水電站尾水隧洞開挖與支護施工方法探析

劉顯興

(中交水利水電建設有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引 言

水利樞紐工程是以防洪、發電為主，兼顧改善生態環境、旅游觀光、庫區航運等功能的大(1)型一等工程。樞紐工程建筑結構包括開關樓、沖沙洞、升壓變電站、水電站廠房、溢洪道、大壩、泄洪排沙洞和發電引水洞等，投入運行后可改善農田灌溉面積5.5萬hm2，通過調節控制可實現年供水量8.22億m3，有利于維護下游綠色廊道生態環境和減輕洪水災害損失，對于促進區域農業經濟發展和提升河道防洪能力具有重要意義。

水電站尾水系統共設計3條隧洞，采用“一洞一井二機”的布設形式，相鄰尾水隧洞之間的中心間距為13.0m，巖體厚度為6.8m。尾水洞為城門洞形開挖斷面，單洞長208.50m，其中尾水擴散段開挖斷面尺寸為6.4m×6.85m-3.8m×4.4m，樁號為0+15.47m-0+0.000；底板開挖高程為586.60m，典型開挖斷面尺寸為6.60m×6.2m，相應編號為0+199.50-0+15.47m；尾水鎖口段開挖斷面為7.05m×6.60m，對應的編號為0+208.60-0+199.50m。

1 工程概況

1.1 地質狀況

洞身地層為弱卸荷、新鮮-微風化巖體，巖性為灰色石灰巖、白色細晶白云巖，結構完整性差且比較松弛，出口段和洞身圍巖以Ⅳ類、Ⅲ-Ⅳ類為主，不利于成組出現結構面和穩定塊體。巖體穩定性差、卸荷作用強烈且邊坡為斜順向坡，裂隙較為發育[1]。

1.2 工程特點

該水利樞紐工程三面高山環環抱，地表干燥剝蝕且物理風化強烈，而高山河道凍冰剝蝕風化、冰磧物豐富、地勢陡峭，加之森林缺少和植被稀缺，地表與河道沙源豐富，高山段河流洪水期水量集中且流速較大，水流具有較強的攜沙能力，同時中低山地帶的暴雨和融雪也將大量泥沙沖入河道，以上各因素作用使得水體含沙量大[2]。尾水洞開挖支護施工特點如下：

1) 砂化嚴重的細晶白云巖為尾水隧洞圍巖類型，而灰白-灰色細晶白云巖分布于0+23.5m-0+0洞段，以弱風化且厚度超過24m的巖體為主；深灰-灰色細晶白云巖分布于0+51.0m-0+23.5洞段，以新鮮-弱風化且厚度為12m的巖體為主；灰白-灰色細晶白云巖分布于0+81.0m-0+51.0洞段，以微風化-弱風化且厚度為12m的巖體為主；深灰-灰色斑紋狀細晶白云巖分布于0+165.0m-0+81.0洞段，以微風化-弱風化且厚度為45m的巖體為主；灰白-灰色細晶白云巖分布于0+214.0m-0+165.0洞段，以較強烈風化且厚度為40m的巖體為主。

2) 堆積體洞口。出口段圍巖類型以Ⅴ類為主，洞頂覆蓋層較厚，在軟弱夾層和節理裂隙組合作用下形成不穩定塊體，所以施工過程中的控制難點和重點是確保尾水出口安全進洞[3]。

3) 厚度不足1.5倍洞徑的隧洞間巖體。尾水隧洞相鄰巖墻之間的厚度較小為6.1m，隧洞開挖洞涇較大且為多條平行布設。上部進廠交通洞與尾水隧洞之間的巖體厚度較薄為8.4m，二者為立體交叉布設，開挖尾水隧洞上部洞室后存在比較復雜的二次應力，巖體塑性區和應力集中區位于洞室交匯部位。圍巖開挖穩定性問題在3條尾水隧洞相鄰洞室之間較為突出，相鄰隧洞間的巖墻厚度約為開挖洞涇的1.5倍，為6.4m。交匯處圍巖穩定性差且存在應力集中現象，主洞與連通洞之間存在較大的交匯跨度。

4) 塌方和溶洞段。在結構面不利切割綜合作用下，開挖樁號0+0-0+167m段巖體時局部拱腳和頂拱存在塌方、掉塊現象，掉塊深度大部分為30-50cm，其它少部分為10-30cm[4]。開挖樁號0+167-0+214m巖體時，部分邊墻、頂拱存在較為嚴重的塌方和掉塊現象，掉塊深度一般為1.0-1.6m，其它少部分為0.4-1.0m。

