東非某水電站進廠主交通洞開挖施工關鍵技術

龍輝虎

摘要：東非某水電站進廠主交通洞作為該水電站的主要交通運輸通道，其洞長長、凈斷面寬，且地質、水文環境較差，以致開挖施工難度大、安全風險高。對此，本文結合該項目施工實際，就進廠主交通洞開挖施工關鍵技術展開細致探討，以供類似項目借鑒參考。

關鍵詞：水電站;主交通洞;開挖施工;關鍵技術

中圖分類號：TV731.6文獻標識碼：A文章編號：2096-6903（2021）12-0019-03

1項目背景

1.1工程概況

東非某水電站進廠主交通洞總長1.41km，從安裝場左端進入廠房，外接進廠公路，采用城門洞型，凈斷面10/8×8.5m，進口接R2公路，洞口高程為1025m，最大縱坡-9.0%，是電廠的主要運輸交通通道。主交通洞洞室段存在土層及全風化圍巖，圍巖穩定性差，且受地下水影響，開挖難度大、安全風險高，因此，開挖過程中務須要跟進支護，并做好圍巖安全監測，以便及時發現問題，防止出現塌方、掉塊等安全事故。

1.2施工原則

結合項目招標文件所提供的地質資料及補勘情況，進廠主交通洞進口300～350m范圍主要為穩定性差的Ⅳ、Ⅴ類圍巖，剩余區域以Ⅲ類圍巖為主，少量分布有Ⅱ類圍巖。根據該水電站進廠主交通洞特點，施工流程安排應遵循如下原則：（1）隧洞洞室開挖施工中，采取全斷面鉆孔爆破掘進為主，分部開挖為輔的方法進行掘進施工。（2）采用多臂鉆與手持風鉆濕式鉆孔相結合的機械化施工進行交通洞開挖作業，開挖后的土渣通過裝載機與自卸車配合進行裝渣出渣，強力軸流通風機對洞內進行通風散煙。（3）在交通洞洞室不良地質段開挖時，應嚴格按照“超前支護預加固、短進尺、小藥量、弱爆破、強支護、早封閉、勤觀測”的原則實施開挖[1]。（4）加強不良地段地質條件分析，充分考慮條件較差地段對開挖的影響，并結合實際地質條件加強支護技術支持。（5）圍巖爆破施工中，應由具備豐富經驗的專業爆破人員跟班作業，做好對爆破現場的施工指導，并對不合理的爆破參數進行優化改進。（6）交通洞開挖施工中，應做好開挖與支護施工中的動態監控，并根據實時監測數據對開挖及支護參數予以調整優化。（7）在地質條件滿足要求的情況下，采取噴砼、安裝錨桿、掛鋼筋網和立拱架等支護措施與掌子面開挖同步進行，且支護與開挖工作面的距離應不得影響開挖作業。

2施工總體方案

2.1土層段開挖

對于穩定性較好的土層，在不影響施工安全的情況下，上、下半洞分別采用全斷面鉆孔爆破開挖;對于穩定性較差的土層，則采用上半洞中導洞先行開挖，兩側按照設計輪廓線跟進擴挖，下半洞分為左右兩側進行開挖，即先開挖一側并安裝好鋼拱架支護后，再進行另一側的開挖與支護。土層段開挖時可直接使用反鏟挖機實施開挖，并于開挖完成后及時跟進施作支護。

2.2Ⅴ類圍巖開挖

（1）在進廠主交通洞Ⅴ類圍巖段，由于圍巖穩定性、易塌方，故須采用φ42×4、長2.5m與4.5m的超前小導管對圍巖注漿進行預支護，然后再使用反鏟挖機進行開挖，使掌子面形成順坡，禁止挖成倒坡或超挖。（2）開挖時應按要求在周邊適當預留一定厚度的保護層，開挖至保護層位置時，通過人工清撬的方式修整至設計斷面，確保斷面開挖的精確度及平順性。（3）掘進開挖過程中，在滿足型鋼拱架安裝要求且對掌子面開挖無影響的情況下，及時安裝鋼支撐進行支護;同時，在進尺滿足超前小導管施工的情況下，按要求及時施作下一循環的超前導管。Ⅴ類圍巖開挖施工每循環的平均時間見表1。

