楊玉銀，陳長貴，陳 斌，黃 勇，張健鵬，劉志輝

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都 610066)

境外長大隧洞快速掘進施工技術

楊玉銀，陳長貴，陳 斌，黃 勇，張健鵬，劉志輝

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都 610066)

為了加快烏干達卡魯瑪水電站尾水隧洞的開挖速度，實現(xiàn)快速掘進，施工中采用了水平V形掌子面、分部楔形掏槽、合理炮孔布置、自卸車兩側(cè)同時裝渣、減少出渣運距、加快循環(huán)工序等一系列措施。結(jié)果表明：這些措施有效提高了開挖速度，加快了開挖進度，創(chuàng)造了施工支洞提前80 d進入主洞，開挖單面月進尺235.2 m(開挖斷面54.34 m2)；主洞上層開挖單面月進尺257.1 m(開挖斷面91.54 m2)，主洞下層開挖單面月進尺324.3 m(開挖斷面76.27 m2)的好成績，成功實現(xiàn)了快速掘進，確保了主洞開挖進度滿足整個工程總進度工期要求。

爆破方案優(yōu)化； 水平V形掌子面； 分部楔形掏槽； 快速掘進； 卡魯瑪尾水隧洞

卡魯瑪尾水隧洞工程是中國電建集團在烏干達承建的大型洞室工程，共兩條，總長17.315 km，開挖斷面155.7～196.48 m2，屬超長、大斷面隧洞。該工程于2013年8月15日宣布正式開工，但由于尾水隧洞施工位于烏干達國家野生動物保護區(qū)內(nèi)，征地、環(huán)評等工作異常復雜，直到2014年5月下旬，才開始陸續(xù)開工，此時工期已經(jīng)延后9個多月，但合同約定的總完工日期不能改變，尾水洞必須于2018年7月31日前全部開挖、襯砌、灌漿完畢并交付使用，否則將承擔按日計算的高額罰款。根據(jù)工期總體安排，尾水隧洞的10個主要開挖作業(yè)面必須保證上層開挖月進尺180 m以上，才能滿足總工期要求。這就對承擔尾水洞施工任務的中國水電五局卡魯瑪尾水隧洞項目部提出了更高的要求，必須優(yōu)化爆破設計、加快作業(yè)循環(huán)、合理配置施工機械、精心組織施工，以全面實現(xiàn)長大隧洞快速掘進，確保尾水洞按時完工。

1 工程概況

卡魯瑪水電站尾水隧洞工程位于烏干達境內(nèi)的卡爾揚東哥地區(qū)卡魯瑪村，距離烏干達首都坎帕拉270 km。尾水隧洞共兩條：1#尾水洞長8705.505 m，2#尾水洞長8609.625 m，開挖斷面呈平底馬蹄形，寬13.60～15.20 m，高13.45～15.05 m，圍巖主要為花崗片麻巖，以Ⅱ類圍巖為主，f=8～10，極少量Ⅲ～Ⅳ類圍巖。隧洞總開挖方量295.8萬m3、土石方明挖147.9萬m3、混凝土襯砌38.3萬m3，總投資5.9億美元，是目前世界上規(guī)模最大的尾水隧洞工程。

尾水隧洞由中國水電五局承擔的開挖任務總長14602.3 m，其中1#長7338.4 m，2#尾水洞長7263.9 m，布置8#、9#、10#三條施工支洞，共形成12個開挖作業(yè)面，各作業(yè)面具體承擔的開挖任務見表1。8#施工支洞與2#尾水洞相交于TRT(2)2+735.764，全長1167.52 m，底坡9.5%；9#施工支洞與2#尾水洞相交于TRT(2)5+463.571，全長732.68 m，底坡10.42%；10#施工支洞與2#尾水洞相交于TRT(2)8+434.940，全長415.32 m，底坡11.58%。三條支洞開挖斷面除洞口段少量(30～70 m)Ⅴ類圍巖呈馬蹄形，寬10.64 m，高9.40 m外；其余洞段為Ⅱ～Ⅳ 類圍巖，開挖斷面均呈城門洞形，寬8.16～8.44 m，高7.38～7.52 m。施工支洞圍巖主要為花崗片麻巖，Ⅱ～Ⅲ類圍巖為主，少量Ⅳ～Ⅴ類圍巖。

