甲米河一級水電站引水隧洞后段開挖施工

劉世燕，周 杰

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴陽，550081)

1 工程概述

甲米河一級水電站位于四川省涼山州鹽源縣鹽塘河干流甲米河上，系具日調(diào)節(jié)功能的引水式電站，電站裝機3×12MW，設(shè)計水頭90m，設(shè)計引用流量45.45m3/s。電站樞紐建筑物由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐三部分組成。

引水隧洞接進水口，沿河道右岸下穿山體到廠區(qū)后坡調(diào)壓井;隧洞全長1159m(至調(diào)壓井中心)，首端底板高程 2146.65m，末端底板高程2127.57m;隧洞設(shè)計縱坡為1.725‰。引水隧洞開挖斷面為馬蹄形，上半圓直徑為6.2m，下半側(cè)拱半徑為6.2m，底板為平底，底寬4.36m，隧洞高6.35m。本標施工引水隧洞后段，圍巖巖性以杏仁狀玄武巖為主，裂隙發(fā)育，囊狀風化普遍，巖體呈散體狀，或碎裂狀，地下水量豐富。在10+915m～10+395m、7+655m～7+424m樁號段揭露出較大涌水，在8+587m～8+420m樁號段開挖揭露出斷層泥。斷層泥以黃土或黃沙土為主，結(jié)構(gòu)松散，自穩(wěn)極差，遇水軟化，經(jīng)車輛碾壓后成為稀泥，開挖難度大，安全隱患突出，開挖過程中出現(xiàn)多次塌方。

2 施工布置

2.1 道路布置

場外道路:施工對外交通利用鹽瀘旅游公路(S307省道)。

場內(nèi)道路:業(yè)主已施工進場道路至4#、5#施工支洞，從施工支洞至引水隧洞工作面。

2.2 風水電布置

2.2.1 施工用電。分別在4#、5#施工支洞附近安裝一臺變壓器(630kVA)，從變壓器低壓側(cè)搭接，采用VV－1KV－(3×300+1×150)、VV－1KV－(3×75+1×20)絕緣線通過配電箱接出并引至各施工場面，洞外采用220V照明線路，洞內(nèi)采用36V照明線路。洞內(nèi)施工用電采用380V/220V三相四線制，洞內(nèi)動力設(shè)備供電應(yīng)采用三相380V。

2.2.2 施工供水。4#、5#施工支洞控制段施工用水均從支溝筑擋水埂，用7.5kW潛水泵抽至水池內(nèi)(50m3)，用DN80鋼管接至洞內(nèi)工作面附近，再用塑料管(φ50mm)接至洞內(nèi)作業(yè)面。

2.2.3 施工供風。分別在4#、5#施工支洞口附近安裝兩臺空壓機(20m3/min)，采用鋼管(DN125)接至距掌子面30m處，再用φ50mm皮管接至工作面。

2.2.4 施工通風。在5#施工支洞口布置1臺、4#施工支洞口布置 2臺軸流式風機，接φ1000mm橡膠風帶至洞內(nèi)距掌子面30m。在引水隧洞內(nèi)隔500m布置一臺軸流式風機，作為接力風機。風機采用正壓式通風，爆破后灑水降塵。

2.2.5 施工排水。4#、5#支洞向上游為順坡洞，在順坡洞段左側(cè)開挖排水溝(30cm×30cm)，開挖過程中揭露出較大涌水，排水溝加深至60cm，加寬至50cm。4#支洞向下為反坡洞，在左側(cè)開挖排水溝(30cm×30cm)，并每隔200m開挖一積水坑(200cm×100cm×150cm)，用3kW潛水泵抽排至支洞排水溝內(nèi)，自流至洞外。

2.3 棄渣規(guī)劃

為了合理利用機械，出渣采用ZL50側(cè)鏟裝載機裝渣，5t自卸汽車出渣。由于該隧洞開挖斷面較小，需開挖回車洞和裝車道。為了減少出渣時間且減少挖填工程量，每隔70m開挖一個裝車道，300m開挖一個回車洞。裝車道長12m，將腰線弧形邊墻改為直墻，開挖寬度有6.2m，可以錯車裝渣，回車洞為“丁”字城門洞型，長5m、寬4m、高4.5m，邊線為半徑不小于2.5m弧形過度。

