積石峽水電站導流洞交叉段開挖支護施工技術

蘇曉軍

（黃河上游水電開發有限責任公司工程建設分公司，青海 西寧 810000）

1 工程概況

積石峽水電站工程受地形、地質條件的限制，溢洪道、導流洞、中孔泄洪洞、泄洪排沙底孔等泄洪建筑物均布置在左岸。導流洞洞身總長660.087 m，中孔泄洪洞采用 “龍抬頭”形式與導流洞結合布置，非結合段洞身長217.15 m，結合段洞身長442.937 m，開挖斷面尺寸均為13 m×15 m，兩洞在距中孔泄洪洞口253.39 m處交叉，交叉角19.9°。兩洞結合部位的交叉段形成跨度為28.4 m、高20.59 m的城門洞形大斷面洞室（見圖1）。在其拱頂上方有一厚3～10 cm的軟弱夾層穿過，圍巖巖性為礫巖、中細砂巖和泥質粉砂巖，巖層產狀為NE13°SE∠13°，成層狀分布；巖體弱風化，發育有三組中陡傾角裂隙，巖體完整性差，基本屬Ⅲ類圍巖，局部為Ⅳ類圍巖。地質條件復雜，斷面多變，跨度大，施工高差大，工程安全問題突出，施工極為困難。鑒于以上特點，該部位的開挖方案、支護方式及混凝土襯砌方案的選擇對洞頂圍巖的穩定、工程安全及施工質量、進度有著極其重要的作用。

2 設計方案

圖1 交叉段開挖體形（尺寸單位：m）

在平層結構裂隙發育的砂巖層中進行的大斷面平頂拱的開挖、支護及混凝土襯砌施工，在目前國內已建和在建工程中尚屬首例。經過對交叉段不同方案的理論計算分析和數據分析模型綜合比較，考慮中孔泄洪洞與導流洞交叉段洞室地質條件和結構特點，確定施工采用分序開挖及素噴混凝土、錨桿、預應力錨索支護形式的方案（見圖2）。具體支護形式為：邊墻素噴10 cm厚混凝土及φ28 mm@2 m×2 m、長7.0 m的系統錨桿支護；頂拱噴15 cm厚鋼纖維混凝土及長7.0 m和8.5 mφ28 mm@1.5 m×1.5 m長短系統錨桿支護；拱頂部位采用長20、25 m的1 000 kN預應力錨索支護，開挖完成后澆筑1.5 m厚鋼筋混凝土襯砌。

圖2 采用的分序開挖及支護形式

3 優化后的開挖、支護施工程序

針對交叉段特殊部位，將導流洞導0+160.0～0+217.15段劃分為4個開挖區（見圖3），并制定了相應的施工方法。導0+140～0+160.0段為第一開挖區，導0+160.0～0+169.39段為第二開挖區，導0+169.9～0+217.15段右半幅為第三開挖區，左半幅進行反方向開挖為第四開挖區。施工爆破均采用短進尺、淺孔、小藥量、多循環、間隔裝藥、分段光面爆破。開挖過程中嚴格控制裝藥量，以減少爆破振動對已開挖中孔泄洪洞洞室的影響，保證交叉段的開挖安全。

（1）第一開挖區施工。導0+160.0段以前兩洞室之間的最小圍巖厚度為7.22 m，施工時按全斷面12.20 m×7.0 m（寬×高）正常進行施工，循環進尺控制在3.0～3.5 m以內。支護按設計圖紙要求進行，并跟進掌子面，噴10 cm厚素混凝土。局部存在巖石破碎、裂隙發育及軟弱結構面的部位及時進行封閉，采用掛網噴護及C30鋼纖維混凝土噴護。

圖3 開挖施工程序

（2）第二開挖區施工。導0+160.0～導0+169.39段導流洞與中孔泄洪洞之間的最小圍巖厚度為4.0m，對該區段開挖采取先導洞后擴挖、導洞與擴挖同步進行的方式，導洞斷面尺寸為8.0 m×5.0 m（寬×高），循環進尺控制在2.0～2.5 m以內。造孔時將全斷面的孔一次性造設完畢，但在爆破時只對導洞斷面進行爆破，待導洞爆破兩個循環后進行一次擴挖，若遇到有巖石特別破碎、斷層裂隙發育或存在軟弱結構面等情況，進行多次爆破擴挖。開挖施工中在下一個循環開始放炮之前采用間距80 cm的鋼支撐進行加固；頂拱錨桿采用預應力錨桿，側墻采用砂漿錨桿支護，及時跟進掌子面；噴護采用10 cm厚素混凝土，局部存在巖石破碎、裂隙發育及軟弱結構面的部位時進行封閉，并采用掛網噴護及C30鋼纖維混凝土噴護。

（3）第三開挖區施工。導0+169.39～導0+217.15段采用半幅開挖。第二區段開挖支護全部完成后進行右半幅（即第三區段）開挖，開挖高度8.0 m。為了便于進行預應力錨索及預應力錨桿施工，開挖斷面左側墻超過導流洞軸線1～1.5 m，循環進尺控制在1.5～2 m。半幅開挖過程中仍采用導0+160.00～導0+169.39段開挖支護方式，即導洞開挖兩個循環后進行一次半幅擴挖，以及頂拱預應力錨桿及側墻砂漿錨桿支護及時跟進掌子面。此時可提前對中孔泄洪洞中0+217部位的三角體進行鉆孔爆破，為右半幅的貫通創造條件，同時可提前連接鋼支撐。貫通后導0+193.93～導0+217.15段開挖面每掘進一個循環即可安裝一榀鋼支撐，間距80 cm，并與中孔泄洪洞內鋼支撐進行連接，鋼支撐與鋼支撐間采用橫向連接，形成整體；掛網噴混凝土及時跟進掌子面。在第三區開挖施工時，對中0+192～0+196.0段右半拱從欠挖部位進行切割，待導0+169.39～導0+217.15段右半幅開挖貫通后，隨即進行該段的12～21號錨索施工。

