必英溝陡長排水隧洞施工措施研究與應用

王 國 陽， 錢 凱 旋, 龔 澤 鵬

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

水力發(fā)電作為一種傳統(tǒng)清潔能源，具有電能獲取無碳化的優(yōu)勢，將會在實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標中發(fā)揮重要作用，而水工隧洞作為水力發(fā)電工程的主要施工項目，對施工技術、施工質(zhì)量和施工措施等方面的要求極高[1]。在隧洞開挖支護施工過程中，受復雜多變且可預見性較差的水文及地質(zhì)等外界因素的影響，加之自身結構設計參數(shù)的不同，因此，結合具體工程項目特點，選擇合適的施工技術和合理的施工措施，有效解決施工過程中的地下滲水及施工用水抽排、通風散煙、資源輸送通道等問題，對于減少施工工序干擾、提高施工功效保證率、保證施工安全可靠等具有十分重要的意義[2-3]。

1 必英溝工程布置

必英溝位于拉哇水電站大壩軸線上游約2.8 km的左岸，為常年流水溝，主溝長度13.93 km，溝道平均縱比降17.7%。必英溝右側溝底高程2 790～2 620 m范圍為電站料場開采區(qū)，開采區(qū)上游為砂石加工系統(tǒng)布置區(qū)域。料場開采區(qū)下方溝道內(nèi)為棄渣場，棄渣來源主要包括料場開采剝離料和加工棄料等。必英溝渣場堆渣頂高程2 730 m，設計棄渣量633.32萬m3，堆渣體最大高度180 m，渣場級別為Ⅰ級，防洪建筑物等級為Ⅰ級，必英溝排水設計標準為100 a一遇，相應洪峰流量為84.7 m3/s，排水工程為永久建筑物。

必英溝排水隧洞布置于必英溝右岸，由進口明渠、進水口結構、排水隧洞、出口明渠等結構組成。排水隧洞進口底板高程為2 855 m，出口底板高程為2 705 m，洞身軸線長1 611 m，按照分段布置不同縱坡，最小縱坡為3.09%，最大縱坡為10.68%，最大過流斷面尺寸為5 m×6 m(寬×高)，最小過流斷面尺寸為3.5 m×3.7 m(寬×高)，斷面采用城門洞型。

2 工程特點及重難點

2.1 外界環(huán)境因素復雜

陡長水工隧洞經(jīng)常會遇到較為復雜的外界環(huán)境因素。在必英溝排水隧洞開挖過程中，揭露圍巖類別以Ⅲ類圍巖為主，IV類、V類圍巖需要采取“一開挖一支護”的掘進方式，確保洞室的穩(wěn)定，局部洞段受節(jié)理裂隙發(fā)育及斷層等影響，滲水較為嚴重，抽排水設施要隨掌子面進尺及時跟進布設，因此，該類型的隧洞開挖會增加支護施工難度，對現(xiàn)場管理人員的經(jīng)驗及作業(yè)人員的水平提出了較高的要求，工程建設工期的不可控性也會隨之增加。

2.2 安全管控風險隱患多

必英溝排水隧洞開挖長度1 611 m，最大縱坡達10.68%，斷面尺寸類型多，加之單作業(yè)面掘進及復雜多變的水文地質(zhì)條件，使開挖支護施工過程中的安全管控風險劇增。主要集中于圍巖破碎節(jié)理發(fā)育掉塊風險大、多處滲水加劇圍巖變形失穩(wěn)、施工工序干擾大使支護及時性不夠、施工作業(yè)面狹窄導致應急逃生通道有限等。由于隧洞施工本身對技術方案和資源組織水平要求較高，因此，現(xiàn)場管理人員在施工過程中及時開展安全風險隱患排查、處理，對確保工程安全和施工進度顯得尤為重要。

2.3 施工作業(yè)環(huán)境差

隧洞的施工作業(yè)環(huán)境主要以洞內(nèi)空氣質(zhì)量、掌子面積水量等指標來衡量，主要施工保證措施為通風散煙和抽排水，措施實施難度與單項掘進長度、縱向坡比、工序數(shù)量等成正比例關系，與隧洞斷面尺寸成反比例關系。因此，對于陡長水工隧洞來說，其洞內(nèi)的施工作業(yè)環(huán)境要較一般隧洞差，且改善提升難度大。

