水電站尾水隧洞開挖與支護(hù)施工方法探析

劉顯興

(中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引 言

水利樞紐工程是以防洪、發(fā)電為主，兼顧改善生態(tài)環(huán)境、旅游觀光、庫區(qū)航運等功能的大(1)型一等工程。樞紐工程建筑結(jié)構(gòu)包括開關(guān)樓、沖沙洞、升壓變電站、水電站廠房、溢洪道、大壩、泄洪排沙洞和發(fā)電引水洞等，投入運行后可改善農(nóng)田灌溉面積5.5萬hm2，通過調(diào)節(jié)控制可實現(xiàn)年供水量8.22億m3，有利于維護(hù)下游綠色廊道生態(tài)環(huán)境和減輕洪水災(zāi)害損失，對于促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提升河道防洪能力具有重要意義。

水電站尾水系統(tǒng)共設(shè)計3條隧洞，采用“一洞一井二機”的布設(shè)形式，相鄰尾水隧洞之間的中心間距為13.0m，巖體厚度為6.8m。尾水洞為城門洞形開挖斷面，單洞長208.50m，其中尾水?dāng)U散段開挖斷面尺寸為6.4m×6.85m-3.8m×4.4m，樁號為0+15.47m-0+0.000；底板開挖高程為586.60m，典型開挖斷面尺寸為6.60m×6.2m，相應(yīng)編號為0+199.50-0+15.47m；尾水鎖口段開挖斷面為7.05m×6.60m，對應(yīng)的編號為0+208.60-0+199.50m。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)狀況

洞身地層為弱卸荷、新鮮-微風(fēng)化巖體，巖性為灰色石灰?guī)r、白色細(xì)晶白云巖，結(jié)構(gòu)完整性差且比較松弛，出口段和洞身圍巖以Ⅳ類、Ⅲ-Ⅳ類為主，不利于成組出現(xiàn)結(jié)構(gòu)面和穩(wěn)定塊體。巖體穩(wěn)定性差、卸荷作用強烈且邊坡為斜順向坡，裂隙較為發(fā)育[1]。

1.2 工程特點

該水利樞紐工程三面高山環(huán)環(huán)抱，地表干燥剝蝕且物理風(fēng)化強烈，而高山河道凍冰剝蝕風(fēng)化、冰磧物豐富、地勢陡峭，加之森林缺少和植被稀缺，地表與河道沙源豐富，高山段河流洪水期水量集中且流速較大，水流具有較強的攜沙能力，同時中低山地帶的暴雨和融雪也將大量泥沙沖入河道，以上各因素作用使得水體含沙量大[2]。尾水洞開挖支護(hù)施工特點如下：

1) 砂化嚴(yán)重的細(xì)晶白云巖為尾水隧洞圍巖類型，而灰白-灰色細(xì)晶白云巖分布于0+23.5m-0+0洞段，以弱風(fēng)化且厚度超過24m的巖體為主；深灰-灰色細(xì)晶白云巖分布于0+51.0m-0+23.5洞段，以新鮮-弱風(fēng)化且厚度為12m的巖體為主；灰白-灰色細(xì)晶白云巖分布于0+81.0m-0+51.0洞段，以微風(fēng)化-弱風(fēng)化且厚度為12m的巖體為主；深灰-灰色斑紋狀細(xì)晶白云巖分布于0+165.0m-0+81.0洞段，以微風(fēng)化-弱風(fēng)化且厚度為45m的巖體為主；灰白-灰色細(xì)晶白云巖分布于0+214.0m-0+165.0洞段，以較強烈風(fēng)化且厚度為40m的巖體為主。

2) 堆積體洞口。出口段圍巖類型以Ⅴ類為主，洞頂覆蓋層較厚，在軟弱夾層和節(jié)理裂隙組合作用下形成不穩(wěn)定塊體，所以施工過程中的控制難點和重點是確保尾水出口安全進(jìn)洞[3]。

