多层平行排水洞室开挖施工技术浅谈

肖丁，韩宝栓

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610213)

1 工程概况

杨房沟水电站是雅砻江中游河段一库七级开发的第六级，工程规模为Ⅰ等大(1)型的国内首个百万千瓦级EPC水电站。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，最大坝高155.00m，引水发电系统布置在河道左岸，地下厂房采用首部开发方式，电站总装机容量1500MW，安装4台375MW的混流式水轮发电机组。地下厂房排水廊道设置有上层、中层和底层3层，沿主体洞室四周布置，其中上、中两层排水廊道平面上呈封闭状，底层平面上呈半封闭状。

上层排水廊道布置在厂房顶拱以上，高程约为2011.00m～2019.00m，包括四条纵向排水廊道和两条横向排水廊道，形成环形封闭。四条纵向排水廊道中心线分别位于主厂房上游边墙25.00m、主厂房下游边墙22.50m、主变洞下游边墙18.00m、尾水调压室下游边墙30m；两条横向排水廊道分别距安装间端墙25.00m、距副厂房端墙30.00m，部分结合厂房进风洞和主变排风洞布置。排水廊道主要断面3.0m×3.2m(宽×高)，总长度为1427.89m。本层廊道内的渗水一部分通过连接廊道排入左岸灌浆排水廊道，由大坝防排系统排至河道下游，另一部分排入尾水调压室。

中层排水廊道布置在约1992.00m高程，包括三条纵向排水廊道和两条横向排水廊道，形成环形封闭。三条纵向排水廊道分别位于主副厂房上游边墙36.90m、5.40m和主副厂房下游边墙97.10m；两条横向排水廊道分别距主副厂房右端墙0+195.08m～厂右0+208.50m、左端墙厂左0+081.50m。排水廊道主要开挖断面3.0m×3.2m(宽×高)，总长度为838.38m。该层排水廊道内的渗漏水通过排水孔自流到底层排水廊道，汇入厂房渗漏集水井。

底层排水廊道布置高程为1960.00m～1958.80m，包括两条纵向排水廊道和三条横向排水廊道，一条廊道连接尾水调压室，呈半封闭状，断面尺寸3.0m×3.2m(宽×高)，总长度668.97m。

2 施工风水电布置

2.1 施工供风

地下厂房上层排水廊道开挖支护用风主要有手风钻造孔用风。根据用风需求，在水垫塘交通洞洞口处或根据工作面情况在各施工排水廊道洞口处安置空压机供风，根据施工强度考虑1～4台20m3的空压机进行供风，每个工作面一台供风量20m3的空压机。每个供风空压机位置沿排水洞布设DN108mm主管至掌子面附近，在端头设置一风包，风包上设置三个阀门，每个阀门接引DN25mm软管即可。每个工作面实际用风量12m3/min～16m3/min。

2.2 施工供水

根据施工供水总体规划布局，考虑采用低线混凝土生产系统高位水池作为供水系统，采用DN150mm供水管接引至排水廊道洞口，沿排水廊道接引DN50mm供水软管并随开挖支护进度延伸管路。

根据《水利水电工程施工组织设计手册》查询，单台手风钻用水量约为600L/h～800L/h，考虑高峰期使用6台手风钻，最大用水量为4.8m3/h，根据计算可得知输水管管径大于30mm即可，选用管径为50mm的钢管进行输水满足要求。

2.3 施工供电

施工用电主要为洞内照明、洞内排污、扒渣机出渣等用电，安装1台布置于水垫塘交通洞洞口处的1250kVA变压器以满足压气站、通风设备及照明用电，采用三相五根单芯绝缘线输送施工用电。

2.4 通风散烟

地下工程通风散烟、除尘的影响是连续性的，排水廊道洞挖通风采用布置在洞室群的大型SWEDFAN变频风机进行通风，每层排水廊道通风单独在洞口布置一台3×37kW轴流式风机进行二次通风。沿洞室敷设φ600mm软风管送风至洞内工作面。开挖面爆破后人工洒水降尘。

2.5 施工排水

排水廊道开挖时，在开挖支护过程中掌子面设置一个临时排水孔，视渗漏水情况在洞室中部设置临时集水坑，施工期间在开挖面双侧形成一条临时排水沟，施工积水经临时排水沟流入集水坑内，再经潜水泵抽排后整体排入排污系统。

