坪頭水電站尾水洞開挖與支護施工

李宗榮，鄭 濤，賈廣輝

(1.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650051；2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站尾水系統(tǒng)采取單機單洞平行布置方式，共設置了3條尾水隧洞，中心間距13.0m，3條尾水隧洞相鄰間巖體厚度為6.80m。

尾水洞單洞長度209.40m，開挖斷面是城門洞形，其中： 0+0.000～0+015.88m為尾水擴散段，開挖斷面尺寸為4.3m×3.9m～6.5m×6.95m，底板開挖高程584.70m； 0+15.88～0+199.40m典型開挖斷面尺寸為6.2m×6.65m(寬×高)； 0+199.40～0+209.40m為尾水鎖口段，開挖尺寸為6.6m×7.05m。

2 尾水洞地質(zhì)情況

尾水隧洞洞身地層巖性為震旦系上統(tǒng)燈影組灰白色細晶白云巖、灰色石灰?guī)r，巖體為微風化～新鮮、弱卸荷巖體，結(jié)構較松弛，完整性差，圍巖以Ⅲ～Ⅳ類為主，出口段圍巖為Ⅳ類。邊坡為斜順向坡，巖體卸荷作用強烈，穩(wěn)定性差。

3 工程特點

(1)尾水隧洞圍巖為嚴重“砂化”的細晶白云巖。樁號0+0～0+23.7m洞段為灰～灰白色細晶白云巖，該層厚度大于23m，巖體以弱風化為主；樁號0+23.7～0+52.0m洞段為灰～深灰色細晶白云巖，該層厚約13m，巖體為弱風化～新鮮；樁號0+52～0+81m洞段為灰～灰白色細晶白云巖，該層厚度約13m，巖體多為弱風化～微風化；樁號0+81～0+168m洞段為灰～深灰色斑紋狀細晶白云巖，該層厚度約44m，巖體多為弱風化～微風化；樁號0+168～0+213.5m洞段為灰～灰白色細晶白云巖，該層厚度約40m，風化作用較強烈。

(2)洞口為堆積體。尾水洞出口段位于強卸荷帶內(nèi)，圍巖類別為Ⅴ類，洞頂覆蓋層厚，軟弱夾層與節(jié)理裂隙的不利組合會構成不穩(wěn)定塊體，因此確保尾水出口安全進洞是施工中的重點、難點。

(3)隧洞間巖體厚不足1.5倍洞徑。①尾水洞系多條平行布設，隧洞開挖洞徑較大，相鄰之間巖墻厚度(6.4m)較小。尾水隧洞與上部進廠交通洞立體交叉，之間巖體厚度(8.5m)較薄，在尾水隧洞上部洞室開挖后，二次應力調(diào)整比較復雜，在洞室交匯部位會出現(xiàn)應力集中區(qū)和塑性區(qū)。②3條尾水隧洞相鄰之間巖墻厚度約6.4m，約1.5倍開挖洞徑，相鄰兩洞之間圍巖開挖穩(wěn)定問題突出。③交匯處應力集中，圍巖穩(wěn)定性差，連通洞與主洞交匯處跨度大。

(4)溶洞段及塌方段。樁號0+0～0+168m，該段巖體受不利結(jié)構面切割組合作用影響，在開挖過程中，局部頂拱和拱腳有掉塊塌方現(xiàn)象，一般掉塊深度30～50cm，部分掉塊深度10～30cm。

樁號0+168～0+213.5m(出口)，該段巖體開挖過程中，頂拱及部分邊墻掉塊及塌方現(xiàn)象較嚴重，一般掉塊深度1～1.5m，部分掉塊深度0.5～1m。

(5)地下水。開挖與支護平行交叉作業(yè)，對地下水滲水和施工用水的及時抽排，確保圍巖的穩(wěn)定和安全，是施工的重點之一。

4 施工方法

4.1 進洞方法

尾水隧洞出口591.30m高程向S307省道平移，占1/2 S307省道做尾水出口平臺。平臺用石渣填筑，向上游方向降坡至省道路面，長50m，降坡10%，采用石渣回填路面，S307省道向河道平移5m采用石渣直接回填成路面。省道改造要求滿足尾水隧洞施工條件及省道的通行條件。改造公路承擔尾水隧洞及出口邊坡開挖出渣、支護材料等運輸。

開工后，盡快修建尾水施工道路進入尾水隧洞出口，完成高程591.30m以上邊坡開挖支護、進洞鎖口支護。

進洞開挖采取跳洞開挖方式，先開挖1號、3號尾水隧洞，掘進30m以上后，再開挖2號尾水隧洞。

4.2 洞內(nèi)砂化圍巖洞段處理方法

(1)尾水隧洞施工程序。尾水隧洞開挖施工采取跳洞開挖，先進行1號、3號尾水隧洞，再進行2號尾水隧洞開挖，尾水出口10m(0+209.4～0+199.4)開挖結(jié)束后襯砌混凝土跟進，待混凝土施工完成后再繼續(xù)開挖掘進。尾水隧洞主要以Ⅴ類圍巖為主、局部Ⅳ類圍巖，在此種條件下的開挖必須嚴格按“新奧法”原理施工，采用“短進尺，弱爆破，強支護，勤測量”的方式開挖，嚴格控制單孔裝藥量，盡量減少對圍巖的攏動開挖程序。

