涔天河水庫導(dǎo)流洞開挖施工優(yōu)化

徐　超

（中國水利水電第十一工程局有限公司　河南　鄭州　450000）

?

涔天河水庫導(dǎo)流洞開挖施工優(yōu)化

徐超

（中國水利水電第十一工程局有限公司河南鄭州450000）

摘要涔天河水庫擴(kuò)建工程導(dǎo)流洞具有開挖成型斷面大，洞身穿越段圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜、成洞條件較差，且工期緊等特點(diǎn)，經(jīng)過多次施工方案的研究論證，優(yōu)化了施工方案措施，為完成施工任務(wù)奠定了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)保證施工質(zhì)量、安全和效益。

關(guān)鍵詞涔天河;導(dǎo)流洞;開挖方案;優(yōu)化

1.工程概述

湖南省涔天河水庫擴(kuò)建工程壩址位于湘水支流瀟水上游霧江段，壩址位于永州市江華瑤族自治縣東田鎮(zhèn)境內(nèi)，下距東田鎮(zhèn)和江華縣城分別為3km和12km。本工程是以灌溉、防洪、向湘江下游長株潭河段補(bǔ)水為主，兼顧發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用的大型水利水電工程。水庫正常蓄水位為313.0m，總庫容為15.1億m3。樞紐工程由鋼筋混凝土面板堆石壩、1#泄洪洞、2#泄洪洞、放空洞、發(fā)電引水洞、電站廠房和灌溉渠首工程等主要建筑物組成。

本工程導(dǎo)流洞與2#泄洪洞組合。導(dǎo)流洞與2#泄洪洞部分結(jié)合，布置于同一個(gè)縱剖面上，全長845m，坡比2%，其中非結(jié)合段長161m，襯砌后斷面尺寸為12m× 12.5m（寬×高）。進(jìn)口底板高程238.8m，進(jìn)口前留高程為247.0m的巖埂；出口底板高程224.5m，出口設(shè)有挑流鼻坎。洞身采用鋼筋混凝土襯砌，根據(jù)圍巖情況，襯砌厚度0.5m～1.5m。

2.工程地質(zhì)情況

導(dǎo)流洞進(jìn)口地形較陡，基巖為D13巖組中厚、厚～巨厚層狀粉砂巖、細(xì)砂巖夾石英砂巖。巖層產(chǎn)狀走向與洞軸線交角40°。斷層、節(jié)理不發(fā)育，巖石呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定性較好。出口地形較陡。基巖為中厚～厚層狀石英砂巖，砂巖夾粉砂巖、含礫石英砂巖與細(xì)砂巖，強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)。

洞身斜切6條斷層。斷層部位屬Ⅳ類圍巖，其余屬Ⅲ1～Ⅱ類圍巖。洞身Ⅲ1～Ⅱ類圍巖穩(wěn)定性較好，但斷層附近Ⅳ類圍巖，其穩(wěn)定性較差。尤其是F27和F1斷層規(guī)模較大，破碎帶、影響帶較寬，位于地下水位以下，存在掉塊、塌方、滲水或涌水等問題。

主要工程地質(zhì)問題：（1）斷層部位Ⅳ類圍巖，其穩(wěn)定性較差，將存在掉塊、滲水等現(xiàn)象。F27和F1斷層規(guī)模較大，位于地下水位以下，將存在掉塊、塌方、滲水或涌水等問題。（2）洞身Ⅲ、Ⅳ類圍巖中，由于層面較緩，在與斷層或節(jié)理的組合下，可能存在局部掉塊或楔形體坍塌問題。（3）隧洞出口和明渠右側(cè)深切方，邊坡高度達(dá)90m～100m，由層面與節(jié)理和節(jié)理與節(jié)理均構(gòu)成不穩(wěn)定楔形體，邊坡穩(wěn)定較差。（4）隧洞出口位于16號(hào)沖溝，集雨面積約1.5km2，沖溝內(nèi)溪流長年不斷，溪流和暴雨對(duì)出口邊坡和明渠的施工和運(yùn)行均有影響。

3.導(dǎo)流洞開挖特點(diǎn)

涔天河水庫導(dǎo)流洞開挖的特點(diǎn)為：

①導(dǎo)流洞和2#泄洪洞開挖成型斷面大，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，導(dǎo)流洞洞身開挖斷面設(shè)計(jì)為城門洞形，根據(jù)圍巖類型及使用工況不同，開挖斷面（寬×高）為13.2m× 13.58m～14.42m×14.98m不等，開挖斷面面積在159.5m2～186m2之間，均屬大斷面平洞開挖。

