復雜地質條件下特大斷面隧洞開挖施工技術探討

魏永華

中電建新能源南方分公司 貴州貴陽 550081

北盤江董箐水電站左、右岸導流隧洞，均屬復雜地質條件下的特大斷面隧洞。由于要參加2006 年渡汛，工期緊、工程施工風險大。在復雜的地質條件下進行特大斷面隧洞開挖，直接受到工程地質、水文地質和施工條件的制約，諸多不利因素，特別是在不良地質段，施工方法不當，措施欠妥，就會造成工程事故，因此，在確定施工技術仿案時，選擇合適的開挖技術方案是極為重要的，是保證隧洞開挖能否順利進行的關鍵因素之一。水電九局在董箐水電站右岸2# 導流洞進口段隧洞開挖施工中，技術方案得當，工程進展順利，減少或避免了塌方。業主及專家認為：在董箐水電站導流洞施工中，水電九局技術過硬，措施得力。本文力求通過對右岸導流隧洞進口段所確定的技術方案進行探討，總結和提高在復雜地質條件下特大斷面隧洞開挖技術[1]。

1 工程概述

董箐水電站位于鎮寧縣與貞豐縣交界的北盤江上，距河口102km。該電站為（茅口以下）梯級的第三個電站，其上游為馬馬崖水電站。下游為龍灘電站。壩址距鎮寧縣坡101km。距貞豐縣城38km、距貴陽221km。施工期不考慮河道的通航問題。該電站是一個以發電為主. 兼顧其他效益的電站樞紐。電站裝機4 臺，總裝機容量720MW。

右岸2# 導流隧洞布置于北盤江右岸邊。位于洗鴨溝右岸山體中。隧洞為城門洞型，過流斷面尺寸15mx17m（寬x 高），隧洞全長937.14m，進口高程為EL.368.0m。其布置圖如圖1 所示。

水電九局承建的是右岸2# 導流洞送口段（合同編號：DQ/C1-2-1），樁號：0-126.07-0+467.67m。其中0-126.07～0+000m為進水渠段，0+000-0+467.67m 為洞身段，洞身開挖及一期支護型式有A、B、C 及堵頭段四種. 其開挖斷面及一期支護型式如表I所示。

2 地質條件

洞身段穿越地層巖性均為T2b1-2 中厚至厚層砂巖夾泥巖（泥頁巖），呈新鮮狀態，埋深50～150m。層間擠壓褶皺及裂隙較發育，裂面多為方解石及泥質充填。位于地下水位之下，洞壁多潮濕、滴水。巖體完整性較差，巖層走向與洞軸線交角較小，近平行，不利于圍巖的穩定。導流洞圍巖分類及物理力學地質指標如表2 所示。

圖1 董箐水電站右岸2# 導流洞布置圖

通過上述地質描述、圍巖分類及物理力學地質指標分析，得知本隧洞開挖過程中將遇到復雜地質條件，在確定隧洞開挖施工技術方案時提出 “長洞短打，弱爆破，短進尺，多循環，強支護” 的施工技術原則，在施工支洞布置、施工程序和方法、支護和不良地質段處理等方面具體落實了這一施工技術原則，確保了工程和施工安全。

3 施工支洞布置

施工支洞是為進入主體工程工作面，作為施工期的交通通道，施工完畢即被堵塞。因而其數量和位置應根據隧洞長度、總工期要求、地質條件、機械化作業程度等因素確定。所以，施工支洞位置要適中，長度不能過長，也不能太短，要根據工期、成本、地質等條件綜合考慮，慎重的選擇。董箐水電站是搶救性工程，右岸導流隧洞要參與2006 年至2007 年渡汛是關系電站大壩工程設計方案能否得以實施的關鍵項目，工期是第一位的。鑒于上述原因，慎重地對以下3 個支洞布置方案進行了比較、分析和論證：