表 1 各支洞開挖作業(yè)面承擔開挖任務

2 快速掘進的關鍵技術和措施

為了實現(xiàn)卡魯瑪尾水隧洞快速掘進，在主洞開挖施工中主要采取了以下技術措施。

2.1 優(yōu)化爆破設計

2.1.1 爆破方案

尾水隧洞主要以Ⅱ類圍巖為主，開挖斷面寬13.60 m、高13.45 m，受開挖、支護鉆孔設備能達到的高度限制，無法采用全斷面開挖，必須采用分部開挖法，先進行上部開挖，待上部開挖完畢，再進行下部開挖。上、下部開挖均采用YT28手風鉆鉆孔，鉆孔直徑φ42 mm；周邊輪廓控制采用光面爆破；上部開挖采用水平V形掌子面[1]，掏槽方式采用分部楔形掏槽[2]，周邊孔、崩落孔的平均鉆孔深度取L=3.75 m；下部開挖所有鉆孔均采用水平孔，平均鉆孔深度取L=5.30 m；上、下部開挖均采用3.0 m3裝載機裝25 t自卸汽車出渣。

2.1.2 爆破器材

炸藥選用印度公司生產(chǎn)φ32 mm乳化炸藥，重250 g，長27 cm和中國公司生產(chǎn)φ25 mm乳化炸藥，重200 g，長35 cm；導爆索選用塑料導爆索，直徑5.4 mm，裝藥量10 g/m，爆速不小于6×103m/s；雷管選用1～14段非電毫秒雷管，8#普通工業(yè)電雷管起爆。

2.1.3 分層高度確定

上部高度不能過高或過低，過低會使下部高度過大，從而增加鉆孔爆破操作難度；過高會由于上部炸藥單耗遠遠大于下部單耗，從而增加整體開挖成本。根據(jù)經(jīng)驗，上部開挖高度宜控制在7.0～9.0 m，結(jié)合開挖設計斷面尺寸及各作業(yè)隊實際情況，8#支洞工區(qū)4個作業(yè)面上層開挖高度9.0 m、下層開挖高度4.45 m；9#支洞工區(qū)4個作業(yè)面上層開挖高度7.3 m、下層開挖高度6.15 m；10#支洞工區(qū)2個上游主要開挖作業(yè)面上層開挖高度8.2 m、下層開挖高度5.25 m。以10#支洞工區(qū)的分層高度為例介紹爆破設計情況。

2.1.4 掌子面形狀設計

良好的爆破效率，即良好的鉆孔利用率，是加快掘進速度的關鍵。對硬質(zhì)巖石而言，掌子面的形狀直接影響著鉆孔利用率的提高[1,3]，根據(jù)溫州趙山渡引水工程許岙、上安兩條隧洞開挖及10#支洞開挖成功經(jīng)驗[1,2,4]，為了有效提高硬質(zhì)巖石開挖鉆孔利用率，從而提高單循環(huán)進尺，上部開挖采用水平V形掌子面[1]，使掌子面兩側(cè)向外突出，中部向內(nèi)凹進，在水平剖面上呈“V”字形，如圖1所示，并且掌子面上部呈倒坡狀。這種水平V形掌子面可以有效提高硬巖隧洞開挖鉆孔利用率，使鉆孔利用率達到100%成為現(xiàn)實[1]。其基本作用原理是：在周邊孔、崩落孔等鉆孔深度相同的條件下，前排孔爆破后為后排孔創(chuàng)造的臨空面深度大大超過了后排孔的孔底，為后排孔爆破創(chuàng)造了良好的臨空面[1]。根據(jù)文獻[1]，水平V形掌子面要素確定如下：

(1)隧洞開挖跨度B：B=13.60 m。

(2)掌子面內(nèi)斜角ɑ斜：鑒于尾水隧洞開挖跨度較大，ɑ斜值的選取除與掏槽方式、巖石硬度、鉆孔深度有關外[1]，還應適當考慮開挖斷面跨度的影響。當開挖斷面跨度過大時，如果掌子面內(nèi)斜過深，鉆爆臺車可能與掌子面間存在較大空隙，不利于鉆孔和施工安全。根據(jù)前幾茬炮的現(xiàn)場鉆孔、爆破試驗情況，對于該尾水洞當采用楔形掏槽時，ɑ斜可取21°～25°，初次可選取ɑ斜=21°，再根據(jù)爆破效果進行調(diào)整。