②導(dǎo)流洞和2#泄洪洞洞身穿越段圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜、成洞條件較差。

③洞室地下水位大多高于隧洞頂部，承壓水嚴(yán)重威脅著地下洞室的開挖安全，必須做好超前預(yù)測預(yù)報(bào)，采取有效的預(yù)防措施，用“排、堵、截、引”的綜合治理措施。

④在隧洞進(jìn)、出口及洞身Ⅳ、Ⅴ類圍巖與不良地質(zhì)洞段提前做好超前支護(hù)，在進(jìn)、出洞口二倍洞徑的洞段范圍內(nèi)需采用“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的開挖方式進(jìn)行開挖。

4.施工技術(shù)優(yōu)化

4.1施工通道優(yōu)化

原設(shè)計(jì)施工支洞將原引水洞0+727.6～0+706.35段壓力鋼管割除，形成通道后進(jìn)入引水洞，由于0+727.6～0+706.35段壓力鋼管為下彎段，割除上半部鋼板后的壓力鋼管管口長度約14.14m，因此需要制作14.14m×3m的鋼支架并在上面鋪設(shè)花紋鋼板作為通過橋以便通行。進(jìn)入引水洞后經(jīng)引水洞至引0+295樁號(hào)，開挖施工支洞至泄洪洞0+235樁號(hào)，由此形成施工支洞道路。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，對(duì)導(dǎo)流洞施工支洞進(jìn)行優(yōu)化：沿右岸EL228河邊道路，至右岸電站引水洞原施工支洞口，將原引水洞施工支洞打通，經(jīng)引水洞至引0+200樁號(hào)，開挖施工支洞至泄洪洞0+140樁號(hào)處，該道路用于設(shè)備通行、出渣、通風(fēng)排煙、管線布置等。

優(yōu)化后從支洞口經(jīng)原引水發(fā)電洞至主洞長約520m，斷面尺寸不變。通過優(yōu)化，滿足了導(dǎo)流洞開挖強(qiáng)度高，開挖運(yùn)輸車流量大，出渣強(qiáng)度高的需要，縮短了運(yùn)距，提高了開挖階段出渣效率。同時(shí)作為導(dǎo)流洞下半洞開挖支護(hù)及混凝土襯砌的施工通道，增加了工作面，減少了施工干擾，是開挖施工與混凝土施工可以錯(cuò)開同步進(jìn)行，加快了施工進(jìn)度。導(dǎo)流洞施工支洞布置見圖1。

4.2施工程序優(yōu)化

導(dǎo)流洞開挖原方案為：在泄洪洞樁號(hào)0+220.0m處設(shè)置一條施工支洞，主要解決在導(dǎo)流洞和2#泄洪洞進(jìn)口和出口邊坡開挖、支護(hù)施工期間導(dǎo)流洞和2#泄洪洞主洞開挖支護(hù)施工不受影響。在施工支洞完成后，進(jìn)行導(dǎo)流洞和2#泄洪洞上下游兩個(gè)作業(yè)面主洞開挖支護(hù)施工。在2#泄洪洞進(jìn)口邊坡開挖、支護(hù)完成后，進(jìn)行部分2#泄洪洞出口主洞開挖支護(hù)施工。在導(dǎo)流洞和2#泄洪洞主洞上半部分開挖完成后，同時(shí)從進(jìn)口和出口兩個(gè)方向進(jìn)行主洞下半部分開挖支護(hù)施工。

由于通風(fēng)散煙困難，鉆孔及出渣機(jī)械設(shè)備、爆破產(chǎn)生的廢煙、廢氣不容易排除，工作面停止等待排煙、排氣時(shí)間長，開挖循環(huán)進(jìn)尺緩慢，工作效率低。經(jīng)過研究對(duì)導(dǎo)流洞開挖方案優(yōu)化：先從支洞和0+664出口兩個(gè)方向進(jìn)行中段（0+664.5～0+140）上半洞開挖，貫通后從支洞向上游方向進(jìn)行主洞開挖，同時(shí)對(duì)中段下半洞進(jìn)行開挖。盡管中段下半洞開挖增加了一次風(fēng)、水、電系統(tǒng)移設(shè)，但是加快施工進(jìn)度，改善了工作環(huán)境，提高了工作效率，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1　施工支洞布置關(guān)系圖

