雅砻江锦屏二级水电站东端3#洞TBM组装洞特大断面光面爆破施工技术研究

【摘 要】以雅砻江锦屏电站特大断面 TBM组装洞工程建设为背景，依据地下洞室地质岩性、围岩类别、断面尺寸、施工工艺和施工顺序，运用大断面隧道工程理论与施工方法，结合工程实际，提出了强岩爆高地应力下特大断面隧洞控制爆破必须具备的条件，经过反复现场试验，确定了大断面隧洞开挖控制爆破方案及其爆破参数，给出了“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭”的掘进原则。结果表明，按研究出的隧洞控制爆破技术方案进行高地应力条件下特大断面隧洞施工，能够保证隧洞光面爆破质量要求，同时也能保证隧洞围岩稳定和地下结构安全。

【关键词】TBM组装洞；特大断面、光面爆破；雅砻江、锦屏电站；强岩爆；短进尺、弱爆破、强支护、早封闭

1.作用原理

光面爆破的破岩机理是一个十分复杂的问题，目前仍在探索之中。尽管在理论上还不甚成熟，但在定性分析方面已有共识。一般认为，炸药起爆时，对岩体产生两种效应；二是爆炸气体膨胀做功所起的作用。光面爆破是周边眼同时起爆，各炮眼的冲击波向其四周作径向传播，相邻炮眼的冲击相遇，则产生应力波的叠加，并产生切向拉力，拉力的最大值发生在相邻炮眼中心连线的中点，当岩体的极限抗拉强度小于此拉力时，岩体便被拉裂，在炮眼中心连线上形成裂缝，随后，爆炸产物的膨胀作用使裂缝进一步扩展，形成平整的爆裂面。

2.工程简介

TBM组装洞起点里程暂时按引（3）16+110开始。组装洞长度变为165+83=248m。埋深628～843m。岩性主要为泥质灰岩和大理岩，围岩类别Ⅱ、Ⅲ类。组装洞第一种断面形式里程为引（3）16+110～15+945段，洞高25m，顶拱宽21m，下部宽度为17.2m，主要布置2*20t桥吊，通过围岩结构稳定性检算满足要求。组装洞第二种断面形式里程为引（3）5+945-15+862段，洞高27m，顶拱宽21m，下部宽度为18m，主要布置2*130t桥吊，通过围岩结构稳定性检算满足要求。

3.3#引水隧洞TBM组装洞室超大断面施工步骤

TBM组装洞开挖采用5个区段分部开挖，组装洞向上游首先开挖Ⅰ区采用既有作业面和小导洞方式开挖；当既有作业面前进10-20m后，开始施工Ⅱ、Ⅲ区；当Ⅱ、Ⅲ区掘进60-80m后，开始施工Ⅳ区（分两步）；最后施工Ⅴ区，当开挖高度太大时，可适当增加台阶作业面开挖。采用分层分部开挖的方式进行施工，综合考虑各方面因素，开挖共分为三层、五区进行。开挖顺序为：Ⅰ区→Ⅱ区→Ⅲ区→Ⅳ区→Ⅴ区。最后进行大幅面的岩壁吊车梁钢筋砼和铺底砼施工。

4.大断面洞室光面爆破施工技术方案

依据隧洞光面爆破施工理论，根据组装洞的场地条件和工程的实际开挖方法与施工顺序情况，结合勘察设计院提供的有关地质资料分析，对TBM组装洞开挖过程中控制爆破方案进行分析研究。

当Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ部分开挖完成后，第二层和第三层所形成的岩板在施工过程中必须承受自重、地应力和施工机械等荷载，第Ⅵ步开挖后形成特殊岩台面。为减少爆破对第二层开始平行施工的桥机梁混凝土损害，须严格控制第二层（第Ⅳ、Ⅴ步）和第三层（第Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ步）的爆破振动。在此重点介绍第二层（第Ⅳ、Ⅴ步）控制爆破技术，其他不做赘述。

4.1第Ⅵ步爆破设计

采用中间拉槽预裂爆破和边墙光面爆破相结合。在进行第Ⅴ步开挖时，先采用预裂爆破，形成第Ⅳ、Ⅴ步之间的预裂面，能较好的保护第Ⅴ步需要开挖形成的岩锚梁的岩面。

在第三层下落开挖施工时，根据围岩地质情况和上两层开挖的施工经验，在开挖爆破时采取台阶法施工，中间拉槽（第Ⅵ步），两侧边墙（第Ⅴ步）跟进，以此降低开挖爆破对第二层已浇砼影响。拉槽断面（第Ⅵ步）分两步开挖，首先采用预裂爆破形成预裂面，然后采用松动爆破形成中间拉槽。两侧边墙采用光面爆破，周边眼隔孔间隔装药。

