涪江古城水電站千枚巖大斷面隧洞的開挖施工

曾 建， 李 俊

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

1 工程概述

古城水電站位于四川省平武縣境內(nèi)的涪江上游干流上，是涪江上游干流水電梯級(jí)開發(fā)的第二級(jí)，為低閘引水式電站。電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量為100 MW。古城水電站引水隧洞斷面為圓形，襯后內(nèi)徑9.5 m。我公司標(biāo)內(nèi)承建樁號(hào)(引)5+955.380～(引)6+923.215洞段，總洞長(zhǎng)為967.835 m，開挖斷面參數(shù)見表1。

表1 引水隧洞各圍巖類別及開挖斷面參數(shù)表

我公司標(biāo)內(nèi)承建的引水隧洞段位于趙家坪倒轉(zhuǎn)背斜南翼近軸部，隧洞頂板埋深15～215 m，巖層單斜，產(chǎn)狀270°～300°/SW(S)∠65°～85°。由于工程臨近區(qū)域性大斷裂(古城斷裂)，巖體受構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用，小的斷裂破碎帶、層間擠壓揉皺帶、劈理密集帶較發(fā)育，巖層局部扭曲。洞室穿越地層主要為通化組上段第二層(St2-2)，以灰色粉砂質(zhì)千枚狀板巖為主，夾薄層狀砂巖及結(jié)晶生物碎屑灰?guī)r透鏡體。洞段內(nèi)圍巖以Ⅳ類為主，其余為Ⅴ類，巖體強(qiáng)度低，片理發(fā)育且?guī)r層走向與洞軸線夾角較小，結(jié)構(gòu)面組合不利，圍巖穩(wěn)定性差，引水隧洞全洞段均位于地下水位線以下。

2 施工的難點(diǎn)與特點(diǎn)

(1)引水隧洞圍巖以灰色粉砂質(zhì)千枚狀板巖為主，圍巖穩(wěn)定性差且隧洞局部頂板埋深較淺，最小埋深僅為15 m，施工過程中出現(xiàn)塌方甚至冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)較大。

(2)引水隧洞全洞段處于地下水位線以下，且千枚巖巖性強(qiáng)度低，遇水軟化，體積膨脹。千枚巖與水的結(jié)合勢(shì)必會(huì)加大圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，施工中極易出現(xiàn)塌方與涌水問題。

(3)引水隧洞洞身斷面大(最大斷面直徑為11.5 m)，且地質(zhì)條件較為復(fù)雜，斷面設(shè)計(jì)為圓形，開挖質(zhì)量要求相對(duì)較高，需采用合理有效的爆破方法。

3 施工布置與施工程序

3.1 施工布置

(1)施工風(fēng)、水、電。

施工用風(fēng)、水、電均由5#施工支洞口所布置的供風(fēng)、水、電系統(tǒng)接入，隨開挖延伸。

(2)施工排水。

由于標(biāo)段內(nèi)引水隧洞處于地下水位線以下，洞內(nèi)滲水量較大。在引水隧洞與5#施工支洞三岔口處設(shè)置了一個(gè)4 m×2 m×2.5 m的集水坑，使用2臺(tái)18.5 kW離心泵抽排積水經(jīng)5#施工支洞排出洞外。引水隧洞上游段的施工排水采用在隧洞左右側(cè)各設(shè)置一條0.5 m×0.4 m排水溝的方式自流排水到三岔口集水坑內(nèi)。引水隧洞下游段相應(yīng)于三岔口集水坑位置為倒坡，掌子面施工排水采用在工作面設(shè)置臨時(shí)集水坑 的 方 式，用2.2 kW潛水泵直接抽排入三岔口集水坑；另在下游隧洞左右側(cè)各設(shè)置一條0.5 m×0.4 m的排水溝，并相距100 m左右設(shè) 置 一 個(gè) 2 m×1.5 m×

