沙坪水電站引水隧洞開挖施工技術(shù)

王 芹，王克生

(中國水利水電第五工程局五分局，成都，610225)

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沙坪水電站引水隧洞開挖施工技術(shù)

王 芹，王克生

(中國水利水電第五工程局五分局，成都，610225)

沙坪水電站引水隧洞所處區(qū)域為西南泥巖地帶，洞室泥質(zhì)粉砂受地表滲水影響，圍巖穩(wěn)定性差，開挖技術(shù)控制難度大。為有效控制洞室開挖施工的質(zhì)量和安全，在引水隧洞開挖過程中，通過不斷調(diào)節(jié)和優(yōu)化施工程序、爆破參數(shù)、支護形式，使洞室開挖施工取得了較好效果。

沙坪水電站 泥巖地質(zhì) 引水隧洞 施工技術(shù)

1 工程概況

沙坪水電站工程位于四川雅安青衣江一級支流周公河中下游，是周公河梯級開發(fā)的第四級電站。工程地處成都市西南側(cè)雅安市雨城區(qū)沙坪鎮(zhèn)和周河鄉(xiāng)境內(nèi)，距成都市約168km，距下游雅安市23km。沙坪水電站水庫正常蓄水位高程703m，總庫容0.0286億m3，總裝機容量56MW，年發(fā)電量1.6億kW·h，為三等中型工程。

沙坪水電站工程樞紐主要由混凝土擋水壩、右岸引水系統(tǒng)、地面廠房等建筑物組成。右岸引水隧洞全長5.3km，均為全圓式斷面開挖及襯砌，開挖直徑8.05m～8.85m。開挖一期支護形式為型鋼拱架、掛網(wǎng)及混凝土錨噴聯(lián)合支護體，洞室永久襯砌為雙層鋼筋和C20混凝土襯砌。整個引水隧洞施工支洞共布設3個，為城門洞形，每個施工面開挖控制范圍約800m。

2 地質(zhì)條件及施工難點

工程區(qū)位于川西平原西部邊緣山區(qū)，地處峨眉山與龍門山接壤地帶，區(qū)內(nèi)巖石軟硬相間，在風化等地質(zhì)引力作用下，易形成單面山、條狀山脊及陡崖地形。第四系松散堆積物廣布于河谷兩岸及河床部位，區(qū)內(nèi)出露地層主要為寒武系、奧陶系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系等地層。引水隧洞基本沿沙坪背斜西側(cè)布置，地面高程750.00m～870.00m，隧洞埋深大于30m，局部最大埋深可達190m。引水隧洞軸線與巖層走向小角度相交，揭露地層為J2S紫紅色泥巖夾砂巖，巖體新鮮，圍巖類別以Ⅳ類為主，所占比例約為97%，局部圍巖段為Ⅲ類、V類圍巖。

周公河流域?qū)儆谒拇ㄅ璧貋啛釒駶櫄夂騾^(qū)，夏季受孟加拉灣西南季風影響，帶入大量水汽，加上特殊地形影響，極易形成強降雨。該流域是全國有名的暴雨區(qū)，全年降雨時段達2/3。由于洞室圍巖中軟泥巖占多數(shù)和層間夾層發(fā)育，總體穩(wěn)定性較差，且大部洞段處于地下水位以下，巖體易風化崩解，遇水易軟化，圍巖穩(wěn)定性低。

由于特殊的地質(zhì)條件和施工要求，沙坪水電站引水隧洞開挖施工存在下述難點：(1)本工程前期地質(zhì)勘探較為粗略，所提供指導施工地質(zhì)詳細資料較少，致使地下工程施工帶來較大隱蔽性，多數(shù)洞段圍巖詳細情況只有在開挖至附近時才能判斷確定；⑵ 由于引水隧洞開挖斷面為圓形，開挖施工全斷面爆破鉆孔及體形控制要求較高；⑶ 工程區(qū)大部分洞段以Ⅳ類和V類圍巖為主，多數(shù)洞段滲水嚴重，開挖爆破控制稍微不當就會造成超挖，增加后期襯砌工程量，增大施工成本，同時對洞室圍巖穩(wěn)定和安全不利。循環(huán)工序多，為達到及時、有效支護，每個循環(huán)中的各工序必須連續(xù)良好銜接。

