涪江古城水電站千枚巖大斷面隧洞的開挖施工

曾 建， 李 俊

(中國水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

1 工程概述

古城水電站位于四川省平武縣境內的涪江上游干流上，是涪江上游干流水電梯級開發的第二級，為低閘引水式電站。電站裝機2臺，總裝機容量為100 MW。古城水電站引水隧洞斷面為圓形，襯后內徑9.5 m。我公司標內承建樁號(引)5+955.380～(引)6+923.215洞段，總洞長為967.835 m，開挖斷面參數見表1。

表1 引水隧洞各圍巖類別及開挖斷面參數表

我公司標內承建的引水隧洞段位于趙家坪倒轉背斜南翼近軸部，隧洞頂板埋深15～215 m，巖層單斜，產狀270°～300°/SW(S)∠65°～85°。由于工程臨近區域性大斷裂(古城斷裂)，巖體受構造擠壓應力作用，小的斷裂破碎帶、層間擠壓揉皺帶、劈理密集帶較發育，巖層局部扭曲。洞室穿越地層主要為通化組上段第二層(St2-2)，以灰色粉砂質千枚狀板巖為主，夾薄層狀砂巖及結晶生物碎屑灰巖透鏡體。洞段內圍巖以Ⅳ類為主，其余為Ⅴ類，巖體強度低，片理發育且巖層走向與洞軸線夾角較小，結構面組合不利，圍巖穩定性差，引水隧洞全洞段均位于地下水位線以下。

2 施工的難點與特點

(1)引水隧洞圍巖以灰色粉砂質千枚狀板巖為主，圍巖穩定性差且隧洞局部頂板埋深較淺，最小埋深僅為15 m，施工過程中出現塌方甚至冒頂的風險較大。

(2)引水隧洞全洞段處于地下水位線以下，且千枚巖巖性強度低，遇水軟化，體積膨脹。千枚巖與水的結合勢必會加大圍巖失穩的風險，施工中極易出現塌方與涌水問題。

(3)引水隧洞洞身斷面大(最大斷面直徑為11.5 m)，且地質條件較為復雜，斷面設計為圓形，開挖質量要求相對較高，需采用合理有效的爆破方法。

3 施工布置與施工程序

3.1 施工布置

(1)施工風、水、電。

施工用風、水、電均由5#施工支洞口所布置的供風、水、電系統接入，隨開挖延伸。

(2)施工排水。

由于標段內引水隧洞處于地下水位線以下，洞內滲水量較大。在引水隧洞與5#施工支洞三岔口處設置了一個4 m×2 m×2.5 m的集水坑，使用2臺18.5 kW離心泵抽排積水經5#施工支洞排出洞外。引水隧洞上游段的施工排水采用在隧洞左右側各設置一條0.5 m×0.4 m排水溝的方式自流排水到三岔口集水坑內。引水隧洞下游段相應于三岔口集水坑位置為倒坡，掌子面施工排水采用在工作面設置臨時集水坑 的 方 式，用2.2 kW潛水泵直接抽排入三岔口集水坑；另在下游隧洞左右側各設置一條0.5 m×0.4 m的排水溝，并相距100 m左右設 置 一 個 2 m×1.5 m×

1.5 m的集水坑，收集的洞段滲流散水由排水溝自流入集水坑，用5.5 kW潛水泵抽排入三岔口集水坑。

洞身滲水主要采用集中引排的方法疏導滲水排出，以有效地減小滲水壓力并縮小滲水與千枚巖結合的范圍，從而降低圍巖失穩的風險。在有滲水滲出的巖面按梅花形布置，打設深度3 m以上、間排距約1～1.5 m的排水孔，排水孔口接PVC材質軟管沿洞壁將滲水引排至隧洞兩側排水溝內。

3.2 施工程序

由于古城水電站引水隧洞地質條件復雜，洞內滲水量較大，加之為大斷面隧洞開挖，圍巖強度低、自穩能力較差，若進行一次性全斷面開挖，不僅施工難度大且存在較大的安全隱患，經過論證比選，采用將隧洞斷面分為上下兩部分開挖的方式：上斷面先行開挖，待上斷面開挖完成后再進行下斷面開挖。開挖爆破參數在5#施工支洞避車洞位置通過爆破試驗予以確定，上、下斷面均采用水平向鉆孔的方式，微差梯段爆破，上斷面采用柳工ZL50C裝載機裝15 t自卸汽車運渣。下斷面從隧洞盡頭開始由內而外的方向鉆爆開挖，PC220反挖裝15 t自卸汽車運渣。