3) 厚度不足1.5倍洞徑的隧洞間巖體。尾水隧洞相鄰巖墻之間的厚度較小為6.1m，隧洞開挖洞涇較大且為多條平行布設(shè)。上部進(jìn)廠交通洞與尾水隧洞之間的巖體厚度較薄為8.4m，二者為立體交叉布設(shè)，開挖尾水隧洞上部洞室后存在比較復(fù)雜的二次應(yīng)力，巖體塑性區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)位于洞室交匯部位。圍巖開挖穩(wěn)定性問題在3條尾水隧洞相鄰洞室之間較為突出，相鄰隧洞間的巖墻厚度約為開挖洞涇的1.5倍，為6.4m。交匯處圍巖穩(wěn)定性差且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，主洞與連通洞之間存在較大的交匯跨度。

4) 塌方和溶洞段。在結(jié)構(gòu)面不利切割綜合作用下，開挖樁號0+0-0+167m段巖體時局部拱腳和頂拱存在塌方、掉塊現(xiàn)象，掉塊深度大部分為30-50cm，其它少部分為10-30cm[4]。開挖樁號0+167-0+214m巖體時，部分邊墻、頂拱存在較為嚴(yán)重的塌方和掉塊現(xiàn)象，掉塊深度一般為1.0-1.6m，其它少部分為0.4-1.0m。

5) 地下水部分。平行交叉開挖和支護(hù)施工時，為確保圍巖安全和穩(wěn)定必須及時抽排施工用水、地下水滲水，該過程為支護(hù)施工的重要環(huán)節(jié)之一。

2 施工方法

2.1 進(jìn)洞方法

尾水隧洞出口平臺的修建占1/2省道面積，將出口高程590.2m平移至省道位置。采用石渣填筑出口平臺，向上游方向以降坡10%、長50m將至省道路面，路面的回填材料為石渣，采用石渣直接回填呈路面且省道向河道平移5m。滿足省道同行條件和尾水隧洞施工條件為改造省道的基本要求，尾水隧洞支護(hù)材料、出口邊坡開挖出渣等運輸由改造公路承擔(dān)

為盡快進(jìn)入尾水隧洞出口和完成高程590.2m以上進(jìn)洞鎖口支護(hù)、邊坡開挖支護(hù)，開工后應(yīng)先修建尾水施工道路，采用先開挖1#、3#，待掘進(jìn)30m再開挖2#尾水洞的跳洞開挖方式進(jìn)行進(jìn)洞開挖[5]。

2.2 洞內(nèi)砂化圍巖洞段處理

1)施工程序。采用先開挖1#、3#，后開挖2#的跳洞開挖施工方案，開挖完成0+199.5-0+209.5尾水出口10m后跟進(jìn)混凝土襯砌施工，然后繼續(xù)掘進(jìn)開挖。尾水隧洞圍堰類型以Ⅴ類為主，局部為Ⅳ類，針對此情況的開挖應(yīng)采用勤測量、強支護(hù)、弱爆破、短進(jìn)尺的開挖方式，嚴(yán)格按“新奧法”施工控制單孔裝藥量，最大程度的降低圍巖的受干擾作用

對于10m范圍開挖東段選用多循環(huán)、弱爆破、短進(jìn)尺的全斷面開挖方式，通常情況下進(jìn)尺為1.0-1.5m；進(jìn)洞前做好超前固結(jié)灌漿支護(hù)和洞口鎖口錨桿，進(jìn)洞后應(yīng)結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)條件和圍堰類型選取合適的加強支護(hù)方式，從而避免發(fā)生因爆破震動可能引起的塌方、松動和震裂等現(xiàn)象，尾水隧洞開挖工藝、開挖方法應(yīng)結(jié)合不同的斷面形式合理確定。

結(jié)合地質(zhì)勘探前期數(shù)據(jù)資料，尾水隧洞巖體強度基本喪失且地質(zhì)條件極差，施工過程中的控制重點是控制該地質(zhì)條件下的作業(yè)人員安全和保證洞室的穩(wěn)定。為便于及時支護(hù)鋼格柵和后續(xù)施工將開挖斷面增大20cm，從而防止結(jié)構(gòu)線被鋼格柵侵占的情況。若開挖后圍堰穩(wěn)定性較好且洞室自穩(wěn)能力墻，能夠符合洞室成型相關(guān)要求，則宜選用噴錨支護(hù)方式。

