坪头水电站尾水洞开挖与支护施工

李宗荣，郑 涛，贾广辉

(1.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650051；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪头水电站尾水系统采取单机单洞平行布置方式，共设置了3条尾水隧洞，中心间距13.0m，3条尾水隧洞相邻间岩体厚度为6.80m。

尾水洞单洞长度209.40m，开挖断面是城门洞形，其中： 0+0.000～0+015.88m为尾水扩散段，开挖断面尺寸为4.3m×3.9m～6.5m×6.95m，底板开挖高程584.70m； 0+15.88～0+199.40m典型开挖断面尺寸为6.2m×6.65m(宽×高)； 0+199.40～0+209.40m为尾水锁口段，开挖尺寸为6.6m×7.05m。

2 尾水洞地质情况

尾水隧洞洞身地层岩性为震旦系上统灯影组灰白色细晶白云岩、灰色石灰岩，岩体为微风化～新鲜、弱卸荷岩体，结构较松弛，完整性差，围岩以Ⅲ～Ⅳ类为主，出口段围岩为Ⅳ类。边坡为斜顺向坡，岩体卸荷作用强烈，稳定性差。

3 工程特点

(1)尾水隧洞围岩为严重“砂化”的细晶白云岩。桩号0+0～0+23.7m洞段为灰～灰白色细晶白云岩，该层厚度大于23m，岩体以弱风化为主；桩号0+23.7～0+52.0m洞段为灰～深灰色细晶白云岩，该层厚约13m，岩体为弱风化～新鲜；桩号0+52～0+81m洞段为灰～灰白色细晶白云岩，该层厚度约13m，岩体多为弱风化～微风化；桩号0+81～0+168m洞段为灰～深灰色斑纹状细晶白云岩，该层厚度约44m，岩体多为弱风化～微风化；桩号0+168～0+213.5m洞段为灰～灰白色细晶白云岩，该层厚度约40m，风化作用较强烈。

(2)洞口为堆积体。尾水洞出口段位于强卸荷带内，围岩类别为Ⅴ类，洞顶覆盖层厚，软弱夹层与节理裂隙的不利组合会构成不稳定块体，因此确保尾水出口安全进洞是施工中的重点、难点。

(3)隧洞间岩体厚不足1.5倍洞径。①尾水洞系多条平行布设，隧洞开挖洞径较大，相邻之间岩墙厚度(6.4m)较小。尾水隧洞与上部进厂交通洞立体交叉，之间岩体厚度(8.5m)较薄，在尾水隧洞上部洞室开挖后，二次应力调整比较复杂，在洞室交汇部位会出现应力集中区和塑性区。②3条尾水隧洞相邻之间岩墙厚度约6.4m，约1.5倍开挖洞径，相邻两洞之间围岩开挖稳定问题突出。③交汇处应力集中，围岩稳定性差，连通洞与主洞交汇处跨度大。

(4)溶洞段及塌方段。桩号0+0～0+168m，该段岩体受不利结构面切割组合作用影响，在开挖过程中，局部顶拱和拱脚有掉块塌方现象，一般掉块深度30～50cm，部分掉块深度10～30cm。

桩号0+168～0+213.5m(出口)，该段岩体开挖过程中，顶拱及部分边墙掉块及塌方现象较严重，一般掉块深度1～1.5m，部分掉块深度0.5～1m。

(5)地下水。开挖与支护平行交叉作业，对地下水渗水和施工用水的及时抽排，确保围岩的稳定和安全，是施工的重点之一。

4 施工方法

4.1 进洞方法

尾水隧洞出口591.30m高程向S307省道平移，占1/2 S307省道做尾水出口平台。平台用石渣填筑，向上游方向降坡至省道路面，长50m，降坡10%，采用石渣回填路面，S307省道向河道平移5m采用石渣直接回填成路面。省道改造要求满足尾水隧洞施工条件及省道的通行条件。改造公路承担尾水隧洞及出口边坡开挖出渣、支护材料等运输。

