天花板水电站引水隧洞施工技术

袁永定

（云南滇能 （集团）控股公司牛栏江水电开发有限公司，云南 昭通 657000）

天花板水电站引水隧洞全长2 514.009 m，圆形断面，内径为8.2 m。原设计阶段全线布置有0号、1号、2号和3号共4个施工支洞。施工过程中，综合考虑各方面因素，通过设计优化取消了2号施工支洞。引水隧洞围岩以Ⅳ、Ⅴ类为主，占64.4%，其余为Ⅲ类。以1号施工支洞为界，上游为白云岩，下游基本为石英砂岩，两类岩层洞段各占一半。其中，1号施工支洞上游侧隧洞地层岩性为震旦系上统东龙潭组浅灰色中厚层至厚层状白云岩，整体稳定性较好；其下游侧隧洞岩性为震旦系下统澄江组紫红色岩屑石英砂岩夹粉砂岩、粉砂质泥质页岩，靠近厂址区不整合带厚度较大，角砾岩带物质成分较为复杂，为土夹碎石、砂岩碎块、白云岩块等，部分砂岩洞段围岩渗水较严重。

1 开挖及初期支护施工

引水隧洞开挖直径根据支护方式不同介于9.5 m与10.3 m之间。采取台阶法开挖，上半洞对应圆心角为240°，下半洞开挖在上半洞贯通后进行。为方便车辆错车及掉头以加快出渣速度，沿洞轴线每隔200 m设置一个错车道。

1.1 常规洞段施工

天花板水电站引水隧洞根据不同地质条件采用了不同的开挖支护施工方法。

对于围岩较好洞段，采取上层240°范围全断面掘进方式，初期支护滞后约30～50 m进行，与后循环开挖施工平行作业，以加快施工进度；围岩较差洞段则采取导洞施工法，导洞先行1～2个循环，光面爆破滞后1～2个循环进行。Ⅲ类围岩单循环进尺一般为3～4.5m；Ⅳ、Ⅴ类围岩段严格遵循 “短进尺、弱爆破、勤支护”的原则，单循环进尺控制在2 m以内。

通过采取多种开挖方法，同时根据 “新奥法”施工理论，选择有利支护时间及时进行初期支护，保证了施工质量、安全及工程进度，取得了较好的工程效果。其开挖效果Ⅲ类围岩很好，光爆孔半孔率达90%以上，Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖效果稍差，但整体上仍有效地提高了施工效率和工程质量。

1.2 不良地质洞段施工

1.2.1 不良地质洞段类型

（1）含水量虽少但围岩裂隙发育洞段。该类洞段岩体受三组裂隙切割，其中水平方向裂隙与洞轴线几近平行，对洞室稳定极为不利。在开挖过程中，按照设计要求采取了超前支护。在掌子面周边布置φ32＠200～600 cm、长3～6 m的管棚，对待开挖岩体提前进行灌浆处理，然后采取手风钻造孔，弱爆破、短进尺开挖。开挖后，及时对周边围岩及掌子面实施一层3～5 cm的素喷混凝土封闭，以形成初期简单柔性支护环，同时抑制围岩的进一步风化，素喷后及时打设一定数量的系统锚杆，以尽早发挥其悬吊及支承拱作用，进一步加强围岩的稳定，同时快速进行拱架、钢筋网片及喷射混凝土施工，尽快完成所有初期支护措施。

（2）含承压水的断层、破碎带。该类围岩洞段主要开挖支护方式与前类基本相似，但是每次进尺需更短，支护需更及时，支护格栅刚度需更大。本工程就曾因支护不及时及格栅刚度不够而发生过坍塌。小的塌方可以在确保施工安全的前提下，对上部坍塌区支副拱后再回填支护，大的塌方特别是在坍塌后仍持续掉块或坍塌的，不能对坍塌下来的松渣进行清理，而要保持原貌使松渣起到临时支撑作用，以遏制坍塌范围持续扩大。本工程中在开挖至Y1+954桩号时，就曾发生过坍塌，塌方段长约8 m，初期坍塌高度超出顶拱开挖线约6 m，坍塌渣料充满洞室，通过渣料掉落发出的击地声判断顶拱一直在持续不断的掉块，始终没有稳定。

1.2.2 施工措施

（1）对松渣体表面进行较厚的素喷混凝土封闭。

（2） 在顶拱开挖线外上仰 10°～15°施打φ50＠200 cm长6 m的超前管棚，然后通过该管道对坍方体进行固结灌浆，将松散堆积体固结成整体，每排管棚间距1 m。