設(shè)定200-250cm為手風(fēng)鉆造孔開挖控制進(jìn)尺，噴厚5cm的C20素混凝土對每一開挖循環(huán)較為破碎的出露邊頂拱進(jìn)行封閉處理，支護(hù)施工作業(yè)順序為鋼格柵、錨桿掛網(wǎng)、混凝土噴射施工。在開挖施工下一循環(huán)之前，將一排@30cm、L=450、Φ25超前錨桿環(huán)向支護(hù)起拱以上部位，入巖深度為300-450cm范圍，為避免混凝土結(jié)構(gòu)先被鋼格柵侵占將開挖斷面擴大20cm用于鋼格柵布置。

若地質(zhì)條件無法達(dá)到以上開挖過程中的進(jìn)尺要求，將排炮孔深度調(diào)整值200-100cm，洞室開挖爆破孔徑Φ50mm，預(yù)進(jìn)尺度為150-100cm，單孔炸藥耗量為1.15kg/m3。為降低圍巖受爆破的損害作用，選取光面爆破作為周邊圍巖處理方式。進(jìn)場交通洞正下方交叉重疊布設(shè)尾水隧洞，巖石厚度設(shè)計最小值為820cm，因該部位巖石自穩(wěn)能力差且基本喪失承載強度，有必要加強支護(hù)該部位。

2) 支護(hù)施工。采用新奧法原理進(jìn)行洞室支護(hù)施工，及時跟進(jìn)設(shè)計支護(hù)段，必要時可加設(shè)鋼筋格構(gòu)架、固結(jié)灌漿、引水盲材和隨機排水孔等加強支護(hù)措施，隧洞支護(hù)工藝流程如下：

采用洞室開挖、圍巖處理、錨桿支護(hù)、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、驗收作為滿足洞室成型段支護(hù)施工工藝，按照洞室開挖、圍巖處理、鋼格柵、錨桿支護(hù)、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、驗收作為無法滿足洞室成型段支護(hù)施工流程。

錨桿施工采用人工安裝、機械注漿和手風(fēng)鉆造孔相結(jié)合的工藝措施，選用Ⅱ級螺紋鋼筋作為砂漿錨桿，按照先插桿后注漿、先注漿后插桿的程序?qū)敼昂瓦厜M(jìn)行施工[6]。大于錨桿直徑25mm以上為頂拱錨桿上仰孔鉆孔直徑基本要求，并增設(shè)一Φ8mm的硬質(zhì)塑料排氣管。在鋼筋上用膠帶固定排氣管，孔口處插入進(jìn)漿管，且孔口內(nèi)均插入排氣管、進(jìn)漿管和鋼筋，采用錨固劑或速凝水泥砂漿封堵孔口，注漿開始前必須確保凝固，以排氣管回漿作為注漿停止標(biāo)準(zhǔn)，對折后用鋼絲扎緊排氣管和進(jìn)漿管。對于破碎洞段鉆孔施工無法安裝錨桿、無法成孔或成孔質(zhì)量較差的條件下，以自進(jìn)式錨桿替換砂漿錨桿，保持其它參數(shù)不變。鉆孔深度、孔徑、孔位和角度應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計圖紙和規(guī)范確定，確保鉆孔質(zhì)量合格[7]。

采用平臺車配合人工操作安裝鋼筋網(wǎng)片，選用厚5cm的C20素混凝土進(jìn)行洞室系統(tǒng)噴射支護(hù)。針對嚴(yán)重砂化的部位應(yīng)增設(shè)鋼格柵，噴厚25cm的C25混凝土且要求蓋過鋼格柵1-2cm。

采用運輸車將洞外加工制作的鋼格柵輸送至洞內(nèi)，然后由人工安裝至洞內(nèi)相應(yīng)的位置。以焊接施工規(guī)范作為鋼格柵焊接依據(jù)，工字鋼與鋼筋網(wǎng)、鋼格柵附件、超前錨桿、鎖腳錨桿焊接成一個整體，噴錨支護(hù)到位且鋼格柵一次安裝，選用全斷面開挖尾水洞洞身段。

3)灌漿作業(yè)。將兩排超前固結(jié)灌漿孔布設(shè)于為尾水隧洞進(jìn)口段，采用Φ76釬頭、CIR70風(fēng)動沖擊器和XZ-30鉆機進(jìn)行造孔，施工順序為從內(nèi)到外圈。采用高壓灌漿泵進(jìn)行灌注施工，型號為TTB200/12、注漿壓力為0.5-1.0MPa，通過鉆花眼和加工成錐形進(jìn)行射漿施工，采用分強度、分片、分區(qū)的方式對其它部位固結(jié)灌漿施工。

