穿越復(fù)雜地層超長引水隧洞的開挖及支護(hù)

王國威 董龑蛟

1. 中國葛洲壩集團(tuán)國際工程有限公司 北京 100025；2. 北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 102206

水利工程中引水隧洞施工場地狹窄，多位于山多、水急的區(qū)域，增加了工程建設(shè)中的不穩(wěn)定因素，提升了現(xiàn)場施工難度；實(shí)際施工中，要充分了解施工區(qū)域的地理條件、巖層條件，避免施工過程中出現(xiàn)塌方等風(fēng)險。因此，對于引水隧洞來說，不僅要考慮工程成本，還要參考工程施工環(huán)境、需求等特點(diǎn)，做好其開挖支護(hù)工作的管理[1-3]。

1 工程概況

巴基斯坦蘇基克納里水電站引水隧洞線路長度約23.156 km，最大埋深集中在A5—A6a之間，約1 350 m。開挖斷面呈馬蹄形，隨現(xiàn)場圍巖特性的變化而調(diào)整開挖斷面的尺寸，控制范圍為：寬7.06～7.80 m，高6.88～7.40 m。

2 工程難點(diǎn)

本工程的引水隧洞具有穿越的大小斷層多、地質(zhì)條件復(fù)雜、洞挖斷面小、線路長等特點(diǎn)。洞內(nèi)地下滲水、巖爆、圍巖穩(wěn)定等將對洞室施工極為不利，是本項目施工控制的難點(diǎn)。

1）引水隧洞斷層帶施工。本工程引水隧洞穿越的大小斷層多達(dá)11條，其中F12（A6b—A7a段）、F17-1（A7a—A7段）、F23-1（A7a—A7段)、F18（A7—A7-1段）和F25-1（A8—A9段），斷層帶區(qū)域范圍較大，巖石破碎，地質(zhì)情況復(fù)雜，支護(hù)難度大，對隧洞施工影響非常大，是本工程施工難點(diǎn)。

2）引水隧洞穿越?jīng)_溝段施工。本工程引水隧洞穿越多條沖溝，沖溝段地質(zhì)復(fù)雜，特別是A6a—A6b段，埋深非常淺，為滿足設(shè)計規(guī)范，設(shè)置了壓力鋼管穿越?jīng)_溝。根據(jù)地勘報告，引水隧洞沖溝段的水位線在隧洞的上方，在施工過程中，發(fā)生涌水可能性較大，對隧洞施工排水產(chǎn)生較大的影響，因此沖溝段的施工也是本工程的難點(diǎn)。

3）巖爆段施工。本工程引水隧洞有2段埋深較大的區(qū)域，第1段A5—A6a段，埋深最大1 300 m；第2段A6b—A7a段，隧洞埋深近1 000 m。埋深超過1 000 m的區(qū)域，地應(yīng)力較高，具備發(fā)生巖爆的條件。巖爆對隧道施工影響較大，對施工人員和設(shè)備存在較大的安全風(fēng)險，因此巖爆段的預(yù)防與處理，是本工程施工難點(diǎn)。

4）通風(fēng)排煙。引水隧洞單面掘進(jìn)距離長，如何確保洞內(nèi)通風(fēng)是本工程的難點(diǎn)。

5）洞內(nèi)排水。本工程引水隧洞單向開挖距離長，沿程損失較大，支洞口與主洞交叉口高程不一，其中一部分支洞排水是順坡，另一部分支洞排水是逆坡。引水隧洞斷面較小，排水較為困難，因此合理安排洞內(nèi)排水方向與泵站布置是本工程的難點(diǎn)。

3 引水隧洞主洞的開挖施工工藝

3.1 施工準(zhǔn)備

支洞成形后，重點(diǎn)處理支洞與主洞所形成的交叉區(qū)域，依托支洞的現(xiàn)有設(shè)備，加之其他輔助設(shè)備的配合，由施工人員規(guī)范操作，開挖主洞并采取支護(hù)措施。A5—A7控制段均采用中方鉆工，除此之外的其他區(qū)域采取中方和巴方鉆工相結(jié)合的方案。

3.2 測量放樣

以設(shè)計圖紙為準(zhǔn)，由專業(yè)人員利用全站儀測量放樣（包含隧洞中心線、掌子面樁號、設(shè)計輪廓線等），并結(jié)合鉆爆圖的相關(guān)要求，精準(zhǔn)確定炮孔孔位，給后續(xù)施工提供參照基準(zhǔn)。正式施工前，先詳細(xì)檢查上一循環(huán)的施工情況，例如是否超欠挖，針對質(zhì)量問題采取處理措施，并匯總所得結(jié)果，向全體施工人員做技術(shù)交底，以便高效進(jìn)入本循環(huán)施工。以月為單位，定期檢查洞軸線和坡度，切實(shí)提高質(zhì)量控制水平。

