白龜山水庫尾水隧洞開挖支護技術

(河南省白龜山水庫管理局，河南 平頂山 467000)

1 工程概況

白龜山水庫位于淮河流域沙潁河水系沙河干流，距平頂山市區9km，是一座集防洪、城市供水、農業灌溉為一體的大(Ⅱ)型綜合利用水利工程。水庫控制流域面積2740km2,總庫容9.22億m3。水庫興利水位103m，汛限水位102m,兩水位之間0.61億m3庫容水量在每年5—10月汛期間無為棄掉，造成巨大浪費。經過論證，在北干渠上修建一座水電站，分別利用北干渠渠首閘和張莊閘蓄水后形成的水位差和下泄水量發電。水電站主要包括進水閘、廠房、尾水隧洞，以及機電設備及安裝。電站尾水隧洞上接尾水明渠，下接北干渠下游河道，全長57.36m,開挖斷面5.83×5.78m；隧洞穿越市政道路及管網，距交通橋、體育館等建筑物較近，地質條件和環境復雜，開挖支護難度很大，需要采用可行的施工方法，以確保隧洞順利建成。

2 水文氣象和工程地質

2.1 水文氣象

白龜山水庫多年平均降雨量963.9mm。6—8月降雨量占全年總降雨量的60%以上，本流域暴雨多集中在汛期。沙河天然徑流主要由降雨形成，徑流在年際間和年內分布不均,最大與最小年徑流量相差近20倍。

2.2 工程地質

該工程地質從上到下地層有四層。其特性如下：

層狀灰巖(層序號16)：厚約13m，灰色，具條帶狀層理。巖石新鮮完整，鉆探地質取巖率在80%以上。

條礫狀灰巖(層序號17)：厚約26m，棕灰色及深灰色中夾豹皮狀灰巖團塊。巖石新鮮，除喀斯特發育處以外，巖石完整，鉆探地質取巖率在90%以上。

灰巖夾微薄鈣質頁巖(層序號18)：厚約14m，灰巖呈淺灰色，新鮮堅硬，分布多在本層下部，鈣質頁巖為淺紫紅色，致密，在渠道右岸呈弱風化狀態。較破碎，地質取巖率在50%以上。

灰巖夾頁巖(層序號19)：厚約15m，二者均呈薄層或微薄層狀。灰巖堅硬，較完整，頁巖在地面以下2m范圍內，為強風化狀態(多呈泥土狀)，底部為弱風化狀態。破碎，地質取巖率一般為30%。

喀斯特主要發育于第16、17、18三序地層中。從鉆孔中了解，在80m高程以上最為嚴重，往下發育程度則逐漸減弱。溶蝕縫隙寬度一般為10～50cm，最寬處已成為4m以上。溶洞一般為黏土巖屑所填充，但不密實。無充填物及充填密實之情況均占少數。

隧洞的圍巖主要是灰巖，但部分灰巖中夾雜著弱風化易碎鈣質頁巖和風化破碎頁巖，且有喀斯特地貌。部分洞段灰巖新鮮堅固完整；部分洞段灰巖有破碎軟弱帶，圍巖穩定性差且有地下水；部分洞段位于喀斯特發育的石灰巖上，隧洞的喀斯特有的被黏土巖屑所填充，有的無充填，情況甚不均一。綜上所述，該隧洞地質條件和環境復雜。

3 尾水隧洞開挖支護施工程序及方法

3.1 施工布置

3.1.1 施工道路

尾水隧洞開挖施工道路布置如下所示：

尾水隧洞→北干渠尾水口圍堰→原有施工公路→碴場。

3.1.2 供風及通風

尾水洞出口布置2臺20m3/min移動式電動空壓機供風。用φ48mm鋼管延伸進隧洞開挖工作面供風。

采用壓入式通風方式。在尾水洞口采用一臺7.5kW軸流式風機配φ800風筒壓入式通風。

3.1.3 供水

施工用水從北干渠直接用φ32mm鋼管引水進洞，延伸至工作面供水。

3.1.4 供電及系統

施工用電高壓電源接線點布置的一臺變壓器，在變壓器的接口端，通過12m長的水泥電桿架空線路至各施工工作面。

在整個施工期配置1臺150kW柴油發電機，作為備用電源。一旦電力系統停電及供電不足，備用電源自動投入，解決基坑抽排水和照明用電的急需。

3.1.5 排水

在隧洞施工時，在洞內開挖排水明溝和集水井，把集水井的水用水泵從洞內抽出。

3.2 施工程序

尾水隧洞開挖施工程序如圖1所示：

圖1 尾水隧洞開挖程序框圖

3.3 隧洞開挖施工方法

開挖前進行鉆爆方案設計，為確保開挖洞簾邊坡及隧洞圍巖穩定安全，開挖前期進行現場生產性爆破試驗，以確定合理、經濟、安全的爆破參數。爆破試驗的主要內容有：爆破器材性能檢測試驗；邊坡預裂爆破控制試驗；開挖爆破網絡試驗；爆破飛石距離控制試驗。