（3）灌浆完成后用风镐进行人工开挖以减少扰动，先挖两侧拱脚再挖中间部分，以便在中间部分开挖完成后尽快进行工字钢拱架施工，为增加拱架刚度，采用I20，间距50 cm；同时，为加强拱脚承载能力，在每侧拱脚各增加4根φ32长4.5 m的锁脚锚杆进行锚固。拱架之间用φ25钢筋连接，间距50 cm，钢筋与拱架焊接以使拱架在纵向形成一个整体，增加其承载力。在拱架与岩体之间布设钢筋网片后立即喷射混凝土形成钢筋混凝土承力拱。

（4）在塌方体开挖支护完成后，需要再次对该洞段及其上下游各10 m范围内的隧洞进行固结灌浆。特别是，顶拱部位根据塌方体高度适当增大灌浆孔深度，以确保在顶拱部位不再出现松渣区，并在钢筋混凝土承力拱外围形成一个3～6 m厚的固结圈，以确保施工期及运行阶段引水隧洞的安全。

（5）为了监控该洞段的变形，确保工程安全，在Y1+957 m桩号处设置了收敛观测断面，在塌方处理过程中每个工作班均要求进行观测，塌方处理完成后根据实际情况适当降低了观测频率。

2 混凝土施工

本工程共投入两套钢模台车，因1号施工支洞上游侧仅一条交通通道，为解决钢筋运输通道问题，故在该处投入边顶拱穿行式钢模台车，而在1号施工支洞与3号施工支洞间投入全断面液压针梁式钢模台车。

为此，王建磐教授在访谈的最后认为，现在是时候让国际同行近距离了解和分享中国的数学教育了，中国数学教育学术界也可以借此更深入地了解国际学术动态，在交流和学习中进一步完善中国的数学教育学科体系，让中国承办ICME-14成为中国数学教育崛起的良好契机．

2.1 钢模台车的安装、调试及维护保养

这两种钢模台车的构造、运行原理基本类似，均由模板、支撑行走、液压系统和电气系统等组成。钢模台车受引水隧洞的空间限制，在洞内无法直接使用吊车进行安装，只能采取在洞顶施打锚杆，焊接吊环，利用挂设的手拉葫芦作为吊装工具进行安装，针梁式钢模台车安装工作面的长度不小于60 m，洞顶离钢模台车不小于1.5 m，根据台车单件最大重量计算，每根锚杆承受的拉力不小于12 t，故采取φ28长4.5 m的砂浆锚杆，锚杆矩形布置，间排距2 m，每根锚杆通过连接钢筋连成整体，使用8 t汽车吊在洞内配合安装，台车安装时间大约为12天，边顶拱穿行式钢模台车因构造相对简单，总的质量及单件质量也较小，故安装起来相对较简单，速度也更快。

台车洞内安装完成后，需进行合模、脱模及行走等方面的调试，以确保台车运行灵活，各参数满足工程需要。

由于隧洞内一般烟尘、湿度大，工况较差，台车的维护与保养对延长台车的使用寿命、提高工作效率至关重要。因此，需要定期对台车进行维护与保养，主要项目有：各种螺栓支撑要清除积尘后涂抹黄油并紧固；定期更换液压油及卷扬机的变速箱齿轮油；对变形的模板进行修复等。

2.2 用全断面液压针梁式钢模台车作混凝土衬砌

1号与 3号施工支洞间洞段 Y1+690～Y2+514.009采用全断面针梁式钢模台车浇筑完成。钢模台车每仓浇筑段长12 m，在钢模台车前面设简易的由钢管搭设而成的钢筋安装台车，人工安装钢筋。钢筋安装按照浇筑方向逐段提前进行，底拱和边顶拱钢筋同时安装。混凝土入仓采用泵送方式，每仓面设置6个入仓口，采用人工仓内和钢模台车模板上附着式平板振动器进行振捣。顶拱混凝土强度满足设计所要求的拆模强度后，开始拆模并移动钢模台车。钢模台车单循环周期为4～5 d。

采用全断面针梁式钢模台车浇筑混凝土的施工工艺，混凝土浇筑质量良好，断面尺寸控制准确，对保证引水隧洞的工程进度和工程质量都起到了决定性作用。但该施工方法也存在以下两类通病：①受钢模台车结构强度的限制，顶拱范围混凝土浇筑厚度在施工中控制在1.5m以内，因此顶拱范围（特别是塌方洞段）难以浇筑饱满，需要后期回填灌浆将空腔灌注密实； ②浇筑过程中由于底拱范围内气泡聚集于混凝土表面，容易形成混凝土外观缺陷。因此，现场施工中采取如下施工措施予以改善，实际效果很好。

（1）为了保证台车顶拱部位混凝土回填密实，在距结构缝3 m处的顶拱部位各设置1根φ50 mm排气钢管，钢管口距岩面约10 cm，通过观察钢管出口混凝土的掉落情况可以判断顶拱混凝土是否回填密实。当顶拱坍塌区较高时，可预先埋设φ100回填钢管，将回填钢管弯曲成90°伸至顶拱塌方缺口距岩石面20 cm处，混凝土拆模28 d后，泵送混凝土进行回填，回填完毕后，将钢管割断用钢板进行封孔。