开工后，尽快修建尾水施工道路进入尾水隧洞出口，完成高程591.30m以上边坡开挖支护、进洞锁口支护。

进洞开挖采取跳洞开挖方式，先开挖1号、3号尾水隧洞，掘进30m以上后，再开挖2号尾水隧洞。

4.2 洞内砂化围岩洞段处理方法

(1)尾水隧洞施工程序。尾水隧洞开挖施工采取跳洞开挖，先进行1号、3号尾水隧洞，再进行2号尾水隧洞开挖，尾水出口10m(0+209.4～0+199.4)开挖结束后衬砌混凝土跟进，待混凝土施工完成后再继续开挖掘进。尾水隧洞主要以Ⅴ类围岩为主、局部Ⅳ类围岩，在此种条件下的开挖必须严格按“新奥法”原理施工，采用“短进尺，弱爆破，强支护，勤测量”的方式开挖，严格控制单孔装药量，尽量减少对围岩的拢动开挖程序。

尾水隧洞洞身段采取手风钻全断面开挖。对洞口段10m范围，采用短进尺、多循环、弱爆破，一般进尺为1.5～1.0m；进洞前做好洞口锁口锚杆及超前固结灌浆的支护，进洞后根据不同的围岩类别、不同的结构条件选择不同的支护方式进行加强支护，以防止爆破震动造成洞顶山坡和洞口岩石发生震裂、松动和塌方。进洞10m以后，根据各断面形式，采用不同的开挖方法、尾水隧洞开挖工艺。

根据前期地质资料勘探结果，尾水隧洞地质条件极差，岩体强度基本丧失，在此地质条件下施工，为保证洞室的稳定及施工人员的安全是施工的重点，故开挖断面增大20cm,以便开挖后及时进行钢格栅支护，避免出现钢格栅侵占结构线。若洞室开挖后自稳能力强,岩石完整性较好，可以满足洞室成型要求,支护方式采用锚喷支护。

开挖采用手风钻造孔施工，开挖进尺挖制在200～250cm之间，每一开挖循环完成后，对开挖出露岩面较破碎的边顶拱进行喷5cm的C20素混凝土进行封闭，再按“钢格栅→锚杆→挂网→喷混凝土”的顺序组织支护作业。在进行下一循环开挖作业前，在起拱以上环向支护一排φ25、L=450cm@30cm的超前锚杆，超前锚杆入岩400～430cm,开挖断面扩大20cm布置钢格栅。避免钢格栅侵占混凝土结构线。

在开挖过程中如地质条件不能满足以上进尺，则调整洞室开挖排炮造孔深度至100～200cm，预进尺100～150cm，爆破孔孔径φ50mm，平均炸药单耗约1.16kg/m3。周边采用光面爆破，减少因爆破作业对围岩的损害。

根据设计图纸尾水隧洞位于进场交通洞正下方，交叉重叠，其间最薄的设计岩石厚度等于850cm，而该部位岩石强度基本丧失、自稳能力差，对该部位需进行加强支护。

(2)支护施工。洞室支护按新奥法原理进行施工，对设计支护段及时跟进支护。必要时，加设随机排水孔、引水盲材、固结灌浆、钢筋格构架等方法加强支护。隧洞支护施工程序：

①能满足洞室成型段支护施工程序：

开挖结束→围岩安全处理→锚杆→钢筋网→喷混凝土→支护验收

②不能满足洞室成型段支护施工程序：

开挖结束→围岩安全处理→钢格栅→锚杆→钢筋网→喷混凝土→支护验收

锚杆施工：主要采用手风钻造孔，机械注浆，人工安装。砂浆锚杆采用Ⅱ级螺纹钢筋，按边墙采用“先注浆后插杆”、顶拱采用“先插杆后注浆”的程序施工。顶拱先插杆后注浆的锚杆上仰孔钻孔直径应大于锚杆直径25mm以上，且增加一根较小的排气管(φ8mm硬质塑料管)。排气管用胶带固定在钢筋上，进浆管插在孔口，钢筋、进浆管、排气管都插入孔内后，孔口用速凝水泥砂浆或锚固剂封堵，待凝固后开始注浆，注浆至排气管回浆。将进浆管、排气管对折用铁丝扎紧。岩层破碎洞段造孔施工中，在孔的成形较差或不能成形、无法安装锚杆的情况下，将沙浆锚杆替换为自进式锚杆，其余支护参数不变。钻孔孔位、角度、深度、孔径严格按照设计图纸及规范要求进行，严格控制钻孔质量。

挂钢筋网、喷射混凝土施工：挂网钢筋采用人工配合平台车进行安装。洞室系统喷射混凝土支护设计为素喷混凝土。混凝土标号C20，厚5cm。若是在砂化严重部位增设钢格栅，喷混凝土标号为C25，厚25cm，喷混凝土要求盖过钢格栅1～2cm。