2.1.5 掏槽方式設計

掏槽效果的好壞直接影響著單循環(huán)進尺，這也是加快掘進速度的關鍵因素之一。為了解決傳統(tǒng)楔形掏槽[5,6]布置形式集中，掏槽面積偏小，掏槽空腔小，環(huán)向及孔底夾制作用大，爆破困難，掏槽炸藥單耗偏高的問題，結(jié)合卡魯瑪尾水隧洞8#、9#、10#支洞采用分部楔形掏槽的成功經(jīng)驗，在主洞開挖中繼續(xù)使用了分部楔形掏槽[2]，將掏槽分為上部楔形掏槽和下部楔形掏槽兩部分，中間間隔120～140 cm，這樣即擴大了掏槽面積[7]，又盡可能減少了掏槽孔鉆孔數(shù)量，降低了掏槽炸藥單耗。尾水主洞掏槽孔布置及結(jié)構(gòu)設計如圖2所示。

2.1.6 典型炮孔布置圖

隧洞開挖合理的鉆孔布置和數(shù)量，是減少鉆孔時間，加快鉆爆速度的基本保障。尾水隧洞主洞開挖典型炮孔布置如圖2所示。上部整個掌子面僅158個炮孔，平均炮孔密度為1.73個/m2，炮孔密度相對較低，這就大大縮短了鉆孔作業(yè)時間，從而加快了掘進速度。炮孔起爆順序按照圖中標示的非電毫秒雷管段位順序，由內(nèi)向外逐層起爆，依次為：內(nèi)掏槽、外掏槽、輔助掏槽、崩落孔、周邊孔、底孔。上部掏槽和下部掏槽同一類型的掏槽孔，采用同一段位非電毫秒雷管同步起爆。

2.1.7 實施光面爆破

對于加快開挖掘進速度，邊頂拱實施光面爆破也是非常重要的。良好的光面爆破可以有效減少超挖，這就減少了出渣時間；邊頂拱成拱情況較好，就省略了爆破后的錨噴支護時間；爆破對圍巖的擾動很小，危石就比較少，從而減少了撬挖排險時間，這些都有利于加快掘進速度。周邊孔光爆參數(shù)設計如下：

孔徑D=42 mm；孔深L=375 cm；周邊光爆孔孔距取E=55 cm；抵抗線取W=50 cm。結(jié)合支洞光爆參數(shù)及主洞初期開挖光爆試驗，取線裝藥密度q=173.33 g/m。裝藥結(jié)構(gòu)：將一只L=270 cm、φ32 mm、重250 g的藥卷作為孔底加強裝藥；將L=35 cm、φ25 mm、重200 g藥卷切割成L=17.5 cm、重100 g的藥卷，用于正常裝藥段間隔裝藥，裝藥間隔距離62.5 cm。

2.1.8 典型爆破參數(shù)

尾水隧洞主洞上層開挖典型爆破設計參數(shù)，見表2。下層開挖爆破設計參數(shù)，見表3。

表 2 上層開挖典型爆破設計參數(shù)

注：上部開挖高度8.2 m，開挖斷面面積91.54 m2。炸藥單耗311.7/(91.54×3.75)=0.908 kg/m3。

表 3 下層開挖典型爆破設計參數(shù)

注：下部開挖高度5.25 m，開挖斷面面積64.16 m2，炸藥單耗120/(64.16×5.1)=0.367 kg/m3。

2.2 出渣方案優(yōu)化

2.2.1 縮短出渣運距

卡魯瑪尾水隧洞8#、9#、10#施工支洞均位于烏干達國家野生動物保護區(qū)墨金森公園內(nèi)，中標合同中的棄渣場位置位于野生動物保護區(qū)外，平均運距6.5 km，運距過長，勢必增加出渣運輸設備數(shù)量、成本，降低出渣速度。為了加快出渣速度，降低出渣成本，經(jīng)項目部與烏干達國家能礦部、國家野生動物保護局、國家環(huán)境管理署多方協(xié)調(diào)溝通，同意項目部提出的在野生動物保護區(qū)內(nèi)8#、9#、10#支洞附近設置三個棄渣場的變更方案。變更后運距：8#支洞口到8#棄渣場1060 m；9#支洞口到9#棄渣場1410 m；10#支洞口到10#棄渣場700 m。這一變更大大加快了出渣速度、有效降低了出渣成本。