為確保施工過程中人員、設備的安全，需加強鉆爆前的超前支護且開挖爆破后臨時支護應及時跟進。上斷面支護程序：爆破前打設φ32，L=4.5～6 m超前錨桿，爆破后及時噴5 cm厚C20混凝土封閉巖面，同時跟進Ⅰ14#或Ⅰ18#工字鋼支撐加φ28、L=6 m鎖腳錨桿、掛設φ8鋼筋網再噴15 cm厚C20混凝土。下斷面支護程序：爆破后及時噴5 cm厚C20混凝土封閉巖面，同時跟進φ28，L=4.5 m支護錨桿、掛設φ8鋼筋網再噴15 cm厚C20混凝土。支護施工的關鍵在于及時、有效，以便控制圍巖的變形、松弛和應力釋放，使支護系統和圍巖在共同變形過程中使圍巖應力重新分布達到新的平衡，成為支護體系的組成部分，以便最大限度地保持圍巖的固有強度并提高圍巖的自穩能力，從而有效地確保施工質量和安全。

4 開挖及支護施工

4.1 上半斷面的開挖與支護

4.1.1 上半斷面開挖

為了有利于上半斷面支護時工字鋼支撐的兩端底部能座落在巖基上，從而有效地將山巖壓力傳遞至底部基巖，確保工字鋼支撐聯合支護系統的穩定性，將古城水電站引水隧洞上半斷面與下半斷面分界線設置在隧洞中心高程下1.5 m位置，且將中心高程以下1.5 m范圍巖壁開挖成鉛垂面，從而使得上半斷面與下半斷面在分界位置形成一個約20 cm的錯臺，從而將上半斷面的工字鋼支撐座落在該巖臺上。

Ⅳ類圍巖上半斷面的開挖采用全斷面掘進方式。爆破前，首先沿開挖線外側打設一圈φ32，L=4.5 m，間距20～30 cm的超前錨桿。采用5星掏槽方式，周邊采用光面爆破。周邊孔間距為50 cm，采用φ25乳化炸藥間隔不耦合裝藥，崩落孔孔距70～80 cm，W=60～70 cm，輔助孔孔距70～80 cm，W=70～90 cm，每循環鉆孔深2.5 m。爆破采用非電毫秒雷管微差梯段擠壓爆破 (炮孔布置見圖1)。爆破石渣采用柳工ZL50C側翻裝載機裝15 t自卸汽車運輸。

圖1 引水隧洞Ⅳ類圍巖上層開挖炮孔布置示意圖

因為Ⅴ類千枚質圍巖巖體強度較Ⅳ類圍巖更低，不適宜全斷面開挖，故Ⅴ類圍巖及不良地質段上半斷面采用中導洞領進，兩側壁擴挖跟進的開挖方式，中導洞領進兩側壁1個循環。開挖前先沿洞頂開挖線外側打設一圈超前錨桿鎖固圍巖外壁，超前錨桿參數為φ32，間距10～20 cm，兩側壁位置錨桿長度L=4.5 m，中導洞位置錨桿長度L=6 m。中導洞采用5星掏槽方式，周邊采用光面爆破。周邊孔距采用40 cm，φ25乳化炸藥間隔不耦合裝藥。崩落孔距為70～80 cm，W=60～70 cm；輔助孔孔距為70～80 cm，W=70～80 cm，每循環鉆孔深2 m。爆破采用非電毫秒雷管微差梯段擠壓爆破 (炮孔布置情況見圖2)。爆破石渣采用柳工ZL50C側翻裝載機裝15 t自卸汽車運輸。對于地下水發育或涌水的地段，爆破后及時噴混凝土封閉巖面并設置深排水孔，集中引水。

