涔天河水庫(kù)導(dǎo)流洞開(kāi)挖施工優(yōu)化

徐　超

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司　河南　鄭州　450000）

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涔天河水庫(kù)導(dǎo)流洞開(kāi)挖施工優(yōu)化

徐超

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司河南鄭州450000）

摘要涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程導(dǎo)流洞具有開(kāi)挖成型斷面大，洞身穿越段圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜、成洞條件較差，且工期緊等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多次施工方案的研究論證，優(yōu)化了施工方案措施，為完成施工任務(wù)奠定了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)保證施工質(zhì)量、安全和效益。

關(guān)鍵詞涔天河;導(dǎo)流洞;開(kāi)挖方案;優(yōu)化

1.工程概述

湖南省涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程壩址位于湘水支流瀟水上游霧江段，壩址位于永州市江華瑤族自治縣東田鎮(zhèn)境內(nèi)，下距東田鎮(zhèn)和江華縣城分別為3km和12km。本工程是以灌溉、防洪、向湘江下游長(zhǎng)株潭河段補(bǔ)水為主，兼顧發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用的大型水利水電工程。水庫(kù)正常蓄水位為313.0m，總庫(kù)容為15.1億m3。樞紐工程由鋼筋混凝土面板堆石壩、1#泄洪洞、2#泄洪洞、放空洞、發(fā)電引水洞、電站廠(chǎng)房和灌溉渠首工程等主要建筑物組成。

本工程導(dǎo)流洞與2#泄洪洞組合。導(dǎo)流洞與2#泄洪洞部分結(jié)合，布置于同一個(gè)縱剖面上，全長(zhǎng)845m，坡比2%，其中非結(jié)合段長(zhǎng)161m，襯砌后斷面尺寸為12m× 12.5m（寬×高）。進(jìn)口底板高程238.8m，進(jìn)口前留高程為247.0m的巖??；出口底板高程224.5m，出口設(shè)有挑流鼻坎。洞身采用鋼筋混凝土襯砌，根據(jù)圍巖情況，襯砌厚度0.5m～1.5m。

2.工程地質(zhì)情況

導(dǎo)流洞進(jìn)口地形較陡，基巖為D13巖組中厚、厚～巨厚層狀粉砂巖、細(xì)砂巖夾石英砂巖。巖層產(chǎn)狀走向與洞軸線(xiàn)交角40°。斷層、節(jié)理不發(fā)育，巖石呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定性較好。出口地形較陡?；鶐r為中厚～厚層狀石英砂巖，砂巖夾粉砂巖、含礫石英砂巖與細(xì)砂巖，強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)。

洞身斜切6條斷層。斷層部位屬Ⅳ類(lèi)圍巖，其余屬Ⅲ1～Ⅱ類(lèi)圍巖。洞身Ⅲ1～Ⅱ類(lèi)圍巖穩(wěn)定性較好，但斷層附近Ⅳ類(lèi)圍巖，其穩(wěn)定性較差。尤其是F27和F1斷層規(guī)模較大，破碎帶、影響帶較寬，位于地下水位以下，存在掉塊、塌方、滲水或涌水等問(wèn)題。

主要工程地質(zhì)問(wèn)題：（1）斷層部位Ⅳ類(lèi)圍巖，其穩(wěn)定性較差，將存在掉塊、滲水等現(xiàn)象。F27和F1斷層規(guī)模較大，位于地下水位以下，將存在掉塊、塌方、滲水或涌水等問(wèn)題。（2）洞身Ⅲ、Ⅳ類(lèi)圍巖中，由于層面較緩，在與斷層或節(jié)理的組合下，可能存在局部掉塊或楔形體坍塌問(wèn)題。（3）隧洞出口和明渠右側(cè)深切方，邊坡高度達(dá)90m～100m，由層面與節(jié)理和節(jié)理與節(jié)理均構(gòu)成不穩(wěn)定楔形體，邊坡穩(wěn)定較差。（4）隧洞出口位于16號(hào)沖溝，集雨面積約1.5km2，沖溝內(nèi)溪流長(zhǎng)年不斷，溪流和暴雨對(duì)出口邊坡和明渠的施工和運(yùn)行均有影響。

3.導(dǎo)流洞開(kāi)挖特點(diǎn)

涔天河水庫(kù)導(dǎo)流洞開(kāi)挖的特點(diǎn)為：

①導(dǎo)流洞和2#泄洪洞開(kāi)挖成型斷面大，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，導(dǎo)流洞洞身開(kāi)挖斷面設(shè)計(jì)為城門(mén)洞形，根據(jù)圍巖類(lèi)型及使用工況不同，開(kāi)挖斷面（寬×高）為13.2m× 13.58m～14.42m×14.98m不等，開(kāi)挖斷面面積在159.5m2～186m2之間，均屬大斷面平洞開(kāi)挖。

