超薄洞壁洞群開挖技術(shù)研究

劉樹森，郭 乾

（中國(guó)水利水電第六工程局有限公司，遼寧丹東 118216）

1 工程概況

董箐水電站位于貴州省西南部的北盤江下游，電站樞紐由鋼筋混凝土面板堆石壩、左岸開敞式溢洪道、右岸放空洞、右岸引水系統(tǒng)、右岸岸邊地面廠房等建筑物組成，電站正常蓄水位490 m，水庫(kù)總庫(kù)容9.55億m3，裝機(jī)容量880 MW。水電站引水系統(tǒng)洞群由4條主洞和3條施工支洞組成，主洞從左至右編號(hào)分別為1～4號(hào)引水隧洞。

1～4號(hào)引水隧洞開挖長(zhǎng)度分別為557.22，566.82，578.26，597.46 m，4條引水隧洞開挖長(zhǎng)度總和為2 300 m。引水隧洞均由引水隧洞段和壓力鋼管段構(gòu)成，分為漸變段、上平段、水平彎段、中部漸變段、上彎段、斜井段、下彎段、下平段8種型式。

引水洞軸線間距離為22 m，開挖洞徑分別為φ11.3，φ10.6，φ8.6 m，其中中部漸變段上游部分開挖為圓形斷面是引水隧洞段，中部漸變段其下游部分開挖為馬蹄型斷面是壓力鋼管段；引水洞水平轉(zhuǎn)彎為41°，斜井角度為50°。

引水隧洞混凝土襯砌厚度為0.7～1.0 m，襯砌成型后斷面為9.0 m，壓力管鋼管段成型為7.0 m。

2 工程地質(zhì)情況

2.1 基本地質(zhì)條件

1)地形地貌：從引水系統(tǒng)進(jìn)水口至廠房尾水出口段，地形高程為570～410 m，沿線斜向穿越一條NNE向的條形山脊，山體較為雄厚，地面坡度平緩，平均為21°，地表沖溝較為發(fā)育，但發(fā)育深度不大，發(fā)育深度小于10 m。

2)地層巖性：引水系統(tǒng)洞室區(qū)圍巖全部為T2b1-2層灰色厚層、中厚層鈣質(zhì)石英砂巖夾灰色、深灰色鈣質(zhì)泥巖，泥巖含量占 23%～32%。巖層產(chǎn)狀 N 10°～20°E/SE 至 N 10°～30°W/NE，傾角∠18°～25°。

3)地質(zhì)構(gòu)造：該區(qū)位于下喜料背斜東翼，軸向NNW向，區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的褶曲和斷裂構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，地層總體上屬單斜構(gòu)造，但坡面上巖層產(chǎn)狀波狀起伏，走向也有所變化。其次為裂隙較為發(fā)育。

4)水文地質(zhì)條件：組成洞室圍巖為砂泥巖，透水性差，雖然大部分洞室處于地下水位線以下，但洞內(nèi)除小斷層和裂隙密集帶區(qū)可能遇有少量滲水外，多數(shù)洞段較為干燥，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

2.2 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

引水發(fā)電系統(tǒng)布置于右岸，引水洞穿越地層為T2b1厚層、中厚層狀砂巖、粉砂巖夾鈣質(zhì)泥巖，地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，基本為單斜層面，巖層總體產(chǎn)狀 N 0°～30°E/SE（E）∠22°～40°，裂隙中等發(fā)育。從物探 EH 4勘探成果資料分析，認(rèn)為大部分洞身段成洞條件一般，圍巖多為Ⅲ~Ⅳ類，但在上水平段及斜管段局部可能遇斷層、裂隙密集帶或軟弱夾層，為Ⅳ~Ⅴ類圍巖。

