引水隧洞施工技術(shù)淺析

黃躍輝

摘 要：引水隧洞工程的施工是水利水電工程施工中的難點(diǎn)。在壓力引水隧洞施工的過(guò)程中，最重要的是在開(kāi)挖后采用科學(xué)、合理的臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)方法。結(jié)合自身的工作經(jīng)驗(yàn)，淺析了壓力引水隧洞的施工技術(shù)，以解決施工過(guò)程中遇到的難點(diǎn)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：引水隧洞；施工技術(shù)；混凝土澆筑；邊坡支護(hù)

中圖分類號(hào)：TV554 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.23.144

1 工程概況

筆者曾參與過(guò)某水電站引水隧洞的施工。該電站為低閘引水式電站，裝機(jī)容量30 MW，引水隧洞全長(zhǎng)3 307 m，進(jìn)口高程999.00 m，終點(diǎn)高程971.50 m，引用流量134.7 m3/s，額定水頭25.5 m；采用了馬蹄形斷面形式，過(guò)流斷面頂拱半徑3.2 m，頂拱半角180°，底板寬6.4 m，過(guò)流斷面36.56 m2，流速3.68 m/s。根據(jù)隧洞沿線不同的圍巖條件，Ⅱ類和Ⅲ類圍巖襯砌按照透水襯砌設(shè)計(jì)，主要目的是減糙，混凝土標(biāo)號(hào)為C25，厚度為30 cm；Ⅳ類和Ⅴ類圍巖C25襯砌厚度分別為60 cm、80 cm，全斷面固結(jié)灌漿入巖4.0 m，每排12孔，排距3.0 m，全斷面設(shè)置錨筋Φ25，長(zhǎng)4.5 m，間排距1.5 m。各類圍巖頂拱均回填灌漿。

2 工程地質(zhì)

引水隧洞洞身段處于泥頁(yè)巖夾砂巖中，埋深20～80 m。受斷層破碎帶的影響，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，極易破碎，隧洞掘進(jìn)中經(jīng)常出現(xiàn)坍塌和滲水現(xiàn)象，成洞條件差。

3 施工情況

隧洞進(jìn)口至調(diào)壓井全長(zhǎng)3 307 m，本文選取了最具有代表性、施工難度最大的首段1號(hào)洞段來(lái)探討其開(kāi)挖和襯砌施工技術(shù)。該洞段長(zhǎng)938.60 m，隧洞開(kāi)挖跨度8.00～8.40 m，襯砌后跨度6.40 m。

3.1 施工支洞工程施工工序和方法

3.1.1 洞口施工邊坡保護(hù)

在支洞口石方明挖施工中，要及時(shí)采取邊坡支護(hù)措施，以確保開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定性。洞口削坡應(yīng)自上而下進(jìn)行，嚴(yán)禁上下垂直作業(yè)。

3.1.2 施工支洞開(kāi)挖

在確認(rèn)洞臉邊坡穩(wěn)定及邊坡上無(wú)危險(xiǎn)物后掛口進(jìn)洞，靠近洞臉處的巖體開(kāi)挖和起始洞段的洞身開(kāi)挖要采用淺眼弱爆破方法，以免洞臉邊坡因爆破而發(fā)生巖體震裂、松動(dòng)和塌方現(xiàn)象。

為了確保洞口的穩(wěn)定性和安全性，支洞采取以下施工方案：①施工支洞斷面的凈空斷面為5.4 m×5.2 m，S凈=28.08 m2。②采用2Φ25 mm、L=4.0 m的超前錨桿，環(huán)向間距30 cm。③立格柵拱架的規(guī)格為20 cm×20 cm，間距為80 cm，連接筋Φ22 mm螺紋鋼，長(zhǎng)0.8 m，間距1.0 m。鎖腳錨桿每榀12根，長(zhǎng)3.5 m（Φ25 mm螺紋鋼）。④洞口采用Φ12掛網(wǎng)鋼筋，澆筑C20砼30 cm鎖口。

3.1.3 質(zhì)量情況

經(jīng)過(guò)近10年的時(shí)間，只進(jìn)行了臨時(shí)支護(hù)的120 m長(zhǎng)的施工支洞目前仍然較為穩(wěn)定。但作為以后的檢修洞，建議要盡快采取永久支護(hù)措施。