1.5 m的集水坑，收集的洞段滲流散水由排水溝自流入集水坑，用5.5 kW潛水泵抽排入三岔口集水坑。

洞身滲水主要采用集中引排的方法疏導(dǎo)滲水排出，以有效地減小滲水壓力并縮小滲水與千枚巖結(jié)合的范圍，從而降低圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。在有滲水滲出的巖面按梅花形布置，打設(shè)深度3 m以上、間排距約1～1.5 m的排水孔，排水孔口接PVC材質(zhì)軟管沿洞壁將滲水引排至隧洞兩側(cè)排水溝內(nèi)。

3.2 施工程序

由于古城水電站引水隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，洞內(nèi)滲水量較大，加之為大斷面隧洞開挖，圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力較差，若進(jìn)行一次性全斷面開挖，不僅施工難度大且存在較大的安全隱患，經(jīng)過論證比選，采用將隧洞斷面分為上下兩部分開挖的方式：上斷面先行開挖，待上斷面開挖完成后再進(jìn)行下斷面開挖。開挖爆破參數(shù)在5#施工支洞避車洞位置通過爆破試驗(yàn)予以確定，上、下斷面均采用水平向鉆孔的方式，微差梯段爆破，上斷面采用柳工ZL50C裝載機(jī)裝15 t自卸汽車運(yùn)渣。下斷面從隧洞盡頭開始由內(nèi)而外的方向鉆爆開挖，PC220反挖裝15 t自卸汽車運(yùn)渣。

為確保施工過程中人員、設(shè)備的安全，需加強(qiáng)鉆爆前的超前支護(hù)且開挖爆破后臨時(shí)支護(hù)應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)。上斷面支護(hù)程序：爆破前打設(shè)φ32，L=4.5～6 m超前錨桿，爆破后及時(shí)噴5 cm厚C20混凝土封閉巖面，同時(shí)跟進(jìn)Ⅰ14#或Ⅰ18#工字鋼支撐加φ28、L=6 m鎖腳錨桿、掛設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)再噴15 cm厚C20混凝土。下斷面支護(hù)程序：爆破后及時(shí)噴5 cm厚C20混凝土封閉巖面，同時(shí)跟進(jìn)φ28，L=4.5 m支護(hù)錨桿、掛設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)再噴15 cm厚C20混凝土。支護(hù)施工的關(guān)鍵在于及時(shí)、有效，以便控制圍巖的變形、松弛和應(yīng)力釋放，使支護(hù)系統(tǒng)和圍巖在共同變形過程中使圍巖應(yīng)力重新分布達(dá)到新的平衡，成為支護(hù)體系的組成部分，以便最大限度地保持圍巖的固有強(qiáng)度并提高圍巖的自穩(wěn)能力，從而有效地確保施工質(zhì)量和安全。

4 開挖及支護(hù)施工

4.1 上半斷面的開挖與支護(hù)

4.1.1 上半斷面開挖

為了有利于上半斷面支護(hù)時(shí)工字鋼支撐的兩端底部能座落在巖基上，從而有效地將山巖壓力傳遞至底部基巖，確保工字鋼支撐聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將古城水電站引水隧洞上半斷面與下半斷面分界線設(shè)置在隧洞中心高程下1.5 m位置，且將中心高程以下1.5 m范圍巖壁開挖成鉛垂面，從而使得上半斷面與下半斷面在分界位置形成一個(gè)約20 cm的錯(cuò)臺(tái)，從而將上半斷面的工字鋼支撐座落在該巖臺(tái)上。

Ⅳ類圍巖上半斷面的開挖采用全斷面掘進(jìn)方式。爆破前，首先沿開挖線外側(cè)打設(shè)一圈φ32，L=4.5 m，間距20～30 cm的超前錨桿。采用5星掏槽方式，周邊采用光面爆破。周邊孔間距為50 cm，采用φ25乳化炸藥間隔不耦合裝藥，崩落孔孔距70～80 cm，W=60～70 cm，輔助孔孔距70～80 cm，W=70～90 cm，每循環(huán)鉆孔深2.5 m。爆破采用非電毫秒雷管微差梯段擠壓爆破 (炮孔布置見圖1)。爆破石渣采用柳工ZL50C側(cè)翻裝載機(jī)裝15 t自卸汽車運(yùn)輸。

