第4章 开挖支护

4.1 开挖施工

4.1.1 概述

3号、4号引水隧洞西端工程开挖采用钻爆法施工，无轨运输、多工序平行作业，2007年8月15日开工，至2012年6月6日开挖全部完成。断面分为马蹄形断面和平底板马蹄形断面两种［3号引水隧洞以引（3）4+488桩号、4号引水隧洞以引（4）4+498桩号为界，以西为马蹄形断面，以东为平底板马蹄形断面］，开挖洞径13.0～14.6m。引水隧洞立面为缓坡布置，由进口底板高程1618.00m降至高程1564.70m，与上游调压室相接。其中，3号引水隧洞引（3）0+128～1+812.465桩号、4号引水隧洞引（4）0+128～1+797.26桩号洞段底坡为0%，3号引水隧洞引（3）1+812.465桩号、4号引水隧洞引（4）1+797.26桩号以东开始洞段底坡比降为0.365%。

3号引水隧洞西端最终开挖范围为引（3）0+128～5+245.771，开挖总长度5117.771m，开挖总方量为807048.62m³；4号引水隧洞西端最终开挖范围为引（4）0+128～5+096.215，开挖总长度4968.215，开挖总方量为775451.82m³。

图4.1 开挖台阶划分示意图（单位：cm）

引水隧洞分台阶开挖，以13m开挖断面为例，上断面高度8.5m，下断面高度4.5m。

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩上断面一次开挖完成，断面开挖周边无损光面爆破。Ⅱ、Ⅲ类围岩循环进尺3.0m，Ⅳ类围岩循环进尺2.0m。如图4.1所示。

在上断面开挖工作面前进至下一施工横通道前方50m左右，及时进行横通道的开挖支护。待完成横通道后，利用其作为洞内的交通通道，按照3号、4号引水隧洞顺序安排下断面开挖，以下断面开挖不影响主洞的施工交通为原则。

引水隧洞钻爆法施工过程中提前进行超前预报工作。采用多种地质预报方法相结合的综合预报方法，建立宏观超前预报，分析已掌握地质资料及已施工辅助洞的地质资料，每50～200m采用TSP技术超前预报、短距离超前钻探及孔内雷达探测三级预报、预警机制，以此分析判定引水隧洞地质变化状况，选定隧洞相应区段的掘进方法，确保隧洞施工安全高效。

4.1.2 开挖施工方法

1.开挖施工工艺流程

洞室钻爆法开挖施工工艺流程见图4.2。

图4.2 洞室钻爆法开挖施工工艺流程图

2.开挖施工方法

（1）测量放线。控制测量采用TCRA1201全站仪作导线控制网，施工测量采用TCR802全站仪配PDA、隧洞测量系统软件进行隧洞开挖炮孔放样、隧洞断面测量、随机检测超欠挖等施工测量作业，进洞施测前，测量人员提前做好炮孔放样数据资料，以便能在工作面上快速、准确地放出周边轮廓线、中心线和掏槽孔等关键炮孔所在位置，所有孔位点、线要求用红油漆在工作面上标识清楚。

（2）钻孔作业。采用三臂凿岩台车及手持风钻钻孔，孔径φ42～102mm。在布孔时尽可能避开软弱夹层，台架法施工时采用斜眼掏槽光面爆破，台车钻孔开挖时采用直眼掏槽光面爆破方式。3号、4号引水隧洞围岩大部分属坚硬岩体，较多的采用斜眼掏槽方式，Ⅱ、Ⅲ类围岩掏槽形式见图4.3，Ⅳ类围岩掏槽形式见图4.4；Ⅱ、Ⅲ类围岩上断面布孔形式见图4.5，下断面布孔形式见图4.6，爆破参数见表4.1和表4.2；Ⅳ类围岩上断面布孔形式见图4.7，下断面布孔形式见图4.8，爆破参数见表4.3和表4.4。

图4.3 Ⅱ、Ⅲ类围岩楔形掏槽爆破设计图（单位：cm）

图4.4 Ⅳ类围岩楔形掏槽爆破设计图（单位：cm）

图4.5 Ⅱ、Ⅲ类围岩上断面开挖炮孔布置图（单位：cm）

图4.6 Ⅱ、Ⅲ类围岩下断面开挖炮孔布置图

图4.7 Ⅳ类围岩上断面开挖炮孔布置图（单位：cm）

图4.8 Ⅳ类围岩下断面开挖炮孔布置图（单位：cm）

钻孔要求周边孔在设计轮廓线上开孔，轮廓线和掏槽孔的孔位偏差不大于5cm，外偏斜率不大于5cm/m，其他炮孔孔位偏差不大于10cm。若遇布孔困难，炮孔位置可适当调整，但必须保证调整后孔间距均匀布置。造孔过程中要求按“准、平、直、齐”的要求进行检查。

（3）装药、联网、爆破。每茬炮的装药量应事先进行计算和设计，爆破前按设计剂量进行装药。当炮孔出现开孔面不齐时，可根据炮孔深浅变化作相应调整。

掏槽孔、辅助孔和底孔采用耦合装药，周边孔采用不耦合装药，按照爆破试验确定起爆网络布孔和起爆顺序起爆。周边孔装药结构见图4.9。

图4.9 周边孔装药结构图

炮泥预先调配并搓成长条状备用，要求周边孔炮泥堵塞长度不小于30cm，其他各孔堵塞长度不小于20cm。

掏槽孔、辅助孔和底孔采用非电毫秒雷管分段引爆，周边孔采用导爆索引爆，起爆顺序依次为：掏槽孔→辅助孔→周边孔→底孔。联网过程中要求塑料导爆管不打死结、不弯折，塑料导爆管密封性能良好，连线时注意雷管的段位，不得错段。

