淺談高流速泄洪隧洞施工支洞規(guī)劃設(shè)計(jì)與施工

張衛(wèi)華

(中國安能集團(tuán)第三工程局有限公司，成都，611130)

1 工程概況

溪洛渡水電站左右岸共布置四條泄洪洞，總泄量約16700m3/s，單洞泄量約4200m3/s，最大單寬泄量約307m3/s·m，最高泄洪水頭205m，最大流速約50m/s。右岸兩條泄洪洞軸線平行布置，中心間距為54.30m，隧洞全長分別為1433.55m、1633.61m，洞內(nèi)均為有壓接無壓形式布置，依次由岸塔式進(jìn)水塔、圓形有壓隧洞段、地下工作閘門室、圓拱直墻形無壓隧洞段、龍落尾段和出口明渠挑坎等組成。

右岸泄洪隧洞體形結(jié)構(gòu)大，最大設(shè)計(jì)斷面為14m×19m。為合理規(guī)避施工干擾，保證工程施工均衡有序進(jìn)行，右岸泄洪隧洞共布置施工支洞7條，總長827.48m，自上游至下游依次布置有壓隧洞聯(lián)系洞、右泄1支洞、右泄2支洞、右泄3支洞、11-1支洞、右泄4支洞、右泄5支洞，具體布置如圖1所示。

圖1 右岸泄洪洞施工支洞示意

溪洛渡水電站右岸泄洪洞施工支洞施工期使用完成后，為充分發(fā)揮施工支洞功能效用，將位于過水?dāng)嗝嫠痪€以上的右泄2支洞、右泄4支洞、右泄5支洞改建為泄洪洞補(bǔ)氣支洞永久應(yīng)用，水位線以下的施工支洞按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行封堵。從工程最終實(shí)施情況來看，溪洛渡水電站右岸泄洪洞施工支洞規(guī)劃設(shè)計(jì)是合理的，施工支洞改建為高流速泄洪隧洞補(bǔ)氣支洞永久應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)值得推廣。

2 施工支洞規(guī)劃設(shè)計(jì)原則方法

施工支洞的規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)以技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用為總原則，著力保證工程項(xiàng)目的安全目標(biāo)、質(zhì)量目標(biāo)、進(jìn)度目標(biāo)及成本目標(biāo)順利實(shí)行。因此，溪洛渡水電站右岸泄洪洞施工支洞規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)主要按以下幾點(diǎn)原則方法確定：

(1)根據(jù)施工總進(jìn)度，永久隧洞的斷面形式，結(jié)構(gòu)尺寸、工程量和利用永久隧洞通道等條件確定施工支洞的數(shù)量，一般情況下，在永久隧洞軸線方向上盡可能均勻地布置各施工支洞，使各工作面承擔(dān)的任務(wù)基本相等，以保證工程施工均衡、有序地進(jìn)行。

(2)按總工期及需要的工作面數(shù)量，在各工作面承擔(dān)的任務(wù)基本相等的原則下，再考慮支洞線路最短、工程量最小及地形地質(zhì)條件好的位置，同時(shí)兼顧臨建布置規(guī)劃和防洪標(biāo)準(zhǔn)來確定施工支洞的位置，尤其是施工支洞進(jìn)洞口位置及高程，施工支洞進(jìn)洞口一般在規(guī)定的防洪高程以上，避免汛期無法使用。

(3)支洞的位置確定后，再詳細(xì)考慮施工支洞的斷面、轉(zhuǎn)彎半徑、縱坡、錯(cuò)車道及交角等因素，施工支洞的斷面設(shè)計(jì)需有利于施工供風(fēng)、供水、供電、排水、通風(fēng)及照明燈臨時(shí)設(shè)施的布置，施工支洞斷面一般設(shè)計(jì)為城門洞型，具體斷面尺寸由施工設(shè)備尺寸決定。

(4)多條永久隧洞軸線平行布置且在同一高程時(shí)，施工支洞以連通所有隧洞為宜，同時(shí)要盡量利用永久隧洞作為施工通道，以減少臨建工程量。

3 施工支洞規(guī)劃布置及斷面

溪洛渡水電站在右岸泄洪洞沿線布置施工支洞7條，分別為：有壓隧洞聯(lián)系洞、右泄1支洞、右泄2支洞、右泄3支洞、11-1支洞、右泄4支洞、右泄5支洞，7條施工支洞總長827.48m，各施工支洞分部如圖2所示。