圖1 引水隧洞Ⅳ類圍巖上層開挖炮孔布置示意圖

因?yàn)棰躅惽顿|(zhì)圍巖巖體強(qiáng)度較Ⅳ類圍巖更低，不適宜全斷面開挖，故Ⅴ類圍巖及不良地質(zhì)段上半斷面采用中導(dǎo)洞領(lǐng)進(jìn)，兩側(cè)壁擴(kuò)挖跟進(jìn)的開挖方式，中導(dǎo)洞領(lǐng)進(jìn)兩側(cè)壁1個(gè)循環(huán)。開挖前先沿洞頂開挖線外側(cè)打設(shè)一圈超前錨桿鎖固圍巖外壁，超前錨桿參數(shù)為φ32，間距10～20 cm，兩側(cè)壁位置錨桿長(zhǎng)度L=4.5 m，中導(dǎo)洞位置錨桿長(zhǎng)度L=6 m。中導(dǎo)洞采用5星掏槽方式，周邊采用光面爆破。周邊孔距采用40 cm，φ25乳化炸藥間隔不耦合裝藥。崩落孔距為70～80 cm，W=60～70 cm；輔助孔孔距為70～80 cm，W=70～80 cm，每循環(huán)鉆孔深2 m。爆破采用非電毫秒雷管微差梯段擠壓爆破 (炮孔布置情況見圖2)。爆破石渣采用柳工ZL50C側(cè)翻裝載機(jī)裝15 t自卸汽車運(yùn)輸。對(duì)于地下水發(fā)育或涌水的地段，爆破后及時(shí)噴混凝土封閉巖面并設(shè)置深排水孔，集中引水。

圖2 引水隧洞Ⅴ類圍巖中導(dǎo)洞及上層開挖炮孔布置示意圖

4.1.2 上半斷面支護(hù)

Ⅳ類圍巖洞段的支護(hù)施工。在開挖爆破前，首先沿上一循環(huán)工字鋼支撐上沿上仰10°～15°打設(shè)一圈間距為20～30 cm，φ32，L=4.5 m的超前錨桿，工字鋼支撐上沿超前錨桿外露約30 cm，其余部分打入圍巖，以保證爆破后(循環(huán)進(jìn)尺≤2.5 m)有至少1.5 m錨桿深入掌子面圍巖中，形成超前錨桿拱圈，臨時(shí)改善巖拱的受力條件。爆破后立即登渣噴護(hù)厚度為5 cm的C20混凝土封閉所有的外露巖面。對(duì)于局部滲水較大或涌水的位置也采用就地登渣的方式打設(shè)深排水孔，將滲水集中引排。洞渣清理完畢，立即開始工字鋼支撐的安裝，Ⅳ類圍巖洞段鋼支撐采用14#工字鋼，鋼支撐在洞外制作場(chǎng)采用冷彎方式彎制，將每榀鋼支撐之間的安裝間距控制在50～80 cm之間。鋼支撐安裝就位后，立即沿鋼支撐兩側(cè)打設(shè)φ28，L=6 m的鎖腳、鎖沿錨桿，然后掛設(shè)φ8、間排距為10 cm的鋼筋網(wǎng)，最后再噴15 cm厚的C20混凝土。為保證以鋼支撐為骨架的整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的整體性，同時(shí)亦使支護(hù)系統(tǒng)與圍巖緊密結(jié)合形成一個(gè)聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)，每榀鋼支撐之間采用φ28、間距為50 cm的鋼筋焊接連接，錨桿、鋼筋網(wǎng)與鋼支撐之間也采用焊接方式連接牢固。

Ⅴ類圍巖洞段的支護(hù)施工方式與Ⅳ類圍巖洞段相類似，不同之處有兩點(diǎn)：一是將超前錨桿間距調(diào)整為10～20 cm，并將中導(dǎo)洞位置超前錨桿調(diào)整為6 m，以確保中導(dǎo)洞領(lǐng)進(jìn)兩側(cè)壁1個(gè)循環(huán)后超前錨桿的前段仍深入掌子面圍巖1.5 m以上；二是制作鋼支撐的工字鋼型號(hào)由14#調(diào)整為18#，間距調(diào)整為30～50 cm(上層支護(hù)情況見圖3)。