3.3.1 測量放線

a.按照現行水利測量規范要求進行。

b.使用儀器：GPS、全站儀、水準儀。

c.測引坐標和高程控制點：先按照圖紙要求，利用GPS把施工圖上有關點的坐標引測到施工現場，并利用全站儀把絕對高程和相對高程控制點引入施工現場附近且做標識。上述坐標點和控制點用作整個施工過程的控制。

d.依據施工圖和控制點，把隧洞洞口的開挖尺寸線和軸線、標高全部測記到洞口巖壁上。

e.洞內開挖的輪廓線，依據全站儀測得的軸線、高程進行控制，以防超挖和欠挖。

3.3.2 鉆孔、爆破、出渣

a.為保證鉆孔質量，嚴格按設計鉆孔位置、間距、傾角等要求進行鉆孔，且對鉆工做好技術交底和采取必要安全措施。

b.在合格的鉆孔內按爆破方案，依據不同的孔類、孔深、孔徑裝入不同類型炸藥和不同藥量，此次使用的炸藥為2號巖石硝銨炸藥和2號光爆炸藥。

c.爆破完成后，立即進行通風排煙，等到煙霧消散后，再使用噴淋系統進行除塵。隨后派爆破工巡查是否有啞炮并立即處理。

d.尾水隧洞開挖石渣選用150型挖掘機10t自卸汽車運至棄渣場。

具有代表性的圍巖炮孔布置如圖2所示。

圖2 尾水隧洞圍巖炮孔布置 (單位：cm)

圍巖炮孔特性及工序作業循環時間見表1和表2。

表1 圍巖炮孔特性

表2 圍巖工序作業循環時間

3.3.3 施工機械配置

尾水隧洞開挖施工機械設備見表3。

3.4 隧洞支護施工方法

隧洞洞簾頂部寬12.14m、高11m范圍采用錨桿和掛鋼絲網噴射混凝土進行支護：錨桿采用φ25一級鋼、L=2000mm和L=3000mm、間距1.5×1.5m，錨桿梅花布置，錨孔內灌注1∶2的水泥砂漿；鋼絲網150mm×150mmφ2鐵絲、外框φ6圓鋼筋，噴漿厚度80mm的C20混凝土。

表3 尾水隧洞開挖施工機械設備

隧洞內部采用錨桿和掛鋼筋網噴射混凝土進行支護：錨桿采用φ22螺紋鋼、L=4000mm、間距1.5×1.5m，錨桿與洞頂水平夾角10°，錨桿梅花布置，錨桿外漏20cm，錨孔內灌注1∶2的水泥砂漿；鋼筋網150mm×150mmφ6鋼筋、加勁筋φ10圓鋼筋，噴漿厚度200mm的C25混凝土。

3.4.1 施工順序

安裝自動升降操作平臺→清理基巖面→施工放線→定位錨桿孔并鉆孔→錨桿制安灌注→巖面編網固定噴護。

3.4.2 施工方法

a.把巖面打掃干凈后，依據施工圖，在巖面上逐個定出錨桿孔位置，并用紅漆做標記。

b.錨桿成孔：根據位置及高程不同孔深為2m、3m、4m,且采用無水進孔工藝進行施工。根據不同地質情況，先用不同的鉆進參數，試鉆開始時慢速鉆進，待正常后全速鉆進。孔深應比錨桿錨固深度深20cm。成孔后采用高壓風管進行清孔，將孔內巖粉、巖屑、沉渣清除干凈，孔底沉渣厚小于5cm。

c.錨桿制安：根據施工圖把不同鋼筋下料，按要求焊制。距離錨桿頭部，焊接φ8L=58mm、傾角30 ° 的燕尾叉。制作完成后逐一檢查質量且分別堆放。接著把錨桿和注漿管一起插入孔內。安裝時要控制錨桿端部距孔底20cm,為水泥砂漿留位，尾端露出巖面20cm，以便與鋼網鏈接。