3 施工工艺及方法

3.1 爆破设计

排水廊道暂按照Ⅲ类围岩设计，主要以开挖断面3.0m×3.2m为主，其他断面量小，断面相差较小，施工过程中参照执行，施工过程中根据实际情况适当调整。

(1)孔径：采用YT-28手风钻钻孔，钻孔直径不小于42mm。

(2)孔深：取单次进尺长度，光爆孔取2.2m，崩落孔、底板孔取2.4m，直孔掏槽。

(3)岩石坚固系数：根据《水利水电预算定额》使用的岩石分级，普氏岩石坚固系数f取值为10.0。

(4)单位消耗量：根据前期施工经验结合《水利水电施工组织设计》计算，开挖断面洞型宽3.0m，高3.2m的Ⅲ类围岩单位消耗量q取值2.87kg/m3。

(5)炮孔总个数：开挖断面洞型宽3.0m，高3.2m的炮孔数量50个。

(6)一次开挖循环的总药量：开挖断面洞型宽3.0m，高3.2m，Ⅲ类围岩Q=51.15kg。

(7)周边孔光面爆破参数：周边孔炮孔间距a=(15～10)D，开挖断面3.0m×3.2m取值50cm。周边孔最小抵抗线W=(7～20)D，取40cm。周边孔的个数n=L/a=18个，具体爆破参数见地下厂房排水廊道钻爆设计图(图1)。

图1 排水廊道三维透视

图2 排水廊道爆破设计

3.2 开挖进尺

地下厂房排水廊道开挖及锚杆支护采用YT28手风钻钻孔，中部直孔掏槽，周边光面爆破，全断面进行开挖。主要设计断面3.0m×3.2m(宽×高)，不能使用大型机械，掌子面出渣采用NKL-20扒渣机配合农用机动车进行，经转运至指定的临时堆渣点，然后使用25t自卸汽车运至渣场。

3.3 施工工艺

3.3.1 施工工艺流程

图3 开挖施工工艺流程

3.3.2 施工方法

3.3.2.1 测量放样

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。洞内测量控制点埋设牢固，做好防护措施，防止机械设备破坏，每一排炮要求准确放出中心十字线和周边线。

3.3.2.2 钻孔

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效果对爆破参数进行调整。造孔的质量直接影响爆破效率和周边规格，每个钻手定区域按“平、直、齐”的要求施钻，熟练的钻手负责掏槽孔和周边孔。严格按照爆破布孔图施钻，采用木杆作为参照物，做到炮孔的孔底落在同一个铅直断面上，为了减少超挖，钻进2m时周边孔的外偏角控制在2°以内。

3.3.2.3 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，严格按监理工程师批准的钻爆设计进行施作。装药严格遵守爆破安全操作规程。装药前用风冲洗钻孔，周边孔用小药卷捆绑于竹片上，形成为不连续装药。利用自制钻爆平台车作为登高设备装药，掏槽孔、崩落孔和其他爆破孔装药要堵塞良好，严格按照爆破设计图(爆破参数实施过程不断调整优化)进行装药、设置非电雷管和联线，炮孔堵塞严实。装药结束后，由值班技术员和专业炮工分区分片检查，联成起爆网络，爆破前将工作面设备、材料撤至安全位置。

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。

3.3.2.4 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，确保洞内通风除尘、散烟。

3.3.2.5 排险

通风散烟后，人工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。

3.3.2.6 出渣

掌子面出渣采用NKL-20扒渣机配合农用机动车进行，转运至指定的临时堆渣点，然后用25t自卸汽车运至渣场。

3.3.2.7 清底

下一个循环之前，人工对掌子面进行彻底的安全撬挖，把松动的危石处理干净，然后利用扒渣机把底部松渣清除干净，便于下一循环造孔。

3.3.3 施工控制要点

(1)采用光面爆破是控制开挖质量的重要因素，光面爆破的好坏将直接决定洞室开挖的优劣，因此爆破设计的不断优化是保证施工质量与精度的重要保证。

(2)钻孔孔位依据测量放线定出的开挖轮廓线确定。周边孔在断面轮廓线上开孔，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。