②導(dǎo)流洞和2#泄洪洞洞身穿越段圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜、成洞條件較差。

③洞室地下水位大多高于隧洞頂部，承壓水嚴(yán)重威脅著地下洞室的開(kāi)挖安全，必須做好超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，采取有效的預(yù)防措施，用“排、堵、截、引”的綜合治理措施。

④在隧洞進(jìn)、出口及洞身Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖與不良地質(zhì)洞段提前做好超前支護(hù)，在進(jìn)、出洞口二倍洞徑的洞段范圍內(nèi)需采用“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的開(kāi)挖方式進(jìn)行開(kāi)挖。

4.施工技術(shù)優(yōu)化

4.1施工通道優(yōu)化

原設(shè)計(jì)施工支洞將原引水洞0+727.6～0+706.35段壓力鋼管割除，形成通道后進(jìn)入引水洞，由于0+727.6～0+706.35段壓力鋼管為下彎段，割除上半部鋼板后的壓力鋼管管口長(zhǎng)度約14.14m，因此需要制作14.14m×3m的鋼支架并在上面鋪設(shè)花紋鋼板作為通過(guò)橋以便通行。進(jìn)入引水洞后經(jīng)引水洞至引0+295樁號(hào)，開(kāi)挖施工支洞至泄洪洞0+235樁號(hào)，由此形成施工支洞道路。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)導(dǎo)流洞施工支洞進(jìn)行優(yōu)化：沿右岸EL228河邊道路，至右岸電站引水洞原施工支洞口，將原引水洞施工支洞打通，經(jīng)引水洞至引0+200樁號(hào)，開(kāi)挖施工支洞至泄洪洞0+140樁號(hào)處，該道路用于設(shè)備通行、出渣、通風(fēng)排煙、管線(xiàn)布置等。

優(yōu)化后從支洞口經(jīng)原引水發(fā)電洞至主洞長(zhǎng)約520m，斷面尺寸不變。通過(guò)優(yōu)化，滿(mǎn)足了導(dǎo)流洞開(kāi)挖強(qiáng)度高，開(kāi)挖運(yùn)輸車(chē)流量大，出渣強(qiáng)度高的需要，縮短了運(yùn)距，提高了開(kāi)挖階段出渣效率。同時(shí)作為導(dǎo)流洞下半洞開(kāi)挖支護(hù)及混凝土襯砌的施工通道，增加了工作面，減少了施工干擾，是開(kāi)挖施工與混凝土施工可以錯(cuò)開(kāi)同步進(jìn)行，加快了施工進(jìn)度。導(dǎo)流洞施工支洞布置見(jiàn)圖1。

4.2施工程序優(yōu)化

導(dǎo)流洞開(kāi)挖原方案為：在泄洪洞樁號(hào)0+220.0m處設(shè)置一條施工支洞，主要解決在導(dǎo)流洞和2#泄洪洞進(jìn)口和出口邊坡開(kāi)挖、支護(hù)施工期間導(dǎo)流洞和2#泄洪洞主洞開(kāi)挖支護(hù)施工不受影響。在施工支洞完成后，進(jìn)行導(dǎo)流洞和2#泄洪洞上下游兩個(gè)作業(yè)面主洞開(kāi)挖支護(hù)施工。在2#泄洪洞進(jìn)口邊坡開(kāi)挖、支護(hù)完成后，進(jìn)行部分2#泄洪洞出口主洞開(kāi)挖支護(hù)施工。在導(dǎo)流洞和2#泄洪洞主洞上半部分開(kāi)挖完成后，同時(shí)從進(jìn)口和出口兩個(gè)方向進(jìn)行主洞下半部分開(kāi)挖支護(hù)施工。

由于通風(fēng)散煙困難，鉆孔及出渣機(jī)械設(shè)備、爆破產(chǎn)生的廢煙、廢氣不容易排除，工作面停止等待排煙、排氣時(shí)間長(zhǎng)，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺緩慢，工作效率低。經(jīng)過(guò)研究對(duì)導(dǎo)流洞開(kāi)挖方案優(yōu)化：先從支洞和0+664出口兩個(gè)方向進(jìn)行中段（0+664.5～0+140）上半洞開(kāi)挖，貫通后從支洞向上游方向進(jìn)行主洞開(kāi)挖，同時(shí)對(duì)中段下半洞進(jìn)行開(kāi)挖。盡管中段下半洞開(kāi)挖增加了一次風(fēng)、水、電系統(tǒng)移設(shè)，但是加快施工進(jìn)度，改善了工作環(huán)境，提高了工作效率，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1　施工支洞布置關(guān)系圖

