淺析大型水工隧洞開挖施工技術創新及經濟評價

黃 浩 欽，　林 芳 芳，　易　丹

(1.中國人民武裝警察部隊 水電第七支隊，湖北 武漢　430200；2.中國人民武裝警察部隊 水電第三總隊，四川 成都　611130)

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淺析大型水工隧洞開挖施工技術創新及經濟評價

黃 浩 欽1，林 芳 芳2，易丹1

(1.中國人民武裝警察部隊 水電第七支隊，湖北 武漢430200；2.中國人民武裝警察部隊 水電第三總隊，四川 成都611130)

金沙江溪洛渡水電站泄洪洞工程的技術創新絕大多數都在實踐中得到了良好的應用，有效解決了工程中的各項技術難題，提高了施工質量，加快了施工進度，保證了施工安全。其中開挖階段采用的底板水平光爆和鋼筋拱肋支護技術創新較好地解決了大型水工隧洞底板超挖超填和不良地質段及時支護問題。

泄洪洞；開挖；技術創新；經濟評價；溪洛渡水電站；施工

1　工程概況

金沙江溪洛渡水電站的4條泄洪洞分左、右兩岸各2條布置，全長分別為1.6～1.8 km不等。4條泄洪洞均為有壓接無壓、洞內龍落尾型式。泄洪洞由進水塔、有壓段、工作閘門室、無壓段、龍落尾段(含上直坡段、奧奇曲線段、斜坡段、反弧段、下直坡段)、明渠和挑坎組成，結構形式多樣，水力條件復雜，主要具有以下特點：

(1)大斷面。有壓段隧洞直徑為15 m，其他斷面為14 m×19 m(寬×高)，對隧洞的開挖、襯砌都提出了很高的要求。開挖時要減少爆破對圍巖的擾動和破壞，盡量采用預裂爆破、光面爆破等先進的爆破手段以確保開挖質量；混凝土澆筑時需要從材料、裝備、工藝等各方面改進以保證混凝土襯砌的質量。

(2)大泄量。泄洪洞單洞泄量為4 000 m3/s，總泄量超過16 600 m3/s，要求泄洪洞在前期做好體型設計，解決水舌落點、水流歸槽、充分消能等問題，后期施工時要做到體型精準以實現設計目標。

(3)高流速。最大流速可達50 m/s。一方面要解決好高流速區的氣蝕問題，保證建筑物體型精準是基礎，提高摻氣效果是關鍵，同時應嚴格控制混凝土表面的平整光滑度；另一方面還需解決懸移質沖磨問題，必須選用高標號的抗沖耐磨混凝土，進而帶來其他問題，比如溫控防裂難度大、施工和易性差等，因此，很難保證施工質量。

綜上所述，為了滿足樞紐長期安全運行需要，泄洪洞建設者在施工過程中提出了“體型精準、平順光滑、抗沖耐磨、高強防裂”的質量要求，采取了一系列技術創新和綜合性管理措施，在確保進度和安全的同時實現了打造質量精品工程的目標。通過全體參建單位的努力，泄洪洞工程在建設過程中取得了豐碩的技術創新成果，這些技術創新有對傳統工藝的改進，有新技術的拓展應用，還有新裝備的研發和新材料的應用，內容涵括了泄洪洞施工全過程，全面提升了泄洪洞的建設水平。筆者就其中開挖階段底板光爆、鋼筋拱肋支護兩項施工技術創新進行了淺析與評價。

2　開挖施工技術創新

2.1底板水平光爆

2.1.1起因

隧洞底板開挖通常采用垂直光面爆破技術，即從底板頂面垂直向下鉆孔爆破，該方案的優點在于鉆孔方便，進度較快，但其爆破開挖后平均超挖過大，部分超挖值甚至超過50 cm，導致超挖超填工程量巨大。因此，在底板開挖作業中嘗試引進了水平光面爆破技術，以減少底板超挖量，節省工程投資。

2.1.2創新過程

水平光面爆破技術通常應用于邊頂拱爆破開挖，而將其應用于底板開挖作業，其最大的變化是水平造孔需要貼近地面。但由于手風鉆結構限制導致其無法緊貼基巖面，架鉆困難導致造孔精度不易保證，進而影響到開挖質量。經過多次試驗，建設者們針對水平光爆造孔設備設計了專用固定支架，并在長期的施工實踐中逐漸摸索形成了一套標準化施工工藝，很好地保證了鉆孔精度。