棄渣場在距各支洞口約1.0km的4#、5#棄渣場，每輪棄渣后，須采用裝載機推渣平場。通過增加裝車道、回車洞等措施，每輪炮出渣時間為3～6h(循環(huán)進尺按2.5m計，出渣量約110m3)。

3 Ⅲ類圍巖開挖爆破施工

3.1 開挖方法

甲米河一級電站引水隧洞開挖斷面尺寸小，采取全斷面開挖，循環(huán)進尺控制在2.6m左右。

開挖工序流程:測量放樣→鉆孔→裝藥連網(wǎng)→移出臺車及管線→爆破→通風排煙→安全找頂→出渣→欠挖補炮處理或進入下一循環(huán)。

根據(jù)本工程特點及進度要求，該隧洞開挖采取全斷面鉆爆法開挖施工，采用手風鉆(YT－28)造孔，鉆孔操作平臺采用工字鋼(Ⅰa16)焊成臺車，臺車用裝載機移動就位。爆破通風排煙完成后，將邊頂拱上破碎塊體撬除，對局部破碎存在裂隙巖體，采用隨機錨桿鎖住，并素噴混凝土封閉裂隙。

3.2 爆破設(shè)計

根據(jù)本工程隧洞斷面小，Ⅲ類圍巖洞段以中風化玄武巖為主，玄武巖硬度大，帶脆性，可爆性較好，圍巖裂隙較發(fā)育，地下水豐富等特點，隧洞開挖采取全斷面鉆爆法。手風鉆造孔，孔徑42mm，孔深2.8m～3.2m，為控制隧洞周邊輪廓線成型質(zhì)量，避免欠挖，并盡量減少超挖量(超挖控制在15cm以內(nèi))，洞室周邊布置光爆孔，孔距控制在45cm左右。為保證每排炮爆破效果，中部采用直孔掏槽，孔深超深崩落孔20cm～30cm。同時，為減少大塊率、便于出渣，崩落孔孔距控制在1.0m以內(nèi)。炸藥為2#巖石乳化炸藥，網(wǎng)路采用簇聯(lián)方法串并聯(lián)起爆，非電毫秒管延時，火雷管引爆。爆破參數(shù)見表1。

表1 爆破設(shè)計主要技術(shù)參數(shù)

3.3 實施效果

施工過程中，通過嚴格控制周邊孔間距、裝藥量及孔內(nèi)裝藥間距，爆破效果較理想，尤其是頂拱，半孔率在90%以上;邊墻受圍巖裂隙影響及馬蹄形斷面限制，成形較好，但半孔率稍差，不足50%。

由于本標段隧洞地下水豐富，并且大多位于頂拱，鉆孔過程中呈柱狀傾泄，增大鉆孔難度，鉆工為了減少鉆孔數(shù)量，常采用“八”字型斜孔掏槽，但掏槽效果稍差，且會出現(xiàn)大塊徑炮渣，對頂拱和底板爆破效果影響不大，邊墻成形效果不是很理想。

我部在開挖9+985m～10+023m樁號段時，遇到圍巖(玄武巖)硬，且較棉，可爆差極差，曾采用直孔掏槽和斜孔掏槽，爆破效果均不理想，循環(huán)進尺還不足1.0m，組織了技術(shù)管理員和炮工分析研究，擬采取直孔兼斜孔雙掏心方式進行掏槽，爆破效果有所提高，但循環(huán)進尺也只有2.0m(鉆孔深3.0m)左右。

為加快Ⅲ類圍巖洞段開挖進度，我部通過加強現(xiàn)場管理，精心組織及增加資源、回車洞和裝車道等措施，4#支洞控制段向上游Ⅲ類圍巖開挖最快曾達180m/月，一般為 130m/月～160m/月，5#支洞控制段Ⅲ類圍巖開挖一般為140m/月～150m/月。