2.3Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖開挖

Ⅳ類圍巖先超前支護再進行爆破開挖，Ⅱ、Ⅲ類圍巖穩定性較好，多采用全斷面直眼或楔形掏槽爆破進行開挖。每循環有效開挖進尺按照如下標準：Ⅳ類圍巖控制在1.7～1.8m，Ⅱ、Ⅲ類圍巖控制在3m。鉆孔時應嚴格按照規范要求，確保炮孔深度、孔徑、打設角度滿足設計要求。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖開挖循環平均時間見表1。

3施工關鍵技術

3.1洞口開挖與支護

3.1.1洞口開挖

洞口段覆蓋層開挖前，須準確測出明挖開口線和開挖坡面線，并做出明顯標示。然后施工坡頂截水溝，做好坡頂排水，防止雨水沖刷邊坡，危及洞口安全。土方及強風化巖段利用推土機、挖掘機從上至下，嚴格按照邊坡設計尺寸分層明挖，自卸車外運挖出的土方;在開挖至洞口石方段時，局部石方明挖采用手風鉆淺孔，松動爆破或預裂爆破，由上而下分層開挖，盡量減少對周圍巖體的擾動。邊坡成型采取預裂或光面爆破，反鏟和裝載機挖裝，15t自卸車出渣。坡面和洞頭掌子面開挖后，應及時進行坡面防護和洞頭鎖口支護，為安全進洞創造有利條件，并提供有力保障。

3.1.2洞口支護

為確保洞口穩定性，防止洞口邊坡出現塌方，在分層向洞內開挖2m左右后，沿設計開挖輪廓線澆筑長2～5m的鋼筋砼明拱，明拱上安裝管棚與錨桿對圍巖洞口段圍巖進行預支護，防止開挖后拱頂出現塌方。在洞口15m范圍內，拱腳底部采用工字鋼對撐，并用錨筋固定加強支護。另外，由于洞口段邊坡屬于覆蓋層，為防止邊坡出現泥石流、塌方等情況，于洞口邊坡開挖線外3～5m布置漿砌石結構的截水溝，邊坡支護采用C25普通砂漿錨桿，洞口兩側邊坡采用鋼筋砼框格梁內植草防護，洞臉邊坡采用掛網噴砼防護。

3.2洞身開挖與支護

主交通洞在土層與全風化層穿過，圍巖穩定性差，極易出現失穩、塌方等情況。為此，開挖過程中應嚴格遵循“超前支護預加固、短進尺、小藥量、弱爆破、強支護、早封閉、勤觀測”的原則，保證整個開挖順利推進。

3.2.1超前預支護

交通洞洞室段圍巖穩定性差，土層段及全風化圍巖易出現塌方，為有效保證隧洞圍巖的整體性與穩定性，須采取超前注漿小導管預支護。

（1）超前小導管參數。采用φ42×4超前小導管，長度分別為2.5m與4.5m，其中，Ⅴ類圍巖拱頂及邊墻采用長度4.5m的導管，拱頂及拱腳以下1.5m范圍內采用長度2.5m的導管;Ⅳ類圍巖拱頂及拱腳以下2m范圍內采用長度4.5m的導管，導管按照40cm間距進行布設，采用雙層導管時應確保內外層導管錯開布設。

（2）超前小導管施工。①按設計孔位要求用手持風鉆鉆孔，確保孔位、孔徑、外插角等參數能夠滿足鉆孔設計要求;②超前小導管采用風鉆頂入，鉆進至設計深度后，采用水泥—水玻璃雙液漿對風化圍巖進行注漿加固，水灰比、水玻璃濃度及注漿壓力等應結合設計要求進行確定;③注漿時應結合掌子面圍巖情況確定注漿壓力，并根據圍巖吸漿量與注漿壓力的變化情況，決定是否結束注漿;④超前小導管注漿完成后，其外露端應與鋼支撐進行焊接，與鋼支撐共同組成預支護體系。需要注意的是，超前小導管鉆孔時，為防止掌子面發生掉塊、塌方，可首先沿開挖輪廓線50cm范圍噴射5cm砼進行封閉，以保證掌子面的穩定性與可靠性。