如圖1、2所示，泄洪洞有壓段為圓形斷面，開挖半徑為8.6 m。第Ⅲ層為圓弧形底拱，開挖矢高3 m，開挖弦長13.05 m，斷面面積為27.18 m2。無壓段為城門洞型斷面，開挖寬度為17.2 m，底部預留3 m保護層作為第Ⅲ層開挖。在爆破開挖過程中，還優化了爆破參數以適應底板水平光爆的特點，比如調整孔距，控制裝藥密度在0.2 kg/m以內，短進尺開挖，每循環開挖進尺不超過2 m。這些措施都有效地提高了底板開挖質量。

圖1　有壓段開挖分層圖

圖2　無壓段Ⅲ層底板開挖斷面圖

2.1.3創新成果

2.1.3.1水平造孔設備專用固定支架

如圖3所示，鉆孔采用固定支架，手風鉆氣腿利用鋼筋網片作為支撐，精確控制鉆孔方向和角度，同時采用4.5 m長鉆桿造孔，利用鉆桿撓度使鉆桿緊貼巖面，盡量與設計開挖面平行，以減少錯臺和超挖。

2.1.3.2“準、順、平、齊“的標準化施工工藝

圖3　水平造孔設備專用固定支架圖

(1)準。精確施放出光爆孔孔位，并在其正后方采用鋼管排架放出后視點，以便控制好鉆孔方向及角度；根據測量的輪廓點，按45 cm進行分孔作為下鉆位置，以達到準的要求。

(2)順。兩茬炮間的錯臺控制在10 cm以內。測量分孔時先放中，然后按1.8 m向兩側分孔，并放后視以保證前、后茬炮孔對位偏差較小，鉆工按45 cm在測量放點中間向兩側進行分孔；基準孔造完后，其他光爆孔角度通過插桿側向檢查控制，互相平行即可保證其他孔左右方向上的角度一致；長鉆桿、短進尺有利于控制孔底超挖。

(3)平。造孔時使用自制的分孔工具，孔口位置按45 cm測量，鉆桿后部按45 cm再測量，即可保證孔與孔間互相平行，避免飄鉆。

(4)齊。爆破后掌子面要齊，首先造孔深度要保證孔底能基本打到同一個面上；其次，掏槽孔、崩落孔造孔數量及藥量要能保證把中部的巖石抬起來，只有這樣，才能到達設計的光爆層厚度；第三，為保證光爆孔處不留殘根，輔助孔孔向須平行于光爆孔，以形成均勻厚度的光爆層。

2.1.4施工效果

經過對底板殘留炮孔痕跡進行檢查與統計分析，底板開挖輪廓面上的炮孔痕跡分布均勻，殘留孔壁面沒有明顯的爆破裂隙。對于節理裂隙不發育的完整巖體，其半孔率在94.5%以上，高于80%的規范標準；較完整和完整性差的巖石半孔率在85%以上，高于50%的規范標準；各洞段的平均超挖均在15 cm以下，基本無欠挖。開挖效果見圖4、5。

2.2鋼筋拱肋支護的應用

圖4　有壓段底板水平光爆效果圖

圖5　無壓段底板水平光爆效果圖

2.2.1起因

在溪洛渡水電站泄洪洞開挖中，特別是在應力復雜及不良地質段，除了噴錨和掛網支護，通常還采用鋼支撐來加強和幫助圍巖穩定。在實際操作中，首先，鋼支撐笨重、安裝慢，不能及時支護，不利于圍巖早期穩定；其次，由于是預先制作，其與實際尺寸有較大偏差，基本無法緊貼巖面，且在現場安裝好鋼支撐后還要另外加頂撐，再向圍巖與鋼支撐之間補噴混凝土。由此可見，鋼支撐對圍巖穩定并無顯著作用，很難保證應力復雜段和不良地質段的圍巖穩定。隨后將型鋼改用鋼格柵，重量雖有所減輕，但無法從根本上解決問題。因此，需要尋找一種既安全可靠、又簡便快捷的支護方式取代鋼支撐支護。

2.2.2創新過程

在傳統支護理論中圍巖是一種荷載，因此需要鋼支撐這樣的剛性支護來承受圍巖荷載。但在新奧法理論中，圍巖不僅是荷載，也是一種承載結構，支護的目的是為了幫助圍巖提高自穩能力，因此，只需要柔性的、與圍巖緊貼的支護結構即可幫助圍巖自穩。在新奧法理論指導下，泄洪洞工程在應力復雜段和不良地質段的開挖支護中創新嘗試了鋼筋拱肋支護，即將鋼筋緊貼巖面(或一次噴混凝土面)并與錨桿焊接，其核心是通過鋼筋拱肋讓網噴、錨桿與圍巖之間形成有機的整體，共同變形承載。另外，鋼筋拱肋的制作和安裝方便，在及時性上可以限制圍巖變形從而使其達到自穩的要求。同等邊界條件下，鋼筋拱肋是一種比鋼支撐(鋼格柵)更先進的支護方式。