3.3 鉆孔作業(yè)

引水隧洞開挖采用在自制的移動式鉆爆平臺上，人工配YTP28氣腿鉆造爆破孔，孔徑42 mm，要求工作人員精準(zhǔn)測放中線、腰線以及開挖輪廓線，分別組織鉆孔作業(yè)。每排炮分別由專門的人員管理，檢查鉆孔作業(yè)情況，確保其滿足“平、直、齊”的要求，同時各炮孔的孔底均處于相同的鉛直斷面處。此外，嚴(yán)格控制周邊孔的外偏角，適當(dāng)減小，以便與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相適應(yīng)。

炮孔裝藥前由質(zhì)量管理人員逐一檢查各炮孔，分析是否存在遺漏現(xiàn)象，若有則補(bǔ)鉆，諸如孔徑、孔深等各項參數(shù)也均要滿足要求。當(dāng)班技術(shù)人員根據(jù)所掌握的信息展開計算，確定合適的裝藥量，根據(jù)需求領(lǐng)取材料。

3.4 裝藥、聯(lián)線、起爆

經(jīng)鉆孔作業(yè)后，孔內(nèi)易堆積大量巖粉，不利于順利裝藥，且易影響爆破質(zhì)量。對此，裝藥前先用高壓風(fēng)清孔，待無誤后方可裝藥爆破。各類孔的炸藥需求以及裝藥方法不同，掏槽孔和崩落孔均為φ32 mm乳化炸藥卷連續(xù)柱狀裝藥，周邊孔為φ25 mm乳化炸藥卷不耦合間隔裝藥。

順利裝藥后，根據(jù)設(shè)計要求細(xì)致地做好聯(lián)線以及封堵工作，此階段參考炸藥的最小抵抗線長度，要求封堵長度不小于該值。此后，由專業(yè)炮工做詳細(xì)的檢查，若無誤則組織人員以及無關(guān)施工機(jī)具退場，統(tǒng)一轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域。在各項準(zhǔn)備工作均落實(shí)到位后，由炮工負(fù)責(zé)，開始起爆。整個過程中均要加強(qiáng)警戒，避免人員誤入現(xiàn)場。

3.5 剝離

經(jīng)爆破后，在確保現(xiàn)場已經(jīng)通風(fēng)散煙的前提下，先用反鏟剝離松動的危石和巖塊，再進(jìn)一步由現(xiàn)場施工人員用剝離桿清理剩余的小塊危石和巖塊。施工期間加強(qiáng)檢查，例如開挖洞段的圍巖情況，判斷其是否失穩(wěn)或是否有失穩(wěn)的發(fā)生趨勢。

3.6 出渣

采用2.3 m3側(cè)卸裝載機(jī)和20 t自卸汽車聯(lián)合作業(yè)，高效出渣，其間由施工人員處理掌子面以及邊墻圍巖處所存在的浮渣和危石，做到清理無死角。

4 支護(hù)施工

4.1 錨桿施工

提前加工成形，施工前詳細(xì)檢查錨桿的質(zhì)量，例如尺寸是否合理、是否有油污附著，本次施工采用的是全注漿錨桿，具體含2類：一是普通砂漿錨桿，施工遵循的是“先注漿、后插桿”的原則；二是自進(jìn)式錨桿，施工遵循的是“先鉆進(jìn)桿體、后注漿”的原則。

4.1.1 造孔

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)情況，A5以上控制段的鉆孔采用的是移動式平臺配氣腿鉆的方法。A5—A7段的施工均選擇單臂鉆，相較于巖石錨桿直徑，成孔直徑應(yīng)大于該值15 mm。正式鉆孔前，精準(zhǔn)測放孔位，正式鉆孔時嚴(yán)格控制作業(yè)參數(shù)，例如孔徑、孔深等，確保成形的孔洞滿足質(zhì)量要求。

4.1.2 清孔

鉆孔后，用高壓風(fēng)清理孔內(nèi)雜物，例如巖粉、泥巖等，以便給后續(xù)的注漿施工創(chuàng)造良好的條件。

4.1.3 注漿

頂拱錨桿注漿統(tǒng)一在移動式平臺處完成，所用裝置為麥斯特注漿機(jī)和φ25 mm的PE注漿管。正式注漿前，將提前準(zhǔn)備好的注漿管插至孔底，隨著注漿作業(yè)的持續(xù)推進(jìn)，緩慢從孔底拔出注漿管，直至孔內(nèi)灌滿泥漿為止。對于具有向上傾斜特征或是垂直狀態(tài)的孔，需加強(qiáng)防控，避免漿液大范圍流失；水泥漿存在特定的凝固時間，該階段用木楔固定錨桿，以免失穩(wěn)。