圖2 引水隧洞Ⅴ類圍巖中導洞及上層開挖炮孔布置示意圖

4.1.2 上半斷面支護

Ⅳ類圍巖洞段的支護施工。在開挖爆破前，首先沿上一循環工字鋼支撐上沿上仰10°～15°打設一圈間距為20～30 cm，φ32，L=4.5 m的超前錨桿，工字鋼支撐上沿超前錨桿外露約30 cm，其余部分打入圍巖，以保證爆破后(循環進尺≤2.5 m)有至少1.5 m錨桿深入掌子面圍巖中，形成超前錨桿拱圈，臨時改善巖拱的受力條件。爆破后立即登渣噴護厚度為5 cm的C20混凝土封閉所有的外露巖面。對于局部滲水較大或涌水的位置也采用就地登渣的方式打設深排水孔，將滲水集中引排。洞渣清理完畢，立即開始工字鋼支撐的安裝，Ⅳ類圍巖洞段鋼支撐采用14#工字鋼，鋼支撐在洞外制作場采用冷彎方式彎制，將每榀鋼支撐之間的安裝間距控制在50～80 cm之間。鋼支撐安裝就位后，立即沿鋼支撐兩側打設φ28，L=6 m的鎖腳、鎖沿錨桿，然后掛設φ8、間排距為10 cm的鋼筋網，最后再噴15 cm厚的C20混凝土。為保證以鋼支撐為骨架的整個支護系統的整體性，同時亦使支護系統與圍巖緊密結合形成一個聯合受力結構，每榀鋼支撐之間采用φ28、間距為50 cm的鋼筋焊接連接，錨桿、鋼筋網與鋼支撐之間也采用焊接方式連接牢固。

Ⅴ類圍巖洞段的支護施工方式與Ⅳ類圍巖洞段相類似，不同之處有兩點：一是將超前錨桿間距調整為10～20 cm，并將中導洞位置超前錨桿調整為6 m，以確保中導洞領進兩側壁1個循環后超前錨桿的前段仍深入掌子面圍巖1.5 m以上；二是制作鋼支撐的工字鋼型號由14#調整為18#，間距調整為30～50 cm(上層支護情況見圖3)。

圖3 引水隧洞上層支護典型斷面示意圖

4.2 下半斷面的開挖與支護

引水隧洞下半斷面待上半斷面開挖支護完成后，采用退挖的方式從洞內往洞外方向進行開挖。下半斷面的開挖與Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖方式相同，采用水平向造孔爆破的方式，中部拉槽領進2～3個循環，兩側壁跟進開挖。爆破造孔采用自制鉆爆臺車， YT-28型手風鉆鉆孔，周邊采用光面爆破。周邊孔間距為50 cm，采用φ25乳化炸藥間隔不耦合裝藥，崩落孔孔距為70～80 cm，主爆孔孔距80 cm，每循環鉆孔深3 m。爆破采用非電毫秒雷管微差梯段擠壓爆破，爆破石渣采用PC220反挖裝15 t自卸汽車運輸。

下半斷面支護同樣緊跟開挖工作面進行，開挖爆破后先立即登渣噴護厚度為5 cm的C20混凝土封閉所有的外露巖面；對于局部滲水較大或涌水位置也采用就地登渣的方式打設深排水孔，將水集中引排出工作面。待爆渣清理完畢，再打設φ28，L=6 m，梅花形布置、間排距為3 m的系統錨桿，局部圍巖破碎位置隨機加設與系統錨桿同種規格的加強錨桿，然后掛設φ8鋼筋網，鋼筋間排距為10 cm，最后再噴15 cm厚C20混凝土。

5 變形監測

古城水電站引水隧洞的地質條件決定了在隧洞開挖過程中必須加強施工期的臨時監測工作，以保證施工期人員設備的安全。在隧洞施工中，每200 m設置變位監測裝置，每20 m斷面設置臨時變位監測點，以定時監測、及時掌握圍巖應力應變的情況并制定相應措施，做到“早發現、早處

理”。根據監測結果得知，在隧洞開挖支護完成后一個月內，拱圈應力集中明顯，鋼支撐及圍巖向洞軸線方向產生了較大應變，最大變位累積量達18 mm，隨后逐漸收斂并趨于穩定。由此，開挖完成后的一個月內為圍巖變化最大的時期，也是最大的施工危險期，必須加大監測和觀察力度以確保施工安全。

6 結 語

古城水電站千枚巖大斷面引水隧洞能夠實現安全、高質量的隧洞開挖，其關鍵在于：(1)施工前制定了科學合理的開挖程序和開挖方法，通過爆破試驗確定了爆破指導參數，同時，在開挖過程中，根據圍巖變化情況，適時優化和調整了爆破參數，將爆破對圍巖和支護系統的擾動減小到最低；(2)支護及時有效，以控制圍巖的變形、松弛和應力釋放，最大限度地保持圍巖的固有強度并提高圍巖的自穩能力；(3)加強觀測，做到“早發現、早處理”。其精髓可總結為“短進尺、弱爆破、強支護、勤觀測”12字原則，對類似不利地質條件下的大斷面隧洞開挖支護施工提供了一定的可借鑒的經驗。