1 工程概述
柬埔寨沃代二级水电站工程引水隧洞全长6226.739 m,平均纵坡2.71%,隧洞设计引用流量62.0 m3/s.低压段长5391.50 m,为马蹄形断面,底宽4.5 m,洞高5 m,低压隧洞全长采用钢筋混凝土衬砌;高压段长835.239 m(其中斜井段长度167.83 m,高差125 m),为圆形断面,内径为5.0 m,高压管道分别采用钢筋混凝土、钢板衬砌.洞室总体埋深较浅,开挖直径为6 m(混凝土衬砌厚度50 cm和30 cm),主要为Ⅲ~Ⅳ类围岩,围岩为薄层至中厚层砂岩、泥质粉砂岩、泥岩,水平互层或夹层,节理发育,裂隙间夹泥.
该隧洞具有隧洞长、断面小的特点,且围岩地质情况较差,雨季地下渗水量大,在施工中存在空间有限,交叉工序多,大型机械无法运用,施工难度大,且该引水隧洞为沃代二级水电站关键线路,控制着能否按时发电的工期目标.
2 建议设计优化
经过对引水隧洞设计图深入研究,为了方便其施工,从而加快施工进度,且确保施工安全、经济,主要从以下几个方面建议设计进行了优化.
(1)考虑到引水隧洞斜井段溜碴时导井容易堵塞和衬砌混凝土等施工困难,建议设计将斜井优化为竖井或增大倾角.
(2)引水隧洞原设计开挖断面为圆型,为了开挖一次成型和石碴装运方便,建议设计将圆型开挖断面优化为马蹄型.
(3)引水隧洞不同围岩类别原设计开挖断面都为直径6.0 m的圆洞,为了衬砌混凝土施工经济和方便,减少钢模台车种类和安拆次数,建议设计优化为不同围岩类别的洞段开挖断面可不同、但衬砌后断面一致.
(4)为确保引水隧洞在施工期的安全和稳定,建议设计Ⅳ类围岩在原初期支护的基础上增加钢拱架支撑,适当增加喷锚厚度.
3 开挖施工
引水隧洞开挖采用全断面一次爆破开挖,在洞挖爆破中,欲实现良好的爆破效果,对于周边孔一般采用光面爆破措施,可使隧洞围岩所受到的爆破破坏和震动大为减轻,增加围岩的稳定和施工安全,为后续支护作业创造条件,且可有效控制洞室超欠挖问题.光爆孔内常采用间隔装药,且一般要求同时起爆,为达到同时起爆的目的,常规的方法是各光爆孔采用导爆索贯穿整个炮孔,将炸药均匀分布并捆绑在导爆索上,以此达到良好的光爆效果.但此种装药结构较为繁琐,且不是十分经济,经过项目部的仔细研究,决定采用非电雷管替代导爆索实施光面爆破 .
为确保沃代水电站引水隧洞洞室开挖的施工质量和安全,并对本工程洞室爆破施工提供科学依据,优化爆破参数,提高施工工效,根据以往类似工程洞挖施工经验,结合该工程地质情况及现场实际情况,项目部专门组织在引水隧洞及施工支洞针对不同围岩类别(Ⅲ、Ⅳ类围岩)分别进行了爆破试验.爆破钻孔采用手风钻造孔,孔径42 mm,孔深2.5 m.爆破参数根据施工规范进行设计,并会同具有丰富爆破经验的专业爆破人员结合开挖断面的地质情况,参考类似工程施工经验不断进行优化调整,主要参数.
(1)Ⅲ类围岩左右掏槽孔主孔间距3.2 m,孔底距30 cm,孔向与掌子面夹角60°,辅助掏槽孔距主孔50 cm,掏槽孔单孔装药量2.2 kg,周边孔间距47 cm,光爆孔单孔药量0.72 kg,综合单耗2.2 kg,单位面积钻孔数3.2.
(2)Ⅳ类围岩左右掏槽孔主孔间距3.6 m,孔向与掌子面夹角60°,辅助掏槽孔距主孔0.35 cm,掏槽孔单孔装药量2.1 kg,周边孔间距40 cm,光爆孔单孔药量0.27与0.36 kg交替装药,综合单耗1.02 kg,单位面积钻孔数2.23.
