天花板水電站引水隧洞施工技術

袁永定

（云南滇能 （集團）控股公司牛欄江水電開發(fā)有限公司，云南 昭通 657000）

天花板水電站引水隧洞全長2 514.009 m，圓形斷面，內(nèi)徑為8.2 m。原設計階段全線布置有0號、1號、2號和3號共4個施工支洞。施工過程中，綜合考慮各方面因素，通過設計優(yōu)化取消了2號施工支洞。引水隧洞圍巖以Ⅳ、Ⅴ類為主，占64.4%，其余為Ⅲ類。以1號施工支洞為界，上游為白云巖，下游基本為石英砂巖，兩類巖層洞段各占一半。其中，1號施工支洞上游側隧洞地層巖性為震旦系上統(tǒng)東龍?zhí)督M淺灰色中厚層至厚層狀白云巖，整體穩(wěn)定性較好；其下游側隧洞巖性為震旦系下統(tǒng)澄江組紫紅色巖屑石英砂巖夾粉砂巖、粉砂質(zhì)泥質(zhì)頁巖，靠近廠址區(qū)不整合帶厚度較大，角礫巖帶物質(zhì)成分較為復雜，為土夾碎石、砂巖碎塊、白云巖塊等，部分砂巖洞段圍巖滲水較嚴重。

1 開挖及初期支護施工

引水隧洞開挖直徑根據(jù)支護方式不同介于9.5 m與10.3 m之間。采取臺階法開挖，上半洞對應圓心角為240°，下半洞開挖在上半洞貫通后進行。為方便車輛錯車及掉頭以加快出渣速度，沿洞軸線每隔200 m設置一個錯車道。

1.1 常規(guī)洞段施工

天花板水電站引水隧洞根據(jù)不同地質(zhì)條件采用了不同的開挖支護施工方法。

對于圍巖較好洞段，采取上層240°范圍全斷面掘進方式，初期支護滯后約30～50 m進行，與后循環(huán)開挖施工平行作業(yè)，以加快施工進度；圍巖較差洞段則采取導洞施工法，導洞先行1～2個循環(huán)，光面爆破滯后1～2個循環(huán)進行。Ⅲ類圍巖單循環(huán)進尺一般為3～4.5m；Ⅳ、Ⅴ類圍巖段嚴格遵循 “短進尺、弱爆破、勤支護”的原則，單循環(huán)進尺控制在2 m以內(nèi)。

通過采取多種開挖方法，同時根據(jù) “新奧法”施工理論，選擇有利支護時間及時進行初期支護，保證了施工質(zhì)量、安全及工程進度，取得了較好的工程效果。其開挖效果Ⅲ類圍巖很好，光爆孔半孔率達90%以上，Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖效果稍差，但整體上仍有效地提高了施工效率和工程質(zhì)量。

1.2 不良地質(zhì)洞段施工

1.2.1 不良地質(zhì)洞段類型

（1）含水量雖少但圍巖裂隙發(fā)育洞段。該類洞段巖體受三組裂隙切割，其中水平方向裂隙與洞軸線幾近平行，對洞室穩(wěn)定極為不利。在開挖過程中，按照設計要求采取了超前支護。在掌子面周邊布置φ32＠200～600 cm、長3～6 m的管棚，對待開挖巖體提前進行灌漿處理，然后采取手風鉆造孔，弱爆破、短進尺開挖。開挖后，及時對周邊圍巖及掌子面實施一層3～5 cm的素噴混凝土封閉，以形成初期簡單柔性支護環(huán)，同時抑制圍巖的進一步風化，素噴后及時打設一定數(shù)量的系統(tǒng)錨桿，以盡早發(fā)揮其懸吊及支承拱作用，進一步加強圍巖的穩(wěn)定，同時快速進行拱架、鋼筋網(wǎng)片及噴射混凝土施工，盡快完成所有初期支護措施。

