水電站引水隧洞開(kāi)挖及支護(hù)施工技術(shù)分析

王力平

（國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司西藏分公司，西藏 拉薩 850000）

挖設(shè)引水隧洞可有效縮短水電站工程中的引水距離，幫助提高水電站工程運(yùn)行效率，節(jié)約工程投資和使用成本。水電站運(yùn)行過(guò)程中，上游水流通過(guò)引水隧洞流通至水輪發(fā)電機(jī)組，借助水流高差實(shí)現(xiàn)重力勢(shì)能向電能的轉(zhuǎn)換。開(kāi)挖和支護(hù)為引水隧洞施工的兩個(gè)主要環(huán)節(jié)，需嚴(yán)格依照施工設(shè)計(jì)方案開(kāi)展具體操作，為提高引水隧洞施工質(zhì)量，需對(duì)施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

1 案例背景

某大型水電站工程包括攔河大壩、引水建筑等結(jié)構(gòu)，其攔河大壩設(shè)計(jì)為雙曲拱壩形式，壩頂高程為600m。該工程引水建筑設(shè)置在河道左側(cè)，其類(lèi)型為尾部式地下廠(chǎng)房，建筑系統(tǒng)包括引水隧洞、進(jìn)水口、主廠(chǎng)房、調(diào)壓室、壓力管道、變電室及尾水洞。其中，兩條引水隧洞的長(zhǎng)度分別為2600.1m和2652.2m，單個(gè)引水隧洞的流量等級(jí)為675.2m3/s，除入口位置外，隧洞主體斷面為圓形，直徑在14m，洞內(nèi)流速設(shè)計(jì)為4m/s。引水隧洞入口位置標(biāo)高1445m，入口的最大水頭為30m，從末端最大水口為45m。

引水隧洞工程所在地為高山峽谷，山體雄厚，其高程分布在3500～4500m。隧洞巖體主要是斜長(zhǎng)花崗巖和石英閃長(zhǎng)巖，地質(zhì)勘探未發(fā)現(xiàn)較大的斷裂帶，局部區(qū)域存在Ⅳ、Ⅴ類(lèi)結(jié)構(gòu)面。引水隧洞入口處的埋深較小，巖體完整性較差，圍巖多為Ⅳ、Ⅴ類(lèi)，而引水隧洞中段巖體情況較優(yōu)，絕大多數(shù)為Ⅲ類(lèi)。

該工程引水隧洞施工難點(diǎn)在于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件復(fù)雜，施工隱蔽性高，部分區(qū)域的巖層條件通過(guò)開(kāi)挖揭露后才可被有效確認(rèn)。另外，巖體地下水含量豐富，開(kāi)挖施工過(guò)程易出現(xiàn)滲水問(wèn)題。引水隧洞采用鉆爆法施工，對(duì)爆破工作要求較高，若爆破程度控制不當(dāng)，易出現(xiàn)超挖問(wèn)題，并給后期混凝土襯砌施工帶來(lái)更大難度。

2 水電站引水隧洞開(kāi)挖及支護(hù)施工技術(shù)

2.1 常用開(kāi)挖技術(shù)

（1）全斷面開(kāi)挖技術(shù)。全斷面開(kāi)發(fā)技術(shù)依照引水隧洞設(shè)計(jì)方案，一次性完成開(kāi)挖施工。該技術(shù)利用多臂鉆機(jī)，在開(kāi)挖過(guò)程中開(kāi)設(shè)炮孔及錨桿孔，設(shè)備鉆臂等級(jí)及數(shù)量可根據(jù)引水隧洞開(kāi)挖施工體量適當(dāng)選擇，保證施工過(guò)程中使用多臂鉆機(jī)的等級(jí)相同。多臂鉆機(jī)在引水隧洞開(kāi)挖施工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)非常顯著，具有施工操作便捷、開(kāi)挖效率高等優(yōu)點(diǎn)。但由于該設(shè)備使用過(guò)程中無(wú)法兼顧巖層穩(wěn)定性，因此該技術(shù)的應(yīng)用范圍非常有限，一般在巖體質(zhì)量較好、巖層穩(wěn)定性較高的情況下選擇使用。

（2）斷面部分開(kāi)挖技術(shù)。斷面部分開(kāi)挖技術(shù)包括導(dǎo)洞開(kāi)挖和臺(tái)階開(kāi)挖兩類(lèi)，可根據(jù)斷面劃分方式不同進(jìn)行選擇，而斷面開(kāi)挖方式又可根據(jù)施工當(dāng)?shù)貛r土體特點(diǎn)、引水隧洞洞徑等條件確定。其中，導(dǎo)洞開(kāi)挖技術(shù)將引水隧洞斷面劃分為三段，按照先中間后兩端的順序施工，在截面直徑大于10m的引水隧洞開(kāi)挖施工中更為適用；臺(tái)階開(kāi)挖技術(shù)的施工段的劃分更加細(xì)致，結(jié)合實(shí)際需求可分為上下、左右等，一般被應(yīng)用于斷面直徑小于10m或地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的引水隧洞開(kāi)挖施工中，其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)巖層穩(wěn)定性無(wú)過(guò)多要求、施工效率高、成本低、防水性能優(yōu)等[1]。