4.3開挖施工技術(shù)優(yōu)化

為方便洞挖施工，確保洞室開挖安全，洞室開挖分為上、中、下三層進(jìn)行施工。其中上層采用“手風(fēng)鉆水平鉆孔、一次爆破成型法”進(jìn)行開挖；中層相當(dāng)于槽挖，采用“液壓鉆機(jī)（或潛孔鉆）垂直造孔、深孔預(yù)裂＋梯段爆破法”進(jìn)行開挖；下層相當(dāng)于底部保護(hù)層開挖，由手風(fēng)鉆水平鉆孔進(jìn)行開挖。洞室開挖遵循“開挖先行、支護(hù)跟進(jìn)”的原則，其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖段支護(hù)滯后開挖不超過50m，而Ⅳ、Ⅴ類圍巖段則做到開挖一段、支護(hù)一段，即前一茬爆進(jìn)尺未支護(hù)前不進(jìn)行下一茬爆破作業(yè)。

鉆爆設(shè)計(jì)采用“手風(fēng)鉆+潛孔鉆+液壓鉆孔相結(jié)合”的分層鉆孔爆破法進(jìn)行開挖，其中上層開挖采用單層垂直楔形掏槽法，水風(fēng)鉆水平鉆孔一次爆破成型，周邊輪廓線由光面爆破技術(shù)進(jìn)行控制，同時(shí)，為保證中、下層邊墻預(yù)裂孔造孔，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖段上層開挖時(shí)兩邊墻各超挖20cm；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖段中下兩側(cè)邊墻采用改進(jìn)型潛孔鉆機(jī)造孔、一次預(yù)裂爆破至隧洞底板，預(yù)裂爆破在上層開挖支護(hù)完成后即可進(jìn)行，不占直線工期；中層中間爆破區(qū)采用液壓鉆機(jī)垂直造孔，采用深孔梯段微差爆破法進(jìn)行開挖；下層及Ⅴ類圍巖段中層兩側(cè)保護(hù)層采用手風(fēng)鉆水平鉆孔，采用光面爆破法進(jìn)行開挖。

上層開挖根據(jù)類似工程中的施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合導(dǎo)流洞所處地層的地質(zhì)資料，光面爆破孔采用φ25mm×100g型2#巖石乳化炸藥間隔不耦合裝藥，不耦合系數(shù)為1.6，導(dǎo)爆索起爆；爆破孔采用φ32mm×150g型2#巖石銨梯炸藥連續(xù)耦合裝藥（底板孔及炮孔中有山體裂隙滲水時(shí)采用φ32mm×150g型2#巖石乳化炸藥），毫秒延期導(dǎo)爆管雷管微差起爆，每循環(huán)計(jì)劃進(jìn)尺2.0m～3.0m。其中循環(huán)進(jìn)尺及單位炸藥消耗量Ⅱ、Ⅲ類圍巖段取大值，Ⅳ、Ⅴ類圍巖段取小值；為了減少爆破震動(dòng)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響以及更好地控制超欠挖量，泄洪洞上層開挖爆破的最大單響藥量應(yīng)控制在30kg以內(nèi)。下層開挖主爆孔采用φ70mm×1500g型2#巖石乳化炸藥連續(xù)裝藥，毫秒延期導(dǎo)爆管雷管微差起爆。為了減少爆破震動(dòng)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響以及更好地控制超欠挖量，泄洪洞中層深孔梯段爆破的最大單響藥量應(yīng)控制在80kg以內(nèi)，下層手風(fēng)鉆淺孔爆破時(shí)最大單響藥量應(yīng)控制在30kg以內(nèi)。

4.4不良地質(zhì)洞段開挖

根據(jù)相關(guān)的地質(zhì)資料，導(dǎo)流洞和2#泄洪洞貫穿5條斷層帶，斷層部位Ⅳ類圍巖，其穩(wěn)定性較差，將存在掉塊、滲水等現(xiàn)象。其中F27 和F1斷層規(guī)模較大，位于地下水位以下，將存在掉塊、塌方、滲水或涌水等問題。在開挖施工過程中，除嚴(yán)格按照“新奧法”施工工藝進(jìn)行施工外，在F27和F1斷層Ⅳ、Ⅴ類圍巖段開挖時(shí)，還細(xì)化分層、分區(qū)施工工藝，采取必要的超前的圍巖固結(jié)灌漿處理、超前支護(hù)等措施，如超前錨桿、管棚、小導(dǎo)管等，以形成穩(wěn)定的拱圈；同時(shí)在每茬爆破后，及時(shí)、保質(zhì)、保量地按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行鋼支撐等支護(hù)形式的加強(qiáng)支護(hù)。在不良地質(zhì)洞段開挖支護(hù)前，通過監(jiān)測監(jiān)控、預(yù)測預(yù)報(bào)等各種措施，并輔以超前勘探孔和巖芯取樣，切實(shí)掌握斷層及破碎帶的寬度、填充物、地下水以及隧洞軸線與斷層構(gòu)造線的組合關(guān)系，根據(jù)施工方法和設(shè)備條件選擇通過斷層地段的施工措施，并遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、少擾動(dòng)、早封閉、勤量測”的原則進(jìn)行施工。