3 施工技術(shù)關(guān)鍵及特性

3.1 施工技術(shù)關(guān)鍵

1）開挖順序安排。它是保證開挖安全的基礎(chǔ)，是保障隧洞開挖安全的一項(xiàng)基本措施，主要研究隔洞錯(cuò)距開挖的安全距離和具體操作方式。

2）爆破參數(shù)控制。在滿足常規(guī)洞室開挖爆破參數(shù)的前提下，根據(jù)不同的開挖斷面、部位采取不同的開挖爆破參數(shù)及開挖方式。

3）支護(hù)施工方式和工藝。支護(hù)施工的方法和工藝是保障洞群施工安全的關(guān)鍵所在，施工中除采用傳統(tǒng)的“新奧法”支護(hù)外，分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際地質(zhì)情況也是重要的研究方向，找到薄弱環(huán)節(jié)，做到“對(duì)癥下藥”，以達(dá)到提高圍巖自承能力的目的。

3.2 施工特性

引水隧洞段開挖尺寸為φ11.3 m時(shí)，相鄰洞壁厚度為10.7 m，僅為洞室開挖尺寸的0.95倍，此種情況占整個(gè)隧洞開挖的2%；引水隧洞段開挖尺寸為φ10.6 m時(shí)，相鄰洞壁厚度為11.4 m，僅為洞室開挖尺寸的1.08倍，此種情況占整個(gè)隧洞開挖的45%；壓力管道段斜井開挖尺寸為φ8.6 m，相鄰洞壁厚度為13.4 m，為洞室開挖尺寸的1.56倍，占整個(gè)隧洞開挖的18%。

董箐水電站引水隧洞是目前為止規(guī)模較大的薄洞壁、多斷面、大洞徑洞群開挖施工，具有鮮明的特點(diǎn)，如何保證超薄洞壁、多斷面洞群開挖時(shí)洞壁穩(wěn)定、超薄洞壁洞群開挖支護(hù)施工順序上的安排和布置、超薄壁洞斜井開挖技術(shù)方案、超薄洞壁洞群開挖爆破施工等在水電工程施工中較為少見。

4 施工程序規(guī)劃

施工方案主導(dǎo)思想：引水隧洞施工采用“平面多工序，立體多層次”的思想合理安排開挖、支護(hù)、襯砌三者的相互關(guān)系；利用“隔洞錯(cuò)距開挖、襯砌支護(hù)跟進(jìn)”的施工辦法進(jìn)行施工。施工順序：

1）首先進(jìn)行1，2號(hào)施工支洞及1，2號(hào)連通洞的開挖施工。

2）上平段在1號(hào)施工支洞及連通洞開挖結(jié)束后，向下游分兩層進(jìn)行1，3號(hào)引水隧洞開挖，期間由1號(hào)連通洞向進(jìn)水口方向穿插進(jìn)行1，3號(hào)引水隧洞開挖；1，3號(hào)主洞分別開挖至3號(hào)連通洞時(shí)，先向 1，3號(hào)引水隧洞上彎段方向進(jìn)行開挖，為斜井施工創(chuàng)造條件，同時(shí)兼顧3號(hào)連通洞的開挖施工。

3）3號(hào)連通洞開挖結(jié)束后，由進(jìn)水口向上彎段方向進(jìn)行1，3號(hào)引水隧洞上平段的混凝土襯砌施工。

4）在1，3號(hào)引水隧洞1號(hào)連通洞至進(jìn)水口段開挖完畢后，采取隔洞錯(cuò)距的開挖方法，進(jìn)行2，4號(hào)引水隧洞上平段的開挖，開挖分兩層進(jìn)行，采用先導(dǎo)洞后擴(kuò)挖的方式進(jìn)行上導(dǎo)洞施工，開挖錯(cuò)距距離為50.0 m。