3.1 有壓隧洞聯(lián)系洞

圖2 右岸泄洪洞施工支洞平面布置

3.2 右泄1支洞

右泄1支洞主要為右岸3#、4#泄洪洞工作閘門室585m高程以上開挖支護(hù)施工道路，起于4#交通洞601m高程處，終于右岸3#泄洪洞工作閘門室左端邊墻597.5m高程處，路線全長23.5m，底板縱坡為15.00%，斷面型式為6m×5m(寬×高)城門洞型，邊墻、頂拱采用長度為3m、直徑為φ25系統(tǒng)錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為2.5m，邊墻、頂拱掛鋼筋網(wǎng)噴10cm厚混凝土。

3.3 右泄2支洞

右泄2施工支洞為右岸3#、4#泄洪洞上層開挖支護(hù)施工道路，起于右岸邊坡11巖流層通道545.5m高程處，與3#泄洪洞樁號(hào)3#泄0+783.456相互正交，并水平貫穿至4#泄洪洞樁號(hào)4#泄0+897處左側(cè)邊墻，全長245.89m，底板最大縱坡為2.61%，斷面型式為8m×7m(寬×高)城門洞型，邊墻、頂拱采用長度為3m、直徑為φ25系統(tǒng)錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為1.5m，梅花型布置，邊墻、頂拱掛鋼筋網(wǎng)噴10cm厚混凝土，底板為25cm厚路面混凝土，兩側(cè)預(yù)留排水溝。

3.4 右泄3支洞

右泄3施工支洞為右岸3#、4#泄洪洞中、下層開挖支護(hù)、混凝土澆筑及灌漿等項(xiàng)目施工主要道路，起于右岸邊坡11巖流層通道534.5m高程處，與3#泄洪洞樁號(hào)3#泄1+010.373相互正交，并水平貫穿至4#泄洪洞樁號(hào)4#泄1+124處左側(cè)邊墻，全長169.12m，底板最大縱坡為4.59%，斷面型式為8m×7m(寬×高)城門洞型，邊墻、頂拱采用長度為3m、直徑為φ25系統(tǒng)錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為1.5m，梅花型布置，邊墻、頂拱掛鋼筋網(wǎng)噴10cm厚混凝土，底板為25cm厚路面混凝土，兩側(cè)預(yù)留排水溝。

3.5 11-1支洞

11-1支洞主要是為減少右岸天然邊坡處理與大壩、泄洪洞施工交通的相互干擾，同時(shí)兼顧右岸4#泄洪洞龍落尾上緩坡段、奧奇曲線段開挖支護(hù)、混凝土澆筑施工而設(shè)置的主要通道，11-1施工支洞起于右岸11巖流層下游通道510.8m高程處，終于4#泄洪洞樁號(hào)4#泄龍落尾奧奇曲線段1+290.024處，終點(diǎn)高程527.44m，路線全長159.56m，全線縱坡為10.4%，斷面型式為7m×6m(寬×高)城門洞型，邊墻、頂拱采用長度為3m、直徑為φ25系統(tǒng)錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為1.5m，梅花型布置，邊墻、頂拱掛鋼筋網(wǎng)噴15cm厚混凝土，底板為30cm厚路面混凝土，兩側(cè)預(yù)留排水溝。

3.6 右泄4支洞

右泄4支洞為右岸4#泄洪洞龍落尾段開挖支護(hù)施工道路，支洞洞口布置在11巖流層道路上，支洞起點(diǎn)高程為490m，終點(diǎn)與4#泄洪洞龍落尾樁號(hào)4#泄1+456.81左側(cè)邊墻相交，相交高程為485.15m，路線全長31.8m，底板縱坡為15.25%，斷面型式為7.5m×7.5m(寬×高)城門洞型，邊墻、頂拱采用長度為4.5m、直徑為φ25系統(tǒng)錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為1.5m，梅花型布置，邊墻、頂拱掛鋼筋網(wǎng)噴15cm厚混凝土，底板30cm厚路面混凝土，兩側(cè)預(yù)留排水溝。