尾水隧洞洞身段采取手風鉆全斷面開挖。對洞口段10m范圍，采用短進尺、多循環(huán)、弱爆破，一般進尺為1.5～1.0m；進洞前做好洞口鎖口錨桿及超前固結(jié)灌漿的支護，進洞后根據(jù)不同的圍巖類別、不同的結(jié)構條件選擇不同的支護方式進行加強支護，以防止爆破震動造成洞頂山坡和洞口巖石發(fā)生震裂、松動和塌方。進洞10m以后，根據(jù)各斷面形式，采用不同的開挖方法、尾水隧洞開挖工藝。

根據(jù)前期地質(zhì)資料勘探結(jié)果，尾水隧洞地質(zhì)條件極差，巖體強度基本喪失，在此地質(zhì)條件下施工，為保證洞室的穩(wěn)定及施工人員的安全是施工的重點，故開挖斷面增大20cm,以便開挖后及時進行鋼格柵支護，避免出現(xiàn)鋼格柵侵占結(jié)構線。若洞室開挖后自穩(wěn)能力強,巖石完整性較好，可以滿足洞室成型要求,支護方式采用錨噴支護。

開挖采用手風鉆造孔施工，開挖進尺挖制在200～250cm之間，每一開挖循環(huán)完成后，對開挖出露巖面較破碎的邊頂拱進行噴5cm的C20素混凝土進行封閉，再按“鋼格柵→錨桿→掛網(wǎng)→噴混凝土”的順序組織支護作業(yè)。在進行下一循環(huán)開挖作業(yè)前，在起拱以上環(huán)向支護一排φ25、L=450cm@30cm的超前錨桿，超前錨桿入巖400～430cm,開挖斷面擴大20cm布置鋼格柵。避免鋼格柵侵占混凝土結(jié)構線。

在開挖過程中如地質(zhì)條件不能滿足以上進尺，則調(diào)整洞室開挖排炮造孔深度至100～200cm，預進尺100～150cm，爆破孔孔徑φ50mm，平均炸藥單耗約1.16kg/m3。周邊采用光面爆破，減少因爆破作業(yè)對圍巖的損害。

根據(jù)設計圖紙尾水隧洞位于進場交通洞正下方，交叉重疊，其間最薄的設計巖石厚度等于850cm，而該部位巖石強度基本喪失、自穩(wěn)能力差，對該部位需進行加強支護。

(2)支護施工。洞室支護按新奧法原理進行施工，對設計支護段及時跟進支護。必要時，加設隨機排水孔、引水盲材、固結(jié)灌漿、鋼筋格構架等方法加強支護。隧洞支護施工程序：

①能滿足洞室成型段支護施工程序：

開挖結(jié)束→圍巖安全處理→錨桿→鋼筋網(wǎng)→噴混凝土→支護驗收

②不能滿足洞室成型段支護施工程序：

開挖結(jié)束→圍巖安全處理→鋼格柵→錨桿→鋼筋網(wǎng)→噴混凝土→支護驗收

錨桿施工：主要采用手風鉆造孔，機械注漿，人工安裝。砂漿錨桿采用Ⅱ級螺紋鋼筋，按邊墻采用“先注漿后插桿”、頂拱采用“先插桿后注漿”的程序施工。頂拱先插桿后注漿的錨桿上仰孔鉆孔直徑應大于錨桿直徑25mm以上，且增加一根較小的排氣管(φ8mm硬質(zhì)塑料管)。排氣管用膠帶固定在鋼筋上，進漿管插在孔口，鋼筋、進漿管、排氣管都插入孔內(nèi)后，孔口用速凝水泥砂漿或錨固劑封堵，待凝固后開始注漿，注漿至排氣管回漿。將進漿管、排氣管對折用鐵絲扎緊。巖層破碎洞段造孔施工中，在孔的成形較差或不能成形、無法安裝錨桿的情況下，將沙漿錨桿替換為自進式錨桿，其余支護參數(shù)不變。鉆孔孔位、角度、深度、孔徑嚴格按照設計圖紙及規(guī)范要求進行，嚴格控制鉆孔質(zhì)量。

掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土施工：掛網(wǎng)鋼筋采用人工配合平臺車進行安裝。洞室系統(tǒng)噴射混凝土支護設計為素噴混凝土。混凝土標號C20，厚5cm。若是在砂化嚴重部位增設鋼格柵，噴混凝土標號為C25，厚25cm，噴混凝土要求蓋過鋼格柵1～2cm。