（2）含承壓水的斷層、破碎帶。該類圍巖洞段主要開挖支護方式與前類基本相似，但是每次進尺需更短，支護需更及時，支護格柵剛度需更大。本工程就曾因支護不及時及格柵剛度不夠而發(fā)生過坍塌。小的塌方可以在確保施工安全的前提下，對上部坍塌區(qū)支副拱后再回填支護，大的塌方特別是在坍塌后仍持續(xù)掉塊或坍塌的，不能對坍塌下來的松渣進行清理，而要保持原貌使松渣起到臨時支撐作用，以遏制坍塌范圍持續(xù)擴大。本工程中在開挖至Y1+954樁號時，就曾發(fā)生過坍塌，塌方段長約8 m，初期坍塌高度超出頂拱開挖線約6 m，坍塌渣料充滿洞室，通過渣料掉落發(fā)出的擊地聲判斷頂拱一直在持續(xù)不斷的掉塊，始終沒有穩(wěn)定。

1.2.2 施工措施

（1）對松渣體表面進行較厚的素噴混凝土封閉。

（2） 在頂拱開挖線外上仰 10°～15°施打φ50＠200 cm長6 m的超前管棚，然后通過該管道對坍方體進行固結灌漿，將松散堆積體固結成整體，每排管棚間距1 m。

（3）灌漿完成后用風鎬進行人工開挖以減少擾動，先挖兩側拱腳再挖中間部分，以便在中間部分開挖完成后盡快進行工字鋼拱架施工，為增加拱架剛度，采用I20，間距50 cm；同時，為加強拱腳承載能力，在每側拱腳各增加4根φ32長4.5 m的鎖腳錨桿進行錨固。拱架之間用φ25鋼筋連接，間距50 cm，鋼筋與拱架焊接以使拱架在縱向形成一個整體，增加其承載力。在拱架與巖體之間布設鋼筋網(wǎng)片后立即噴射混凝土形成鋼筋混凝土承力拱。

（4）在塌方體開挖支護完成后，需要再次對該洞段及其上下游各10 m范圍內(nèi)的隧洞進行固結灌漿。特別是，頂拱部位根據(jù)塌方體高度適當增大灌漿孔深度，以確保在頂拱部位不再出現(xiàn)松渣區(qū)，并在鋼筋混凝土承力拱外圍形成一個3～6 m厚的固結圈，以確保施工期及運行階段引水隧洞的安全。

（5）為了監(jiān)控該洞段的變形，確保工程安全，在Y1+957 m樁號處設置了收斂觀測斷面，在塌方處理過程中每個工作班均要求進行觀測，塌方處理完成后根據(jù)實際情況適當降低了觀測頻率。

2 混凝土施工

本工程共投入兩套鋼模臺車，因1號施工支洞上游側僅一條交通通道，為解決鋼筋運輸通道問題，故在該處投入邊頂拱穿行式鋼模臺車，而在1號施工支洞與3號施工支洞間投入全斷面液壓針梁式鋼模臺車。

為此，王建磐教授在訪談的最后認為，現(xiàn)在是時候讓國際同行近距離了解和分享中國的數(shù)學教育了，中國數(shù)學教育學術界也可以借此更深入地了解國際學術動態(tài)，在交流和學習中進一步完善中國的數(shù)學教育學科體系，讓中國承辦ICME-14成為中國數(shù)學教育崛起的良好契機．

2.1 鋼模臺車的安裝、調(diào)試及維護保養(yǎng)

這兩種鋼模臺車的構造、運行原理基本類似，均由模板、支撐行走、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成。鋼模臺車受引水隧洞的空間限制，在洞內(nèi)無法直接使用吊車進行安裝，只能采取在洞頂施打錨桿，焊接吊環(huán)，利用掛設的手拉葫蘆作為吊裝工具進行安裝，針梁式鋼模臺車安裝工作面的長度不小于60 m，洞頂離鋼模臺車不小于1.5 m，根據(jù)臺車單件最大重量計算，每根錨桿承受的拉力不小于12 t，故采取φ28長4.5 m的砂漿錨桿，錨桿矩形布置，間排距2 m，每根錨桿通過連接鋼筋連成整體，使用8 t汽車吊在洞內(nèi)配合安裝，臺車安裝時間大約為12天，邊頂拱穿行式鋼模臺車因構造相對簡單，總的質(zhì)量及單件質(zhì)量也較小，故安裝起來相對較簡單，速度也更快。