4 涌水處理

4.1 開挖掌子面裂隙涌水處理

本標段在引水隧洞開挖過程中揭露出較大涌水，涌水主要為裂隙水，與含水帶相通，主涌水點始終在掌子面頂拱，涌水量在204m3/h～220m3/h，涌水經(jīng)過一段時間后，由頂拱降至底板。由于開挖時涌水位于頂拱，在鉆孔過程中，從孔內(nèi)涌水射程約3.0m，增加了鉆孔裝藥難度，對爆破效果影響較大，每輪炮鉆孔3.0m，而進尺不足1.0m，且超欠挖嚴重。主要采取如下措施:

(1)加寬加深排水溝。揭露出的涌水較大(超過200m3/h)，涌水發(fā)生突然，洞內(nèi)外排水溝(30cm×30cm)不能滿足過流要求，用挖掘機配合人工對排水溝進行加深至60cm、加寬至50cm;

(2)掌子面設(shè)置排水孔。每次鉆爆前先鉆三個排水孔(孔徑50mm深6m)，將涌水進行導(dǎo)排，并釋放內(nèi)水壓力。在已開挖洞段頂拱涌水處，施工排水孔(孔徑 50mm深 6m)，用 PVC管(φ50mm)沿邊墻引至排水溝內(nèi)。頂拱及邊墻部分散水，采用溜槽(1m×2m)集中引排至洞內(nèi)排水溝;

(3)固定藥卷。裝藥采取將乳化炸藥綁在鋼筋(φ12mm)上(最先采用竹片，由于竹片在涌水孔內(nèi)很難裝進去，后改為鋼筋)，再將炸藥送入孔內(nèi);

(4)設(shè)置放水擋板。由于涌水面積及流量大，采用防水板沿整個開挖斷面鋪設(shè)，將涌水引排至邊墻排水溝，便于噴混凝土施工。并在防水板內(nèi)每隔1m埋設(shè)一塑料盲溝，用于噴混凝土后形成涌水通道;

(5)加強勞保著裝。在施工中為了保護施工人員的安全及身體健康，對施工作業(yè)人員進行了安全防護，購買防水服及防水鞋進行防水。

4.2 4#支洞與引水隧洞交叉口涌水處理

4#支洞在開挖過程中揭露出較大涌水橫穿引水隧洞，涌水量較穩(wěn)定(約300m3/h)。4#支洞與引水隧洞交叉口圍巖為凝灰質(zhì)角礫巖，長期受水浸蝕，圍巖極為破碎，尤其是涌水部位以上，均為大孤石夾泥，自穩(wěn)性較差，加上涌水較大，該交叉口開挖支護難度非常大，安全風險極大。我部多次對4#支洞交叉口處涌水及揭露出的圍巖進行研究、分析，采取先治水，后開挖的方案，具體施工方法如下:

(1)采取先開挖涌水導(dǎo)洞，穿過引水隧洞3.1m，并對涌水導(dǎo)洞采取鋼格柵拱架結(jié)合掛網(wǎng)噴錨支護，然后按垂直于引水隧洞軸線方向立鋼格柵拱架結(jié)合掛網(wǎng)噴錨支護，待支護完成后方可進行引水隧洞上、下游方向開挖。開挖前必須將開挖范圍內(nèi)的噴混凝土用風鎬鑿除，用焊機割除格柵架立柱，并進行超前錨桿(Φ25@30cm，L=4.5m，外露50cm)支護。超前錨桿必須與鋼格柵拱架焊接牢固。為了確保安全，先向上游開挖，循環(huán)進尺不超過1m，并及時進行鋼格柵掛網(wǎng)噴錨支護，待上游方向開挖支護超過4#支洞邊線約5m后，再進行下游方向開挖;

(2)為便于涌水引排，在現(xiàn)涌水洞口采取鎖口錨桿，并澆筑C20混凝土明拱。在現(xiàn)涌水洞口開挖集水坑(長約2m，寬1.5m，深2m)，與引水隧洞相交位置采取預(yù)埋排水管(φ600mm×8)，將涌水引至4#支洞排水溝內(nèi)。沿層面的部分滲涌水，采取開挖排水溝，將滲涌水引排至集水坑內(nèi)。

5 斷層泥洞段開挖支護

4#支洞控制段向上游開挖，揭露出斷層泥，嚴重影響施工進度，采取了如下主要施工措施:

