鹤滩水电站泄洪洞进口反坡段开挖工程，结合依托工程实际特点，开展反坡段开挖施工规划、钻孔工艺、开挖结构体型控制措施、光面爆破设计及承重