超薄洞壁洞群开挖技术研究

刘树森，郭 乾

（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁丹东 118216）

1 工程概况

董箐水电站位于贵州省西南部的北盘江下游，电站枢纽由钢筋混凝土面板堆石坝、左岸开敞式溢洪道、右岸放空洞、右岸引水系统、右岸岸边地面厂房等建筑物组成，电站正常蓄水位490 m，水库总库容9.55亿m3，装机容量880 MW。水电站引水系统洞群由4条主洞和3条施工支洞组成，主洞从左至右编号分别为1～4号引水隧洞。

1～4号引水隧洞开挖长度分别为557.22，566.82，578.26，597.46 m，4条引水隧洞开挖长度总和为2 300 m。引水隧洞均由引水隧洞段和压力钢管段构成，分为渐变段、上平段、水平弯段、中部渐变段、上弯段、斜井段、下弯段、下平段8种型式。

引水洞轴线间距离为22 m，开挖洞径分别为φ11.3，φ10.6，φ8.6 m，其中中部渐变段上游部分开挖为圆形断面是引水隧洞段，中部渐变段其下游部分开挖为马蹄型断面是压力钢管段；引水洞水平转弯为41°，斜井角度为50°。

引水隧洞混凝土衬砌厚度为0.7～1.0 m，衬砌成型后断面为9.0 m，压力管钢管段成型为7.0 m。

2 工程地质情况

2.1 基本地质条件

1)地形地貌：从引水系统进水口至厂房尾水出口段，地形高程为570～410 m，沿线斜向穿越一条NNE向的条形山脊，山体较为雄厚，地面坡度平缓，平均为21°，地表冲沟较为发育，但发育深度不大，发育深度小于10 m。

2)地层岩性：引水系统洞室区围岩全部为T2b1-2层灰色厚层、中厚层钙质石英砂岩夹灰色、深灰色钙质泥岩，泥岩含量占 23%～32%。岩层产状 N 10°～20°E/SE 至 N 10°～30°W/NE，倾角∠18°～25°。

3)地质构造：该区位于下喜料背斜东翼，轴向NNW向，区内未发现明显的褶曲和断裂构造发育，地质构造较为简单，地层总体上属单斜构造，但坡面上岩层产状波状起伏，走向也有所变化。其次为裂隙较为发育。

4)水文地质条件：组成洞室围岩为砂泥岩，透水性差，虽然大部分洞室处于地下水位线以下，但洞内除小断层和裂隙密集带区可能遇有少量渗水外，多数洞段较为干燥，水文地质条件简单。

2.2 工程地质评价

引水发电系统布置于右岸，引水洞穿越地层为T2b1厚层、中厚层状砂岩、粉砂岩夹钙质泥岩，地质构造较简单，基本为单斜层面，岩层总体产状 N 0°～30°E/SE（E）∠22°～40°，裂隙中等发育。从物探 EH 4勘探成果资料分析，认为大部分洞身段成洞条件一般，围岩多为Ⅲ~Ⅳ类，但在上水平段及斜管段局部可能遇断层、裂隙密集带或软弱夹层，为Ⅳ~Ⅴ类围岩。

3 施工技术关键及特性

3.1 施工技术关键

1）开挖顺序安排。它是保证开挖安全的基础，是保障隧洞开挖安全的一项基本措施，主要研究隔洞错距开挖的安全距离和具体操作方式。

2）爆破参数控制。在满足常规洞室开挖爆破参数的前提下，根据不同的开挖断面、部位采取不同的开挖爆破参数及开挖方式。

3）支护施工方式和工艺。支护施工的方法和工艺是保障洞群施工安全的关键所在，施工中除采用传统的“新奥法”支护外，分析结构设计和实际地质情况也是重要的研究方向，找到薄弱环节，做到“对症下药”，以达到提高围岩自承能力的目的。