(3)在开挖轮廓面上，相邻两孔间的岩面平整，残留炮孔痕迹应均匀分布，残留炮孔痕迹保存率达到85%以上，孔壁表面不得有明显的爆破裂隙。

(4)相邻两茬炮之间的台阶或预裂爆破孔的最大外斜值，不应大于20cm。

3.4 避车道

排水廊道洞室较长，为方便车辆掉头通行，排水廊道每隔100m布置一个回车道，回车道布置尺寸为长6.0m，宽2.0m的梯形断面。

4 支护施工

地下厂房排水廊道支护设计采用普通砂浆锚杆、C25喷混凝土、挂网钢筋，另外根据渗漏水情况设置随机排水孔、排水横沟等措施。锚杆采用全长粘结型普通砂浆锚杆，直径φ22钢筋，水泥砂浆强度等级为M20。锚杆按照“先注浆后插杆”的程序进行施工，杆体在钢筋加工厂制作，自卸汽车运至排水洞洞口处，再由小型农用机动车运至施工现场，人工在简易平台上安装。锚杆钻孔采用手风钻，注浆采用注浆机。

4.1 总体施工方案

地下厂房排水廊道的支护分为随机支护和系统支护。对开挖掌子面不稳定块体、不利结构面、局部破碎的地方及时进行随机喷锚支护，并在随机支护的基础上，系统喷锚及时跟进，并根据开挖揭露的地质情况采取超前支护等措施。

(1)洞室开挖时，视围岩揭露情况进行临时喷护或锚杆支护。

(2)现场施工时,根据围岩揭露情况确定加强支护参数。

(3)根据设计提供的洞室地质资料，及时分析各洞段地质情况，制定相应的施工措施。

4.2 锚杆施工

4.2.1 施工工艺流程

先注浆后安装锚杆，施工工艺如图4所示。

图4 先注浆后安装锚杆施工工艺

4.2.2 施工方法

4.2.2.1 测量放线、锚孔定位

基面验收合格后，按照设计要求放好锚杆孔位、角度，并用红油漆分类做好标记，钻孔时严格控制开钻角度，按照设计图纸进行施工，严格控制质量。

4.2.2.2 钻孔、吹洗孔

锚杆钻孔采用手风钻钻孔，按设计要求施工，保证孔深。钻孔孔位偏差不大于100mm，孔深偏差不大于50mm。钻孔完成后用高压水枪或风枪将孔清洗干净，做好钻孔记录，经验收合格后用干净的水泥纸或其他物品将孔覆盖好。

4.2.2.3 锚杆安插及注浆

锚杆安插及注浆采用先注浆后安插锚杆的程序施工。锚杆施工时，砂浆按试验室提供的配比拌制，注浆时将注浆管插至孔底，然后回抽5cm～10cm，在灌浆压力下慢慢将注浆管拔出，保证注浆饱满。注浆后立即安插锚杆并将孔口用水泥纸堵塞防止浆液倒流，然后打入木楔子固定锚杆。

4.2.3 施工控制要点

(1)注浆开始或因故中断超过30min时，用水或稀水泥浆润滑注浆罐及其管路；注浆时，注浆管应插至距孔底50mm～100mm，随砂浆的注入缓慢匀速拨出。

(2)砂浆应拌和均匀，随拌随用，一次拌和的砂浆应在1h内用完，超过时间的砂浆应予以废弃。

(3)注浆完毕后，在浆液终凝前不得敲击、碰撞或施加任何其他荷载。

4.3 喷混凝土施工

地下厂房排水廊道喷C25混凝土，厚度为5cm～10cm，其中喷素混凝土厚度5cm，挂网喷混凝土厚度10cm，素混凝土一次喷护到位，挂网喷混凝土分两次进行，第一次初喷厚度5cm，复喷混凝土厚度5cm。

4.3.1 施工工艺流程

喷射混凝土与开挖、锚杆施工跟进平行交叉作业，除特殊地质段先喷后锚的程序外，其他部位均按如下工艺流程进行施工。

4.3.1.1 喷素混凝土

施工准备→岩面清洗→仓面验收→拌合运输→分层喷射→复喷处理。

4.3.1.2 挂网喷混凝土

施工准备→岩面清洗→仓面验收→挂钢筋网→拌合运输→分层喷射→复喷处理。

4.3.2 施工方法

喷混凝土施工采用高压风水联合清洗岩面，搅拌运输车从低线混凝土拌合系统运料至工作面供料，利用混凝土喷射机作业，根据不同部位的设计厚度，分一至二层施喷，喷素混凝土第Ⅰ层喷厚5cm，第Ⅱ层喷至设计厚度。

