超薄洞壁洞群開挖技術研究

劉樹森，郭 乾

（中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧丹東 118216）

1 工程概況

董箐水電站位于貴州省西南部的北盤江下游，電站樞紐由鋼筋混凝土面板堆石壩、左岸開敞式溢洪道、右岸放空洞、右岸引水系統、右岸岸邊地面廠房等建筑物組成，電站正常蓄水位490 m，水庫總庫容9.55億m3，裝機容量880 MW。水電站引水系統洞群由4條主洞和3條施工支洞組成，主洞從左至右編號分別為1～4號引水隧洞。

1～4號引水隧洞開挖長度分別為557.22，566.82，578.26，597.46 m，4條引水隧洞開挖長度總和為2 300 m。引水隧洞均由引水隧洞段和壓力鋼管段構成，分為漸變段、上平段、水平彎段、中部漸變段、上彎段、斜井段、下彎段、下平段8種型式。

引水洞軸線間距離為22 m，開挖洞徑分別為φ11.3，φ10.6，φ8.6 m，其中中部漸變段上游部分開挖為圓形斷面是引水隧洞段，中部漸變段其下游部分開挖為馬蹄型斷面是壓力鋼管段；引水洞水平轉彎為41°，斜井角度為50°。

引水隧洞混凝土襯砌厚度為0.7～1.0 m，襯砌成型后斷面為9.0 m，壓力管鋼管段成型為7.0 m。

2 工程地質情況

2.1 基本地質條件

1)地形地貌：從引水系統進水口至廠房尾水出口段，地形高程為570～410 m，沿線斜向穿越一條NNE向的條形山脊，山體較為雄厚，地面坡度平緩，平均為21°，地表沖溝較為發育，但發育深度不大，發育深度小于10 m。

2)地層巖性：引水系統洞室區圍巖全部為T2b1-2層灰色厚層、中厚層鈣質石英砂巖夾灰色、深灰色鈣質泥巖，泥巖含量占 23%～32%。巖層產狀 N 10°～20°E/SE 至 N 10°～30°W/NE，傾角∠18°～25°。

3)地質構造：該區位于下喜料背斜東翼，軸向NNW向，區內未發現明顯的褶曲和斷裂構造發育，地質構造較為簡單，地層總體上屬單斜構造，但坡面上巖層產狀波狀起伏，走向也有所變化。其次為裂隙較為發育。

4)水文地質條件：組成洞室圍巖為砂泥巖，透水性差，雖然大部分洞室處于地下水位線以下，但洞內除小斷層和裂隙密集帶區可能遇有少量滲水外，多數洞段較為干燥，水文地質條件簡單。

2.2 工程地質評價

引水發電系統布置于右岸，引水洞穿越地層為T2b1厚層、中厚層狀砂巖、粉砂巖夾鈣質泥巖，地質構造較簡單，基本為單斜層面，巖層總體產狀 N 0°～30°E/SE（E）∠22°～40°，裂隙中等發育。從物探 EH 4勘探成果資料分析，認為大部分洞身段成洞條件一般，圍巖多為Ⅲ~Ⅳ類，但在上水平段及斜管段局部可能遇斷層、裂隙密集帶或軟弱夾層，為Ⅳ~Ⅴ類圍巖。

3 施工技術關鍵及特性

3.1 施工技術關鍵

1）開挖順序安排。它是保證開挖安全的基礎，是保障隧洞開挖安全的一項基本措施，主要研究隔洞錯距開挖的安全距離和具體操作方式。

2）爆破參數控制。在滿足常規洞室開挖爆破參數的前提下，根據不同的開挖斷面、部位采取不同的開挖爆破參數及開挖方式。

3）支護施工方式和工藝。支護施工的方法和工藝是保障洞群施工安全的關鍵所在，施工中除采用傳統的“新奧法”支護外，分析結構設計和實際地質情況也是重要的研究方向，找到薄弱環節，做到“對癥下藥”，以達到提高圍巖自承能力的目的。