5.方案優(yōu)化實(shí)施效果

5.1進(jìn)度方面

受工作面移交、巖石條件變化較大、電源等外界因素影響，實(shí)際施工工期較進(jìn)度計(jì)劃滯后約60天。在各種施工干擾仍然存在的情況下，通過對(duì)開挖方案的優(yōu)化，縮短了出渣運(yùn)距約350m，并增加了工作面。

5.2質(zhì)量和安全方面

由于洞室?guī)r石條件變化大，通過對(duì)鉆孔爆破技術(shù)的優(yōu)化和不良地質(zhì)洞段施工方法的優(yōu)化，采用分層開挖施工，通過錨桿對(duì)邊頂拱的巖石錨固支護(hù)和破碎巖體的注漿固結(jié)，改善了破碎巖體的均勻整體性，提高了圍巖的自身承載能力，確保了洞體的穩(wěn)定和安全，保證了隧洞開挖施工的順利進(jìn)行。

5.3施工成本方面

通過對(duì)施工通道、施工程序的優(yōu)化，增加了施工工作面，加快施工進(jìn)度，降低了工程費(fèi)用，經(jīng)測算，優(yōu)化后的施工費(fèi)用比優(yōu)化前降低約5.22%。

6　工程實(shí)踐總結(jié)

工程實(shí)踐證明了施工方案的優(yōu)化是科學(xué)的、合理的,總結(jié)可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)如下:

（1）施工方案優(yōu)化主要通過對(duì)施工方案的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，選擇最優(yōu)的施工方案，達(dá)到加快施工進(jìn)度并能保證施工質(zhì)量和施工安全，降低消耗的目的。

（2）根據(jù)掌子面揭露圍巖具體情況適時(shí)調(diào)整開挖方案、爆破參數(shù)等相關(guān)內(nèi)容，達(dá)到最佳施工組織效果。

（3）根據(jù)擬建隧洞工程的實(shí)際情況全面了解全國乃至全世界的類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程技術(shù)發(fā)展趨勢,可以比較準(zhǔn)確地預(yù)先判斷擬建工程在采取不同施工方案可能遇到的各種問題及其適合的解決辦法,使傳統(tǒng)的類比法更具實(shí)用性和可靠度,對(duì)提高隧洞工程施工水平具有重要的技術(shù)保障作用。

由于水電站建設(shè)中，大斷面、長隧洞在引水等項(xiàng)目中普遍應(yīng)用，其施工難度較大，研究和探索大斷面長隧洞合理、經(jīng)濟(jì)的施工組織設(shè)計(jì)，舍其短取其長，抓好每個(gè)循環(huán)銜接，實(shí)現(xiàn)快速施工及推廣應(yīng)用將起到重要的推動(dòng)作用。通過涔天河電站項(xiàng)目，施工方案技術(shù)優(yōu)化落實(shí)到工程實(shí)際中，效果顯著，洞挖按常規(guī)每循環(huán)的1.5m～2m增加到每循環(huán)2.0m～3.0m。工程進(jìn)度加快，工程施工安全得到一定保障，綜合效益明顯。陜西水利

參考文獻(xiàn)

[1]胡冉,傅少君.龍灘水電站進(jìn)水口邊坡2.2剖面反饋分析[J].湖北水力發(fā)電. 2004(04)

[2]鮑軍.隧道塌方的原因和預(yù)防[J].蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào). 2004(03) [3]王錦國,柳毅,周志芳.龍灘水電站左岸高邊坡裂隙巖體滲透張量遺傳反演[J].勘察科學(xué)技術(shù). 2004(04)

[4]于彬.隧道塌方的原因及預(yù)防措施[J].公路與汽運(yùn). 2004(03) [5]李學(xué)政,李大國,李江南.龍灘水電站蠕變巖體非開挖區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)[J].水力發(fā)電. 2004(06)

[6]張利潔,聶文波,楊良策.滑坡計(jì)算中地下水作用的探討[J].土工基礎(chǔ). 2003(02)

（責(zé)任編輯：唐紅云）

中圖分類號(hào)：TV551

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C