5.1 斷層泥段以黃沙土為主，結(jié)構(gòu)松散，自穩(wěn)極差，開挖時只對頂拱以下進行鉆孔爆破，并在邊墻預(yù)留80cm～100cm厚自然塌落層，以減少塌方后超挖過大。爆破后采用挖掘機(XD－90/7)修邊找頂，直到滿足設(shè)計開挖斷面為止。開挖完成后，及時對邊頂拱素噴5cm厚的C20混凝土封閉開挖面，防止塌方。素噴完成后，用裝載機出渣。出渣完成后，及時立拱架(間距60cm～100cm)，施工超前錨桿(Φ25L=4.5m@30～40cm)及掛網(wǎng)噴錨支護;

5.2 由于斷層泥受水浸泡后軟化，很快就成為稀泥，尤其是在底板，經(jīng)施工出渣車輛碾壓，稀泥層厚度可達50cm～60cm，不僅增加了施工難度，影響施工進度，同時還會導(dǎo)致拱架腳基礎(chǔ)變軟下沉，帶來了較大安全隱患。為確保施工安全，在每茬炮出完渣后，采用裝載機清除底板淤泥，再從4#渣場用裝載機裝石渣換填;

5.3 為了確保施工安全，避免在斷層泥洞段開挖后出現(xiàn)變形及大范圍塌方，采取將底板向下開挖加深1m，左右邊墻底部澆筑地基梁(地基梁必須頂住已立拱架腳)，并在右側(cè)地基梁混凝土上設(shè)置排水溝(30cm×30cm);每隔4.8m設(shè)一根聯(lián)系梁(仰拱)，聯(lián)系梁之間采用石渣回填，聯(lián)系梁鋼筋深入地基梁，并與地基梁一同采用C20混凝土澆筑。地基梁跳倉澆筑按3m一倉分縫，澆筑完后及時回填，防止拱腳受力不均失穩(wěn)(詳見圖1)。為了不影響開挖施工進度，需在新澆筑的聯(lián)系梁混凝土部位用工字鋼(Ia20)架設(shè)臨時棧橋作為是施工通道，待混凝土達到齡期后再拆除;

5.4 斷層泥段開挖至8+458m～8+456.5m樁號，在出渣過程中，頂拱出現(xiàn)塌方，塌方樁號為8+457.5m～8+450.8m，坍塌超過設(shè)計開挖線高度約5.0m，塌方面形成約1∶0.7的坡，塌方量約120m3，致該部位的超前錨桿被壓彎。經(jīng)現(xiàn)場踏勘分析，塌方是由于該斷層泥段圍巖為黃沙土，自穩(wěn)極差，且在該段頂部有一滑移面，因黃沙土粘結(jié)力小導(dǎo)致滑移坍塌。我部根據(jù)斷層泥及塌方情況，采取支護方案如下:

(1)用裝載機作為施工平臺，先對塌方段進行素噴5cm～10cm厚的C20混凝土。施工人員嚴禁站在塌方范圍內(nèi)。

(2)塌方段采用標準格柵拱架加副拱結(jié)合掛網(wǎng)噴錨支護，副拱必須頂緊圍巖面，副拱與主拱間采用鋼筋Φ25@1.0m)焊接成整體，拱架間距為60cm，錨桿尺寸為 Φ25mm、L=4.5m@1.0m，鋼筋網(wǎng)為φ6.5mm@20×20cm(詳見圖1)。

(3)支護從外向里依次進行，開挖出1榀拱架距離及時跟進拱架支護。標準拱架頂拱部位的網(wǎng)片，須待副拱噴混凝土后進行施工，標準拱架與副拱間混凝土采取立模噴實，待塌方段空腔噴實后方可進行開挖施工。

圖1 斷層泥段(塌方)支護示意

6 結(jié)語

甲米河一級電站引水隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，開挖揭露出的圍巖較差，地下水豐富，增加了開挖施工難度，安全風險較大。通過采取增加回車洞，優(yōu)化爆破參數(shù)，增加資源配置，積極、主動、科學地處理涌水及不良地質(zhì)洞段，用了420天完成3898m隧洞開挖(單個工作面長1500m)，單個工作面平均開挖進尺3.6m/d，最高月進尺達180m/月，提前實現(xiàn)隧洞貫通目標。