2.4 臨建設施布置密度大

必英溝排水隧洞最大開挖斷面尺寸為6 m×6.5 m(寬×高)，最小開挖斷面尺寸為4.5 m×4.6 m(寬×高)。受設計開挖斷面尺寸限制，施工供水、供電、供風、通風等臨建設施的設備和材料在空間布置上過于密集，且相互制約影響較大。同時，上述臨建設施在有限的施工空間里對隧洞開挖、支護等作業(yè)也會產(chǎn)生一定的影響。

2.5 施工工序干擾大

必英溝排水隧洞開挖支護施工階段主要工序有放樣、鉆孔、爆破、通風、出渣、噴混凝土、掛網(wǎng)、錨桿等，抽排水在各工序之間持續(xù)進行。因各工序施工特點及空間尺寸限制，工序間作業(yè)交叉干擾大，且無法緊湊銜接，部分在一般隧洞工程中可以平行施工的工序在此類隧洞中不能開展平行作業(yè)，占用了直線工期。

2.6 施工作業(yè)工效低

必英溝排水隧洞開挖支護采用“新奧法”理論，在隧洞單循壞開挖完成后，須結合圍巖應力分布特點、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)特征等，及時完成相應的支護，確保圍巖的穩(wěn)定性，因此,對開挖、支護等工序的實施時效性要求較高。而受復雜地質(zhì)環(huán)境、施工作業(yè)環(huán)境、施工工序干擾等因素影響，人工作業(yè)的整體效率會隨著洞室斷面尺寸變小、單項掘進長度增加而急劇下降，進而會對工程安全、質(zhì)量、進度等全過程管控產(chǎn)生較大的影響。

從施工的實際情況不難看出，此類隧洞開挖支護管理的重難點主要集中在如何采取合理且有效的施工措施減少施工工序干擾、改善施工作業(yè)環(huán)境、提高施工作業(yè)工效，進而保證工程安全、質(zhì)量、進度等管理指標受控。

3 施工措施

3.1 抽排水措施

必英溝排水隧洞開挖支護采用由進口段BP0+000到BP1+610.992單項掘進的方式進行施工，洞內(nèi)坡度整體呈下坡型式，最陡段坡度達10.68%。施工過程中，圍巖周圍開挖揭露地下水較豐富，所有洞內(nèi)水均匯流至掌子面。為確保正常施工，首要任務是采取合理的施工措施將地下滲水和施工廢水及時抽排出洞。但受爆破、出渣等因素影響，抽排水作業(yè)無法保證連續(xù)實施，在出渣期間將暫停抽水，根據(jù)洞內(nèi)滲水及掌子面積水情況，應對抽排水作業(yè)和渣料清運進行合理安排。為保證洞內(nèi)抽水效率，抽水泵均須采用大流量、高揚程水泵。

在現(xiàn)場施工過程中，先通過抽水泵接軟管將積水抽至距掌子面最近的集水坑，再沿洞軸線設置多個集水坑、排水泵、排水管，采用分段梯級抽水方式將洞內(nèi)水抽至洞外三級沉淀池。具體措施是：洞內(nèi)每間隔100 m設置一道臨時性集水坑(集水坑尺寸采用2 m×1 m×2 m(長×寬×高)，集水坑內(nèi)放置固定式潛污泵(WQ100-35-18.5 kW)，輔以DN108排水鋼管。

因洞內(nèi)滲水具有持續(xù)性，而抽水間隙時間僅為渣料清運期間，水泵幾乎處于連續(xù)高強度工作狀態(tài)，對水泵穩(wěn)定運行維護的要求極高，現(xiàn)場配置了一個3～4人的維護班組。同時，為減少因水泵損壞更換而耽擱的施工時間，預防洞內(nèi)滲水突然增加的不利因素，抽水泵以及管道均采用一用一備的方式。