4.3開(kāi)挖施工技術(shù)優(yōu)化

為方便洞挖施工，確保洞室開(kāi)挖安全，洞室開(kāi)挖分為上、中、下三層進(jìn)行施工。其中上層采用“手風(fēng)鉆水平鉆孔、一次爆破成型法”進(jìn)行開(kāi)挖；中層相當(dāng)于槽挖，采用“液壓鉆機(jī)（或潛孔鉆）垂直造孔、深孔預(yù)裂＋梯段爆破法”進(jìn)行開(kāi)挖；下層相當(dāng)于底部保護(hù)層開(kāi)挖，由手風(fēng)鉆水平鉆孔進(jìn)行開(kāi)挖。洞室開(kāi)挖遵循“開(kāi)挖先行、支護(hù)跟進(jìn)”的原則，其中Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖段支護(hù)滯后開(kāi)挖不超過(guò)50m，而Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖段則做到開(kāi)挖一段、支護(hù)一段，即前一茬爆進(jìn)尺未支護(hù)前不進(jìn)行下一茬爆破作業(yè)。

鉆爆設(shè)計(jì)采用“手風(fēng)鉆+潛孔鉆+液壓鉆孔相結(jié)合”的分層鉆孔爆破法進(jìn)行開(kāi)挖，其中上層開(kāi)挖采用單層垂直楔形掏槽法，水風(fēng)鉆水平鉆孔一次爆破成型，周邊輪廓線(xiàn)由光面爆破技術(shù)進(jìn)行控制，同時(shí)，為保證中、下層邊墻預(yù)裂孔造孔，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類(lèi)圍巖段上層開(kāi)挖時(shí)兩邊墻各超挖20cm；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類(lèi)圍巖段中下兩側(cè)邊墻采用改進(jìn)型潛孔鉆機(jī)造孔、一次預(yù)裂爆破至隧洞底板，預(yù)裂爆破在上層開(kāi)挖支護(hù)完成后即可進(jìn)行，不占直線(xiàn)工期；中層中間爆破區(qū)采用液壓鉆機(jī)垂直造孔，采用深孔梯段微差爆破法進(jìn)行開(kāi)挖；下層及Ⅴ類(lèi)圍巖段中層兩側(cè)保護(hù)層采用手風(fēng)鉆水平鉆孔，采用光面爆破法進(jìn)行開(kāi)挖。

上層開(kāi)挖根據(jù)類(lèi)似工程中的施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合導(dǎo)流洞所處地層的地質(zhì)資料，光面爆破孔采用φ25mm×100g型2#巖石乳化炸藥間隔不耦合裝藥，不耦合系數(shù)為1.6，導(dǎo)爆索起爆；爆破孔采用φ32mm×150g型2#巖石銨梯炸藥連續(xù)耦合裝藥（底板孔及炮孔中有山體裂隙滲水時(shí)采用φ32mm×150g型2#巖石乳化炸藥），毫秒延期導(dǎo)爆管雷管微差起爆，每循環(huán)計(jì)劃進(jìn)尺2.0m～3.0m。其中循環(huán)進(jìn)尺及單位炸藥消耗量Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖段取大值，Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖段取小值；為了減少爆破震動(dòng)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響以及更好地控制超欠挖量，泄洪洞上層開(kāi)挖爆破的最大單響藥量應(yīng)控制在30kg以?xún)?nèi)。下層開(kāi)挖主爆孔采用φ70mm×1500g型2#巖石乳化炸藥連續(xù)裝藥，毫秒延期導(dǎo)爆管雷管微差起爆。為了減少爆破震動(dòng)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響以及更好地控制超欠挖量，泄洪洞中層深孔梯段爆破的最大單響藥量應(yīng)控制在80kg以?xún)?nèi)，下層手風(fēng)鉆淺孔爆破時(shí)最大單響藥量應(yīng)控制在30kg以?xún)?nèi)。