2.2.2 加快裝渣速度

出渣工序是影響掘進速度的關鍵一環(huán)，按照上部開挖高度8.2 m，設計開挖斷面面積91.54 m2，每茬炮進尺3.75 m，松方系數(shù)1.4計算，超挖按照10 cm考慮，上部實際開挖面積達到93.98 m2，實際開挖松方方量達到493.40 m3。要想把這些渣料快速運走，除了足量的自卸運輸車外，裝渣速度就成了關鍵因素。尾水隧洞按照上部分層高度8.2 m計算，上層底部寬度13.32 m，下層底部寬度11.13 m，均能完全滿足兩臺裝載機和一臺自卸車并排同時裝渣作業(yè)的要求。因此，為了提高裝渣速度，決定采用兩臺3 m3側(cè)翻裝載機裝一臺25 t自卸汽車，自卸車停在底板中間，兩臺裝載機從兩側(cè)向自卸汽車裝渣，從而將裝渣速度提高一倍?，F(xiàn)場實際測算，每臺自卸車的平均裝渣方量16.0 m3，每車凈裝渣時間為3～4 min，考慮到掌子面渣料集料等各種因素影響，每車渣實際平均裝渣時間為5.0 min。

2.2.3 出渣設備配置

尾水隧洞通過8#、9#、10#施工支洞分別向1#、2#主洞上、下游共形成12個開挖作業(yè)面，其中10#支洞向下游僅164.5 m，不作為主要開挖面，因此實際上共形成了10個主要開挖作業(yè)面。每個開挖作業(yè)面出渣時，根據(jù)各作業(yè)面距渣場遠近，采用2臺3 m3側(cè)翻裝載機配5～8臺自卸汽車出渣，所有出渣設備在每個支洞施工區(qū)域范圍內(nèi)總體調(diào)配使用，必須確保出渣自卸車輛足量供應。

2.2.4 平均出渣時間

設定考慮超挖后的開挖斷面面積為S(m3)、單循環(huán)進尺為L(m)、松方系數(shù)為n、每茬炮爆破石方松方方量為V(m3)、自卸車斗容為V1(m3)、每車渣平均裝渣時間為t(min)、每茬炮出渣時間為T(min)，則每茬炮爆破石方松方方量可按公式V=SLn計算；每茬炮平均出渣時間可按T=(V/V1)·t計算，則

T=(SLn/V1)·t=(93.98×3.75×1.4/16.0)×5.0≈31×5.0=155min

2.3 加強施工通風

合理的通風設備配置，是保證洞內(nèi)出渣作業(yè)盡早開始，并確保出渣、鉆孔作業(yè)順利進行的關鍵。經(jīng)過通風計算，每個主洞開挖作業(yè)面均采用了從支洞口獨立架設風機，通過支洞向主洞內(nèi)直接壓風的通風方式,以法國科奇瑪軸流風機為主，型號選用T2-140-2×110-4、T2-160-2×160-4、T2-160-2×200-4、T2-160-45-6(用于風量不足時加力)；輔以山西巨龍軸流風機，型號為SFD-Ⅲ-N0014。實際使用證明，各作業(yè)面通風方式及風機選擇，完全滿足洞內(nèi)通風需要，爆破后通風散煙30～35 min即可開始洞內(nèi)出渣，保證了出渣作業(yè)的盡早開始。

2.4 縮短循環(huán)作業(yè)時間

為了加快開挖作業(yè)循環(huán)，縮短循環(huán)時間，項目部狠抓了工序銜接，要求每一道工序結(jié)束前半小時，下道工序人員必須提前進入現(xiàn)場，開始進行準備工作，做到人等作業(yè)面，不能出現(xiàn)作業(yè)面等人的現(xiàn)象，這一措施有效地加快了循環(huán)工序。典型上層開挖作業(yè)循環(huán)時間，見表4。

表 4 典型上層開挖作業(yè)循環(huán)時間表

2.5 精細化施工管理

在卡魯瑪尾水隧洞開挖施工中，精細化管理滲透到了掘進施工中的每一個環(huán)節(jié)，具體體現(xiàn)在：狠抓工序銜接，確保兩個工序之間不出現(xiàn)工作面等人現(xiàn)象；優(yōu)化爆破設計，選用合理的掌子面形狀和掏槽方式，同時精簡炮孔數(shù)量；按爆破設計要求布設周邊孔孔位；采用光面爆破控制超挖，減少出渣及危石處理時間；優(yōu)化出渣方案、加快裝渣速度；配置優(yōu)質(zhì)的通風排煙設備，減少通風散煙時間。以上幾項精細化管理措施在卡魯瑪尾水隧洞快速掘進施工中，起到了決定性作用，取得了較為滿意的效果。