2.3 特殊條件下的施工方法

爆破開挖控制采用間隔分序的方式，間隔距離不低于30m為相鄰隧洞開挖作業(yè)面的基本要求，既要選用合適的爆破控制措施、開挖程序，又要考慮加強襯砌、加強支護(hù)等隧洞交叉結(jié)構(gòu)處理措施，結(jié)合圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)優(yōu)化施工方法[8]。

2.4 溶洞及塌方段處理

施工過程中受巖溶地質(zhì)條件的作用易出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，并對尾水洞安全開挖造成直接的威脅[9]?？紤]到該影響作用，應(yīng)采取相應(yīng)的加強處理措施，具體如下：

1) 采用厚5cm標(biāo)號為C25素混凝土封閉處理塌方段基巖面。相對于鋼格柵間距，架設(shè)鋼格柵間距較小，安全屏障選取為已完成施工的防護(hù)拱。完成單榀鋼格柵架設(shè)后對鋼筋網(wǎng)、連接筋、鎖腳錨桿施工，開挖面與最后一榀鋼格柵之間的安全距離預(yù)留55cm；完全恢復(fù)塌方段施工作業(yè)前，將一排超前錨桿布沿開挖設(shè)計頂拱圓弧段掌子面布設(shè)，其參數(shù)為@30cm、L=4.5m且Φ25mm。

2) 將間距為1.0m的副拱增設(shè)于鋼格柵頂部，直抵基巖堤防處。鎖腳錨桿與鋼格柵彎鉤焊接，錨桿外露50cm、間距1.0m，L=3.0m且Φ25mm；采用間距為20cm的Φ25mm。鋼筋連接，上覆鋼筋網(wǎng)片尺寸為@15cm×15cm、Φ6.5mm；將厚25cm的C25混凝土噴射于頂拱范圍，采用模噴對邊墻進(jìn)行處理。

3) 將Φ50mm的3根灌漿管買攝于頂拱范圍，塌方空腔深入值為150cm、50cm，外露最高點50cm。對已完成鋼格柵頂部施工的塌方散落體進(jìn)行清除處理，采用M7.5砂漿灌注塌方空腔段，按照50cm、100cm、注滿3次對埋設(shè)的灌漿管進(jìn)行灌注，下一次灌注的條件為上一次灌注強度達(dá)到75%。

2.5 地下水的處理

結(jié)合施工現(xiàn)場情況和工程地質(zhì)條件，頂拱和底部開挖式存在細(xì)水滲出的現(xiàn)象，局部深入較為嚴(yán)重并對開挖進(jìn)程產(chǎn)生影響。因此，對于存在較大出露滲水點的開挖施工，要及時增設(shè)引水盲材鉆隨機排水孔和系統(tǒng)排水孔。采用潛水泵和排水系統(tǒng)將地下水、施工棄水抽至集水坑，并排至尾水隧洞外[10]。

2.6 評價分析

水電站建設(shè)施工于2012年，開挖支護(hù)初步完成時間為2013年，在此期間有效解決了施工過程中存在的諸多問題，為保證電站的有序施工和按質(zhì)按時工期計劃提供了技術(shù)支撐。

3 結(jié) 論

在極其不利條件下開展的水電站尾水洞開挖支護(hù)工程，經(jīng)過資源合理配置、周祥安排和科學(xué)組織，科學(xué)有效的完成了預(yù)期建設(shè)任務(wù)，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗和尾水洞開挖情況應(yīng)注意如下幾點：

1) 在巖體強烈砂化情況下應(yīng)對支護(hù)型式合理靈活選取，確保高效開挖和開挖方式的合理布局；對于堆積體洞口的開挖，為防止對洞內(nèi)開挖產(chǎn)生不利作用，應(yīng)對堆積體進(jìn)行正確的處理并選取合適的進(jìn)口方式。

2) 通過及時處理開挖引起的質(zhì)量和安全隱患，有效處理平行開挖的3條洞室可能出現(xiàn)的巖體厚度不足的問題；施工安全和開挖進(jìn)度的主要制約因素為巖溶發(fā)育地質(zhì)情況下的用水問題，為達(dá)到互利雙贏的節(jié)約成本的目的要采取經(jīng)濟(jì)、高效、快速的處理措施。