3 施工技術(shù)控制

根據(jù)沙坪水電站引水隧洞地質(zhì)條件，主要針對泥巖的破碎、層狀及層間咬合力差、遇水易泥化特點展開施工方案擬定，施工主要應用“新奧法”思想，采用“短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤觀察”方法，對圍巖地質(zhì)較差洞段采用錨噴、鋼筋網(wǎng)、型鋼拱架聯(lián)合系統(tǒng)進行加強支護。其開挖支護施工工序見圖1。

圖1 沙坪水電站引水隧洞開挖工序

3.1 地質(zhì)預報技術(shù)

短期超前地質(zhì)預報的距離為掌子面前方15m～30m，采用巖層巖性及層位預測法和條帶狀地質(zhì)體影響隧洞長度預測法，同時對部分構(gòu)造復雜、不良地質(zhì)多發(fā)區(qū)地段進行超前鉆孔探測，包括鉆進速度、孔內(nèi)情況、涌水量、巖芯描述等，分析、判斷不良地質(zhì)體的位置。其中簡單常用的巖層巖性及層位預測法主要工作方法和步驟如下。

⑴ 對掌子面已揭露出的巖層進行地質(zhì)編錄(觀察巖石的礦物成分及其含量、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征和特殊標志)，準確定名，測量巖層產(chǎn)狀和厚度；

⑵ 測量該巖層到已揭露的標志性巖層或界面的距離，計算其垂直層面的厚度；

⑶ 將巖層與地表實測地層剖面圖和地層柱狀圖對比，確定其在地表地層(巖層)層序中的位置和層位；

⑷ 依據(jù)實測地層剖面圖和地層柱狀圖的巖層層序，最終推斷出掌子面前方一定范圍內(nèi)巖層在隧洞中的位置和規(guī)模。

通過超前地址預報技術(shù)的使用，給施工建立了指導理論基礎(chǔ)，為爆破控制及后期支護施工提供了有效的依據(jù)。

3.2 開挖施工技術(shù)

由于本工程引水隧洞開挖洞形為全圓性，考慮洞內(nèi)運輸通行，分上、下兩層(下層預留，待引水隧洞貫通后處理)鉆爆開挖，局部用人工或風鎬開挖。爆破設計按“短進尺、弱爆破、少擾動、勤觀察”的原則進行，采用導爆管族法聯(lián)結(jié)爆破網(wǎng)絡，導火索、火雷管起爆，導爆管傳爆，毫秒微差爆破，周邊孔光面爆破。

3.2.1 爆破掏槽方式

隧洞爆破開挖前期試驗應用了平行直孔掏槽、楔形掏槽等方式，通過數(shù)次試驗表明，平行直孔掏槽對鉆孔質(zhì)量要求高，作業(yè)面上的炮孔數(shù)量增加了5%～10%，效果不理想。而水平楔形掏槽對鉆孔的精度要求較低，炮孔利用率高，且便于施工。最終決定采用水平楔形掏槽方式。為了提高掏槽效果，采取了以下措施：①控制炮眼孔底偏向誤差±10 cm，以保證造孔質(zhì)量；②為防止出現(xiàn)炸藥受壓鈍化效應，避免殉爆現(xiàn)象，要求掏槽只裝化學發(fā)泡型2#乳化炸藥，而不許使用高威力的膠質(zhì)炸藥和鈍化效應明顯的珍珠巖敏化膠質(zhì)炸藥，掏槽孔裝藥按裝藥系數(shù)K=0.6控制。

3.2.2 鉆爆施工技術(shù)

