水電站地下工程開挖安全控制綜述

付 文 彬

(中國葛洲壩集團第二工程有限公司,四川 成都 610091)

0 引 言

我國水電站大多建在西南及西北地區窮山惡水之間，許多電站引水發電系統為地下埋藏式，而地下工程的重點和難點又突出在開挖安全問題上，因此，如何保證地下洞室群開挖的安全，將是水電建設的一大課題。

本人根據多年地下洞室開挖現場施工經驗，結合本單位及其它單位一些工程實例，對如何控制地下洞室群開挖過程中的安全進行探討。

1 地下洞室群開挖施工特點

地下洞室群開挖施工特點主要如下：

(1)洞室繁多，結構緊湊，相互平行或交錯，施工時相互干擾大，存在安全隱患；

(2)地下廠房、主變室、尾調室等洞室開挖跨度大，開挖高差大，圍巖穩定問題突出；

(3)平行洞室之間如引水洞、母線洞、尾水洞相鄰洞室間巖壁較薄，容易失穩；

(4)地下洞室群分部空間大，引水系統、廠房系統以及尾水系統無論是平面還是立面上分布的范圍均較廣，因此，不可避免地會遇到各種地質情況，如節理、斷層、涌水等；

(5)地下廠房洞室群一般埋深較大，廠房下部及尾水系統緊鄰水道，因此，存在地應力高和地下水豐富的問題；

(6)地下廠房洞室群一般通道出口較少，通風散煙困難，直接威脅施工人員的健康；

(7)地下廠房洞室群一般含有豎(斜)井，且高差較大，存在安全隱患。

2 安全技術控制措施

由于地下洞室群開挖具有其特殊性，洞室群圍巖結構及應力分部極其復雜，很容易產生安全事故，因此，完善的安全措施是地下廠房洞室群開挖過程中的重中之重。地下洞室群開挖安全技術從以下幾方面進行闡述。

2.1 圍巖穩定控制

2.1.1 影響地下洞室圍巖穩定的主要因素

一般來講，圍巖不穩定是指妨礙生產使用或安全的圍巖破壞或過大變形現象，比如不應有的頂板塌落、兩幫擠入、底板隆起、圍巖開裂、突發巖爆、圍巖變形造成襯砌裂開或支護折斷等。影響地下洞室圍巖穩定的因素主要有以下幾種：

(1)巖性的影響；(2)巖體結構及裂隙的分布；(3)特殊地質條件的影響；(4)地應力；(5)巖體力學性質；(6)工程因素；(7)地下水因素。

2.1.2 主要措施

針對影響圍巖穩定的各種因素，根據本人工作經驗以及其它工程實例，結合有關理論知識，本人認為要確保圍巖穩定要做好以下幾方面工作：

2.1.2.1 安排合理的開挖支護程序

開挖支護程序是否合理，直接影響圍巖的穩定安全。因此，要確保圍巖的穩定，首先必須選擇正確的開挖支護程序。

(1)廠房與相交洞室之間開挖支護程序

開挖支護程序：母線洞及進廠交通洞、引水洞、尾水洞在廠房開挖至該洞洞口前提前開挖，進入廠房內2m以上。如果必須從廠房內開洞，必須先做好洞口鎖口超前支護，采取分部開挖，短進尺、弱爆破掘進，并及時做好系統支護。

(2)平行洞室開挖支護程序

相互平行的洞室必須分組間隔開挖，或者可以一組先行，另一組滯后30～50 m跟進，注意控制爆破振動速度，且不能同時爆破，系統支護也必須及時跟進。

(3)空間或平面相交洞室開挖程序

支護范圍必須擴大到相交段以外兩倍洞徑距離以上，上部洞室待下部洞室交叉處開挖支護完成后進行開挖，且在在交叉口二倍洞徑的洞段范圍內，采用淺孔多循環短進尺的方式開挖。對于直接相交的洞室，一般遵循先主洞后岔洞的順序。

(4)大跨度洞室頂拱開挖支護程序

一般要采取分部開挖，先開挖中間導洞，并及時進行導洞頂部系統的支護，兩側擴挖滯后于導洞工作面一定的安全距離進行，頂拱層支護完成后，方可進行下層開挖。對于大井筒頂部穹頂開挖，一般應先進行周邊環形開挖支護，中間預留巖柱，待周邊支護完成后再開挖巖柱頂部，并及時進行頂部支護，最后開挖巖柱下部剩余部分。

2.1.2.2 做好超前地質預報

為了準確了解地下洞室中尚未開挖巖體的地質情況，及時研究選定掌子面開挖后的支護形式，對前方可能出現的涌水、有害氣體、崩塌等及時采取防范措施，在開挖中設超前鉆探孔。完成超前勘探后，根據探明的前方圍巖情況制定相應的支護措施，包括超前支護、超前固結灌漿以及臨時支護措施等。

