洞口段开挖及支护施工技术

□于俊卿 □滕海青（中国水利水电第一工程局有限公司）

一、工程简介

呼和浩特抽水蓄能电站位于内蒙古自治区呼和浩特市东北部大青山山脉中麓哈拉沁沟下游，距离呼和浩特市公路里程约20km，电站总装机容量1200MW，装机4台，单机容量300MW；电站建成后接入蒙西电网，在系统中承担调峰、填谷和紧急事故备用的任务，同时兼有调频、调相的作用。

呼和浩特抽水蓄能电站引水系统中支洞分为主洞和岔洞两部分，主洞长1010m，岔洞长210m，引水系统中支洞断面为城门洞型，净断面（宽×高）9.8m×10.0m；引水系统中支洞主洞是2号高压管道上斜井段开挖出渣、下斜井段、中平段开挖、支护、钢板衬砌及混凝土回填施工通道；引水系统中支洞岔洞是1号高压管道上斜井段开挖出渣、下斜井段、中平段开挖、支护、钢板衬砌及混凝土回填施工通道。

二、地质概况

（一）地形地貌

引水系统中支洞进口位于哈拉沁水库下游约0.7km哈拉沁沟左岸支沟（左2沟）内，洞口位于左2沟左侧岸坡上，前面为宽缓的沟谷，背后有一条凸出的低矮山梁，该条山梁走向NE46°。洞口处自然地表坡度20～30°，地面高程1490～1500m，地表多为覆盖层，局部出露强风化片麻状黑云母花岗岩，覆盖层厚度一般＜5m，冲沟发育。

（二）地层岩性

（1）上太古界乌拉山群（Ar2wl）：岩性为灰色、深灰色黑云母斜长片麻岩、花岗片麻岩、斜长角闪岩等；

（2）第四系松散堆积物（Q4）：根据成因和组成成分可分为：一是洪积、崩积物（Q4pl＋col）：主要成分为次棱角及次圆状碎石、块石及壤土，分布隧洞进口附近，厚度一般5～15m；二是残积、坡积物（Q4el＋dl）：主要为碎块石夹土，厚度0.5～2m，分布于隧洞沿线山麓背阴坡；

（3）侵入岩

①吕梁期（γβ22）：岩性为片麻状黑云母花岗岩，褐黄色、浅灰、肉红色。中细粒粒状变晶结构，片麻状或眼球状构造，侵入于上太古界乌拉山群岩体中，呈岩基和小型岩株产出，与围岩接触界线一般呈过渡状，有同化混杂现象，岩性分界不明显，个别段为断层接触。工程区大面积出露。②斜长角闪岩岩脉（N）：黑色，灰黑色，中粗粒粒状结构，块状构造，以脉状及透镜状产出，其间多有石英细脉和团块穿插，岩体变质程度较深，易风化，在地表多为全强风化，形成缓坡或负地形；岩脉形成后受区域变质作用，岩体发生程度不同的变质，尤以斜长角闪岩变质程度最深，从岩脉的展布规律来看，明显地受先期构造的控制，沿构造结构面侵入。

（三）围岩地质条件

呼和浩特抽水蓄能电站引水系统中支洞进口明挖段岩体中裂隙主要发育两组，一组走向NE50～70°倾向NW，倾角60～88°，为张性，张开宽度1～3cm，并充填泥夹岩屑；另一组走向NW310～330°倾向SW，倾角40～60°，为压扭性，多闭合无充填，个别张开0.1～1cm，充填泥夹岩屑；受两组裂隙、风化和岩体卸荷影响，岩体破碎，洞脸边坡整体稳定性较差。

三、施工方法

（一）洞脸锁口锚杆支护方案

洞脸锁口锚杆设在拱角以上，第一排距离开挖轮廓线30cm左右为宜，第二排距离第一排50cm，第三排距离第二排70cm，锚杆间距均为40cm，规格为Φ25钢筋，入岩4.9m，外露10cm，锚杆角度上倾约15°。

（二）洞口段开挖方案

锁口锚杆完成后，先进行导洞开挖，此种开挖方式有如下三方面优点：一是可超前勘探洞内围岩情况；二是扩挖时增加临空面，减小了对围岩的爆破振动；三是可增加开挖轮廓面爆破质量；为方便施工，导洞采用下导洞方式，断面尺寸为3m×3m（宽×高），每炮进尺控制在1.5m以内，导洞开挖长度达4～6m后，进行全断面扩挖。

导洞开挖完成后，钻设全断面扩挖的预裂孔及崩落孔，预裂孔钻孔深度2.0m，间距为20cm，采用隔孔装药的方式，线装药密度控制在80～100g/m左右，崩落孔按常规洞挖布孔及装药进行，先完成周边预裂孔的爆破工作，再完成崩落孔的装药爆破工作；需注意的是：在周边预裂孔的钻设中，要严格控制孔向，不能产生欠挖现象，以免因欠挖处理而影响支护的及时性。

对于围岩比较破碎，节理裂隙较发育的洞口段开挖，如采用光面爆破一般很难取得较好的效果，这是因为：崩落孔爆破后已破坏了开挖轮廓线以外的围岩，而预裂爆破则由于崩落孔未爆破前首先形成了开挖轮廓面，只要裂缝宽度合适，就能较好地阻止药量较大的崩落孔爆破时产生的爆破振动波对围岩的破坏，故而对洞内围岩的破坏可降低至最小程度；具体炮孔布置图略。

（三）洞口段支护方案

爆破完成后，及时喷一层5cm厚的混凝土对扩挖面进行封闭，若掌子面岩石条件较差时，掌子面也应及时喷护，之后按设计要求进行洞内系统锚杆、挂网、格栅拱架支立，并喷砼至设计要求厚度。

洞内支护的同时，视围岩具体情况可对掌子面加设超前锚杆，超前锚杆一般也安设在洞内起拱线以上，锚杆间距一般为40cm左右，上倾角度15～20°，锚杆直径为Φ25左右，入岩深度4m以上，每排超前锚杆搭接长度确保不＜2m。超前锚杆支护工作要在下一次爆破前完成，超前锚杆示意图如下：

说明：1、图中单位尺寸cm计；

2、洞内超前锚杆设置方法同锁口锚杆基本相同，一般也设置在洞内拱角以上，每榀搭接长度一般为2m左右。

以上施工方法均为常规的施工方法，对施工机具无特殊要求，施工工艺也较简单，但要求施工过程连续、快速及时，在爆破前，对各个环节的施工均有详细的计划，以保证支护的及时性，防止围岩在爆破完成后裸露过长产生较大的收敛变形而失稳。

四、结语

洞口段围岩较差条件下的洞口开挖一直是洞挖施工的一大难题，设计往往采用管棚支护、超前注浆小导管支护配以钢格栅拱架的方式进行支护，但由于管棚支护等施工手段往往存在着施工难度较大、需专用设备、施工工期较长等不利因素；呼和浩特抽水蓄能电站引水系统中支洞洞口开挖施工过程中，除了遵守短进尺、弱爆破、及时支护的原则外，综合运用了锁口锚杆、超前锚杆、预裂爆破等先进的施工手段进行施工，保证了洞口段开挖一次成功，不但缩短了施工工期，同时大大降低了工程造价，取得了良好的技术经济效果。