表1 右岸導流洞進口段開挖斷面型式表

表2 導流洞圍巖分類及建議指標表

（1）支洞布置在主洞左側，支洞口位于2# 公路，距主洞口150m 處，設上岔洞和1 下岔洞，上岔洞長150m，交主洞0+144.18，平均縱坡1.5%；下岔洞長237m，交主洞0+350，平均縱坡5.5%，共計387m。本方案支洞與右壩肩開挖相互干擾，進口部位覆蓋層厚，巖層為順向坡，巖石風化破碎，成洞地質條件差，所以本方案不宜實施[2]。

（2）支洞布置在主洞右側洗鴨沖溝內，距主洞口約70m，支洞口部位是陡巖，地質條件較好，利于排口成洞，但需修建100m 的施工道路，設上岔洞和下岔洞，上岔洞長150m，交主洞0+145，不均縱坡2.1%；下岔洞長188.5m，交主洞0+300，平均縱坡5%，共計338.5m。本布置方案在位置及長短設置上顯然優于方案一，但沒有體現長洞短打的技術方案原則，不利于搶工期，降低開挖強度，所以本方案不是最佳方案。

（3）在方案二的基礎上增設一條上岔洞，即支洞進口位置不變，設置1# 上岔洞-2# 下岔洞-3# 上岔洞（視工程進展情況，完成主洞一部分開挖支護后，將其降坡改為3# 下岔洞），1# 上岔洞長150m， 交主洞0+145， 平均縱坡2.1%；2# 下岔洞長129m，交主洞0+235 平均縱竣7.52%，3# 上岔洞長100m，交主洞0+300，平均縱坡5.5%（上坡），共計379m。支洞斷面尺寸為8m×6m（寬x 高）。支洞寬、高的確定是基于20t 自卸汽車錯車，排水溝，風、水管及電路的鋪設，挖掘機等機械設備的通行暢通確定的。本布置方案為洞挖施工增加了工作面，能改善作業環境和條件，對施工具有主動性，能長洞短打。加快施工進度，特別是對支護及地質缺

陷處理極為有利。 同時可提前實施洞身下臥施工. 但0+300～0+467.67 段獨頭開挖達167.67m。是本隧洞開挖的關鍵部位，要予以高度重視[3]。

最終選擇的是方案三，其支洞布置如圖2 所示。

圖2 董箐水電站右岸2# 導流洞施工支洞布置圖

4 施工程序和方法

隧洞開挖的施工程序和方法要根據開挖斷面尺寸及圍巖分類，結合施工機械和技術水平而采取不同的開挖方式。對于復雜地質條件下的特大斷面隧洞開挖，采取分部分塊開挖，減少一次性開挖跨度，使自穩的時間滿足一次支護要求是特別重要的。開挖方法采取鉆孔爆破法是適宜的，但對控制爆破技術要求高，要根據地質狀況隨時修正鉆孔爆破參數。

4.1 施工程序

（1）開挖總程序。本隧洞開挖分為上、中、下三層掘進。上層掘進有5 個工作面可供鉆爆作業；進口單向、1# 上岔洞雙向、3# 上岔洞雙向；中下層掘進有5 個工作面可供鉆爆作業：進口單向、2# 下岔洞雙向、3# 下岔洞雙向。工作面流向如圖3 所示，開挖總程序如圖4 所示。

圖3 洞挖工作面流向圖

圖4 開挖總程序圖

（2）分部分塊開挖。在確定分部分塊時，吸取了左岸導流洞施工的經驗和教訓，（開挖后、隧洞成形差，巖層容易產生潰屈破壞，發生塌方）。本隧洞圍巖為III-IV 類巖石，針對本隧洞的復雜地質條件，并且是特大斷面隧洞，施工技術方案確定：宜采取較小跨度的分部分塊。因為，上導洞率先掘進，這對揭露地質情況極為有利，能起地質預報的作用，兩邊錯開刷邊，能減少對圍巖的施工擾動；分層下臥，每層先中間，后保護層，有利于邊墻巖體穩定和巖基的完整。施工中采用的分部分塊如圖5 所示。