鋼格柵施工：鋼格柵在洞外加工制作，由運輸車運至洞內(nèi)，洞內(nèi)用人工安裝到作業(yè)面。鋼格柵焊接應符合焊接規(guī)范要求，鎖腳錨桿、超前錨桿、鋼格柵附件、鋼筋網(wǎng)與工字鋼焊接成整體。尾水隧洞洞身段為全斷面開挖，鋼格柵一次安裝，錨噴支護到位。

(3)灌漿施工：尾水隧洞進口布置兩排超前固結(jié)灌漿孔，造孔采用XZ-30鉆機、CIR70風動沖擊器及φ76釬頭，由內(nèi)圈至外圈順序施工；灌漿采用TTB200/12高壓灌漿泵進行灌注，灌漿壓力采用0.5～1MPa，架管用作射漿，前部加工成錐形并鉆花眼。其他部位固結(jié)灌漿采取分區(qū)、分片、分強度進行施工。

4.3 隧洞間巖體厚不足1.5倍洞徑條件下的施工方法

原則上采取間隔分序控制爆破開挖，相鄰隧洞開挖作業(yè)面間隔距離不小于30m，除采取合理的開挖程序、控制爆破措施外，同時考慮隧洞交叉處結(jié)構加強支護、加強襯砌等措施，并根據(jù)圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋，動態(tài)優(yōu)化施工方法。

4.4 溶洞及塌方段處理方法(見圖1)

受巖溶地質(zhì)條件影響，施工過程中出現(xiàn)不同程度的塌方現(xiàn)象，直接威脅尾水洞的開挖安全。針對不利影響，此部位支護應與加強，具體方法為：

(1)對塌方段基巖面進行素噴C25混凝土5cm安全封閉。

(2)架設鋼格柵，間距比已施工的鋼格柵間距?。灰砸咽┕さ匿摳駯判纬傻姆雷o拱作為安全屏障；單榀鋼格柵架設完成后進行鎖腳錨桿、連接筋及鋼筋網(wǎng)的施工，完成后再進行下一榀鋼格柵的施工；最后一榀鋼格柵與開挖面間預留55cm的安全距離；塌方段處理完恢復開挖作業(yè)前，在開挖掌子面沿開挖設計頂拱圓弧段外布置一排超前錨桿，超前錨桿參數(shù)：φ25mm、L=4.5m、@30cm。

(3)鋼格柵頂部加設副拱直抵塌方基巖面，副拱間距1.0m。

(4)鋼格柵鎖腳錨桿φ25mm、L=3.0m，間距1.0m，外露50cm，與鋼格柵進行彎鉤焊接；采用φ25mm鋼筋連接，間距20cm；上層覆蓋φ6.5@15cm×15cm鋼筋網(wǎng)；頂拱范圍噴C25混凝土25cm；邊墻采用模噴至設計線。

(5)頂拱范圍預埋3根φ50mm灌漿管，分別深入塌方空腔50cm、150cm、最高點，外露50cm。

(6)清除已施工的鋼格柵頂部的塌方散落體。

(7)塌方空腔段灌注M7.5砂漿，按預埋的灌漿管由短至長分三次灌注砂漿50cm、100cm直至注滿，每次灌注需待強至75%設計強度后再進下一次的灌注。

4.5 地下水的處理

圖1 尾水洞塌方段處理方案示意

根據(jù)地質(zhì)情況及現(xiàn)場實際施工情況，在開挖過程中底部及頂拱有細股水滲出，局部部位滲水比較嚴重，制約著開挖的進程。鑒于此，開挖過程中除設系統(tǒng)排水孔以外，對出露較大的滲水點及時增設引水盲材鉆隨機排水孔。尾水隧洞開挖支護施工棄水及地下水，采用潛水泵抽至集水坑，通過排水管排水系統(tǒng)排除洞外。

4.6 施工結(jié)果

坪頭水電站尾水洞2008年開始施工，2009年初開挖完成，經(jīng)歷了一年多的時間，克服了多重困難，按時按質(zhì)完成了工期計劃，為整個電站的有序施工奠定了基礎。

5 結(jié)束語

坪頭水電站尾水洞雖是在極其不利的條件下開挖，但經(jīng)過科學組織、周詳安排、合理資源配置，出色地完成了開挖任務。結(jié)合坪頭水電站尾水洞開挖情況，需特別注意以下幾點：

(1)在強烈砂化巖體下，應合理靈活地選用支護型式，合理布局開挖方式，做到開挖高效；

(2)在開挖洞口為堆積體情況下，做到選取合理的進口方式，正確處理洞口的堆積體，避免對進一步的洞內(nèi)開挖造成影響；

(3)對3條洞室平行開挖中出現(xiàn)的隧洞間巖體厚度不足的實際問題，加強對開挖造成的安全以及質(zhì)量隱患的處理；

(4)在巖溶發(fā)育地質(zhì)情況下出現(xiàn)的涌水問題是制約開挖進度以及影響安全的不利因素。問題處理的關鍵在于高效、快速、經(jīng)濟，最大程度節(jié)約成本，達到互利雙贏。