3.2 施工特性

引水隧洞段開挖尺寸為φ11.3 m時，相鄰洞壁厚度為10.7 m，僅為洞室開挖尺寸的0.95倍，此種情況占整個隧洞開挖的2%；引水隧洞段開挖尺寸為φ10.6 m時，相鄰洞壁厚度為11.4 m，僅為洞室開挖尺寸的1.08倍，此種情況占整個隧洞開挖的45%；壓力管道段斜井開挖尺寸為φ8.6 m，相鄰洞壁厚度為13.4 m，為洞室開挖尺寸的1.56倍，占整個隧洞開挖的18%。

董箐水電站引水隧洞是目前為止規模較大的薄洞壁、多斷面、大洞徑洞群開挖施工，具有鮮明的特點，如何保證超薄洞壁、多斷面洞群開挖時洞壁穩定、超薄洞壁洞群開挖支護施工順序上的安排和布置、超薄壁洞斜井開挖技術方案、超薄洞壁洞群開挖爆破施工等在水電工程施工中較為少見。

4 施工程序規劃

施工方案主導思想：引水隧洞施工采用“平面多工序，立體多層次”的思想合理安排開挖、支護、襯砌三者的相互關系；利用“隔洞錯距開挖、襯砌支護跟進”的施工辦法進行施工。施工順序：

1）首先進行1，2號施工支洞及1，2號連通洞的開挖施工。

2）上平段在1號施工支洞及連通洞開挖結束后，向下游分兩層進行1，3號引水隧洞開挖，期間由1號連通洞向進水口方向穿插進行1，3號引水隧洞開挖；1，3號主洞分別開挖至3號連通洞時，先向 1，3號引水隧洞上彎段方向進行開挖，為斜井施工創造條件，同時兼顧3號連通洞的開挖施工。

3）3號連通洞開挖結束后，由進水口向上彎段方向進行1，3號引水隧洞上平段的混凝土襯砌施工。

4）在1，3號引水隧洞1號連通洞至進水口段開挖完畢后，采取隔洞錯距的開挖方法，進行2，4號引水隧洞上平段的開挖，開挖分兩層進行，采用先導洞后擴挖的方式進行上導洞施工，開挖錯距距離為50.0 m。

5）開挖結束后由進水口向上彎段方向進行2，4號引水隧洞上平段的混凝土襯砌施工。

6）在2號施工支洞及連通洞開挖結束后，進行壓力鋼管的下平段和下彎段開挖，采取先1，3號引水隧洞下平段開挖，在1，3號引水隧洞壓力鋼管混凝土回填結束后進行4，2號洞下平段的錯距開挖施工，錯距距離50 m。

7）壓力鋼管斜井段開挖在1，3號引水隧洞上彎段、下彎段開挖完成后開始進行，開挖采用LM－200反井鉆機進行直徑3 m導井施工，擴挖采用人工由上至下擴挖。

8）根據上、下平段和上、下彎段的開挖順序和移交工作面的先后時間，壓力管道斜井段開挖施工按先1，3號斜井開挖，然后進行固結灌漿和壓力鋼管安裝及回填混凝土施工；2，4號壓力管道斜井段在1，3號壓力管道斜井段鋼管及回填混凝土施工完成50%時，進行2，4號壓力管道斜井段開挖，然后進行固結灌漿和壓力鋼管安裝及回填混凝土施工。

5 主要施工方案及措施

5.1 施工支洞與主洞交叉口處

董箐引水系統共布置3條施工支洞，分別為1，2號施工支洞和3號連通洞，3條施工支洞都與主洞貫通。由于施工支洞洞徑比引水洞洞徑小，施工支洞進入引水洞主洞后位于主洞的下半部，因此需對主洞進行擴挖后才能對主洞進行開挖。擴挖分兩步進行：第一步先由施工支洞與主洞交叉口處向一個方向斜向開挖15 m左右，交至洞室設計頂拱位置；第二步由主洞室設計頂拱位置反方向鉆爆施工直至開挖到支洞對邊洞室為止。

5.2 主洞開挖方式及爆破參數

引水隧洞上平段開挖斷面均為圓形，直徑為φ10.6 m。開挖時主要的不利因素是各洞段中心距離較小，因此各洞段開挖時相互影響圍巖穩定的問題突出，開挖此段，爆破控制要求高。