5）開挖結(jié)束后由進(jìn)水口向上彎段方向進(jìn)行2，4號(hào)引水隧洞上平段的混凝土襯砌施工。

6）在2號(hào)施工支洞及連通洞開挖結(jié)束后，進(jìn)行壓力鋼管的下平段和下彎段開挖，采取先1，3號(hào)引水隧洞下平段開挖，在1，3號(hào)引水隧洞壓力鋼管混凝土回填結(jié)束后進(jìn)行4，2號(hào)洞下平段的錯(cuò)距開挖施工，錯(cuò)距距離50 m。

7）壓力鋼管斜井段開挖在1，3號(hào)引水隧洞上彎段、下彎段開挖完成后開始進(jìn)行，開挖采用LM－200反井鉆機(jī)進(jìn)行直徑3 m導(dǎo)井施工，擴(kuò)挖采用人工由上至下擴(kuò)挖。

8）根據(jù)上、下平段和上、下彎段的開挖順序和移交工作面的先后時(shí)間，壓力管道斜井段開挖施工按先1，3號(hào)斜井開挖，然后進(jìn)行固結(jié)灌漿和壓力鋼管安裝及回填混凝土施工；2，4號(hào)壓力管道斜井段在1，3號(hào)壓力管道斜井段鋼管及回填混凝土施工完成50%時(shí)，進(jìn)行2，4號(hào)壓力管道斜井段開挖，然后進(jìn)行固結(jié)灌漿和壓力鋼管安裝及回填混凝土施工。

5 主要施工方案及措施

5.1 施工支洞與主洞交叉口處

董箐引水系統(tǒng)共布置3條施工支洞，分別為1，2號(hào)施工支洞和3號(hào)連通洞，3條施工支洞都與主洞貫通。由于施工支洞洞徑比引水洞洞徑小，施工支洞進(jìn)入引水洞主洞后位于主洞的下半部，因此需對(duì)主洞進(jìn)行擴(kuò)挖后才能對(duì)主洞進(jìn)行開挖。擴(kuò)挖分兩步進(jìn)行：第一步先由施工支洞與主洞交叉口處向一個(gè)方向斜向開挖15 m左右，交至洞室設(shè)計(jì)頂拱位置；第二步由主洞室設(shè)計(jì)頂拱位置反方向鉆爆施工直至開挖到支洞對(duì)邊洞室為止。

5.2 主洞開挖方式及爆破參數(shù)

引水隧洞上平段開挖斷面均為圓形，直徑為φ10.6 m。開挖時(shí)主要的不利因素是各洞段中心距離較小，因此各洞段開挖時(shí)相互影響圍巖穩(wěn)定的問題突出，開挖此段，爆破控制要求高。

5.3 1，3號(hào)主洞開挖方式及爆破參數(shù)

引水隧洞采用隔洞錯(cuò)距方案進(jìn)行施工，錯(cuò)距大約控制在50 m左右。引水隧洞上平段采用分兩層爆破的方式進(jìn)行開挖，第一層高7.8 m、第二層高2.8 m。開挖均采用YT-28型手風(fēng)鉆進(jìn)行造孔；洞身的設(shè)計(jì)輪廓線采用光面爆破，并控制單響藥量，中部采用掏槽及崩落孔爆破。爆破參數(shù)見表 1，2。

表1 1，3號(hào)引水隧洞上平段爆破參數(shù)表

表2 1，3號(hào)引水隧洞上平段爆破設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)表

5.4 2，4號(hào)主洞開挖方式及爆破參數(shù)

在1，3號(hào)引水隧洞1號(hào)連通洞至進(jìn)水口段開挖完畢后，采取隔洞錯(cuò)距的開挖方法進(jìn)行2，4號(hào)引水隧洞上平段的開挖，開挖采用先導(dǎo)洞后擴(kuò)挖的方式進(jìn)行施工，錯(cuò)距距離為50.0 m。由于2，4號(hào)洞是在1，3號(hào)洞開挖完畢后進(jìn)行開挖，此時(shí)洞壁的穩(wěn)定是開挖控制的重點(diǎn)，因此開挖采用導(dǎo)洞開挖。爆破參數(shù)見表3，4。