4.1.4 桿體安裝

在確保移動式平臺具有足夠穩(wěn)定性的前提下，由人工安裝錨桿。對于帶有錨定板的錨桿，應(yīng)嚴(yán)格控制其錨桿端部伸出螺母外的部分，該段的長度不可超過50 mm。經(jīng)水泥漿性能試驗(yàn)后，確定其硬化特性，根據(jù)所得結(jié)果合理控制錨桿旋緊時間。

4.2 噴混凝土施工和質(zhì)量控制

隧洞噴射混凝土主要起到防護(hù)作用，較為適宜的是素噴混凝土或鋼纖維混凝土。遇地質(zhì)破碎帶等特殊的地質(zhì)條件時，應(yīng)判斷該部分是否存在坍塌的可能，若有則不允許出渣，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況及時噴錨支護(hù)。

1）按初噴、復(fù)噴的順序依次噴射施工，2個階段的厚度要求分別為：4～5 cm、不超過10 cm。以不影響施工質(zhì)量以及不誘發(fā)安全事故為前提，Q2類圍巖可采取每3個循環(huán)初噴1次的方法；Q3類圍巖減小至每2個循環(huán)初噴1次；對于Q4—Q5類圍巖，要求盡快組織復(fù)噴作業(yè)，縮短巖面的暴露時間，以免出現(xiàn)表層風(fēng)化剝落的情況。對于復(fù)噴作業(yè)，則安排在錨桿及掛網(wǎng)安裝到位后施工。

2）根據(jù)施工需求，在拌和站按設(shè)計配比生產(chǎn)質(zhì)量達(dá)標(biāo)的混凝土，遵循隨拌隨用的原則，及時用自卸車運(yùn)輸至現(xiàn)場，利用機(jī)械臂式濕噴機(jī)作業(yè)，達(dá)到連續(xù)濕噴的效果。

3）為確保濕噴的施工質(zhì)量，提前做好準(zhǔn)備工作：清理作業(yè)范圍內(nèi)的危石，用高壓風(fēng)清潔巖面，避免巖粉等雜物附著問題；配備照明設(shè)備以及通風(fēng)設(shè)備，改善現(xiàn)場施工環(huán)境；調(diào)試施工機(jī)械，確保其均能夠穩(wěn)定運(yùn)行；于巖面上打入短鋼筋，根據(jù)要求詳細(xì)標(biāo)記刻度，作為噴層厚度控制的依據(jù)。

4）于料斗上安裝篩網(wǎng)，利用該裝置阻隔超粒徑的骨料。正式噴射過程中，在送風(fēng)前先開啟計量泵，噴射機(jī)司機(jī)與噴射手密切溝通，嚴(yán)格控制噴射壓力，及時整理噴射現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)調(diào)整風(fēng)壓和計量泵參數(shù)，從而保證施工安全，提高施工質(zhì)量。

5）噴嘴與受噴面呈垂直的位置關(guān)系，兩者間距控制在100～200 cm。若受噴面存在鋼筋網(wǎng)覆蓋的情況，可以在許可范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整噴嘴，但至少需確保噴嘴與受噴面的夾角達(dá)到70°。嚴(yán)格控制受噴面的角度至關(guān)重要，若因空間限制或其他原因而導(dǎo)致受噴面的角度過小，將導(dǎo)致混凝土的附著力下降，易在受噴面滾動，由此產(chǎn)生波形噴面，導(dǎo)致面層的平整度不滿足要求。

6）噴射作業(yè)遵循的是分片依次推進(jìn)的原則，每片的尺寸要求為長2 m、寬1.5 m，采取自下而上“S”形噴射的方法，此舉可避免因回彈物附著在圍巖面（此處指的是尚未經(jīng)過噴射處理的部分）而導(dǎo)致噴層與巖面的黏結(jié)力下降。在正式噴射前，先找平凹陷部位，再呈螺旋形緩慢移動噴頭，每圈壓前面半圈，盡可能提高混凝土面層的光滑性與平整性。

5 結(jié)語

綜上所述，在水電站工程建設(shè)全流程中，引水隧洞為重點(diǎn)施工內(nèi)容，同時該處的施工質(zhì)量將直接對工程的整體施工質(zhì)量帶來影響。對此，施工單位需緊密結(jié)合實(shí)際情況，合理應(yīng)用開挖施工工藝，加強(qiáng)質(zhì)量控制，在安全的環(huán)境中高效完成開挖與支護(hù)作業(yè)。