3.2.2開挖施工

在完成Ⅳ、Ⅴ類圍巖及土層段的超前支護后，方可進行洞室的開挖施工。洞室段開挖采取全斷面鉆爆法為主，分部開挖法為輔的施工工藝。

（1）鉆孔作業。結合設計方案的炮孔布置，采用多臂鉆與自制臺車配合手風鉆進行鉆孔，并根據隧洞地質與圍巖情況，采用直眼或楔形掏槽，周邊光面爆破。其中，Ⅱ類圍巖楔形掏槽眼深1.5m，周邊眼深1.4m，周邊眼間距35～40cm，周邊眼最小抵抗線60～70cm，必要時增加一排間距為20cm的防震孔;Ⅲ、Ⅳ類圍巖掏槽眼深2.7m，周邊眼間距45～50cm，最小抵抗線70～80cm，采用不耦合裝藥結構。

（2）鉆爆設計。①鉆爆參數：合理選取試驗段，通過現場爆破試驗確定爆破參數。②掏槽方式：采用直眼或楔形掏槽。③裝藥結構：掏槽眼、輔助眼采用φ32藥卷連續裝藥，周邊眼采用φ25藥卷不耦合裝藥。④堵塞方式：所有爆破炮眼均采用炮泥進行堵塞，周邊眼炮眼的堵塞長度≥40cm。⑤開挖進尺：交通洞開挖過程中，應根據圍巖實際情況進行推進，并嚴格按照每循環有效開挖進尺標準開挖。⑥爆破效果：爆破開挖質量標準為：掌子面周邊超欠挖情況;開挖輪廓平順度;開挖掌子面平整度;爆破進尺是否滿足爆破要求;炮眼痕跡是否均勻分布;爆出碴塊是否滿足出碴要求[2]。

（3）裝藥爆破。爆破孔檢驗合格后，方可根據鉆爆設計參數進行裝藥連線，裝藥爆破由具備專業資質的炮工進行炮孔裝藥、堵塞及引爆。爆破孔裝藥時，利用自制臺車作為裝藥平臺，由炮工自上向下依次進行裝藥，光爆眼采用間隔裝藥，并通過火雷管或電雷管將非電雷管引爆。完成爆破孔裝藥及聯線后，組織爆破工程師與專業爆破員共同對爆破區域進行檢查驗收，確認無誤后方可對現場材料、設備、人員進行清場，退離至安全區域后進行起爆作業，并按照掏槽眼、輔助眼、抵抗眼、周邊眼的爆破順序分段尾差起爆[3]。

3.2.3跟進支護

開挖面形成后，應及時跟進支護，但根據不同地質條件，支護流程也有所不同，主要分為兩種情況：一是圍巖穩定性較好時，按照先錨桿后噴砼的順序施工，錨桿緊跟開挖，噴砼滯后約30m;二是圍巖穩定性較差時，按照先初噴砼后安裝系統錨桿，然后掛鋼筋網再噴砼至設計厚度，必要時應架設鋼拱架加強支護。該項目由于存在土層及全風化圍巖，且進洞后300～350m為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，圍巖穩定性差，故采取第二種支護方案。

（1）錨桿施工：①完成掌子面開挖后，對松動圍巖、危石進行清理后，先沿開挖輪廓線50cm范圍、邊拱頂初噴厚度3～5cm的砼封閉巖面，防止圍巖出現風化、掉碴，保證洞室圍巖穩定可靠后再進行其他支護施工。②初噴砼完成后，搭設好腳手架，并根據施工設計圖紙的孔位要求，采用手風鉆進行鉆孔，孔位偏差應<10cm，孔深偏差應<5cm，鉆孔完成后將孔內灰塵雜質沖洗干凈。③錨桿安裝時應按照試驗確定的配比拌制砂漿，將錨桿插入鉆好的錨桿孔內進行注漿，注漿過程中應緩慢抽動錨桿，在確保注漿飽滿、密實后，對錨桿進行固定保護，防止后期施工對錨桿造成擾動，且不得對錨桿進行敲擊、碰撞、拉拔，洞頂位置的錨桿注漿應使用錨固劑，以免錨桿發生墜落危險。④對完成安裝的錨桿進行隨機檢查，確保錨桿砂漿密實度≥80%，對于密實度不滿足要求的應按要求重新布設，并采用聲波物探儀對錨桿長度進行無損探測，確保孔內錨桿長度應>95%設計錨桿長度。

