穿越復雜地層超長引水隧洞的開挖及支護

王國威 董龑蛟

1. 中國葛洲壩集團國際工程有限公司 北京 100025；2. 北京金河水務建設集團有限公司 北京 102206

水利工程中引水隧洞施工場地狹窄，多位于山多、水急的區域，增加了工程建設中的不穩定因素，提升了現場施工難度；實際施工中，要充分了解施工區域的地理條件、巖層條件，避免施工過程中出現塌方等風險。因此，對于引水隧洞來說，不僅要考慮工程成本，還要參考工程施工環境、需求等特點，做好其開挖支護工作的管理[1-3]。

1 工程概況

巴基斯坦蘇基克納里水電站引水隧洞線路長度約23.156 km，最大埋深集中在A5—A6a之間，約1 350 m。開挖斷面呈馬蹄形，隨現場圍巖特性的變化而調整開挖斷面的尺寸，控制范圍為：寬7.06～7.80 m，高6.88～7.40 m。

2 工程難點

本工程的引水隧洞具有穿越的大小斷層多、地質條件復雜、洞挖斷面小、線路長等特點。洞內地下滲水、巖爆、圍巖穩定等將對洞室施工極為不利，是本項目施工控制的難點。

1）引水隧洞斷層帶施工。本工程引水隧洞穿越的大小斷層多達11條，其中F12（A6b—A7a段）、F17-1（A7a—A7段）、F23-1（A7a—A7段)、F18（A7—A7-1段）和F25-1（A8—A9段），斷層帶區域范圍較大，巖石破碎，地質情況復雜，支護難度大，對隧洞施工影響非常大，是本工程施工難點。

2）引水隧洞穿越沖溝段施工。本工程引水隧洞穿越多條沖溝，沖溝段地質復雜，特別是A6a—A6b段，埋深非常淺，為滿足設計規范，設置了壓力鋼管穿越沖溝。根據地勘報告，引水隧洞沖溝段的水位線在隧洞的上方，在施工過程中，發生涌水可能性較大，對隧洞施工排水產生較大的影響，因此沖溝段的施工也是本工程的難點。

3）巖爆段施工。本工程引水隧洞有2段埋深較大的區域，第1段A5—A6a段，埋深最大1 300 m；第2段A6b—A7a段，隧洞埋深近1 000 m。埋深超過1 000 m的區域，地應力較高，具備發生巖爆的條件。巖爆對隧道施工影響較大，對施工人員和設備存在較大的安全風險，因此巖爆段的預防與處理，是本工程施工難點。

4）通風排煙。引水隧洞單面掘進距離長，如何確保洞內通風是本工程的難點。

5）洞內排水。本工程引水隧洞單向開挖距離長，沿程損失較大，支洞口與主洞交叉口高程不一，其中一部分支洞排水是順坡，另一部分支洞排水是逆坡。引水隧洞斷面較小，排水較為困難，因此合理安排洞內排水方向與泵站布置是本工程的難點。

3 引水隧洞主洞的開挖施工工藝

3.1 施工準備

支洞成形后，重點處理支洞與主洞所形成的交叉區域，依托支洞的現有設備，加之其他輔助設備的配合，由施工人員規范操作，開挖主洞并采取支護措施。A5—A7控制段均采用中方鉆工，除此之外的其他區域采取中方和巴方鉆工相結合的方案。

3.2 測量放樣

以設計圖紙為準，由專業人員利用全站儀測量放樣（包含隧洞中心線、掌子面樁號、設計輪廓線等），并結合鉆爆圖的相關要求，精準確定炮孔孔位，給后續施工提供參照基準。正式施工前，先詳細檢查上一循環的施工情況，例如是否超欠挖，針對質量問題采取處理措施，并匯總所得結果，向全體施工人員做技術交底，以便高效進入本循環施工。以月為單位，定期檢查洞軸線和坡度，切實提高質量控制水平。

3.3 鉆孔作業

引水隧洞開挖采用在自制的移動式鉆爆平臺上，人工配YTP28氣腿鉆造爆破孔，孔徑42 mm，要求工作人員精準測放中線、腰線以及開挖輪廓線，分別組織鉆孔作業。每排炮分別由專門的人員管理，檢查鉆孔作業情況，確保其滿足“平、直、齊”的要求，同時各炮孔的孔底均處于相同的鉛直斷面處。此外，嚴格控制周邊孔的外偏角，適當減小，以便與設備運行狀態相適應。

炮孔裝藥前由質量管理人員逐一檢查各炮孔，分析是否存在遺漏現象，若有則補鉆，諸如孔徑、孔深等各項參數也均要滿足要求。當班技術人員根據所掌握的信息展開計算，確定合適的裝藥量，根據需求領取材料。

3.4 裝藥、聯線、起爆

經鉆孔作業后，孔內易堆積大量巖粉，不利于順利裝藥，且易影響爆破質量。對此，裝藥前先用高壓風清孔，待無誤后方可裝藥爆破。各類孔的炸藥需求以及裝藥方法不同，掏槽孔和崩落孔均為φ32 mm乳化炸藥卷連續柱狀裝藥，周邊孔為φ25 mm乳化炸藥卷不耦合間隔裝藥。

順利裝藥后，根據設計要求細致地做好聯線以及封堵工作，此階段參考炸藥的最小抵抗線長度，要求封堵長度不小于該值。此后，由專業炮工做詳細的檢查，若無誤則組織人員以及無關施工機具退場，統一轉移至安全區域。在各項準備工作均落實到位后，由炮工負責，開始起爆。整個過程中均要加強警戒，避免人員誤入現場。