2.2 常用支護(hù)技術(shù)

（1）新奧法。新奧法即錨噴構(gòu)筑法，該技術(shù)目前在水電站引水隧洞支護(hù)施工中的應(yīng)用相對(duì)普遍，可提供更可靠的支護(hù)效果。新奧法支護(hù)的原理為通過(guò)混凝土噴錨技術(shù)，挖掘巖層本身的穩(wěn)定性及空間約束能力，將隧洞巖層、混凝土體及錨桿連接為統(tǒng)一整體，以達(dá)到更強(qiáng)的支護(hù)效果。

不同于常規(guī)支護(hù)方式，新奧法形成的支護(hù)體系與隧洞周?chē)鷰r層融為一體，提高巖層穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)巖層卸荷松動(dòng)、變形失穩(wěn)等問(wèn)題。由于支撐體系成為隧洞巖層的一部分，在施工過(guò)程中，要盡可能避免巖層應(yīng)力出現(xiàn)擾動(dòng)，因此該方式一般與全斷面開(kāi)挖技術(shù)同時(shí)應(yīng)用[2]。施工過(guò)程中，利用混凝土噴錨技術(shù)在巖層外部形成襯砌層，并確保其與巖體間緊密結(jié)合，能夠發(fā)生協(xié)同形變，以此來(lái)發(fā)揮支護(hù)作用。新奧法施工應(yīng)注意以下方面：第一，施工完畢后設(shè)置防水層，提高隧洞排水能力；第二，結(jié)合具體施工情況，準(zhǔn)確計(jì)算支撐體系參數(shù)，以預(yù)留適當(dāng)?shù)淖冃斡嗔浚坏谌M可能降低外部擾動(dòng)，確保支撐體系穩(wěn)定；第四，提高巖層密封性，避免留下質(zhì)量隱患。

（2）永久掛網(wǎng)錨噴支護(hù)法。永久掛網(wǎng)錨噴支護(hù)法多用于巖質(zhì)邊坡支護(hù)中，可有效解決巖層風(fēng)化嚴(yán)重、節(jié)理發(fā)育不全的問(wèn)題，降低墜石、崩塌風(fēng)險(xiǎn)。在隧洞支護(hù)施工中使用永久掛網(wǎng)錨噴支護(hù)技術(shù)，可提高施工操作的靈活性和及時(shí)性。錨噴支護(hù)的主要工具為混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)等，以上工具可結(jié)合使用，也可單獨(dú)應(yīng)用，能夠根據(jù)隧洞形狀及尺寸特點(diǎn)做靈活調(diào)整。另外，由于噴射混凝土及錨桿均具備早強(qiáng)屬性，因此可為隧洞開(kāi)挖施工提供及時(shí)甚至超前支護(hù)，提高隧洞開(kāi)挖及支護(hù)施工的連續(xù)性。

3 水電站引水隧洞開(kāi)挖及支護(hù)施工技術(shù)方案

3.1 方案設(shè)計(jì)

該工程引水隧洞本身斷面尺寸較大，隧洞入口處巖體條件較差，決定將入口段斷面設(shè)計(jì)為矩形，逐漸向內(nèi)轉(zhuǎn)換為圓形斷面。進(jìn)洞段巖體主要為Ⅳ、Ⅴ類(lèi)，其施工方案設(shè)計(jì)為該工程的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)及地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，在進(jìn)洞段設(shè)置兩排錨桿鎖扣，間排距為1m×1m，錨桿直徑為φ32mm。Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖處采用混凝土噴護(hù)與工字鋼相結(jié)合的支撐方式。由于該隧洞圍巖條件特殊，因此支護(hù)作業(yè)的及時(shí)性非常關(guān)鍵，經(jīng)研究確定采用在單位開(kāi)挖作業(yè)完成后，立即開(kāi)展混凝土噴護(hù)作業(yè)的施工流程，噴護(hù)厚度為5cm的混凝土砂漿。要結(jié)合具體施工情況，將新奧法與永久掛網(wǎng)錨噴支護(hù)技術(shù)結(jié)合使用。對(duì)于圍巖條件較好的隧洞中段，選用永久掛網(wǎng)錨噴支護(hù)技術(shù)，設(shè)置規(guī)格為φ6.5mm、15cm×15cm的鋼筋網(wǎng)，并噴護(hù)厚度為15cm的C25混凝土。錨桿采用梅花形的布置方式，其間距控制在1.5～2m。

引水隧洞的拱頂位置全部進(jìn)行灌漿回填處理，灌漿孔直徑為48mm，每排設(shè)置5個(gè)灌漿孔，采用交錯(cuò)布置的方式，孔排間距為3m，孔深為1m，使用0.3MPa的壓力進(jìn)行灌漿。針對(duì)Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖，采用固結(jié)灌漿技術(shù)，以最大限度提高圍巖的穩(wěn)定性。固結(jié)灌漿孔孔徑設(shè)計(jì)為75mm，進(jìn)入巖體深度為8m，單排設(shè)置16個(gè)灌漿孔，排間距與孔布置方式與其他施工段相同。Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖灌注漿壓力為1MPa，施工過(guò)程中若遭遇圍巖條件較差的區(qū)域，選擇提高支護(hù)強(qiáng)度，并將固結(jié)灌漿孔深增加至10m。