3.2 通風散煙措施

因必英溝排水隧洞設計開挖斷面尺寸呈洞口大、洞內(nèi)小的特點，且在BP0+042-BP0+145段軸線為R100圓弧型，洞內(nèi)空氣流動性小，導致洞內(nèi)空氣質(zhì)量差，尤其在爆破后和出渣期間挖掘機、裝載機、出渣車等機械運行過程中產(chǎn)生的煙霧更難排出[4-5]。

基于上述特點，考慮洞內(nèi)空間有限及減少施工干擾等因素，現(xiàn)場采用在洞口右側安裝2×55 kW送風風機，風袋采用φ100 mm規(guī)格，在隧洞中間(BP0+800)加裝接力風機，在左側設置一臺抽風風機，使洞內(nèi)形成一個空氣循環(huán)，有效提升隧洞內(nèi)空氣環(huán)境指標。

3.3 施工干擾解決措施

必英溝排水隧洞設計開挖斷面尺寸小，直接導致開挖渣料在掌子面無法直接裝車運輸，支護工序施工期間因設備占道而無法正常進行開挖。

基于上述因空間尺寸而產(chǎn)生的施工干擾，現(xiàn)場采取設置錯車道的方式解決，即錯車道沿洞軸線每間隔70～100 m設置一道，錯車道尺寸為7 m×6 m×4 m。為滿足洞內(nèi)車輛運輸需要，錯車道和集水坑設置在同一處。開挖出渣時，通過裝載機將掌子面的渣料運至停放在錯車道的出渣車上進行清運；支護施工期間，可將支護設備、材料堆放在錯車道內(nèi)進行施工，保證主干道通暢，進而確保掌子面正常開挖。

4 施工措施應用效果

必英溝排水隧洞開挖作業(yè)循環(huán)由鉆孔、出渣和輔助工作等組成。根據(jù)現(xiàn)場實際工效，不同圍巖類別完成1個開挖循環(huán)所需時間及單循環(huán)進尺數(shù)情況如下：

Ⅲ類圍巖單循環(huán)進尺1.5～1.8 m，9.5 h/循環(huán)，2.5循環(huán)/d，日進尺可達3.7～4.5 m/d，則月進尺92～112 m/m(按25 d/m計算)，實際施工平均可達100 m/m；IV、Ⅴ類圍巖循環(huán)進尺1.0～1.2 m，12 h/循環(huán)，2.0循環(huán)/d，日進尺2.0～2.4 m/d，則月進尺50～60 m/m(按25 d/m計算)，實際施工平均可達55 m/m。另外，隧洞開挖支護施工過程中，錯車道和積水坑施工需要2 d，機械維修和故障等耽擱約3 d。

由于將錯車道作為噴混凝土的作業(yè)平臺以及裝載機、挖掘機等機械的停放空間，現(xiàn)場初期支護施工和開挖進度基本匹配，除特殊部位需要立即支護而停止掌子面開挖的地方，其余部位支護施工均滯后掌子面約一個錯車道的距離。

必英溝排水隧洞開挖支護施工過程中，經(jīng)參建四方對圍巖類別進行現(xiàn)場鑒定，實際洞身總長為1 613 m，圍巖類別情況分別為Ⅲ類1 293 m、Ⅳ類及Ⅴ類320 m，實際開挖支護施工工期約18個月，進度基本滿足合同工期要求，施工過程中未發(fā)生一起安全、質(zhì)量事故，整體工程管理指標受控。

5 結 語

地下洞室開挖支護施工難度及工效會因圍巖類別、斷面尺寸、縱向坡度、支洞數(shù)量等不同而各異，采取的開挖支護施工措施也會有所差別。必英溝排水隧洞工程由于受到地形、地質(zhì)等客觀條件的限制，在實際施工過程中無法通過增加施工支洞的方式來減少掘進長度，提高通風散煙及抽排水效率。針對工程的實際情況，采用分段梯級抽排水、接力循環(huán)通風散煙、增設錯車道等綜合施工措施，解決了陡長水工隧洞單面作業(yè)施工存在的環(huán)境差、工序干擾大、作業(yè)工效低的問題，有效提升了工程施工安全、質(zhì)量、進度等方面的管理成效，可為類似工程項目管理提供借鑒。