（4）安全处理。爆破后进行四周围岩的安全处理，以确保进洞人员和设备的安全，由专职安全员全过程监控。对于掌子面的哑炮，用高压水冲刷掉或在哑炮周围殉爆距离之内重新钻孔，炮工装药引爆。对于掌子面、边墙及拱顶上的浮石，由经验丰富的人员先进入工作面，用长细钢钎撬掉，或可用反铲逐区域地进行清理；对于岩面破碎洞段在进行安全处理后，可先喷一层5cm厚钢纤维混凝土。出渣后再次进行安全检查及处理。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，确保设备及人员安全。对开挖面进行安全处理之后，便开始进行出渣。大断面洞室一般采用3m³或3.4m³侧卸装载机装渣，配合25t自卸汽车进行运输，将渣料运往弃渣场。出渣后，用人工或反铲对堆渣以下掌子面、边墙围岩再进行一次安全处理，清理掉浮石和危石。同时，测量人员进入现场，对开挖段进行测量，为下一循环钻爆做好准备。

4.1.3 开挖质量控制措施及效果

1.开挖质量控制措施

引水隧洞开挖质量控制措施主要采用如下几个方面。

（1）配置足够的测量人员、仪器和设备，按国家测绘标准和本工程精度要求，建立施工控制网。

（2）在引水隧洞钻爆法施工前配置足够的隧道测量系统，对所有周边孔孔位进行测量和记录，及时放出开挖轮廓线并对断面进行复核检查。该测量系统记录的钻孔孔位、方向及深度将作为判断造成超挖原因的重要依据。

（3）针对围岩类型、地质条件编制合理的施工方案，并根据现场施工情况及实施效果不断进行调整和优化。

（4）配备足够的、先进的开挖和钻爆设备，加强施工人员系统业务培训，熟练掌握开挖和钻爆技术，开挖前进行爆破试验，严格按照爆破试验确定的爆破参数进行施工，并不断优化爆破参数，保证爆破效果。

（5）施工中严格按爆破试验确定的参数控制钻孔位置，间排距、孔深、单耗及线装密度等参数。及时处理因地质和施工原因造成的超欠挖，保证开挖断面符合设计要求。

（6）钻孔的测定和开孔质量符合下列要求：钻孔孔位依据测量定出的中线、腰线及开挖轮廓线确定；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，其他炮孔孔位的偏差不得大于10cm；确保炮孔的孔底落在爆破图规定的平面上；炮孔经检查合格后，方可装药爆破。

（7）炮孔的装药、堵塞和引爆线路的联结，由经考核合格的炮工负责，并严格按爆破图的规定进行。

（8）光面爆破效果达到以下要求：残留炮孔痕迹在开挖轮廓面上均匀分布；炮孔痕迹保存率：完整岩石在80%以上，较完整和完整性差的岩石不少于50%，较破碎和破碎岩石不小于20%；相邻两孔间的岩面平整，孔壁没有明显的爆震裂隙；隧洞周边不欠挖，平均线性超挖值小于20cm；预裂爆破后必须形成贯穿连续性的裂缝。

（9）隧洞开挖及时跟进支护，保证围岩稳定；同时加强施工期围岩变形观测，并根据观测结果调整开挖支护方案，保证引水隧洞开挖质量。

（10）对于断层、软弱夹层等不利地质条件，采用“短进尺、弱爆破、强支护”的开挖方式，同时加强施工期变形观测，并根据观测结果调整开挖支护方案，确保施工质量。

（11）开挖完成后立即进行断面复测，经监理人同意后进行下道工序施工。

2.引水隧洞开挖质量效果

在开挖施工过程中，严格按照开挖质量控制措施对施工人员进行指导、监督、检查，效果明显。开挖质量检查具体表现在贯通误差和开挖质量检测成果两个方面。

（1）贯通误差。3号、4号引水隧洞工程属于超埋深，大洞径的超长水工隧道，除了要控制好洞室开挖走向的轴线方向以外，更要加强洞室开挖后的断面成型效果质量，在施工过程中，测量人员很好地控制了测量放线，在开挖工序检查验收时，现场作业人员按要求现场控制炮孔及装药量；西端引水隧洞工程开挖质量总体控制较好，整个洞段无欠挖，除溶洞、软岩、砂板岩等自身围岩较差洞段造成超挖较大以外，其余洞段超挖基本控制在设计要求范围内。3号、4号引水隧洞贯通误差见表4.5。

（2）开挖质量检测成果。在开挖过程中，对孔深、孔距等进行检查，在开挖完成后，再进行测量检查是否存在超欠挖现象，在确保无欠挖的前提下，再将建基面清理干净，由管理局、监理、设计及施工单位四方进行联合检查验收。根据测量检查结果分析本工程开挖无欠挖，超挖除溶洞、岩爆、软岩断层等部位外，其他部位总体处于合理范围。具体检测情况详见表4.6。