3.7 右泄5支洞

右泄5支洞為右岸4#泄洪洞龍落尾段開挖支護(hù)施工道路，支洞洞口布置在泄4支洞上游側(cè)平臺(tái)，與3#泄洪洞樁號(hào)1+214.44相交，支洞起點(diǎn)高程494.5m，終點(diǎn)高程為484.71m，路線全長151.63m，采用城門洞型開挖，外段121.63m長采用7.5m×6.5m(寬×高)開挖斷面，軸線轉(zhuǎn)彎半徑為25m，坡比為8.05%，內(nèi)段30m長采用7.5m×7.5m(寬×高)開挖斷面，軸線轉(zhuǎn)彎半徑為15m，為水平段，邊墻、頂拱采用長度為4.5m、直徑為φ25系統(tǒng)錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為1.5m，梅花型布置，邊墻、頂拱掛鋼筋網(wǎng)噴15cm厚混凝土，底板30cm厚路面混凝土，兩側(cè)預(yù)留排水溝。

4 施工支洞的開挖支護(hù)施工

支洞施工主要包括洞臉、洞身和支洞與主洞交叉口段的施工，支洞進(jìn)洞口洞臉明挖完成后，及時(shí)襯砌或現(xiàn)澆一段混凝土，以保證施工和管理運(yùn)用的安全。洞身開挖采用YT-28手風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔、周邊光面爆破的方法施工，支洞與主洞交叉口段開挖空間大，特別需要注意控制斷面。為防止因開挖引起的圍巖松弛和坍塌，支洞采用系統(tǒng)掛網(wǎng)、錨桿及噴混凝土施工，在圍巖較差洞段采用型鋼支撐拱架或超前管棚支護(hù)，支洞進(jìn)洞口20m范圍內(nèi)澆筑混凝土襯砌。

5 施工支洞的封堵施工及永久應(yīng)用

施工支洞作為臨時(shí)工程，完成其使用功能后，需要進(jìn)行封堵，溪洛渡右岸泄洪洞將水位線以下的施工支洞進(jìn)行了封堵，水位線以上的則永久應(yīng)用改建為高流速泄洪隧洞補(bǔ)氣支洞。

5.1 施工支洞封堵

5.1.1 封堵體長度的確定

施工支洞封堵體位置根據(jù)圍巖的工程地質(zhì)及泄洪洞主洞相關(guān)位置關(guān)系，決定在與主洞相交處進(jìn)行封堵，泄洪洞投入運(yùn)行后，施工支洞封堵體主要承受內(nèi)水壓力。由《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279-2016)提供計(jì)算公式計(jì)算封堵長度：

L≥P/[τ]A

式中：L為封堵體長度(m)；P為堵頭迎水面承受的總水壓(N)；[τ]為容許剪應(yīng)力，取0.2～0.3MPa；A為堵頭剪切面周長(m)。

施工支洞堵頭抗滑穩(wěn)定校核可按以下方式計(jì)算，堵頭至考慮底板面產(chǎn)生抗滑摩擦力F1，混凝土與巖石間的摩擦系數(shù)取f=0.45，巖石與混凝土間粘接力至考慮邊墻和頂板面，粘接力作用系數(shù)取a=1.0，單位面積上粘接力取C=15MPa。

安全系數(shù)：K=F1/F2

抗滑力：F1=G·f+A×a×c

滑動(dòng)力：F2=A1×P

式中：G為堵頭重(kN)；A為堵頭與邊墻和底板間的面積，通常取底邊的全部加上兩側(cè)邊墻一半的面積(m2)；A1為水壓力作用面積(m2)；P為單位面積上的內(nèi)水壓力(kN/m2)。

由于溪洛渡水電站右岸泄洪洞施工支洞封堵斷面、長度設(shè)計(jì)院已給出詳細(xì)參數(shù)，其中有壓聯(lián)系洞全洞段進(jìn)行封堵、11-1支洞及右泄1支洞封堵體長度均為15m，而按照上述計(jì)算公式計(jì)算堵頭長度均較小，故本工程按設(shè)計(jì)要求的封堵參數(shù)進(jìn)行封堵。

5.1.2 封堵段主要施工程序

右岸泄洪洞施工支洞封堵程序主要有：施工準(zhǔn)備→基巖面清理→立模、預(yù)埋回填灌漿管加工、安裝→倉位驗(yàn)收→混凝土澆筑→回填灌漿施工→封堵完成。

5.1.3 封堵段混凝土施工

由于需封堵支洞的斷面較大，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，同時(shí)為便于頂拱回填灌漿引管的布設(shè)，采取分層、分塊進(jìn)行澆筑，分層高度控制在2m～2.5m為宜，每層混凝土澆筑完成后，及時(shí)對(duì)已澆層混凝土進(jìn)行鑿毛，在最頂混凝土澆筑前，預(yù)埋好頂拱回填灌漿引管，以便頂拱回填灌漿。