3.2 施工特性

引水隧洞段开挖尺寸为φ11.3 m时，相邻洞壁厚度为10.7 m，仅为洞室开挖尺寸的0.95倍，此种情况占整个隧洞开挖的2%；引水隧洞段开挖尺寸为φ10.6 m时，相邻洞壁厚度为11.4 m，仅为洞室开挖尺寸的1.08倍，此种情况占整个隧洞开挖的45%；压力管道段斜井开挖尺寸为φ8.6 m，相邻洞壁厚度为13.4 m，为洞室开挖尺寸的1.56倍，占整个隧洞开挖的18%。

董箐水电站引水隧洞是目前为止规模较大的薄洞壁、多断面、大洞径洞群开挖施工，具有鲜明的特点，如何保证超薄洞壁、多断面洞群开挖时洞壁稳定、超薄洞壁洞群开挖支护施工顺序上的安排和布置、超薄壁洞斜井开挖技术方案、超薄洞壁洞群开挖爆破施工等在水电工程施工中较为少见。

4 施工程序规划

施工方案主导思想：引水隧洞施工采用“平面多工序，立体多层次”的思想合理安排开挖、支护、衬砌三者的相互关系；利用“隔洞错距开挖、衬砌支护跟进”的施工办法进行施工。施工顺序：

1）首先进行1，2号施工支洞及1，2号连通洞的开挖施工。

2）上平段在1号施工支洞及连通洞开挖结束后，向下游分两层进行1，3号引水隧洞开挖，期间由1号连通洞向进水口方向穿插进行1，3号引水隧洞开挖；1，3号主洞分别开挖至3号连通洞时，先向 1，3号引水隧洞上弯段方向进行开挖，为斜井施工创造条件，同时兼顾3号连通洞的开挖施工。

3）3号连通洞开挖结束后，由进水口向上弯段方向进行1，3号引水隧洞上平段的混凝土衬砌施工。

4）在1，3号引水隧洞1号连通洞至进水口段开挖完毕后，采取隔洞错距的开挖方法，进行2，4号引水隧洞上平段的开挖，开挖分两层进行，采用先导洞后扩挖的方式进行上导洞施工，开挖错距距离为50.0 m。

5）开挖结束后由进水口向上弯段方向进行2，4号引水隧洞上平段的混凝土衬砌施工。

6）在2号施工支洞及连通洞开挖结束后，进行压力钢管的下平段和下弯段开挖，采取先1，3号引水隧洞下平段开挖，在1，3号引水隧洞压力钢管混凝土回填结束后进行4，2号洞下平段的错距开挖施工，错距距离50 m。

7）压力钢管斜井段开挖在1，3号引水隧洞上弯段、下弯段开挖完成后开始进行，开挖采用LM－200反井钻机进行直径3 m导井施工，扩挖采用人工由上至下扩挖。

8）根据上、下平段和上、下弯段的开挖顺序和移交工作面的先后时间，压力管道斜井段开挖施工按先1，3号斜井开挖，然后进行固结灌浆和压力钢管安装及回填混凝土施工；2，4号压力管道斜井段在1，3号压力管道斜井段钢管及回填混凝土施工完成50%时，进行2，4号压力管道斜井段开挖，然后进行固结灌浆和压力钢管安装及回填混凝土施工。

5 主要施工方案及措施

5.1 施工支洞与主洞交叉口处

董箐引水系统共布置3条施工支洞，分别为1，2号施工支洞和3号连通洞，3条施工支洞都与主洞贯通。由于施工支洞洞径比引水洞洞径小，施工支洞进入引水洞主洞后位于主洞的下半部，因此需对主洞进行扩挖后才能对主洞进行开挖。扩挖分两步进行：第一步先由施工支洞与主洞交叉口处向一个方向斜向开挖15 m左右，交至洞室设计顶拱位置；第二步由主洞室设计顶拱位置反方向钻爆施工直至开挖到支洞对边洞室为止。

5.2 主洞开挖方式及爆破参数

引水隧洞上平段开挖断面均为圆形，直径为φ10.6 m。开挖时主要的不利因素是各洞段中心距离较小，因此各洞段开挖时相互影响围岩稳定的问题突出，开挖此段，爆破控制要求高。