臺車洞內(nèi)安裝完成后，需進行合模、脫模及行走等方面的調(diào)試，以確保臺車運行靈活，各參數(shù)滿足工程需要。

由于隧洞內(nèi)一般煙塵、濕度大，工況較差，臺車的維護與保養(yǎng)對延長臺車的使用壽命、提高工作效率至關重要。因此，需要定期對臺車進行維護與保養(yǎng)，主要項目有：各種螺栓支撐要清除積塵后涂抹黃油并緊固；定期更換液壓油及卷揚機的變速箱齒輪油；對變形的模板進行修復等。

2.2 用全斷面液壓針梁式鋼模臺車作混凝土襯砌

1號與 3號施工支洞間洞段 Y1+690～Y2+514.009采用全斷面針梁式鋼模臺車澆筑完成。鋼模臺車每倉澆筑段長12 m，在鋼模臺車前面設簡易的由鋼管搭設而成的鋼筋安裝臺車，人工安裝鋼筋。鋼筋安裝按照澆筑方向逐段提前進行，底拱和邊頂拱鋼筋同時安裝。混凝土入倉采用泵送方式，每倉面設置6個入倉口，采用人工倉內(nèi)和鋼模臺車模板上附著式平板振動器進行振搗。頂拱混凝土強度滿足設計所要求的拆模強度后，開始拆模并移動鋼模臺車。鋼模臺車單循環(huán)周期為4～5 d。

采用全斷面針梁式鋼模臺車澆筑混凝土的施工工藝，混凝土澆筑質(zhì)量良好，斷面尺寸控制準確，對保證引水隧洞的工程進度和工程質(zhì)量都起到了決定性作用。但該施工方法也存在以下兩類通病：①受鋼模臺車結構強度的限制，頂拱范圍混凝土澆筑厚度在施工中控制在1.5m以內(nèi)，因此頂拱范圍（特別是塌方洞段）難以澆筑飽滿，需要后期回填灌漿將空腔灌注密實； ②澆筑過程中由于底拱范圍內(nèi)氣泡聚集于混凝土表面，容易形成混凝土外觀缺陷。因此，現(xiàn)場施工中采取如下施工措施予以改善，實際效果很好。

（1）為了保證臺車頂拱部位混凝土回填密實，在距結構縫3 m處的頂拱部位各設置1根φ50 mm排氣鋼管，鋼管口距巖面約10 cm，通過觀察鋼管出口混凝土的掉落情況可以判斷頂拱混凝土是否回填密實。當頂拱坍塌區(qū)較高時，可預先埋設φ100回填鋼管，將回填鋼管彎曲成90°伸至頂拱塌方缺口距巖石面20 cm處，混凝土拆模28 d后，泵送混凝土進行回填，回填完畢后，將鋼管割斷用鋼板進行封孔。

（2）為改善鋼模臺車底拱范圍的空氣排出條件，現(xiàn)場施工中多次試驗選擇了在鋼模臺車底拱范圍設置3列排氣孔 （見圖1），孔口尺寸250 mm×250 mm，孔間距2.5 m，列間距1.5 m，排氣孔混凝土澆筑施工中兼作振搗、觀察孔，當混凝土澆筑上升到孔口時用螺栓鋼板封堵，澆筑時配合倉內(nèi)人工振搗平倉，同時控制兩側混凝土入倉均衡度。采取此措施后，底拱混凝土表面外觀缺陷范圍大大減小。少量蜂窩麻面采用高標號環(huán)氧砂漿修面后打磨處理。