(1)倉面清理：混凝土澆筑前，將底板上已澆筑的路面混凝土及水穩(wěn)層由人工進(jìn)行鑿除，再將底板及兩側(cè)邊溝內(nèi)雜物及松散石渣全部清除，并將底板及巖壁沖洗干凈。倉面清理標(biāo)準(zhǔn)為：底板清至基巖面，無松散石渣、泥土等，倉內(nèi)無積水，在每層混凝土澆筑完成后，及時(shí)對(duì)施工縫面進(jìn)行鑿毛，在進(jìn)行頂層混凝土澆筑前需預(yù)埋好灌漿管路，以便頂拱回填灌漿。

(2)模板安裝：支洞封堵混凝土模板采用組合鋼模板進(jìn)行拼裝，與巖壁較小縫隙采用砂漿或木模板進(jìn)行補(bǔ)縫，模板采取內(nèi)拉、內(nèi)撐方式進(jìn)行固定。

(3)混凝土澆筑：施工支洞封堵混凝土采用混凝土拖泵泵送入倉，倉內(nèi)采用平鋪法進(jìn)行施工，插入式振搗器人工振搗密實(shí)，頂層澆筑時(shí)，在外側(cè)堵頭模上預(yù)留進(jìn)人孔，混凝土則由內(nèi)至外依次進(jìn)行澆筑，人員不便再進(jìn)入倉內(nèi)及澆筑至末端端頭時(shí)，封堵預(yù)留孔改澆一級(jí)配自密實(shí)混凝土。

(4)回填灌漿：施工支洞封堵段回填灌漿在混凝土達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行?；炷翝仓A段預(yù)埋2根φ32PE管進(jìn)行引管灌漿，φ32PE管設(shè)置灌漿支管，支管間距6.0m，采用全段依次灌漿的方法進(jìn)行施工。

5.2 施工支洞永久應(yīng)用

本工程對(duì)于泄洪洞水位過流線以上的右泄2支洞、右泄4支洞、右泄5支洞經(jīng)改造后作為高流速泄洪隧洞補(bǔ)氣支洞永久應(yīng)用，同時(shí)還可兼做為泄洪洞檢修洞使用。改造主要是對(duì)支洞與主洞交叉口洞段20m范圍內(nèi)進(jìn)行混凝土襯砌，支洞進(jìn)洞口設(shè)置鋼格柵門予以封閉即可。

溪洛渡右岸泄洪洞的右泄2支洞、右泄4支洞、右泄5支洞作為高流速泄洪隧洞補(bǔ)氣支洞永久應(yīng)用，防止了洞室水流因補(bǔ)氣不足而影響水流流態(tài)和摻氣效果，有效擴(kuò)展了施工支洞一般意義上的功能效用，上述支洞既節(jié)省了工程投資，又縮短了施工工期，為溪洛渡水電站提前發(fā)電作出了貢獻(xiàn)。

6 結(jié)語

(1)支洞是隧洞施工和運(yùn)行管理的輔助通道，設(shè)計(jì)合理與否，將影響隧洞的造價(jià)、施工難易、工程進(jìn)度和運(yùn)用的可靠性等方面。溪洛渡水電站右岸泄洪洞的支洞設(shè)計(jì)是在原設(shè)計(jì)規(guī)劃基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，沿線布置了6條施工支洞、總長827.48m，為控制性泄洪洞主體工程施工的保質(zhì)保量完成提供了有力保障。

(2)右泄2支洞、右泄4支洞、右泄5支洞改建為補(bǔ)氣支洞永久應(yīng)用，為高流速泄洪隧洞施工支洞的合理應(yīng)用開創(chuàng)了很好的范例，值得在以后的工程設(shè)計(jì)中推廣。

(3)從溪洛渡右岸泄洪洞水電站施工支洞實(shí)施后的情況分析，有以下幾點(diǎn)值得總結(jié)：

①施工支洞盡量以逆坡進(jìn)洞，同時(shí)設(shè)置不小于1%的底坡，以利于施工期的排水；

②施工支洞封堵設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合支洞的永久性應(yīng)用考慮；

③施工支洞作為補(bǔ)氣支洞永久應(yīng)用可較好地解決高流速下洞室摻氣、補(bǔ)氣問題。