3.2 隧洞主洞洞身開(kāi)挖

3.2.1 開(kāi)挖方案與工期安排

引水隧洞采用城門洞形，開(kāi)挖底寬7.6～8.0 m，高7.6～8.0 m。為了便于施工，Ⅳ類和Ⅴ類圍巖開(kāi)挖采用正臺(tái)階法光面爆破施工方案，上臺(tái)階開(kāi)挖150 m左右時(shí)停止，開(kāi)始開(kāi)挖下臺(tái)階。為減少爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)，開(kāi)挖下臺(tái)階時(shí)，要預(yù)留30 cm的保護(hù)層，然后人工配合150型挖掘機(jī)開(kāi)挖至設(shè)計(jì)高程。Ⅲ類圍巖采用全斷面光面爆破施工方案。為確保洞室內(nèi)開(kāi)挖的安全，隧洞施工臨時(shí)支護(hù)緊跟開(kāi)挖工作掌子面進(jìn)行。

3.2.2 鉆孔與爆破

鉆孔：引水隧洞采用YT-28氣腿式風(fēng)鉆鉆孔，孔徑為42 mm。

爆破設(shè)計(jì)：引水隧洞開(kāi)挖采用楔形掏槽方式，周邊光面爆破。Ⅳ類和Ⅴ類圍巖部位以及向斜地質(zhì)構(gòu)造等特殊部位的爆破采用“短進(jìn)尺、弱爆破，周邊孔加密布置，隔孔裝藥爆破”的方式，盡量降低單響藥量，最大限度地降低爆破震動(dòng)對(duì)圍巖的不利影響。炸藥使用的是2#巖石乳化炸藥，雷管使用的是非電毫秒微差雷管。周邊孔采用竹片或?qū)П鞣止?jié)間隔裝藥，爆破孔采用柱狀連續(xù)裝藥，最后采用砂和黏土的混合物堵塞。光面爆破參數(shù)需通過(guò)試驗(yàn)確定，施工中，按照選定的參數(shù)總結(jié)每次爆破效果，并測(cè)量半孔率和輪廓的不平整度。施工初期，要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選定各項(xiàng)參數(shù)。根據(jù)相關(guān)技術(shù)條款，Ⅲ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺不應(yīng)大于3.5 m，Ⅳ類圍巖的循環(huán)進(jìn)尺不應(yīng)大于2.2 m，Ⅴ類圍巖的循環(huán)進(jìn)尺不應(yīng)大于1.2 m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本工程實(shí)際循環(huán)進(jìn)尺如下：Ⅲ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺為2.2～2.5 m，Ⅳ類圍巖的循環(huán)進(jìn)尺為1.65～1.95 m，Ⅴ類圍巖的循環(huán)進(jìn)尺為1.0～1.05 m。

出碴：爆破后采用2 m3側(cè)翻裝載機(jī)裝5 t自卸汽車由掌子面運(yùn)至洞口棄碴場(chǎng)堆棄。

3.3 主洞臨時(shí)支護(hù)

3.3.1 典型洞段的臨時(shí)支護(hù)措施

隧洞開(kāi)挖施工采用新奧法，設(shè)計(jì)支護(hù)施工必須及時(shí)、快速。支護(hù)的機(jī)構(gòu)型式與掌子面的關(guān)系：Ⅲ類圍巖不超過(guò)20 m 距離，Ⅳ類和Ⅴ類圍巖緊跟掌子面。洞內(nèi)臨時(shí)支護(hù)形式主要包括錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土等常規(guī)支護(hù)形式，Ⅳ類和Ⅴ類巖石較差部位采用鋼拱架（Φ25格柵或16#工字鋼拱架）、超前錨桿等支護(hù)形式。在實(shí)際施工中，為適應(yīng)地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)條件的變化，需綜合采用各種支護(hù)方式，并根據(jù)不同的圍巖類別選取不同的臨時(shí)支護(hù)參數(shù)。

3.3.2 不良地質(zhì)段的臨時(shí)支護(hù)措施

該隧洞主要包含弱風(fēng)化的砂巖、泥頁(yè)巖夾砂巖和強(qiáng)風(fēng)化卸荷的灰?guī)r、泥灰?guī)r夾白云巖，巖石較為完整，以中厚層至薄層狀、塊狀為主。掘進(jìn)中，出現(xiàn)了局部掉塊、垮塌和滲水、滴水現(xiàn)象，成洞條件差，毛洞在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)地質(zhì)工程師的復(fù)核和監(jiān)理、業(yè)主等各方的現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，認(rèn)定其為Ⅳ類圍巖，需采取Ⅳ類圍巖的支護(hù)措施進(jìn)行支護(hù)。