钻孔、装药、爆破过程严格按相关规范及爆破设计控制施工质量,爆破顺序为掏槽孔先响,辅助孔次之,周边孔最后响,周边孔的爆破顺序为顶拱及边墙等光爆孔先响,底孔再响.从爆破效果看,洞室成型较好,拱部光爆孔半孔残留率Ⅲ类围岩在90%以上,Ⅳ类围岩在80%以上,残留半孔孔壁较为完整,平整度在18 cm内,说明光爆孔线密度较为适中(边墙半孔残留较少主要是受水平岩层层理、裂隙发育影响,存在与洞室轴线夹角较小的裂隙面所致),爆破粒径及级配均较为适中,无较大或超大块石,进尺循环在2.3~2.5 m左右.
同时,采用非电雷管代替导爆索进行光面爆破也取得了一定的经济效益,以单个循环为例,周边光爆孔为40个,钻孔深度为2.5 m,采用导爆索联网,所需导爆索约为120 m,当地导爆索价格按1.04美元/米计算,折合成本为125美元;采用非电雷管爆破,需要非电雷管40个,当地非电雷管价格按1.35美元/发计算,折合成本为54美元.则每个循环可节约成本约71美元,整个引水隧洞主洞及施工支洞总长近7900 m,按平均每个循环2.5 m计算,共需3160个循环,节约火工材料成本达224360美元.同时,采用非电雷管代替导爆索后,简化了装药及联网施工程序,施工进度也得到了大大提高,正常情况下每天开挖支护可达2个循环,曾创造了单月最高进尺150 m的效率,有效保证了洞室开挖进度.但由于柬埔寨当地炸药的性能低于国内同等炸药,造成炸药单耗比国内类似工程偏高;且在地质不良段,由于岩体结构破碎,采用非电雷管进行光面爆破,其爆破效果较不理想,超挖现象较为严重.
4 初期支护
工程区域围岩结构多呈水平层状结构,厚度较薄且纵向裂隙发育,层间夹泥岩,旱季时无明显地下水活动,雨季时地下较为丰富,泥岩层多有渗水.开挖施工中,拱肩及拱脚爆破后成型较为困难,拱肩易坍塌,当拱顶围岩分层较薄时,其稳定性较差,开挖后易剥落.经参考类似工程经验,并结合工程实际地质情况,隧洞初期支护视围岩情况为超前锚杆、钢支撑、挂钢筋网、喷砼和系统锚杆的联合支护型式,Ⅲ类围岩主要采用:挂钢筋网、喷混凝土、随机锚杆的联合支护型式(设计仅拱顶支护,边墙未进行初期支护);Ⅳ、Ⅴ类围岩及不良地质段主要采用:挂钢筋网、喷混凝土、系统锚杆、钢支撑的联合支护型式(Ⅴ类围岩及不良地质段加设超前锚杆).Ⅳ和不良地质段的初期支护必须紧跟开挖掌子面,Ⅲ类围岩可迟后开挖掌子面2个循环进行.根据开挖完成的隧洞变形观测,其收敛变形均在规范允许范围内,至今也未发生任何安全事故,证明该支护结构是安全可靠的,同时也是施工较为方便的.
但部分设计未设置锚杆的洞室因雨季渗水量较大,洞室拱顶及边墙表层泥岩软化剥落而出现小范围掉块、塌方现象.拱部塌方的成因主要是由于拱部围岩水平分层较薄时,开挖爆破后,拱部开挖弧线无法形成,拱肩受开挖线切割呈三角形岩块,沿裂隙纵隙塌落后,拱部水平岩体临空跨度过大而发生坍塌.塌方一般沿洞轴线方向发展,塌方高度约1~2 m.对于该类塌方,主要采取钢拱架支护:I16工字钢拱架,结构尺寸按设计支护断面控制,拱架与岩面间采用短工字钢支撑,拱架间距1 m,打设Ф22锁脚锚杆,长度3.0 m,每侧拱脚打设三根;Ф22系统锚杆,长度3.0 m,排距与拱架相同,环向间距1.5 m,梅花形布置;挂Ф 6.5钢筋网,网格尺寸20×20 cm;喷砼,厚度应保证拱架保护层要求.边墙塌方的成因主要是由于边墙围岩泥岩层较厚时,遇水后泥岩软化、膨胀,并造成喷混凝土开裂塌落,当泥岩层塌方面积和深度较大时,可能引起上层围岩塌方.对于该类塌方,主要采取加强锚喷支护:在泥岩层上下较好岩层上各打设一排ф22系统锚杆,长度3.0 m,间距2 m,梅花形布置,锚杆间采用Ф22钢筋连接呈网状;挂钢筋网;喷砼,厚度应保证钢筋保护层要求,塌方空腔采用同级喷混凝土分层喷护回填.