表3 2，4號(hào)引水洞上平段爆破參數(shù)表

表4 2，4號(hào)引水洞上平段爆破設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)表

5.5 斜井開挖方式及爆破參數(shù)

引水隧洞斜井段洞軸線相距較近，中線間距僅為22 m，除去洞室開挖范圍各洞間隔墻厚度僅為13.4 m，相當(dāng)于各洞室開挖洞徑的1.56倍，相鄰洞室開挖時(shí)隔墻的穩(wěn)定問題突出，因此為保證引水隧洞斜井段安全快速的施工，該部位施工時(shí)采用LM-200型反井鉆機(jī)進(jìn)行中導(dǎo)井開挖施工，然后進(jìn)行人工導(dǎo)井開挖、全斷面擴(kuò)井開挖。同時(shí)為保證斜井?dāng)U挖施工順利進(jìn)行，在斜井的下彎段位置進(jìn)行工字鋼加強(qiáng)支護(hù)，在斜井?dāng)U挖過程中采用短進(jìn)尺、小孔距、少藥量的方法進(jìn)行施工，在系統(tǒng)支護(hù)跟進(jìn)的前提下，對(duì)危險(xiǎn)巖體進(jìn)行隨機(jī)錨桿支護(hù)，隨機(jī)錨桿支護(hù)中將盡量垂直巖層方向。斜井開挖支護(hù)流程如圖1所示。

斜井?dāng)U挖采用YT-28型手風(fēng)鉆鉆孔，鉆孔直徑均為φ42 mm，孔深1.7 m，預(yù)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺1.5 m。崩落孔采用非電管傳爆，藥卷直徑選取φ25mm，連續(xù)裝藥；周邊孔采用導(dǎo)爆索傳爆，藥卷選用φ25mm光爆藥卷，不偶合間斷裝藥。

崩落孔采用梅花形布置，炮孔間排距為0.7～1.0 m，周邊光面爆破，光爆孔間距為45 cm，人工裝乳化炸藥非電毫秒雷管起爆。爆破參數(shù)見表5，6。

圖1 斜井開挖支護(hù)流程圖

表5 引水洞斜井段爆破參數(shù)表

表6 引水洞斜井段爆破設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)表

6 洞室支護(hù)形式

引水隧洞支護(hù)采用普通砂漿錨桿、噴聚丙烯纖維混凝土，錨桿規(guī)格為φ25 mm螺紋鋼，長(zhǎng)6.15 m、外露15 cm，每循環(huán)開挖結(jié)束后首先進(jìn)行5 cm素噴，系統(tǒng)錨桿施工緊跟開挖面，噴射混凝土在滯后開挖面3～6 m時(shí)集中補(bǔ)噴到設(shè)計(jì)厚度，引水隧洞錨桿全部采用手風(fēng)鉆進(jìn)行造孔，人工插桿，YSB-2B砂漿泵注漿。對(duì)于關(guān)鍵部位采取工字鋼強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)布置見圖2。

7 結(jié)語

圖2 引水洞下彎段支護(hù)擴(kuò)挖示意圖

董箐水電站引水隧洞超薄洞壁、多斷面洞群開挖是目前為止規(guī)模較大的薄洞壁、多斷面、大洞徑洞群開挖施工，其具有地質(zhì)條件復(fù)雜，施工工序交叉干擾多的特點(diǎn)。根據(jù)引水隧洞的實(shí)際情況，結(jié)合地質(zhì)情況對(duì)引水隧洞施工采用“平面多工序，立體多層次”的思想，合理安排開挖、支護(hù)、襯砌三者的相互關(guān)系，利用“隔洞錯(cuò)距開挖、襯砌支護(hù)跟進(jìn)”的施工辦法進(jìn)行施工，有效地保證了施工安全和進(jìn)度。