（2）噴射砼：噴射砼采用濕噴法，噴射時應按照“分區、分塊、分層”的原則，沿一定方向均勻薄層進行噴射，具體噴射作業流程為：作業面清理→砼厚度標記→噴射砼→養護[4]。①根據砼噴射面積，對作業面進行分區，每段分區長度<6m，對分區作業面進行清理、沖洗，并在不同開挖作業面對砼噴射厚度進行標記，以為后期噴射砼施工提供參考。②采用噴射機或濕噴臺車，分區分段、由下向上螺旋分層進行砼噴射，并按照先側墻、后頂部的順序依次進行，后一層噴射時應在上一層砼完成終凝后進行，緊跟開挖作業面的砼終凝至下一循環放炮時間應≥4h。③噴射時，噴槍口與巖面距離應<3m，噴嘴與受噴面保持垂直，每次噴射厚度應控制在5～6cm，噴射過程中應嚴格控制加水比例，確保砼噴射后無流淌、無粉塵等現象，砼噴射完成2h后即可噴水養護，養護時間應≥7d。

（3）鋼拱架施工：①根據鋼拱架結構尺寸分六段加工，頂拱2段，直墻4段，采用冷彎機加工成型，避免熱彎引起鋼材強度等性能降低或切割加工引起的應力集中等不利因素。鋼拱架底部在安裝前如發現基礎面巖石完整性差，可先噴一層10cm厚素砼，然后再鋪[25a或[18a槽鋼，鋼拱架底腳落在槽鋼上，并進行焊接，槽鋼鋪設隨拱架安裝向前延伸。②開挖出碴或噴射砼后，利用圍巖短時間內的穩定性，以最快速度安裝鋼支撐對掌子面進行支護，保證圍巖穩定性，每榀鋼支撐均應按要求設置鎖腳錨桿，以保證鋼拱架的整體性與穩定性。③鋼拱架安裝時，采用裝載機與人工配合吊裝，在架子車上進行架設，架設時應根據鋼架設計間距及定位點，使鋼拱架定位精準，對于底部存在超挖、欠挖的應及時處理，確保鋼架底腳必須墊實，以免圍巖發生變形而導致鋼拱架出現沉降。④完成鋼拱架安裝后，對拱頂、兩拱腳位置進行檢查，檢查無誤后擰緊螺栓固定牢靠。

（4）掛網噴錨：鋼筋在加工廠調直、除銹、切割，并加工成2m×2m的片狀，洞內拼裝，利用錨桿頭點焊固點，中間用膨脹螺栓加密固定，使鋼筋網緊貼壁面，最后復噴砼將鋼筋網全部覆蓋，使錨桿、噴射砼、鋼拱架、鋼筋網成為受力整體。

4結語

水電站的主交通洞開挖往往是一項復雜且技術含量高的系統工程，任一環節或是工序的管控不當均易引發一系列施工問題與安全問題，對此應全面抓好圍巖安全監測、加強施工管控，以確保項目施工順利、優質完成。

參考文獻

[1]陳文亮.猴子巖水電站進廠交通洞洞口段施工技術研究[D].成都：西南交通大學，2017.

[2]李向超.向家壩水電站南總干渠上穿水富交通隧洞開挖方式及質量控制[J].水利水電技術，2016（s2）：56-59.

[3]楊曉輝.某電站交通洞土洞進洞技術分析[J].工程技術研究，2019，4（21）：173-174.

[4]達玫.小浪底引黃工程地下泵站交通洞洞口施工方案設計[J].山西水利，2017（7）：46-47+49.

KeyTechnologyforExcavationofMainAccessTunnelofaHydropowerStationinEastAfrica

LONGHuihu

（SinohydroEngineeringBureau8Co.，Ltd.，HunanChangsha410004）

Abstract：ThemainaccesstunnelofahydropowerstationinEastAfricaisthemaintransportationchannelofthehydropowerstation.Thetunnelislong，thenetsectioniswide，andthegeologicalandhydrologicalenvironmentispoor，sothattheexcavationconstructionisdifficultandthesafetyriskishigh.Inthisregard，combinedwiththeconstructionpracticeoftheproject，thispapermakesadetaileddiscussiononthekeytechnologiesoftheexcavationandconstructionofthemainaccesstunnelintotheplant，forreference.Keywords：hydropowerstation;mainaccesstunnel;excavationconstruction;keytechnology