4.2 鉆孔爆破

圖5 右岸2# 導流洞開挖順序圖（單位：m）

（1）上層洞鉆孔爆破。鉆孔爆破主要選擇自制臺架，YT28手風鉆造孔，設計輪廓線實施光爆，毫秒雷管分段爆破，966F 裝載機裝車，斯太爾自卸汽車出渣。施工中，在掛口和地質條件特差的洞段，對導洞開挖采取先小洞，后擴洞步步為營的掘進開挖方法，施工工況表明：這種開挖方法是穩妥的措施，對掛口成型及塌方控制是有效的。

（2）中層洞鉆孔爆破。中間采用古河HCR12 液壓鉆造孔，梯段爆破，兩側保護層采用YT28 手風鉆造孔，設計輪廓線天施光爆，毫秒雷管分段爆破，CAT33OB 反鏟挖掘機裝車，斯太爾自卸汽車出渣。施工工況表明：液壓鉆造孔提高了機械化施工水平，加快了施工進度，YT28 手風鉆造孔保證了邊墻的開挖質量。

（3）下層洞鉆孔爆破。YT28 手風鉆造孔，實施光爆，毫秒雷管分儀爆破，CAT320C 反鏟挖掘機裝車，斯太爾自卸汽車出碴。本施工技術方案工況表明：爆后巖基完整，有效控制了超挖。

5 洞身一期支護

洞身一期支護是在隧洞開挖施工過程中，對開挖出來的圍巖進行支護，以保證圍巖穩定，防止風化，防止塌方，滿足工程和施工安全的要求，及時有效的支護措施對不良地質段是特別重要的。常見的支護主要有噴錨支護，噴射砼支護、錨桿支護，噴射砼與錨桿、鋼筋網聯合支護等。

在上層洞導洞0+000～0+270m 段施工中， 錨桿支護滯后鉆爆循環2-3 輪， 噴混凝土滯后開挖面20-30m 進行， 在0+270～0+467m 段，采取打超前錨桿，頂拱圍巖自撐穩定，未出現塌方掉塊現象。開挖過程揭示，隧洞左側巖層成薄板，裂面光滑呈 “鏡面” 狀，在上層洞兩邊刷邊施工中，雖然采取淺鉆孔、弱爆破、多循環、減少對圍巖的擾動的措施及一期支護跟進及時，但仍出現大面積巖層塌方。針對這種情況，施工中采取了增加隨機錨桿，并用φ25 鋼筋焊接成網狀，噴射砼（厚5cm）的支護措施，有效的控制了塌方。這說明在復雜地質條件下，水平巖層或緩傾角的層狀巖層，不利于項拱的穩定，采取有針對性的支護措施顯得尤為重要，它既可作為臨時支撐也可作永久支護。

6 結語

在復雜地質條件下，特大斷面隧洞施工不論是開挖還是支護，必須先要確定合適的施工技術方案，采取較為穩定積極的掘進施工萬法，既不能急于求成，也不能束手無策。施工技術方案不在于有多先進，而在于符合實際施工情況。合適的方案對施工有前瞻性的指導作用，能使施工有條不紊的進行，同時方案又受到施工實踐的檢驗，對突發事件要有應對的措施。方案是人為確定的，是否臺適，取決于工程技術人員的以下幾點能力：

（1）具有因地制宜，統籌兼顧，合理進行施工布置的能力。

（2）具有針對不同的地質條件選擇不同的施工程序和方法能力。

（3）具有與工程施工特點相匹配的施工機械設備選擇能力。

（4）具有一定的控制爆破、高效通風、快速柔性支護、錒纖維砼技術水平。

（5）具有對復雜地質條件隨機應變的能力。施工實踐表明，隧洞開挖施工中，針對不同的工況，作出合適的技術方案選擇，才能確保工程順利進行，達到安全、優質、高效。