(1)放樣布眼。鉆眼前，測量人員用紅鉛油準確繪出開挖斷面的中線和輪廓線，標出炮眼位置，其誤差不超過5cm；

(2) 定位開眼。采用鉆爆臺車鉆眼時，臺車與排水洞軸線保持平行，臺車就位后按炮眼布置圖正確鉆孔，開眼誤差控制在3cm～5cm以內(nèi)；

(3) 鉆眼。鉆工在熟悉炮眼布置圖的基礎(chǔ)上，能熟練地操縱鑿巖機械，特別是鉆周邊眼，應選有豐富經(jīng)驗的老鉆工司鉆，臺車下面有專人指揮，以確保周邊眼有準確的外插角，盡可能使兩茬炮交界處臺階小于15cm。同時，根據(jù)眼口位置及掌子面巖石的凹凸程度調(diào)整炮眼深度，以保證炮眼在同一平面上；

(4) 清孔。裝藥前，必須用由鋼筋彎制的炮鉤和小于炮眼直徑的高壓風管輸入高壓風，將炮眼石屑刮出和吹凈；

(5) 裝藥。裝藥需分片分組按炮眼設計圖確定的裝藥量自上而下進行，雷管要“對號入座”。所有泡眼以炮泥堵塞，堵塞長度不小于20cm；

(6) 聯(lián)結(jié)起爆網(wǎng)絡。起爆網(wǎng)絡為復式網(wǎng)絡，以保證起爆的可靠性和準確性；聯(lián)結(jié)時要注意導爆管不能打結(jié)和拉細，各炮眼雷管連接次數(shù)應相同；引爆雷管應用黑膠布包扎在離一簇導爆管自由端10cm以上處；網(wǎng)絡聯(lián)好后，要有專人負責檢查。

3.3 支護施工技術(shù)

引水隧洞不同圍巖類別分別采用噴、錨、鋼筋網(wǎng)、鋼格柵的不同聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)，Ⅲ類圍巖采用噴錨支護，Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用噴錨網(wǎng)+鋼格柵支護。由于沙坪水電站工程引水隧洞Ⅳ類圍巖占很大部分，主要以Ⅳ類圍巖情況敘述支護施工。其具體支護型式及項目為：鋼格柵由4φ25mm主筋、φ20mm箍筋及φ20mm輔筋分5節(jié)加工制作而成，斷面15cm×15cm，節(jié)間采用10mm厚A3鋼板+ 4φ24mm高強螺栓機械連接，每榀鋼格柵采用環(huán)向間距1m的φ25mm鎖腳錨桿鎖定(單根長4.5m，共19根)，榀距70cm，榀與榀間環(huán)向采用φ20mm鋼筋連接，間距50cm，后期采用I18mm。系統(tǒng)錨桿為φ25mm水泥砂漿錨桿，L=4.5m，環(huán)間距45°，排距3m，外露50cm，頂拱270°范圍內(nèi)梅花形布置。鋼筋網(wǎng)為φ6.5mm@15×15cm，拱頂90°范圍布置。C20噴護混凝土厚10cm，頂拱270°范圍內(nèi)布置。

引水隧洞沿頂拱120°范圍內(nèi)設置φ50mm排水孔，孔深4.5m，每個斷面3孔，排距3m。

3.3.1 錨桿施工

爆破排煙除塵，反鏟清理危石、出碴完后，在設計支護區(qū)先噴3cm～5cm厚C20混凝土，再進行系統(tǒng)錨桿的鉆孔、安裝。當系統(tǒng)、隨機、鎖腳、超前等類型錨桿施工時，利用自制簡易鉆架平臺，采用手風鉆鉆孔、吹孔后，注漿器注漿，人工插入或手風鉆頂入錨桿。盡量將鋼格柵、鋼筋網(wǎng)等構(gòu)件焊接。