2.1.2.3 做好支護工作

支護工作是確保洞室開挖安全的重中之重。支護參數一般根據圍巖地質情況和洞室特性進行設計，除施工圖中設計的系統支護外，還必須根據具體情況增設必要的臨時支護。

臨時支護包括超前支護(超前錨桿、超前小導管注漿、管棚、固結灌漿等)、隨機噴錨支護、鋼支撐等，根據需要進行布置。

2.1.2.4 做好安全監測工作

洞室開挖安全監測儀器主要有斷面收斂儀、側縫針、錨桿應力計等，收斂儀主要監測圍巖斷面變形情況，側縫針主要監測局部巖塊相對位移情況，錨桿應力計主要監測圍巖內巖體應力變化情況。

2.1.2.5 選擇合理施工方法

在圍巖條件較差洞段和特殊洞段，采取分部開挖、分部支護；采用淺鉆孔、弱爆破、多循環的施工方法，嚴格控制炮眼數量、深度及裝藥量，盡量減少爆破對圍巖的震動。

2.2 地下水控制

由于地下洞室本身具有封閉的特點，當大量地下水涌入隧洞時，則隧洞局部可能會在極短的時間內被淹，造成設備和人員的傷害，因此，地下水的處理首在勘探。在長期勘探的基礎上，進行短期超前勘探，查明地下水的規模及性質。

2.2.1 滲漏水處理

(1)開挖中洞內滲水面積較大時，采用鉆孔將水集中引入集水井中，然后用水泵抽出洞外；

(2)當地下水較豐富或滲水量較大時，采取超前灌漿進行止水，并且在開挖掌子面前方保留不小于10 m的搭接長度。

2.2.2 承壓水處理

(1)當勘探顯示前方有承壓水，且排放不會影響圍巖穩定，采用超前鉆孔排水；

(2)當勘探顯示前方有承壓水，且排放會影響圍巖穩定，采用超前固結灌漿進行止水。

2.3 巖爆控制

巖爆多發生在埋藏很深、整體、干燥和質地堅硬的巖層中，一般在開挖后幾小時，以頂部和腰部為多。

2.3.1 預防措施

(1)加強地質超前預報，預測巖爆可能發生洞段；

(2)使用光面爆破，嚴格控制藥量，盡可能減少爆破對危巖的影響；

(3)選用預先釋放能量的方法，如松動爆破法、超前鉆孔預爆法、噴射高壓水沖洗法，先期將巖層的原始應力釋放一些，以減少巖爆的發生。

(4)加強支護工作，開挖后立即向拱部和腰部進行噴混凝土施工，襯砌工作緊跟開挖進行。

2.3.2 補救措施

巖爆發生后立即向拱頂及側壁噴射混凝土，再加設錨桿和鋼筋網，防止巖爆繼續發生。

2.4 豎(斜)井開挖安全措施

(1)鎖好井口，確保井口穩定，井口預留3～5 m寬的井臺，設置圍欄和排水溝，防止井臺上雜物墜入井內。

(2)設置專門的提升設備，作為人員上、下和材料運輸交通工具，提升設備設置導向裝置和斷繩保險裝置，并控制升降速度。

(3)上下聯系采用電話、信號燈、對講機等多種通訊手段結合使用，互為備用。

(4)提升設備設置防止過卷、過電流和失電壓等保險裝置及可靠的制動系統，使用過程中加強維護檢查工作。

(5)豎井擴挖時，Ⅱ、Ⅲ類圍巖段采取二掘一支護；不良地質洞段采取一掘一支護，上層未支護不的進行下一層的開挖。

(6)非出渣作業或井底作為交通通道時，在導井井口采用鋼篦子井蓋蓋住板；扒渣作業時，作業人員佩戴安全繩，安全繩掛在井壁錨桿上，防止發生人員墜落事故。

(7)豎(斜)井和平洞連接處，先將連接段加固后再開挖。

3 結 語

地下工程建設安全是一個系統工程，一整套的方案，需要多重防御，多層次、多途徑、多方面編制安全網；在這個系統中，環環相扣，互相依存，缺一不可，缺一個環節，增一份風險。樹立“不留遺憾，不當罪人，建不朽工程”的理念，堅持高標準、講科學、不懈怠的建設要求，做好地下工程施工。地下洞室群開挖安全控制是許多施工單位面臨的問題，安全事故頻頻發生，施工人員的生命受到嚴重威脅。本著以人為本的原則，施工單位必須大力加強安全投入，加強安全管理，盡量避免安全事故的發生。