3.3.3 Ⅴ類圍巖段的臨時(shí)支護(hù)措施

該圍巖以深灰色泥頁(yè)巖為主，巖體結(jié)構(gòu)松散、節(jié)理發(fā)育，有滲水、涌水現(xiàn)象；錘擊無(wú)回彈，浸水后可手捏成團(tuán)；無(wú)自穩(wěn)能力，松動(dòng)、變形現(xiàn)象非常嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)地質(zhì)工程師的復(fù)核和各方現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，認(rèn)為其為Ⅴ類圍巖，支護(hù)措施與“無(wú)名溝”段相同，格柵拱架主筋由Φ22螺紋鋼筋調(diào)整為Φ25螺紋鋼筋。

3.3.4 淺埋段的臨時(shí)支護(hù)措施

“無(wú)名溝”引0+447～引0+518段隧洞圍巖屬三疊系上統(tǒng)白果灣組地層（T3bq），圍巖以深灰色泥頁(yè)巖為主，巖體結(jié)構(gòu)松散、節(jié)理發(fā)育，有滲水、涌水現(xiàn)象；錘擊無(wú)回彈，浸水后可手捏成團(tuán)；無(wú)自穩(wěn)能力，開(kāi)挖后松動(dòng)、變形現(xiàn)象普遍。地表地貌顯現(xiàn)為沖溝，溝心處至隧道洞頂埋深不足30 m。當(dāng)?shù)氐V場(chǎng)在溝中心建造了一座洗礦池，在地面挖了一個(gè)深度超過(guò)10 m的坑，用來(lái)存放礦碴。經(jīng)實(shí)地查看，地表洗礦池堆積的礦碴殘粉完全呈泥糊狀。如此一來(lái)，該段隧洞實(shí)際埋深不足20 m，安全隱患突出。為確保隧洞穿越“無(wú)名溝”段的安全，經(jīng)充分討論，該段按Ⅴ類圍巖施工。

3.4 混凝土襯砌施工

3.4.1 混凝土工程施工總體安排

引水隧洞混凝土澆筑與開(kāi)挖工序一樣，分為上、下游兩個(gè)工作面和開(kāi)挖工序平行作業(yè)。先澆筑底板混凝土，邊頂拱混凝土施工緊跟其后。

3.4.1.1 混凝土澆筑工序安排

本工程引水隧洞混凝土澆筑施工采用“先澆筑底板，后澆筑邊頂拱”的工藝。引水隧洞開(kāi)挖、襯砌平行作業(yè)如圖1所示。

3.4.1.2 混凝土施工工藝流程

混凝土施工工藝流程為：①當(dāng)將上臺(tái)階開(kāi)挖至150 m時(shí)，開(kāi)始挖下臺(tái)階；②下臺(tái)階開(kāi)挖完成后即進(jìn)行C15墊層混凝土施工；③待墊層混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，開(kāi)始綁扎底板鋼筋；④待邊底板完成4個(gè)以上倉(cāng)位時(shí)，開(kāi)始澆筑邊頂拱混凝土。至此，底板、邊頂拱澆筑各個(gè)工序之間就能形成互不影響的流水作業(yè)。

3.4.2 砼工程施工

3.4.2.1 隧洞襯砌混凝土澆筑方法

隧洞襯砌混凝土澆筑方法主要有：①分層、分段澆筑法。隧洞混凝土襯砌施工采用“先澆筑底板、再澆筑邊頂拱”的方法。邊頂拱采用鋼模臺(tái)車施工，相鄰澆筑段間采用橡膠止水帶連接，洞內(nèi)襯砌混凝土施工采用循環(huán)作業(yè)方式。②底板澆筑方法。底板混凝土每隔12 m一個(gè)倉(cāng)位，混凝土澆筑嚴(yán)格按澆筑工藝進(jìn)行。澆筑時(shí)，混凝土由施工支洞洞口混凝土拌和站供料，由4.0 m3 混凝土攪拌車運(yùn)輸至工作面附近，HB60型混凝土泵泵送入倉(cāng)，Φ50插入式振搗器振搗。底板澆筑方法如圖2所示。③邊頂拱澆筑方法。邊墻及頂拱采用鋼模襯砌臺(tái)車，為方便轉(zhuǎn)彎段的砼澆筑，將鋼模襯砌臺(tái)車改裝為2 m×6 m的規(guī)格。