d.錨孔灌漿：材料采用P.O 42.5硅酸鹽水泥，中砂。按1∶2配置砂漿，水灰比控制在0.4～0.45。漿液配好后，把注漿管與壓降機連接后，按設計要求調節壓力表，加壓送漿液入孔，直至保壓充滿整個孔深且有漿液從孔口流出為止。每次每批注漿隨機取樣兩組，28天時做抗壓強度試驗。

e.拉拔試驗：水泥砂漿凝固到期后，按設計要求的數量進行試驗，若不滿足進行補打。

f.鋼筋網制安：在巖面上選定編網區域，然后進行鋼筋下料。洞外巖面用φ2鐵絲，按150×150mm間距編制后，用φ6鋼筋壓邊；洞內采用φ6鋼筋，按150×150mm間距編制后，用φ10鋼筋加勁。上述鋼筋網與錨桿焊牢。

g.混凝土噴面：在施工現場密閉工作間內，分別拌制C20和C25細石混凝土，然后用噴漿機噴射混凝土面層。根據不同位置要求，采用不同標號混凝土和不同厚度，每層噴30～50mm,分3～4次噴射完成，并按要求養護。

h.若巖面風化嚴重或局部軟弱破碎，則先編網噴護，后鉆孔制安錨桿并灌漿。

3.4.3 超前勘探

每開挖一個工作段洞室后，在尚未開挖巖體的掌子面后面鉆設勘探孔，鉆孔孔徑150mm，鉆孔深度20m左右。將超前勘探資料及時報送有關單位以復核先前地勘的準確性，以便及時調整施工方案。

3.4.4 不良洞段施工

根據工程地質資料，在尾水隧洞開挖過程中存在以下問題：存在巖石破碎軟弱帶，局部喀斯特發育，圍巖穩定性差，局部失穩及局部塌方等問題。針對以上可能出現的情況，采取措施如下：

a.巖石破碎軟弱帶:超前支護一定要先跟上，邊挖邊錨、早錨早噴、弱爆破或不爆破。該工程采用管棚法，在洞頂輪廓線外10cm處，鉆外傾角為10°的孔，孔徑φ50mm，L=6m，孔距35cm，孔內的鋼管為φ42mm花管，花管前端加工成扁尖形，灌注水泥砂漿，外露端用φ18mm鋼筋焊連并與錨桿焊接，待凝固后進行弱爆破開挖或機械直接開挖。

b. 圍巖穩定性差，局部失穩及局部塌方：采用超前錨桿和鋼支撐支護(見超前錨桿斷面剖面圖)。開挖時采用超前錨桿，此錨桿為φ22螺紋鋼長3m；鉆孔直徑45mm，超前錨桿傾角10°，橫向間距0.4m，縱向間距與鋼桁架相同，超前錨桿末端與鋼桁架焊接牢固。灌漿采用早強砂漿。開挖后及時噴混凝土封閉圍巖，接著采用鋼支撐支護，鋼支撐支護后進行錨桿及噴混凝土支護，確保隧洞安全。

c.局部喀斯特地貌處理：若溶洞在隧洞地板，清除雜物，使用C30混凝土澆筑；若溶洞在隧洞側壁及頂，用鋼筋混凝土封堵，在溶洞四周加設錨桿，接縫處進行防滲灌漿。

d.地下水洞段。地下水較大洞段，施工期要避開水庫高水位期，選擇在水庫枯水期進行施工，降低水位影響程度；在廠房及閘基的來水一側開挖截水溝及集水井，設潛水泵進行抽排，截斷來水向尾水隧洞滲漏。爆破采用不受水影響的乳化炸藥，開挖時采用邊開挖邊打泄水孔，插管后把水引入主管道再排除洞外，然后進行錨桿和編網支護。

3.4.5 對建筑物影響的處理

尾水洞的爆破開挖均距離交通橋、體育館等建筑物較近，又坐落在喀斯特發育的石灰巖層上，且出口處頂部巖層較薄，爆破施工對附近的建筑物造成一定的影響，對此現狀采取了石方洞挖進尺控制在2.5m以內，降低裝藥量；合理調整起爆順序，將洞內各孔炸藥分為5段間隔起爆。

4 結 語

a.應用上述綜合開挖支護技術，尾水隧洞工程順利竣工，使電站發揮了應有作用，增加了工程經濟效益。

b.電站的泄水解決了平頂山市湛河的多年淤積問題，使昔日的污水溝，真正變成了水清岸綠生態水系的主干道，為平頂山市打造生態城市提供了可靠保證。