3.3.2 鋼格柵、型鋼拱架施工

系統(tǒng)錨桿施工完成后，隨即架立格柵鋼架。鋼格柵在加工廠加工運至現(xiàn)場人工安裝，各節(jié)組裝順序為先上后下，分節(jié)組裝。

3.3.2.1 在加工場按1∶1比例放樣，設立1∶1胎模的工作臺，分節(jié)制作，按單元試拼裝后，運至現(xiàn)場安裝。其制作要求如下：

(1)加工做到尺寸準確，弧形圓順；焊接長度滿足規(guī)范要求；焊接成型時，沿鋼架兩側(cè)對稱進行，接頭處相鄰兩節(jié)圓心重合，連接位置準確；

(2)鋼架加工先試后拼，檢查有無扭曲現(xiàn)象，接頭連接每榀之間可以互換，沿隧道周邊輪廓誤差<3cm；

(3)單元鋼架經(jīng)預拼裝，驗收合格后備用。

3.3.2.2 格柵鋼架安裝工作內(nèi)容包括定位測量、安裝前的準備和安設。其要求如下：

(1)定位測量。首先測定出線路中線，確定高程，然后再測定其橫向位置；格柵鋼架設于曲線上時，安設方向為該點的法線方向；安設于直線段時，安設方向與線路中線垂直；每榀位置定位準確，上下、左右偏差小于±5cm，斜度小于2°；

(2)安裝前準備。運至現(xiàn)場的單元格柵鋼架分單元堆碼，隧洞進行斷面尺寸檢查，及時處理欠挖部分，保證格柵鋼架正確安設，外側(cè)有不小于5cm的噴射混凝土；安設拱腳或墻腳前，清除墊板下的松碴，將鋼架置于原狀巖石上，在軟弱地段，拱腳下應墊鋼板；

(3)安設。鋼格柵采用自制簡易鉆架平臺作安裝平臺，利用人工+手拉葫蘆吊裝就位，與系統(tǒng)錨桿焊接的方式臨時固定。鋼格柵與圍巖間空隙，采用塊石填塞穩(wěn)定并加固鋼格柵。鋼格柵腳部設置強度高、規(guī)則的巖塊墊腳，并用φ25mm、L=4.5m、環(huán)向間距1m的鎖腳錨桿鎖定。榀與榀間焊接縱(環(huán))向連接筋(φ20mm的II級鋼筋)，環(huán)向間距50cm，與其它金屬構(gòu)件焊接，形成聯(lián)合的支護體系。

3.3.3 鋼筋網(wǎng)施工

待錨桿和鋼格柵施工完成后，進行鋼筋網(wǎng)的鋪設。為減少現(xiàn)場鋪設時間，在鋼筋加工廠預先加工成2m×2m的網(wǎng)片，利用自制簡易鉆架平臺現(xiàn)場組裝。鋼筋網(wǎng)片采用焊接或拱接，緊貼巖石面展布，利用錨桿或插筋固定。

3.3.4 噴護混凝土施工

噴護混凝土細骨料為細度模數(shù)大于2.5的中粗砂，粗骨料為小于15mm的豆石，水泥用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥,配合比通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試確定。配合比初擬為：水泥∶砂∶石子比例為1∶2.5∶2.5，速凝劑摻量為2%～3%，砂率為50%～60%，水灰比控制在0.4～0.5。

混凝土采用JDY350型強制式拌機拌制，5t自卸汽車將拌制好的干料運至洞內(nèi)工作面。人工上料，利用簡易鉆架平臺或直接噴射施工，噴射混凝土應自下而上螺旋式進行，避免回彈料污染受噴面。分層噴射時后一層應在前層終凝后1h內(nèi)進行，否則應清洗噴射面。噴射作業(yè)應緊跟開挖工作面，混凝土終凝至下一次循環(huán)放炮時間不應少于3h。噴射混凝土終凝2h后即開始噴水養(yǎng)護，并且不少于14d。

3.4 不良地質(zhì)段施工技術(shù)

不良地質(zhì)段施工按“短進尺、弱爆破、勤量測，強支護” 原則和采取相應的技術(shù)措施施工。涌水嚴重洞段除采用常規(guī)支護方法外，可采取小導管雙液注漿方法施工，形成阻水帷幕，以保證圍巖穩(wěn)定和施工安全。