钢格栅施工：钢格栅在洞外加工制作，由运输车运至洞内，洞内用人工安装到作业面。钢格栅焊接应符合焊接规范要求，锁脚锚杆、超前锚杆、钢格栅附件、钢筋网与工字钢焊接成整体。尾水隧洞洞身段为全断面开挖，钢格栅一次安装，锚喷支护到位。

(3)灌浆施工：尾水隧洞进口布置两排超前固结灌浆孔，造孔采用XZ-30钻机、CIR70风动冲击器及φ76钎头，由内圈至外圈顺序施工；灌浆采用TTB200/12高压灌浆泵进行灌注，灌浆压力采用0.5～1MPa，架管用作射浆，前部加工成锥形并钻花眼。其他部位固结灌浆采取分区、分片、分强度进行施工。

4.3 隧洞间岩体厚不足1.5倍洞径条件下的施工方法

原则上采取间隔分序控制爆破开挖，相邻隧洞开挖作业面间隔距离不小于30m，除采取合理的开挖程序、控制爆破措施外，同时考虑隧洞交叉处结构加强支护、加强衬砌等措施，并根据围岩变形监测数据的反馈，动态优化施工方法。

4.4 溶洞及塌方段处理方法(见图1)

受岩溶地质条件影响，施工过程中出现不同程度的塌方现象，直接威胁尾水洞的开挖安全。针对不利影响，此部位支护应与加强，具体方法为：

(1)对塌方段基岩面进行素喷C25混凝土5cm安全封闭。

(2)架设钢格栅，间距比已施工的钢格栅间距小；以已施工的钢格栅形成的防护拱作为安全屏障；单榀钢格栅架设完成后进行锁脚锚杆、连接筋及钢筋网的施工，完成后再进行下一榀钢格栅的施工；最后一榀钢格栅与开挖面间预留55cm的安全距离；塌方段处理完恢复开挖作业前，在开挖掌子面沿开挖设计顶拱圆弧段外布置一排超前锚杆，超前锚杆参数：φ25mm、L=4.5m、@30cm。

(3)钢格栅顶部加设副拱直抵塌方基岩面，副拱间距1.0m。

(4)钢格栅锁脚锚杆φ25mm、L=3.0m，间距1.0m，外露50cm，与钢格栅进行弯钩焊接；采用φ25mm钢筋连接，间距20cm；上层覆盖φ6.5@15cm×15cm钢筋网；顶拱范围喷C25混凝土25cm；边墙采用模喷至设计线。

(5)顶拱范围预埋3根φ50mm灌浆管，分别深入塌方空腔50cm、150cm、最高点，外露50cm。

(6)清除已施工的钢格栅顶部的塌方散落体。

(7)塌方空腔段灌注M7.5砂浆，按预埋的灌浆管由短至长分三次灌注砂浆50cm、100cm直至注满，每次灌注需待强至75%设计强度后再进下一次的灌注。

4.5 地下水的处理

图1 尾水洞塌方段处理方案示意

根据地质情况及现场实际施工情况，在开挖过程中底部及顶拱有细股水渗出，局部部位渗水比较严重，制约着开挖的进程。鉴于此，开挖过程中除设系统排水孔以外，对出露较大的渗水点及时增设引水盲材钻随机排水孔。尾水隧洞开挖支护施工弃水及地下水，采用潜水泵抽至集水坑，通过排水管排水系统排除洞外。

4.6 施工结果

坪头水电站尾水洞2008年开始施工，2009年初开挖完成，经历了一年多的时间，克服了多重困难，按时按质完成了工期计划，为整个电站的有序施工奠定了基础。

5 结束语

坪头水电站尾水洞虽是在极其不利的条件下开挖，但经过科学组织、周详安排、合理资源配置，出色地完成了开挖任务。结合坪头水电站尾水洞开挖情况，需特别注意以下几点：

(1)在强烈砂化岩体下，应合理灵活地选用支护型式，合理布局开挖方式，做到开挖高效；

(2)在开挖洞口为堆积体情况下，做到选取合理的进口方式，正确处理洞口的堆积体，避免对进一步的洞内开挖造成影响；

(3)对3条洞室平行开挖中出现的隧洞间岩体厚度不足的实际问题，加强对开挖造成的安全以及质量隐患的处理；

(4)在岩溶发育地质情况下出现的涌水问题是制约开挖进度以及影响安全的不利因素。问题处理的关键在于高效、快速、经济，最大程度节约成本，达到互利双赢。