5) 地下水部分。平行交叉開挖和支護施工時，為確保圍巖安全和穩定必須及時抽排施工用水、地下水滲水，該過程為支護施工的重要環節之一。

2 施工方法

2.1 進洞方法

尾水隧洞出口平臺的修建占1/2省道面積，將出口高程590.2m平移至省道位置。采用石渣填筑出口平臺，向上游方向以降坡10%、長50m將至省道路面，路面的回填材料為石渣，采用石渣直接回填呈路面且省道向河道平移5m。滿足省道同行條件和尾水隧洞施工條件為改造省道的基本要求，尾水隧洞支護材料、出口邊坡開挖出渣等運輸由改造公路承擔

為盡快進入尾水隧洞出口和完成高程590.2m以上進洞鎖口支護、邊坡開挖支護，開工后應先修建尾水施工道路，采用先開挖1#、3#，待掘進30m再開挖2#尾水洞的跳洞開挖方式進行進洞開挖[5]。

2.2 洞內砂化圍巖洞段處理

1)施工程序。采用先開挖1#、3#，后開挖2#的跳洞開挖施工方案，開挖完成0+199.5-0+209.5尾水出口10m后跟進混凝土襯砌施工，然后繼續掘進開挖。尾水隧洞圍堰類型以Ⅴ類為主，局部為Ⅳ類，針對此情況的開挖應采用勤測量、強支護、弱爆破、短進尺的開挖方式，嚴格按“新奧法”施工控制單孔裝藥量，最大程度的降低圍巖的受干擾作用

對于10m范圍開挖東段選用多循環、弱爆破、短進尺的全斷面開挖方式，通常情況下進尺為1.0-1.5m；進洞前做好超前固結灌漿支護和洞口鎖口錨桿，進洞后應結合不同的結構條件和圍堰類型選取合適的加強支護方式，從而避免發生因爆破震動可能引起的塌方、松動和震裂等現象，尾水隧洞開挖工藝、開挖方法應結合不同的斷面形式合理確定。

結合地質勘探前期數據資料，尾水隧洞巖體強度基本喪失且地質條件極差，施工過程中的控制重點是控制該地質條件下的作業人員安全和保證洞室的穩定。為便于及時支護鋼格柵和后續施工將開挖斷面增大20cm，從而防止結構線被鋼格柵侵占的情況。若開挖后圍堰穩定性較好且洞室自穩能力墻，能夠符合洞室成型相關要求，則宜選用噴錨支護方式。

設定200-250cm為手風鉆造孔開挖控制進尺，噴厚5cm的C20素混凝土對每一開挖循環較為破碎的出露邊頂拱進行封閉處理，支護施工作業順序為鋼格柵、錨桿掛網、混凝土噴射施工。在開挖施工下一循環之前，將一排@30cm、L=450、Φ25超前錨桿環向支護起拱以上部位，入巖深度為300-450cm范圍，為避免混凝土結構先被鋼格柵侵占將開挖斷面擴大20cm用于鋼格柵布置。

若地質條件無法達到以上開挖過程中的進尺要求，將排炮孔深度調整值200-100cm，洞室開挖爆破孔徑Φ50mm，預進尺度為150-100cm，單孔炸藥耗量為1.15kg/m3。為降低圍巖受爆破的損害作用，選取光面爆破作為周邊圍巖處理方式。進場交通洞正下方交叉重疊布設尾水隧洞，巖石厚度設計最小值為820cm，因該部位巖石自穩能力差且基本喪失承載強度，有必要加強支護該部位。

2) 支護施工。采用新奧法原理進行洞室支護施工，及時跟進設計支護段，必要時可加設鋼筋格構架、固結灌漿、引水盲材和隨機排水孔等加強支護措施，隧洞支護工藝流程如下：

采用洞室開挖、圍巖處理、錨桿支護、掛鋼筋網、噴混凝土、驗收作為滿足洞室成型段支護施工工藝，按照洞室開挖、圍巖處理、鋼格柵、錨桿支護、掛鋼筋網、噴混凝土、驗收作為無法滿足洞室成型段支護施工流程。

錨桿施工采用人工安裝、機械注漿和手風鉆造孔相結合的工藝措施，選用Ⅱ級螺紋鋼筋作為砂漿錨桿，按照先插桿后注漿、先注漿后插桿的程序對頂拱和邊墻進行施工[6]。大于錨桿直徑25mm以上為頂拱錨桿上仰孔鉆孔直徑基本要求，并增設一Φ8mm的硬質塑料排氣管。在鋼筋上用膠帶固定排氣管，孔口處插入進漿管，且孔口內均插入排氣管、進漿管和鋼筋，采用錨固劑或速凝水泥砂漿封堵孔口，注漿開始前必須確保凝固，以排氣管回漿作為注漿停止標準，對折后用鋼絲扎緊排氣管和進漿管。對于破碎洞段鉆孔施工無法安裝錨桿、無法成孔或成孔質量較差的條件下，以自進式錨桿替換砂漿錨桿，保持其它參數不變。鉆孔深度、孔徑、孔位和角度應嚴格根據設計圖紙和規范確定，確保鉆孔質量合格[7]。