3.4.1 塌方的預防措施

⑴ 勤觀測。在施工過程中，隨時觀察和量測現(xiàn)場工程地質(zhì)和水文地質(zhì)變化情況，研究變異規(guī)律，據(jù)此擬定施工對策。在地質(zhì)構(gòu)造復雜、地下水豐富處，按設計要求埋設觀測儀器(YST型鋼絲收斂計、液力應力計、卷尺式伸長計等)，隨時量測圍巖變形，及時預報巖體穩(wěn)定情況；

⑵ 短進尺。嚴格控制進尺，以保證圍巖不受過分擾動和減少因爆破造成的局部應力集中；

⑶ 弱爆破。即根據(jù)炮孔布置圖，采用最小裝藥量，控制爆破對圍巖的擾動；

⑷ 強支護。利用系統(tǒng)錨桿(加密、加長)，型鋼拱架(間距為0.3m～0.6m)，必要時采用鋼管棚進行支護。

3.4.2 塌方處理

⑴ 深入現(xiàn)場觀察研究，分析塌方原因，弄清塌方規(guī)模、類型及發(fā)展規(guī)律，核對塌方段的地質(zhì)構(gòu)造和地下水活動狀況，盡快制定切實可行的塌方處理方案；

(2)對一般性塌方，在塌頂暫時穩(wěn)定后，立即加固四周圍巖，及時支護結(jié)構(gòu)物，托住頂部，防止塌穴繼續(xù)擴大。對于較大塌方或冒頂事故，應妥善處理地表陷坑；

(3)有地下水活動的塌方，先治水再治塌方；

(4)認真組織塌方處理專業(yè)隊伍，指定有經(jīng)驗的專職干部領(lǐng)導負責；

(5)充分保證處理塌方的必須器材設備，避免中途停工。在開挖過程中如發(fā)現(xiàn)斷層、破碎軟弱夾層、溶洞、涌水、涌泥等地質(zhì)缺陷，應立即報告監(jiān)理工程師，共同協(xié)商處理方案和技術(shù)措施，經(jīng)監(jiān)理工程師批準后方可處理。

3.5 施工期臨時監(jiān)測

施工監(jiān)測主要量測Ⅳ～Ⅴ類圍巖段收斂和頂拱沉降。量測區(qū)的間距不超過30m，每個收斂量測段的測點不少于3點，圍巖收斂和頂拱下沉量測原則上在同一斷面上進行。量測斷面的間距與隧洞長度、圍巖條件、開挖方法等多種因素有關(guān)，實際量測時，按技術(shù)規(guī)范及監(jiān)理工程師要求進行。量測拱頂沉降和收斂的標記到掌子面的距離不超過1m，首次量測在爆破后盡快實施。圍巖的工程地質(zhì)及支護情況觀察、洞內(nèi)地質(zhì)超前預測預報，均按照相關(guān)的技術(shù)規(guī)范進行。

現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)應及時整理，繪制位移～時間曲線，并分析是否正常，進而判斷圍巖的穩(wěn)定性，并及時反饋給設計及監(jiān)理，用以修改支護設計和施工，確保工程安全。

4 結(jié)語

沙坪水電站引水隧洞開挖施工，在泥巖地質(zhì)條件下難度很大，為嚴格控制工程質(zhì)量，工程上運用了短期超前地質(zhì)預報技術(shù)，為爆破開挖和后期支護提供了依據(jù)。爆破采用常規(guī)技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況不斷變化，優(yōu)化爆破相關(guān)參數(shù)成為本工程快速施工的關(guān)鍵。初期支護充分利用圍巖的支撐能力，在保證安全的前提下采用跟進開挖的方法，運用“新奧法”技術(shù)為本工程快速施工提供了保證，常規(guī)圍巖量測技術(shù)確保了工程快速施工的安全。 結(jié)合以上快速施工技術(shù)，一些簡單而常規(guī)的實用施工技術(shù)通過本工程成功應用，達到了快速施工的效果，節(jié)約了成本，保證了工期，為類似工程的中小型斷面隧洞開挖積累了經(jīng)驗。

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