2.3 邊頂拱穿行式鋼模臺車進行洞身混凝土襯砌

1號施工支洞上游洞段采用邊頂拱穿行式鋼模臺車進行澆筑，底拱混凝土和邊頂拱混凝土單獨澆筑。首先利用組合鋼模先行澆筑底拱混凝土，在底拱與邊頂拱交接處設置一道水平施工縫，再設置橡膠止水條。組合鋼模質(zhì)量輕，容易受到混凝土的擠壓而產(chǎn)生變形；因此，需要對模板設置足夠數(shù)量的拉結鋼筋，弧形桁架也應該具有較大的剛度。采用分層平鋪方式進行混凝土澆筑，對稱進料、平倉，兩側混凝土保持同步上升，每一層澆筑厚度保持在30～40 cm，速度控制在每小時兩層以內(nèi)。

為便于底拱與邊頂拱平行作業(yè)及各倉面的流水作業(yè)，要求底拱先于邊頂拱澆筑至少4倉。當?shù)坠盎炷吝_到設計強度的75%以后，在底拱混凝土上鋪設工字鋼行走軌道供臺車移動。臺車移動到待澆筑段后，調(diào)節(jié)橫送油缸使模板與隧洞中心對齊，然后起升頂模油缸，頂模到位后把側模用油缸調(diào)整到位，并把手動千斤頂及撐桿安裝、上緊。鋼模臺車校正時，先將頂拱部分的柔性搭接與上一倉混凝土嚴密鎖定，再進行下游模板的校正，下游側堵頭模板采用散模板拼裝。臺車兩側高有兩層，每層各開3個窗口，用于混凝土澆筑時進人、觀察及振搗。

為了保證頂拱部位混凝土回填密實，同針梁鋼模臺車一樣在頂拱部位埋設了排氣鋼管。對坍塌區(qū)較高部位，采取了同樣措施，埋設φ100鋼管進行混凝土回填。

圖1 鋼模臺車排氣孔孔位及排氣管布置

2.4 兩種鋼模臺車的對比

（1）穿行式鋼模臺車自重小，行動靈活，易于操作，可以分底拱與邊頂拱兩個工作面平行作業(yè)，加快施工進度；但需要在底拱與邊頂拱混凝土交接處設置橡膠止水，增加了一道工序；在底拱與邊頂拱交接處容易形成錯臺，混凝土外觀質(zhì)量難以保證；施工干擾大，現(xiàn)場施工協(xié)調(diào)管理要求高。

（2）針梁式鋼模臺車自重大，結構復雜，不如穿行式鋼模臺車靈活，且受施工通道影響較大。但針梁式鋼模臺車立模、拆模速度快，運行效率高；混凝土整體性好，外觀質(zhì)量有保證。

對比這兩種鋼模臺車，各有優(yōu)劣。因此，在施工過程中應根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇適宜的臺車進行混凝土澆筑。

3 工程進度

統(tǒng)計顯示，在引水隧洞開挖過程中，單工作面高峰月開挖進度達到120 m，受塌方段影響，整體平均月進度為62 m。引水隧洞于2007年10月1日開始開挖，2009年1月22日，引水隧洞全線貫通，為后續(xù)施工贏得了寶貴時間。2010年5月30日，引水隧洞混凝土襯砌全部完成，為天花板水電站按期投產(chǎn)發(fā)電奠定了堅實的基礎。

4 結語

（1）開挖與支護是地下洞室施工的兩大工序，按 “新奧法”施工原理，必須對這兩者作出統(tǒng)籌安排。施工中應采取合理的開挖程序和方法，為支護施工提供有利條件；同時，應選擇合理的支護時間，保證開挖后圍巖的穩(wěn)定。 “新奧法”設計與施工、光面爆破、洞室控制爆破技術在天花板水電站引水隧洞施工中得以成功應用，保證了工期與質(zhì)量。

（2）對于塌方段的處理一定要小心謹慎，不可盲目行事，首先要從地質(zhì)角度分析造成坍塌的主要原因，在此基礎上有針對性地采取加固處理措施，對堆積的松渣體切不可盲目出渣，以避免更大范圍坍塌甚至冒頂?shù)目赡堋?/p>

（3）邊頂拱穿行式鋼模臺車與針梁式鋼模臺車作為水工隧洞混凝土施工的兩種常見設備，其表現(xiàn)各有優(yōu)劣，要根據(jù)具體情況選用。