3.2 施工過(guò)程

該工程引水隧洞采用分層開(kāi)挖的方式。（1）引水隧洞入口及V類(lèi)巖層開(kāi)挖施工。工程引水隧洞入口處截面為方形，逐漸向內(nèi)變化為圓形，該漸變段周?chē)鷰r層也為V類(lèi)巖層，與洞內(nèi)V類(lèi)巖層施工段一同，均采用先上后下的開(kāi)挖方式。上層臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中，依照施工機(jī)械特點(diǎn)確定開(kāi)挖高度，一般在4.2～4.5m，按照導(dǎo)洞—兩側(cè)—頂拱的順序開(kāi)挖，上部開(kāi)挖施工完畢后，立即開(kāi)展支護(hù)作業(yè)，然后再進(jìn)入下半部分的開(kāi)挖施工中。結(jié)合施工條件，該工程隧洞開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為1m，利用楔形掏槽在拱緣處進(jìn)行光面爆破，兩側(cè)爆破施工起點(diǎn)設(shè)置在臨空面位置，按照逐排起爆的原則進(jìn)行爆破[3]。選用乳化炸藥，將爆破孔內(nèi)積水清理干凈，然后再填充炸藥。（2）Ⅳ類(lèi)巖層開(kāi)挖施工。采用上下臺(tái)階開(kāi)挖方式，其中，上臺(tái)階的開(kāi)挖高度設(shè)計(jì)為4.5m。下臺(tái)階中心位置設(shè)置V型槽，采用對(duì)稱(chēng)爆破的方式，其余爆破要求與V類(lèi)巖層開(kāi)挖施工相同[4]。

3.3 支護(hù)施工

工程引水隧洞支護(hù)采用新奧法，其施工流程如下：

（1）錨桿施工。利用全站儀標(biāo)記支護(hù)節(jié)點(diǎn)，使用鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，鉆孔完畢后清理孔內(nèi)雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)質(zhì)量驗(yàn)收后做封孔操作。結(jié)合施工方案制作既定長(zhǎng)度的錨桿，連接直螺紋套管，采用人工插接的方式安裝錨桿，長(zhǎng)度超6m的錨桿設(shè)置簡(jiǎn)易扒桿。灌注漿中，灰砂比設(shè)計(jì)為1∶（1～2），水灰比設(shè)計(jì)為1∶（0.38～0.45）。在孔內(nèi)下沉PVC管，與孔底距離在50～100mm，注漿過(guò)程中勻速向上拖動(dòng)PVC管，待注漿結(jié)束后立即進(jìn)行插桿作業(yè)，具體流程如圖1所示。

圖1 注漿錨桿施工工藝流程

（2）鋼筋網(wǎng)施工。鋼筋網(wǎng)中鋼筋材料需進(jìn)行除銹處理，保證鋼筋平齊、順直。將鋼筋網(wǎng)與混凝土面充分貼合，形成鋼筋網(wǎng)后，可進(jìn)行鋼筋綁扎作業(yè)。確保綁扎節(jié)點(diǎn)穩(wěn)固，避免混凝土二次噴射過(guò)程鋼筋網(wǎng)發(fā)生劇烈震動(dòng)。鋼筋網(wǎng)保護(hù)層厚度不應(yīng)低于2cm，嚴(yán)禁出現(xiàn)鋼筋接頭或錨桿外露現(xiàn)象。

（3）混凝土噴射施工。進(jìn)行噴射施工的混凝土配料中，選用硅酸鹽水泥及質(zhì)地堅(jiān)硬的中砂，要求粒徑不超過(guò)2.5mm、含水量不超過(guò)5%，骨料粒徑控制在15mm以下。該工程混凝土噴射施工使用濕噴機(jī)進(jìn)行，噴射施工前，檢查開(kāi)挖面是否達(dá)標(biāo)，徹底清理松動(dòng)碎石、粉塵等雜質(zhì)。分段開(kāi)展混凝土噴射作業(yè)，并依照由上而下、先墻后拱的順序，各噴涂段長(zhǎng)度不應(yīng)高于6cm，分塊噴涂規(guī)格應(yīng)為2m×2m，調(diào)整噴射順序及噴射量對(duì)開(kāi)挖面進(jìn)行找平、混凝土噴涂結(jié)束后進(jìn)行必要的灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不低于1周。

4 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)挖與支護(hù)施工對(duì)水電站引水隧洞建設(shè)質(zhì)量的影響程度較高，實(shí)際施工中應(yīng)做好現(xiàn)場(chǎng)勘查工作，并結(jié)合施工條件合理選取開(kāi)挖及支護(hù)方法，同時(shí)嚴(yán)格依照引水隧洞開(kāi)挖及支護(hù)技術(shù)規(guī)范開(kāi)展施工作業(yè)，以此提高引水隧洞施工質(zhì)量。