（4）第四開挖區施工。導0+169.39～導0+217.15段右半幅開挖貫通后，對左半幅（即第四開挖區）反方向進行導0+193.93～導0+169.39段的開挖，開挖循環進尺控制在2 m以內；頂拱預應力錨桿及時跟進掌子面，側墻視地質條件，如有陡傾角裂隙則進行對錨加固。每一個爆破循環結束后，立即進行鋼支撐安裝，間距80 cm。

（5）開挖施工時根據巖體不同情況，采用縮短進尺、密孔、小藥量和強支護的形式進行開挖，將循環進尺控制在1～2.5 m以內，并根據實際情況增設觀測儀器，對圍巖進行監控；根據不同的爆破參數，做爆破震動試驗，及時調整爆破參數。

4 交叉段施工主要控制方法

（1）考慮交叉段的特殊情況，為確保施工安全，避免對中孔泄洪洞、兩洞室之間圍巖及新澆混凝土產生影響，確定安全質點振動速度，為開挖提供最佳爆破參數，在導流洞非結合段開挖時進行了爆破振動測試。根據測試結果，嚴格控制爆破規模和單響藥量；交叉段范圍導0＋160以下游的爆破單響藥量均控制在5 kg以內。

（2）及時支護，每循環爆破完成后，最短時間內完成該循環內的支護工作。

（3）如遇有巖石特別破碎、斷層裂隙發育或軟弱結構面不利于洞室穩定時，在原設計支護形式的基礎上，再采取如下措施：①隨機超前錨桿支護，主要對多組結構面切割形成的楔形體進行預加固；②加密鋼支撐；③加密長、短錨桿間距；④短進尺弱爆破及危石處理結束后，噴3～5 cm厚鋼釬維混凝土，或掛鋼筋網噴混凝土進行補強支護，厚度應達到設計要求。

5 施工中采取的加固措施

根據開挖過程中揭露的巖石條件及設計支護形式，并結合現場情況，對交叉段在原有的設計支護的基礎上進行了強化。

（1）預應力錨索施工。交叉段洞室頂部設計加固措施為現場增加高強錨桿（張拉150 kN）與28根1 000 kN預應力錨索聯合作用，噴鋼纖維混凝土。交叉段開挖前，對中0+192.823（導0+174.242）～中0+242.664段預先完成中孔泄洪洞一側及導流洞側的預應力錨索加固，并對中0+201.00～中0+204.00、中 0+209.00～中 0+213.00、 中 0+216.50～中 0+218.50、中0+223.80～中0+225.80段內的鋼支撐進行切割，切割后沿拱頂洞軸線方向的鋼支撐之間采用型鋼連接，并與預應力外錨頭部位焊接。

（2）預應力錨桿。在導0+170～導0+217段開挖時，對頂拱采用 φ32 mm（PSB785）、長7.5 m、間排距1.5 m×1.5 m的預應力錨桿加強支護。

（3）砂漿錨桿。導0+170～導0+217段側墻采用φ28 mm的砂漿錨桿支護，錨桿長7.5 m、入巖7.0 m、間排距2 m×2 m，梅花形布置；導0+160～0+170段開挖時，左邊墻砂漿錨桿長3.5 m、入巖3 m、間排距2 m×2 m，梅花形布置。

（4）噴護、鋼支撐加固。導流洞開挖時，頂拱噴10 cm厚C30鋼纖維混凝土，側墻噴10 cm厚素混凝土支護。導0＋160.00～導0＋174.242段與中孔泄洪洞之間的最小圍巖厚度為7.22～2.0 m，導0＋160～0＋169.3段上擴開挖后即安裝鋼支撐加固，型號為 22，間距80 cm，鋼支撐之間用 [14槽鋼橫向焊接，間距100 cm，鋼支撐在洞頂緊貼巖面，超挖部位采用拱上拱，安裝后噴15 cm厚C30鋼纖維混凝土。

（5）超前灌漿。對中0+190～0+196段右邊墻因裂隙發育進行了超前固結灌漿，布孔方向與中孔泄洪洞洞軸線成45°夾角，灌漿壓力為0.3 MPa，入巖深度為6.0 m，全孔一次灌漿，灌漿采用卡塞法進行。

6 結語

大斷面隧洞的開挖支護是一個施工環節多、程序嚴謹的復雜過程，在施工中應根據工程實際情況選擇先進、安全、合理的技術方案以及合理的施工程序。積石峽水電站導流洞和中孔泄洪洞交叉段洞室開挖斷面最大跨度28.4 m，是目前國內在白堊系水平巖層中最大的洞室之一，采用的開挖施工方案確保了交叉段順利貫通，保證了施工安全，其開挖施工工序和支護措施的成功應用，可為國內特大斷面洞室開挖尤其是存在水平層狀圍巖、巖性變化多、夾泥層面與多組裂隙組合情況下的工程提供參考。