4.3.3 施工控制要点

各工序作业认真遵照设计文件和施工规范要求进行。结合以往施工经验，各工序作业要点如下。

4.3.3.1 准备工作

埋设好喷厚控制标志，作业区有足够的通风照明，喷前检查所有机械设备和管线，确保施工正常，同时做好如下材料的检测检验。

(1)水泥：选用符合国家标准的普通硅酸盐水泥，水泥标号P·O42.5，进场水泥应有生产厂家的质量证明书。

(2)骨料：细骨料应采用坚硬耐久的粗、中砂，细度模数宜大于2.5，使用时的含水率宜控制在5%～7%；粗骨料采用耐久的卵石或碎石，粒径不应大于15mm；喷混凝土中不得使用含有二氧化硅的骨料，喷混凝土的骨料级配，应满足相关规范规定。

(3)水：采用合格的施工用水。

(4)外加剂：速凝剂的质量应符合施工图纸要求并有生产厂家的质量证明书，初凝时间不应大于5min，终凝时间不应大于10min，选用外加剂应经监理人批准。

(5)钢筋网：应采用屈服强度不低于240MPa的光面钢筋网。

4.3.3.2 拌和及运输

拌和配料严格按试验确定的配合比精确配制搅拌，搅拌时间足够，拌合料用混凝土搅拌车运输施工现场。

4.3.3.3 清洗岩面

撬挖后的岩面，先用高压风水分区进行冲洗。

4.3.3.4 钢筋网

钢筋网由屈服强度为300MPa的光面钢筋(I级钢筋)加工而成。不良地质段挂网前先喷3cm～5cm厚的混凝土，再尽量紧贴岩面挂钢筋网，对有凹陷较大部位，可加设膨胀螺杆拉紧架立钢筋，再挂铺钢筋网，并与锚杆和附加插筋(或膨胀螺栓)连接牢固。

4.3.3.5 喷射要点

喷射混凝土沿一定方向分区、分块、分薄层均匀施喷，边墙应自下而上施工，避免回弹料覆盖未喷面。喷头距施喷面0.6m～1.0m，喷射推进进行有序，尽量减少回弹。

4.3.3.6 养护、检测

喷射混凝土终凝2h后，喷水养护，养护时间一般部位为7d，重要部位为14d。对喷层厚度及混凝土的强度检测，符合设计要求。

5 质量保证措施

5.1 开挖质量保证措施

(1)爆破参数的合理选择是开挖质量控制的重要环节，施工时应根据拟定的爆破参数进行爆破开挖，总结出适合各个开挖工作面的爆破参数，用于指导各作业面的施工，但各作业面在每个爆破循环之前均应根据地质超前预报探明的围岩情况及已开挖成型地段的地质揭露情况绘出爆破参数设计图。

(2)对于钻孔环节应严格控制钻进的孔深、孔的倾斜角度，保证孔口施作在设计开挖轮廓线上，孔底落在拟定面上。为达到以上要求，必须做到定人定孔定钻，严格实施工艺控制。

(3)光爆孔要求做到孔间距相等，孔向互相平行，孔底处于同一高程上。特殊要求控制的孔要求做到边钻孔，边检测，不合格的孔补钻，严禁在不合格的孔中装药放炮。

(4)钻孔施工时实行“三检”制度：首先由测量人员放出光爆孔位置，周边孔钻孔完成以后，班组先进行自检(一检)，作业队技术人员对仓面进行初步检查(二检)；经初检合格后通知质量部人员进行检查(三检)，检查合格后并如实填写相关资料，最后请监理工程师验收，合格后开出终孔证。

(5)装药是控制开挖质量的最后环节，要确保装药质量达到爆破参数要求的标准，装药前须对各钻孔进行认真清理，以确保设计孔深。在进行光爆孔的药卷安装时，采用竹片间隔绑药，确保达到设计效果。

(6)爆破后应组织作业人员对爆破后的岩面进行勘察，仔细检查爆裂面的爆破情况，光爆孔孔壁无裂纹，孔间岩石层面平顺、光滑，通过认真分析每循环爆破的效果，为下循环爆破参数的拟定提供理论依据。

5.2 锚喷支护质量保证措施

喷射混凝土施工前应先对围岩进行检查，清除松散体，对有水地段增设排水管并安设软式透水管引出喷射面外。喷混凝土前先预埋用以检验喷层厚度的样筋，喷射施工时，喷嘴应按螺旋形轨迹一圈压半圈的方式沿横向移动，层层喷射，确保厚度，使混凝土均匀，表面平整，喷嘴与喷射面尽量保持垂直，以减少回弹，确保喷混凝土的质量。

6 结语

通过杨房沟水电站排水廊道洞室开挖施工技术总结，系统阐述了多层平行排水洞室开挖布置、施工方法，经现场实践证明，有效地提高了洞室开挖的施工安全、质量、进度的难题，在后续水利工程施工中可广泛使用。