5 施工机械设施
洞室开挖施工造孔设备由于洞室作业空间有限,采用机械钻机如多臂钻机等钻孔效率较低,因此项目部采用目前普遍使用的YT28手风钻,施工经验及技术均较为成熟,设备性能也较为稳定.由于洞室开挖断面小,洞室施工控制线路长,为保证开挖进度,项目部综合洞室特征及厂家设备性能等, 最终将原招投标文件中的扒渣机(LWZ160)配8 t自卸汽车的洞碴装运设备优化为侧卸式装载机(ZL40B)配5 t自卸汽车的出碴方案,并积极与装载机生产厂家进行交流协商,对装载机的高度及宽度均进行了优化,以方便在洞室有限的施工空间内迅速出碴.从开挖进度来看,每天开挖支护循环能达5 m,说明开挖设备的选型及数量配置均较为合理,为洞室开挖的迅速施工提供了充分保证.
6 配套辅助设施
地下洞室施工期间的通风排烟问题,是一个十分复杂的问题,对施工成本、进度、环境、职业健康等方面影响较大,目前地下洞室施工常用通风排烟一般采用自然通风、机械通风(压入式、吸出式及混合式)等方式.其中自然通风一般只适用于长度小于50 m的隧道或正导井法施工的敞开式竖井,由于沃代工程施工洞线较长(最大通风距离达1500 m左右),而且施工支洞与主洞交汇处、主洞均存在转弯,从施工支洞进入主洞后向上下游分出两个新的工作面,自然通风存在困难,项目部最终根据施工特点及各洞室开挖控制洞线长度分别选用2×55 kW或2×37 kW电动轴流式通风机进行机械压入式通风.通风机布置在进口部位,距洞口3.0 m以上,以免洞内排出的烟尘被再次吸入洞中,考虑到不影响隧洞拱部观测,通风管路全部布置在洞顶,通风管离工作面20 m左右(以不被爆破飞石打坏为准),其前端用废旧通风管尽量接近工作面,在洞口安装三岔控制管调节风向及风量.从施工情况来看,该方案前期因洞室线路较短,洞内通风排烟情况较为理想,施工环境较好,有效保证了施工进度及施工人员健康,通风排烟时间较短;但由于后期进入主洞时间较长,洞室线路加长后(最大通风距离达1500 m左右),该方案的通风排烟情况较不理想,通风排烟时间在3个小时以上,且由于上、下游工作面的开挖施工完成时间不一样,造成开挖爆破烟尘被吹至相邻上、下游的施工区域,建议类似工程在洞室过长时可综合考虑通风竖井、机械吸出式等通风措施.
7 结语
2011年8月15日,沃代二级电站引水隧洞全线贯通,施工进度基本符合进度计划要求,未发生安全及质量事故,洞室平均超挖控制值在20 cm内,均处于可控范围内,受到监理、业主及当地政府的一致好评.
目前国家正大力发展清洁能源战略,为了更好地配置水资源,隧洞引水工程项目会不断增加,小中型断面长隧洞更是在引水项目中普遍应用,由于其自身"小"和"长"的原因,施工难度较大,研究和探讨小断面长隧洞经济合理的施工技术,抓好每个循环环节的衔接,实现其快速施工及推广应用,对跨区域长距离的调水工程、引水发电工程、公路隧洞工程等,将起到重要的推动作用.
参考文献
[1] 浅析在隧洞掘进中利用非电雷管替代导爆索实施光爆的可行性[C].抽水蓄能电站工程建设文集,2007