3.5 剝離

經爆破后，在確保現場已經通風散煙的前提下，先用反鏟剝離松動的危石和巖塊，再進一步由現場施工人員用剝離桿清理剩余的小塊危石和巖塊。施工期間加強檢查，例如開挖洞段的圍巖情況，判斷其是否失穩或是否有失穩的發生趨勢。

3.6 出渣

采用2.3 m3側卸裝載機和20 t自卸汽車聯合作業，高效出渣，其間由施工人員處理掌子面以及邊墻圍巖處所存在的浮渣和危石，做到清理無死角。

4 支護施工

4.1 錨桿施工

提前加工成形，施工前詳細檢查錨桿的質量，例如尺寸是否合理、是否有油污附著，本次施工采用的是全注漿錨桿，具體含2類：一是普通砂漿錨桿，施工遵循的是“先注漿、后插桿”的原則；二是自進式錨桿，施工遵循的是“先鉆進桿體、后注漿”的原則。

4.1.1 造孔

根據現場作業情況，A5以上控制段的鉆孔采用的是移動式平臺配氣腿鉆的方法。A5—A7段的施工均選擇單臂鉆，相較于巖石錨桿直徑，成孔直徑應大于該值15 mm。正式鉆孔前，精準測放孔位，正式鉆孔時嚴格控制作業參數，例如孔徑、孔深等，確保成形的孔洞滿足質量要求。

4.1.2 清孔

鉆孔后，用高壓風清理孔內雜物，例如巖粉、泥巖等，以便給后續的注漿施工創造良好的條件。

4.1.3 注漿

頂拱錨桿注漿統一在移動式平臺處完成，所用裝置為麥斯特注漿機和φ25 mm的PE注漿管。正式注漿前，將提前準備好的注漿管插至孔底，隨著注漿作業的持續推進，緩慢從孔底拔出注漿管，直至孔內灌滿泥漿為止。對于具有向上傾斜特征或是垂直狀態的孔，需加強防控，避免漿液大范圍流失；水泥漿存在特定的凝固時間，該階段用木楔固定錨桿，以免失穩。

4.1.4 桿體安裝

在確保移動式平臺具有足夠穩定性的前提下，由人工安裝錨桿。對于帶有錨定板的錨桿，應嚴格控制其錨桿端部伸出螺母外的部分，該段的長度不可超過50 mm。經水泥漿性能試驗后，確定其硬化特性，根據所得結果合理控制錨桿旋緊時間。

4.2 噴混凝土施工和質量控制

隧洞噴射混凝土主要起到防護作用，較為適宜的是素噴混凝土或鋼纖維混凝土。遇地質破碎帶等特殊的地質條件時，應判斷該部分是否存在坍塌的可能，若有則不允許出渣，應根據實際情況及時噴錨支護。

1）按初噴、復噴的順序依次噴射施工，2個階段的厚度要求分別為：4～5 cm、不超過10 cm。以不影響施工質量以及不誘發安全事故為前提，Q2類圍巖可采取每3個循環初噴1次的方法；Q3類圍巖減小至每2個循環初噴1次；對于Q4—Q5類圍巖，要求盡快組織復噴作業，縮短巖面的暴露時間，以免出現表層風化剝落的情況。對于復噴作業，則安排在錨桿及掛網安裝到位后施工。

2）根據施工需求，在拌和站按設計配比生產質量達標的混凝土，遵循隨拌隨用的原則，及時用自卸車運輸至現場，利用機械臂式濕噴機作業，達到連續濕噴的效果。

3）為確保濕噴的施工質量，提前做好準備工作：清理作業范圍內的危石，用高壓風清潔巖面，避免巖粉等雜物附著問題；配備照明設備以及通風設備，改善現場施工環境；調試施工機械，確保其均能夠穩定運行；于巖面上打入短鋼筋，根據要求詳細標記刻度，作為噴層厚度控制的依據。

4）于料斗上安裝篩網，利用該裝置阻隔超粒徑的骨料。正式噴射過程中，在送風前先開啟計量泵，噴射機司機與噴射手密切溝通，嚴格控制噴射壓力，及時整理噴射現場所采集的數據，以此為依據調整風壓和計量泵參數，從而保證施工安全，提高施工質量。

5）噴嘴與受噴面呈垂直的位置關系，兩者間距控制在100～200 cm。若受噴面存在鋼筋網覆蓋的情況，可以在許可范圍內適當調整噴嘴，但至少需確保噴嘴與受噴面的夾角達到70°。嚴格控制受噴面的角度至關重要，若因空間限制或其他原因而導致受噴面的角度過小，將導致混凝土的附著力下降，易在受噴面滾動，由此產生波形噴面，導致面層的平整度不滿足要求。

6）噴射作業遵循的是分片依次推進的原則，每片的尺寸要求為長2 m、寬1.5 m，采取自下而上“S”形噴射的方法，此舉可避免因回彈物附著在圍巖面（此處指的是尚未經過噴射處理的部分）而導致噴層與巖面的黏結力下降。在正式噴射前，先找平凹陷部位，再呈螺旋形緩慢移動噴頭，每圈壓前面半圈，盡可能提高混凝土面層的光滑性與平整性。

5 結語

綜上所述，在水電站工程建設全流程中，引水隧洞為重點施工內容，同時該處的施工質量將直接對工程的整體施工質量帶來影響。對此，施工單位需緊密結合實際情況，合理應用開挖施工工藝，加強質量控制，在安全的環境中高效完成開挖與支護作業。