4.4不良地質(zhì)洞段開(kāi)挖

根據(jù)相關(guān)的地質(zhì)資料，導(dǎo)流洞和2#泄洪洞貫穿5條斷層帶，斷層部位Ⅳ類(lèi)圍巖，其穩(wěn)定性較差，將存在掉塊、滲水等現(xiàn)象。其中F27 和F1斷層規(guī)模較大，位于地下水位以下，將存在掉塊、塌方、滲水或涌水等問(wèn)題。在開(kāi)挖施工過(guò)程中，除嚴(yán)格按照“新奧法”施工工藝進(jìn)行施工外，在F27和F1斷層Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖段開(kāi)挖時(shí)，還細(xì)化分層、分區(qū)施工工藝，采取必要的超前的圍巖固結(jié)灌漿處理、超前支護(hù)等措施，如超前錨桿、管棚、小導(dǎo)管等，以形成穩(wěn)定的拱圈；同時(shí)在每茬爆破后，及時(shí)、保質(zhì)、保量地按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行鋼支撐等支護(hù)形式的加強(qiáng)支護(hù)。在不良地質(zhì)洞段開(kāi)挖支護(hù)前，通過(guò)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等各種措施，并輔以超前勘探孔和巖芯取樣，切實(shí)掌握斷層及破碎帶的寬度、填充物、地下水以及隧洞軸線(xiàn)與斷層構(gòu)造線(xiàn)的組合關(guān)系，根據(jù)施工方法和設(shè)備條件選擇通過(guò)斷層地段的施工措施，并遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、少擾動(dòng)、早封閉、勤量測(cè)”的原則進(jìn)行施工。

5.方案優(yōu)化實(shí)施效果

5.1進(jìn)度方面

受工作面移交、巖石條件變化較大、電源等外界因素影響，實(shí)際施工工期較進(jìn)度計(jì)劃滯后約60天。在各種施工干擾仍然存在的情況下，通過(guò)對(duì)開(kāi)挖方案的優(yōu)化，縮短了出渣運(yùn)距約350m，并增加了工作面。

5.2質(zhì)量和安全方面

由于洞室?guī)r石條件變化大，通過(guò)對(duì)鉆孔爆破技術(shù)的優(yōu)化和不良地質(zhì)洞段施工方法的優(yōu)化，采用分層開(kāi)挖施工，通過(guò)錨桿對(duì)邊頂拱的巖石錨固支護(hù)和破碎巖體的注漿固結(jié)，改善了破碎巖體的均勻整體性，提高了圍巖的自身承載能力，確保了洞體的穩(wěn)定和安全，保證了隧洞開(kāi)挖施工的順利進(jìn)行。

5.3施工成本方面

通過(guò)對(duì)施工通道、施工程序的優(yōu)化，增加了施工工作面，加快施工進(jìn)度，降低了工程費(fèi)用，經(jīng)測(cè)算，優(yōu)化后的施工費(fèi)用比優(yōu)化前降低約5.22%。

6　工程實(shí)踐總結(jié)

工程實(shí)踐證明了施工方案的優(yōu)化是科學(xué)的、合理的,總結(jié)可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)如下:

（1）施工方案優(yōu)化主要通過(guò)對(duì)施工方案的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，選擇最優(yōu)的施工方案，達(dá)到加快施工進(jìn)度并能保證施工質(zhì)量和施工安全，降低消耗的目的。

（2）根據(jù)掌子面揭露圍巖具體情況適時(shí)調(diào)整開(kāi)挖方案、爆破參數(shù)等相關(guān)內(nèi)容，達(dá)到最佳施工組織效果。

（3）根據(jù)擬建隧洞工程的實(shí)際情況全面了解全國(guó)乃至全世界的類(lèi)似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),可以比較準(zhǔn)確地預(yù)先判斷擬建工程在采取不同施工方案可能遇到的各種問(wèn)題及其適合的解決辦法,使傳統(tǒng)的類(lèi)比法更具實(shí)用性和可靠度,對(duì)提高隧洞工程施工水平具有重要的技術(shù)保障作用。

由于水電站建設(shè)中，大斷面、長(zhǎng)隧洞在引水等項(xiàng)目中普遍應(yīng)用，其施工難度較大，研究和探索大斷面長(zhǎng)隧洞合理、經(jīng)濟(jì)的施工組織設(shè)計(jì)，舍其短取其長(zhǎng)，抓好每個(gè)循環(huán)銜接，實(shí)現(xiàn)快速施工及推廣應(yīng)用將起到重要的推動(dòng)作用。通過(guò)涔天河電站項(xiàng)目，施工方案技術(shù)優(yōu)化落實(shí)到工程實(shí)際中，效果顯著，洞挖按常規(guī)每循環(huán)的1.5m～2m增加到每循環(huán)2.0m～3.0m。工程進(jìn)度加快，工程施工安全得到一定保障，綜合效益明顯。陜西水利

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（責(zé)任編輯：唐紅云）

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