2.2.3創新成果

鋼筋拱肋利用鋼筋能貼緊巖面或噴混凝土面的特性，布置在頂拱及起拱線下一定范圍內，通過連接筋與系統錨桿焊接，將錨桿與錨桿之間、錨桿與鋼筋網之間連成整體。

在實際施工過程中，由于錨桿位置不是特別精確，導致鋼筋拱肋與錨桿直接點焊效果并不好。為了讓鋼筋拱肋與錨桿更好地焊接在一起，建設者們創新設計了“L”型連接筋，其不僅加長了鋼筋拱肋與錨桿之間的焊接長度，還能適應對位的要求，允許鋼筋拱肋與錨桿之間有一定偏差。

鋼筋拱肋的施工工序見表1。

表1　鋼筋拱肋施工工序表

在溪洛渡水電站左、右岸泄洪洞地下工作閘門室上下游漸變段部位、主洞與支洞交叉部位以及泄洪洞龍落尾出口不良地質段，鋼筋拱肋均有廣泛的應用，對于確保施工期間洞室安全及洞洞交叉部位的開挖成型起到了較大的作用。

2.2.4施工效果

據統計，在采用鋼筋拱肋支護方式后，泄洪洞所有洞洞交叉口及不良地質洞段均未發生塌方或掉塊，說明鋼筋拱肋支護有效地將鋼筋拱肋、錨桿、鋼筋網及噴混凝土形成整體，與圍巖體共同變形承載，提高了支護強度，保證了圍巖穩定。實踐證明：鋼筋拱肋與噴錨支護的聯合應用，能有效地幫助圍巖實現自穩，是一種既安全可靠、又簡便快捷的支護方式，可應用于塊狀巖體、不良地質洞段的支護以及交叉口復雜應力部位的加固。

3　經濟評價

3.1底板水平光爆

底板開挖采用水平光爆技術，與垂直光爆相比主要具有以下三方面的優勢：

(1)大幅度減少了平均超挖值，與采用垂直光爆的導流洞工程相比，平均超挖減少20 cm，泄洪洞底板水平光爆實施面積約10萬m2，僅此一項即可減少超挖及混凝土超填工程量2萬m3。石方超挖及混凝土超填施工單價合計約為330元/m3，節省施工成本660萬元。

(2)底板開挖后壁面平整，一方面大大減輕了爆破對水工隧洞圍巖的擾動和破壞，有利于圍巖穩定；另一方面也減少了圍巖的應力集中現象，后期澆筑襯砌后可有效降低混凝土開裂的風險。

(3)改善了爆破開挖后的交通條件，大大減輕了人工清渣的難度。雖然底板水平光爆技術前期鉆孔效率降低，但爆破后清基效率大大提升，綜合來看施工進度加快。

3.2鋼筋拱肋支護

鋼筋拱肋與傳統的鋼支撐(鋼格柵)相比，具有實施快速及時、節省鋼材制作安裝工程量、支護效果好且可靈活調整的特點。泄洪洞工程鋼筋拱肋制安累計約130 t，較使用傳統的鋼支撐支護減少鋼材制安工程量約300 t，鋼支撐制安單價約為8 000元/t，節省工程投資約240萬元。

4　結　語

技術創新是一個系統工程，每一項技術創新都可作為一個相對獨立的項目，從工程實際出發找到創新的需求和目標，提出技術創新的設想，解決創新過程中遇到的各項技術難題，然后試驗、改進、局部應用，實踐成功后再推廣應用。同時還需要做好創新的各項管理工作，比如營造創新氛圍、保障資源投入、做好風險管控等。應該說泄洪洞工程的技術創新工作取得了很好的成績，內容上涵括了水工隧洞的開挖、支護和襯砌全過程，成果上包括新技術拓展、裝備研發、新材料應用和傳統工藝的改進，全面推動了大型水工隧洞建設水平的提升。

(責任編輯：李燕輝)

2016-07-12

TV7;TV554;TV52;TV53

B

1001-2184(2016)04-0036-04

黃浩欽(1983-)，男，廣東汕頭人，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

林芳芳(1985-)，女，安徽天長人，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

易丹(1983-)，男，四川宜賓人，工程師，碩士，從事水利水電工程施工技術與管理工作.