邊頂拱澆筑的流程為：①臺(tái)車就位。鋼模臺(tái)車按使用說(shuō)明書在廠家指導(dǎo)下使用。模板在使用之前清理干凈，并涂刷脫模劑。模板與已澆筑混凝土面的接觸必須嚴(yán)密，以保證混凝土表面的平整度和混凝土的密實(shí)性，避免產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)、掛簾等缺陷。安裝兩端堵頭模板是鋼模臺(tái)車施工流程中的關(guān)鍵工序之一，為了保證兩端側(cè)模模板安裝的牢靠度，在鋼模板周邊設(shè)計(jì)了一些安裝在兩端側(cè)模模板的專用工件、卡具和支撐傳力梁等。②混凝土入倉(cāng)。混凝土由施工支洞洞口混凝土拌和站供料，系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為70 m3/h。采用4.0 m3混凝土攪拌車運(yùn)輸混凝土，混凝土入倉(cāng)采用1臺(tái)HB60混凝土泵泵送入倉(cāng)。混凝土入倉(cāng)后采用振搗器輔以人工攤鋪，鋪料厚度不得大于振搗棒長(zhǎng)度的1.25倍。兩側(cè)混凝土應(yīng)均衡上升，高差不大于50 cm。同一澆筑塊在澆筑時(shí)要左右對(duì)稱、均勻，然后加強(qiáng)振搗。在斜面（約3.3%）上澆筑混凝土?xí)r，要從低處開(kāi)始，使?jié)仓姹３炙健＂燮絺}(cāng)振搗。混凝土振搗根據(jù)不同襯砌厚度和不同部位（側(cè)拱、頂拱）選用Φ100、Φ50 插入式振搗器振搗。振搗時(shí)，要均勻移動(dòng)振搗器，移動(dòng)間距不得大于振搗器的影響半徑。振搗上一層混凝土?xí)r，應(yīng)將振搗棒插入下一層混凝土下15 cm，以免漏振和過(guò)振。為使所澆筑混凝土內(nèi)實(shí)外光，除利用軟軸插入式振搗器振搗外，還可在鋼模臺(tái)車內(nèi)側(cè)布置一定數(shù)量的附著式平板振搗器進(jìn)行振搗。在澆筑邊墻部位時(shí)，要利用混凝土泵從兩側(cè)受料口向底拱均勻地布料，同時(shí)加強(qiáng)混凝土振搗，控制澆筑速度。

3.4.2.2 混凝土養(yǎng)護(hù)

根據(jù)施工條件，可采用灑水噴霧的方式養(yǎng)護(hù)混凝土，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于21 d。

3.4.2.3 施工縫面處理

對(duì)于光滑的基巖面，扎筋立模前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行鑿毛處理；對(duì)于軟弱或易風(fēng)化的基巖，基礎(chǔ)驗(yàn)收合格后應(yīng)盡快用混凝土或噴混凝土予以保護(hù)，以免在以后的立模扎筋等施工活動(dòng)中被擾動(dòng)或風(fēng)化。

對(duì)于混凝土水平施工縫，在混凝土終凝前，按監(jiān)理工程師的要求進(jìn)行鑿毛處理，并縱向布設(shè)2 cm×3 cm的遇水膨脹止水條。上一分層倉(cāng)號(hào)混凝土入倉(cāng)前，需先鋪一層2～3 cm厚的水泥砂漿。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采取各種措施，順利完成了隧洞泥頁(yè)巖地段、淺埋地段和Ⅴ類圍巖地段的開(kāi)挖和支護(hù)施工作業(yè)。目前，該電站引水隧洞已順利完成充放水試驗(yàn)，并已安全運(yùn)行了5年。

〔編輯：王霞〕

Abstract： The construction of the diversion tunnel project is the difficulty in the construction of water conservancy and Hydropower projects. In the process of pressure diversion tunnel construction， the most important is to adopt scientific and reasonable temporary support and permanent support after excavation. Based on the author's working experience， the author analyzes the construction technology of the pressure diversion tunnel， in order to solve the problems encountered in the construction process.

Key words： water diversion tunnel； construction technology； concrete pouring； side slope support