（2）为改善钢模台车底拱范围的空气排出条件，现场施工中多次试验选择了在钢模台车底拱范围设置3列排气孔 （见图1），孔口尺寸250 mm×250 mm，孔间距2.5 m，列间距1.5 m，排气孔混凝土浇筑施工中兼作振捣、观察孔，当混凝土浇筑上升到孔口时用螺栓钢板封堵，浇筑时配合仓内人工振捣平仓，同时控制两侧混凝土入仓均衡度。采取此措施后，底拱混凝土表面外观缺陷范围大大减小。少量蜂窝麻面采用高标号环氧砂浆修面后打磨处理。

2.3 边顶拱穿行式钢模台车进行洞身混凝土衬砌

1号施工支洞上游洞段采用边顶拱穿行式钢模台车进行浇筑，底拱混凝土和边顶拱混凝土单独浇筑。首先利用组合钢模先行浇筑底拱混凝土，在底拱与边顶拱交接处设置一道水平施工缝，再设置橡胶止水条。组合钢模质量轻，容易受到混凝土的挤压而产生变形；因此，需要对模板设置足够数量的拉结钢筋，弧形桁架也应该具有较大的刚度。采用分层平铺方式进行混凝土浇筑，对称进料、平仓，两侧混凝土保持同步上升，每一层浇筑厚度保持在30～40 cm，速度控制在每小时两层以内。

为便于底拱与边顶拱平行作业及各仓面的流水作业，要求底拱先于边顶拱浇筑至少4仓。当底拱混凝土达到设计强度的75%以后，在底拱混凝土上铺设工字钢行走轨道供台车移动。台车移动到待浇筑段后，调节横送油缸使模板与隧洞中心对齐，然后起升顶模油缸，顶模到位后把侧模用油缸调整到位，并把手动千斤顶及撑杆安装、上紧。钢模台车校正时，先将顶拱部分的柔性搭接与上一仓混凝土严密锁定，再进行下游模板的校正，下游侧堵头模板采用散模板拼装。台车两侧高有两层，每层各开3个窗口，用于混凝土浇筑时进人、观察及振捣。

为了保证顶拱部位混凝土回填密实，同针梁钢模台车一样在顶拱部位埋设了排气钢管。对坍塌区较高部位，采取了同样措施，埋设φ100钢管进行混凝土回填。

图1 钢模台车排气孔孔位及排气管布置

2.4 两种钢模台车的对比

（1）穿行式钢模台车自重小，行动灵活，易于操作，可以分底拱与边顶拱两个工作面平行作业，加快施工进度；但需要在底拱与边顶拱混凝土交接处设置橡胶止水，增加了一道工序；在底拱与边顶拱交接处容易形成错台，混凝土外观质量难以保证；施工干扰大，现场施工协调管理要求高。

（2）针梁式钢模台车自重大，结构复杂，不如穿行式钢模台车灵活，且受施工通道影响较大。但针梁式钢模台车立模、拆模速度快，运行效率高；混凝土整体性好，外观质量有保证。

对比这两种钢模台车，各有优劣。因此，在施工过程中应根据现场实际情况，选择适宜的台车进行混凝土浇筑。

3 工程进度

统计显示，在引水隧洞开挖过程中，单工作面高峰月开挖进度达到120 m，受塌方段影响，整体平均月进度为62 m。引水隧洞于2007年10月1日开始开挖，2009年1月22日，引水隧洞全线贯通，为后续施工赢得了宝贵时间。2010年5月30日，引水隧洞混凝土衬砌全部完成，为天花板水电站按期投产发电奠定了坚实的基础。

4 结语

（1）开挖与支护是地下洞室施工的两大工序，按 “新奥法”施工原理，必须对这两者作出统筹安排。施工中应采取合理的开挖程序和方法，为支护施工提供有利条件；同时，应选择合理的支护时间，保证开挖后围岩的稳定。 “新奥法”设计与施工、光面爆破、洞室控制爆破技术在天花板水电站引水隧洞施工中得以成功应用，保证了工期与质量。

（2）对于塌方段的处理一定要小心谨慎，不可盲目行事，首先要从地质角度分析造成坍塌的主要原因，在此基础上有针对性地采取加固处理措施，对堆积的松渣体切不可盲目出渣，以避免更大范围坍塌甚至冒顶的可能。

（3）边顶拱穿行式钢模台车与针梁式钢模台车作为水工隧洞混凝土施工的两种常见设备，其表现各有优劣，要根据具体情况选用。