圖3 引水隧洞上層支護(hù)典型斷面示意圖

4.2 下半斷面的開挖與支護(hù)

引水隧洞下半斷面待上半斷面開挖支護(hù)完成后，采用退挖的方式從洞內(nèi)往洞外方向進(jìn)行開挖。下半斷面的開挖與Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖方式相同，采用水平向造孔爆破的方式，中部拉槽領(lǐng)進(jìn)2～3個(gè)循環(huán)，兩側(cè)壁跟進(jìn)開挖。爆破造孔采用自制鉆爆臺(tái)車， YT-28型手風(fēng)鉆鉆孔，周邊采用光面爆破。周邊孔間距為50 cm，采用φ25乳化炸藥間隔不耦合裝藥，崩落孔孔距為70～80 cm，主爆孔孔距80 cm，每循環(huán)鉆孔深3 m。爆破采用非電毫秒雷管微差梯段擠壓爆破，爆破石渣采用PC220反挖裝15 t自卸汽車運(yùn)輸。

下半斷面支護(hù)同樣緊跟開挖工作面進(jìn)行，開挖爆破后先立即登渣噴護(hù)厚度為5 cm的C20混凝土封閉所有的外露巖面；對(duì)于局部滲水較大或涌水位置也采用就地登渣的方式打設(shè)深排水孔，將水集中引排出工作面。待爆渣清理完畢，再打設(shè)φ28，L=6 m，梅花形布置、間排距為3 m的系統(tǒng)錨桿，局部圍巖破碎位置隨機(jī)加設(shè)與系統(tǒng)錨桿同種規(guī)格的加強(qiáng)錨桿，然后掛設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)，鋼筋間排距為10 cm，最后再噴15 cm厚C20混凝土。

5 變形監(jiān)測(cè)

古城水電站引水隧洞的地質(zhì)條件決定了在隧洞開挖過程中必須加強(qiáng)施工期的臨時(shí)監(jiān)測(cè)工作，以保證施工期人員設(shè)備的安全。在隧洞施工中，每200 m設(shè)置變位監(jiān)測(cè)裝置，每20 m斷面設(shè)置臨時(shí)變位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以定時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)掌握圍巖應(yīng)力應(yīng)變的情況并制定相應(yīng)措施，做到“早發(fā)現(xiàn)、早處

理”。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得知，在隧洞開挖支護(hù)完成后一個(gè)月內(nèi)，拱圈應(yīng)力集中明顯，鋼支撐及圍巖向洞軸線方向產(chǎn)生了較大應(yīng)變，最大變位累積量達(dá)18 mm，隨后逐漸收斂并趨于穩(wěn)定。由此，開挖完成后的一個(gè)月內(nèi)為圍巖變化最大的時(shí)期，也是最大的施工危險(xiǎn)期，必須加大監(jiān)測(cè)和觀察力度以確保施工安全。

6 結(jié) 語(yǔ)

古城水電站千枚巖大斷面引水隧洞能夠?qū)崿F(xiàn)安全、高質(zhì)量的隧洞開挖，其關(guān)鍵在于：(1)施工前制定了科學(xué)合理的開挖程序和開挖方法，通過爆破試驗(yàn)確定了爆破指導(dǎo)參數(shù)，同時(shí)，在開挖過程中，根據(jù)圍巖變化情況，適時(shí)優(yōu)化和調(diào)整了爆破參數(shù)，將爆破對(duì)圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的擾動(dòng)減小到最低；(2)支護(hù)及時(shí)有效，以控制圍巖的變形、松弛和應(yīng)力釋放，最大限度地保持圍巖的固有強(qiáng)度并提高圍巖的自穩(wěn)能力；(3)加強(qiáng)觀測(cè)，做到“早發(fā)現(xiàn)、早處理”。其精髓可總結(jié)為“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤觀測(cè)”12字原則，對(duì)類似不利地質(zhì)條件下的大斷面隧洞開挖支護(hù)施工提供了一定的可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。