5.3 1，3号主洞开挖方式及爆破参数

引水隧洞采用隔洞错距方案进行施工，错距大约控制在50 m左右。引水隧洞上平段采用分两层爆破的方式进行开挖，第一层高7.8 m、第二层高2.8 m。开挖均采用YT-28型手风钻进行造孔；洞身的设计轮廓线采用光面爆破，并控制单响药量，中部采用掏槽及崩落孔爆破。爆破参数见表 1，2。

表1 1，3号引水隧洞上平段爆破参数表

表2 1，3号引水隧洞上平段爆破设计主要技术参数表

5.4 2，4号主洞开挖方式及爆破参数

在1，3号引水隧洞1号连通洞至进水口段开挖完毕后，采取隔洞错距的开挖方法进行2，4号引水隧洞上平段的开挖，开挖采用先导洞后扩挖的方式进行施工，错距距离为50.0 m。由于2，4号洞是在1，3号洞开挖完毕后进行开挖，此时洞壁的稳定是开挖控制的重点，因此开挖采用导洞开挖。爆破参数见表3，4。

表3 2，4号引水洞上平段爆破参数表

表4 2，4号引水洞上平段爆破设计主要技术参数表

5.5 斜井开挖方式及爆破参数

引水隧洞斜井段洞轴线相距较近，中线间距仅为22 m，除去洞室开挖范围各洞间隔墙厚度仅为13.4 m，相当于各洞室开挖洞径的1.56倍，相邻洞室开挖时隔墙的稳定问题突出，因此为保证引水隧洞斜井段安全快速的施工，该部位施工时采用LM-200型反井钻机进行中导井开挖施工，然后进行人工导井开挖、全断面扩井开挖。同时为保证斜井扩挖施工顺利进行，在斜井的下弯段位置进行工字钢加强支护，在斜井扩挖过程中采用短进尺、小孔距、少药量的方法进行施工，在系统支护跟进的前提下，对危险岩体进行随机锚杆支护，随机锚杆支护中将尽量垂直岩层方向。斜井开挖支护流程如图1所示。

斜井扩挖采用YT-28型手风钻钻孔，钻孔直径均为φ42 mm，孔深1.7 m，预计循环进尺1.5 m。崩落孔采用非电管传爆，药卷直径选取φ25mm，连续装药；周边孔采用导爆索传爆，药卷选用φ25mm光爆药卷，不偶合间断装药。

崩落孔采用梅花形布置，炮孔间排距为0.7～1.0 m，周边光面爆破，光爆孔间距为45 cm，人工装乳化炸药非电毫秒雷管起爆。爆破参数见表5，6。

图1 斜井开挖支护流程图

表5 引水洞斜井段爆破参数表

表6 引水洞斜井段爆破设计主要技术参数表

6 洞室支护形式

引水隧洞支护采用普通砂浆锚杆、喷聚丙烯纤维混凝土，锚杆规格为φ25 mm螺纹钢，长6.15 m、外露15 cm，每循环开挖结束后首先进行5 cm素喷，系统锚杆施工紧跟开挖面，喷射混凝土在滞后开挖面3～6 m时集中补喷到设计厚度，引水隧洞锚杆全部采用手风钻进行造孔，人工插杆，YSB-2B砂浆泵注浆。对于关键部位采取工字钢强支护，支护布置见图2。

7 结语

图2 引水洞下弯段支护扩挖示意图

董箐水电站引水隧洞超薄洞壁、多断面洞群开挖是目前为止规模较大的薄洞壁、多断面、大洞径洞群开挖施工，其具有地质条件复杂，施工工序交叉干扰多的特点。根据引水隧洞的实际情况，结合地质情况对引水隧洞施工采用“平面多工序，立体多层次”的思想，合理安排开挖、支护、衬砌三者的相互关系，利用“隔洞错距开挖、衬砌支护跟进”的施工办法进行施工，有效地保证了施工安全和进度。