5.3 1，3號主洞開挖方式及爆破參數

引水隧洞采用隔洞錯距方案進行施工，錯距大約控制在50 m左右。引水隧洞上平段采用分兩層爆破的方式進行開挖，第一層高7.8 m、第二層高2.8 m。開挖均采用YT-28型手風鉆進行造孔；洞身的設計輪廓線采用光面爆破，并控制單響藥量，中部采用掏槽及崩落孔爆破。爆破參數見表 1，2。

表1 1，3號引水隧洞上平段爆破參數表

表2 1，3號引水隧洞上平段爆破設計主要技術參數表

5.4 2，4號主洞開挖方式及爆破參數

在1，3號引水隧洞1號連通洞至進水口段開挖完畢后，采取隔洞錯距的開挖方法進行2，4號引水隧洞上平段的開挖，開挖采用先導洞后擴挖的方式進行施工，錯距距離為50.0 m。由于2，4號洞是在1，3號洞開挖完畢后進行開挖，此時洞壁的穩定是開挖控制的重點，因此開挖采用導洞開挖。爆破參數見表3，4。

表3 2，4號引水洞上平段爆破參數表

表4 2，4號引水洞上平段爆破設計主要技術參數表

5.5 斜井開挖方式及爆破參數

引水隧洞斜井段洞軸線相距較近，中線間距僅為22 m，除去洞室開挖范圍各洞間隔墻厚度僅為13.4 m，相當于各洞室開挖洞徑的1.56倍，相鄰洞室開挖時隔墻的穩定問題突出，因此為保證引水隧洞斜井段安全快速的施工，該部位施工時采用LM-200型反井鉆機進行中導井開挖施工，然后進行人工導井開挖、全斷面擴井開挖。同時為保證斜井擴挖施工順利進行，在斜井的下彎段位置進行工字鋼加強支護，在斜井擴挖過程中采用短進尺、小孔距、少藥量的方法進行施工，在系統支護跟進的前提下，對危險巖體進行隨機錨桿支護，隨機錨桿支護中將盡量垂直巖層方向。斜井開挖支護流程如圖1所示。

斜井擴挖采用YT-28型手風鉆鉆孔，鉆孔直徑均為φ42 mm，孔深1.7 m，預計循環進尺1.5 m。崩落孔采用非電管傳爆，藥卷直徑選取φ25mm，連續裝藥；周邊孔采用導爆索傳爆，藥卷選用φ25mm光爆藥卷，不偶合間斷裝藥。

崩落孔采用梅花形布置，炮孔間排距為0.7～1.0 m，周邊光面爆破，光爆孔間距為45 cm，人工裝乳化炸藥非電毫秒雷管起爆。爆破參數見表5，6。

圖1 斜井開挖支護流程圖

表5 引水洞斜井段爆破參數表

表6 引水洞斜井段爆破設計主要技術參數表

6 洞室支護形式

引水隧洞支護采用普通砂漿錨桿、噴聚丙烯纖維混凝土，錨桿規格為φ25 mm螺紋鋼，長6.15 m、外露15 cm，每循環開挖結束后首先進行5 cm素噴，系統錨桿施工緊跟開挖面，噴射混凝土在滯后開挖面3～6 m時集中補噴到設計厚度，引水隧洞錨桿全部采用手風鉆進行造孔，人工插桿，YSB-2B砂漿泵注漿。對于關鍵部位采取工字鋼強支護，支護布置見圖2。

7 結語

圖2 引水洞下彎段支護擴挖示意圖

董箐水電站引水隧洞超薄洞壁、多斷面洞群開挖是目前為止規模較大的薄洞壁、多斷面、大洞徑洞群開挖施工，其具有地質條件復雜，施工工序交叉干擾多的特點。根據引水隧洞的實際情況，結合地質情況對引水隧洞施工采用“平面多工序，立體多層次”的思想，合理安排開挖、支護、襯砌三者的相互關系，利用“隔洞錯距開挖、襯砌支護跟進”的施工辦法進行施工，有效地保證了施工安全和進度。