4.2第Ⅴ步爆破设计

同样，采用中间拉槽预裂爆破和边墙光面爆破相结合。第Ⅴ步需要形成45°的岩台，采用微差光面爆破，后期桥机梁混凝土浇筑后岩台将承受部分混凝土自重和桥机荷载。因此，第Ⅴ步开挖对控制爆破要求最高。岩台开挖的一般要求为成型规整、岩面平整、炮眼残留率在80%以上、超挖在10cm以内、无爆破裂隙、岩面斜面符合设计要求的角度。最关键的技术是满足最佳成型和最小松动范围要求，因此要求关键措施如下：

（1）合理确定与岩台相关的分层。

（2）合理确定岩台保护层厚度。

（3）合理确定开挖爆破参数。

（4）合理确定开挖顺序及开挖方法。

4.3 控制爆破效果及其分析

按照设计的控制爆破方案进行多次爆破施工，爆破后开挖轮廓面成型规整，岩面平整、无欠挖，超挖在15cm以内，岩壁上半孔率在85%以上，岩壁看不到明显的爆破裂隙，对围岩只有轻微的破坏。采用IEM891型GZ-2B六线测振仪（配置大容量数据采集和分析系统）以及CD-1型速度传感器等设备进行振动监测，最大爆破质点振动速度不大于2cm/s。由安装锚杆应力计和反射膜片对围岩应力和位移实测结果可知，围岩应力测值变化不大，而且随着时间的推移，应力值变化很小并趋于稳定，反应出该围岩稳定，深层围岩的稳定性更好。

4.4 控制爆破降震技术分析

依据工程安全实际情况，上下洞室施工要求在作业循环上不相互影响，爆破所产生的振动不能对自身及相邻洞室造成伤害。因此，为减小爆破开挖的振动影响，爆破开挖采用光爆控制技术，钻爆开挖遵循“短进尺、弱爆破、强支护”的作业原则，边开挖边进行永临结合支护。

5.光面爆破基本要求及重要部位分析

施工建设中最主要的问题一是如何确保整个工程施工过程的人员、设备安全以及工程结构本身的安全，二是在保证安全施工的前提下如何加快施工进度，缩短工期。

5.1重要部位情况分析

5.1.1第一层开挖断面

随着上导洞和两侧扩挖施工，第一层开挖断面的系统支护也随之完成，拱顶部位的围岩已经被锚固约束。当下导洞Ⅲ部开挖时，对第一层已开挖断面的支护结构将产生爆破振动影响，必须要防止爆破震动引起上方软弱地层的坍塌。

5.1.2预留岩盘施工安全

由于上下导洞之间的预留岩盘厚度仅为11.5m，在第一层施工区大型的装载机械和运输机械在其上往复作业，也直接威胁到了下导洞的安全。

5.1.3下导洞施工区

下导洞施工区会受到第一层洞室的爆破振动影响，由于爆源在导洞的正上方，将危及下导洞顶拱部位的围岩破碎圈和松弛圈的安全稳定。

5.2光面爆破基本要求

（1）第一层的超前导洞断面积比较大（>80m2 ） ，扩挖部分的断面具备分层分排爆破设计条件，可以大大减少装药量，从而大大减小爆破震动。

（2）扩挖部分的周边眼必须按光面爆破设计和装药，若下导洞开挖爆破在上导洞的支护结构中引起的震速较大时，还可以将下导洞的周边眼按预裂爆破设计实施，以确保中间岩盘的稳定和第一层先开挖洞室结构的安全。

（3）为了确保上下导洞间的中间岩盘安全，钻爆施工必须采用微差控爆技术，为了避免爆破震动的叠加，每段之间的时间差要由爆破震动测试的结果来确定，一般情况下均应该≥200ms。

（4）为了确保中间岩盘安全，必须控制最大共同作用药量，使爆破作业在本洞和相邻洞中引起的震动速度都被控制在安全震速（v0≤8cm/s）以内。

6.结论

（1）由现场爆破振动和围岩应力及位移测试结果表明，按研究出的光面爆破技术进行施工可以保证高地应力、特大断面洞室开挖施工围岩稳定和包括洞室在内的地下结构安全。

（2）依据锦屏山体地质情况、围岩类别、断面形状与几何尺寸等因素研究出的高地应力下大洞室控制爆破技术方案是可行的，能够确保雅砻江锦屏水电站TBM组装洞超大断面轮廓及岩面开挖施工的质量要求。

（3）因隧洞断面特大，雷管分段增加，段与段之间微差时间间隔较大，致使降震效果有时不太理想，建议在需重点控制的关键部位采用高精度毫秒管雷管。

【参考文献】

[1]张继春.工程控制爆破[M].成都：西南交通大学出版社，2001.

[2]齐景岳，刘正雄，张儒林，卿光全.隧道爆破现代技术.北京：中国铁道出版社，1995.

[3]齐景岳.隧道爆破技术的回顾与展望[J].铁道建筑，2005（增）：4-7.