3 應用效果

在卡魯瑪尾水隧洞開挖施工中，通過采取一系列快速掘進技術措施，完全實現(xiàn)了主洞開挖的快速掘進。以10#支洞工區(qū)1#主洞上游上層開挖作業(yè)面為例，平均單循環(huán)進尺達到3.75 m，掌子面無殘孔，鉆孔利用率達到100%成為現(xiàn)實，如圖3所示。2015年11月份，8#支洞工區(qū)1#主洞上游上層開挖創(chuàng)造了月進尺230.2 m的記錄，其上層開挖高度8.9 m、寬13.6 m，開挖斷面面積102.0 m2；10#支洞工區(qū)2#主洞上游下層開挖創(chuàng)造了25天進尺286 m的記錄，其下層開挖高度5.25 m，開挖斷面面積64.3 m2。2015年12月份，10#支洞工區(qū)1#主洞上游上層開挖創(chuàng)造了月進尺257.1 m的記錄，其上層開挖高度8.2 m、寬13.6 m，開挖斷面面積91.54 m2；9#支洞工區(qū)1#主洞上游下層開挖創(chuàng)造了月進尺324.2 m的記錄，其下層開挖高度6.15 m、開挖斷面面積76.28 m2。自2015年11月份以來，主洞的10個主要開挖作業(yè)面上層開挖能力均達到月進尺200 m以上，并且光面爆破半孔率達到90%以上；下層月開挖能力均能達到300 m以上。目前，卡魯瑪尾水隧洞主洞上、下層開挖掘進速度遠遠超過了2013年8月份中標施工組織設計階段計劃月進尺150m的預期目標，中國水電五局在非洲東部創(chuàng)造了“卡魯瑪速度”，這一開挖速度和光面爆破質(zhì)量受到了來現(xiàn)場檢查指導的中國電建集團領導、烏干達業(yè)主、印度咨詢公司的高度評價和贊譽。

4 結(jié)束語

烏干達卡魯瑪水電站尾水隧洞工程由中國水電五局承建，具有洞線長、開挖斷面大、圍巖堅硬、工期緊等特點，是典型的境外長大隧洞，能否保質(zhì)、按期履約完工，涉及到國家的形象、榮譽，因此中國水電五局抽調(diào)全局力量，組建了高效精干的項目經(jīng)理及技術專家團隊。自2014年5月下旬，各支洞明挖地表植被清理作業(yè)陸續(xù)開工以來，為了實現(xiàn)尾水隧洞的快速掘進，項目技術專家團隊攻克了多項技術難題，最終實現(xiàn)了尾水隧洞的快速掘進，在非洲東部創(chuàng)造了“卡魯瑪速度”，并且在尾水隧洞10個主要開挖作業(yè)面全面實現(xiàn)了光面爆破，半孔率達到90%以上，為中國電建集團贏得了榮譽，也為中國電建集團扎根烏干達國際市場奠定了堅實的基礎。

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Speedy Excavation Technology of Long and Big Tunnels in Overseas Projects

YANG Yu-yin,CHEN Chang-gui,CHEN Bin,HUANG Yong,ZHANG Jian-peng,LIU Zhi-hui

(Sinohydro Bureau 5 Co Ltd,Chengdu 610066,China)

In order to speed up the excavation in Uganda Karuma HPP TRT project,a series of measures were taken with adopting horizontal V-shape face,various part wedge cutting,reasonable holes layout,simultaneous loading at both sides of dump truck,shortening mucking distance and speeding cycle process.These measures showed out a high speed excavation and lead to a achievement of accessing to main tunnels with 80 days ahead of schedule where the monthly progress is 235 m with 54.34 m2section area.Monthly heading excavation in main tunnels is 257.1 m with 91.54 m2section area.And monthly benching excavation in main tunnels is 324.3 m with 76.27 m2section area.These new records and achievements ensured the tunnel excavation works in Karuma HPP TRT project met the project schedule requirement.

blasting method optimization; wedge cut in horizontal “V” shape; sectional wedge cut; speedy excavation; Karuma HPP TRT project

10.3963/j.issn.1001-487X.2016.04.015

2016-08-28

楊玉銀(1968-)，男，河北遵化人，教授級高級工程師、高級爆破工程師，四川省工程爆破協(xié)會專家委員會委員，公司地下工程專業(yè)技術帶頭人，長期從事地下工程及土石方明挖施工爆破技術、安全管理工作，(E-mail)752153592@qq.com。

U45； TD854.2

A

1001-487X(2016)04-0084-06