采用平臺車配合人工操作安裝鋼筋網片，選用厚5cm的C20素混凝土進行洞室系統噴射支護。針對嚴重砂化的部位應增設鋼格柵，噴厚25cm的C25混凝土且要求蓋過鋼格柵1-2cm。

采用運輸車將洞外加工制作的鋼格柵輸送至洞內，然后由人工安裝至洞內相應的位置。以焊接施工規范作為鋼格柵焊接依據，工字鋼與鋼筋網、鋼格柵附件、超前錨桿、鎖腳錨桿焊接成一個整體，噴錨支護到位且鋼格柵一次安裝，選用全斷面開挖尾水洞洞身段。

3)灌漿作業。將兩排超前固結灌漿孔布設于為尾水隧洞進口段，采用Φ76釬頭、CIR70風動沖擊器和XZ-30鉆機進行造孔，施工順序為從內到外圈。采用高壓灌漿泵進行灌注施工，型號為TTB200/12、注漿壓力為0.5-1.0MPa，通過鉆花眼和加工成錐形進行射漿施工，采用分強度、分片、分區的方式對其它部位固結灌漿施工。

2.3 特殊條件下的施工方法

爆破開挖控制采用間隔分序的方式，間隔距離不低于30m為相鄰隧洞開挖作業面的基本要求，既要選用合適的爆破控制措施、開挖程序，又要考慮加強襯砌、加強支護等隧洞交叉結構處理措施，結合圍巖變形監測數據動態優化施工方法[8]。

2.4 溶洞及塌方段處理

施工過程中受巖溶地質條件的作用易出現塌方現象，并對尾水洞安全開挖造成直接的威脅[9]。考慮到該影響作用，應采取相應的加強處理措施，具體如下：

1) 采用厚5cm標號為C25素混凝土封閉處理塌方段基巖面。相對于鋼格柵間距，架設鋼格柵間距較小，安全屏障選取為已完成施工的防護拱。完成單榀鋼格柵架設后對鋼筋網、連接筋、鎖腳錨桿施工，開挖面與最后一榀鋼格柵之間的安全距離預留55cm；完全恢復塌方段施工作業前，將一排超前錨桿布沿開挖設計頂拱圓弧段掌子面布設，其參數為@30cm、L=4.5m且Φ25mm。

2) 將間距為1.0m的副拱增設于鋼格柵頂部，直抵基巖堤防處。鎖腳錨桿與鋼格柵彎鉤焊接，錨桿外露50cm、間距1.0m，L=3.0m且Φ25mm；采用間距為20cm的Φ25mm。鋼筋連接，上覆鋼筋網片尺寸為@15cm×15cm、Φ6.5mm；將厚25cm的C25混凝土噴射于頂拱范圍，采用模噴對邊墻進行處理。

3) 將Φ50mm的3根灌漿管買攝于頂拱范圍，塌方空腔深入值為150cm、50cm，外露最高點50cm。對已完成鋼格柵頂部施工的塌方散落體進行清除處理，采用M7.5砂漿灌注塌方空腔段，按照50cm、100cm、注滿3次對埋設的灌漿管進行灌注，下一次灌注的條件為上一次灌注強度達到75%。

2.5 地下水的處理

結合施工現場情況和工程地質條件，頂拱和底部開挖式存在細水滲出的現象，局部深入較為嚴重并對開挖進程產生影響。因此，對于存在較大出露滲水點的開挖施工，要及時增設引水盲材鉆隨機排水孔和系統排水孔。采用潛水泵和排水系統將地下水、施工棄水抽至集水坑，并排至尾水隧洞外[10]。

2.6 評價分析

水電站建設施工于2012年，開挖支護初步完成時間為2013年，在此期間有效解決了施工過程中存在的諸多問題，為保證電站的有序施工和按質按時工期計劃提供了技術支撐。

3 結 論

在極其不利條件下開展的水電站尾水洞開挖支護工程，經過資源合理配置、周祥安排和科學組織，科學有效的完成了預期建設任務，結合工程實踐經驗和尾水洞開挖情況應注意如下幾點：

1) 在巖體強烈砂化情況下應對支護型式合理靈活選取，確保高效開挖和開挖方式的合理布局；對于堆積體洞口的開挖，為防止對洞內開挖產生不利作用，應對堆積體進行正確的處理并選取合適的進口方式。

2) 通過及時處理開挖引起的質量和安全隱患，有效處理平行開挖的3條洞室可能出現的巖體厚度不足的問題；施工安全和開挖進度的主要制約因素為巖溶發育地質情況下的用水問題，為達到互利雙贏的節約成本的目的要采取經濟、高效、快速的處理措施。