甲米河一级水电站引水隧洞后段开挖施工

刘世燕，周 杰

(中国水利水电第九工程局有限公司，贵阳，550081)

1 工程概述

甲米河一级水电站位于四川省凉山州盐源县盐塘河干流甲米河上，系具日调节功能的引水式电站，电站装机3×12MW，设计水头90m，设计引用流量45.45m3/s。电站枢纽建筑物由首部枢纽、引水系统、厂区枢纽三部分组成。

引水隧洞接进水口，沿河道右岸下穿山体到厂区后坡调压井;隧洞全长1159m(至调压井中心)，首端底板高程 2146.65m，末端底板高程2127.57m;隧洞设计纵坡为1.725‰。引水隧洞开挖断面为马蹄形，上半圆直径为6.2m，下半侧拱半径为6.2m，底板为平底，底宽4.36m，隧洞高6.35m。本标施工引水隧洞后段，围岩岩性以杏仁状玄武岩为主，裂隙发育，囊状风化普遍，岩体呈散体状，或碎裂状，地下水量丰富。在10+915m～10+395m、7+655m～7+424m桩号段揭露出较大涌水，在8+587m～8+420m桩号段开挖揭露出断层泥。断层泥以黄土或黄沙土为主，结构松散，自稳极差，遇水软化，经车辆碾压后成为稀泥，开挖难度大，安全隐患突出，开挖过程中出现多次塌方。

2 施工布置

2.1 道路布置

场外道路:施工对外交通利用盐泸旅游公路(S307省道)。

场内道路:业主已施工进场道路至4#、5#施工支洞，从施工支洞至引水隧洞工作面。

2.2 风水电布置

2.2.1 施工用电。分别在4#、5#施工支洞附近安装一台变压器(630kVA)，从变压器低压侧搭接，采用VV－1KV－(3×300+1×150)、VV－1KV－(3×75+1×20)绝缘线通过配电箱接出并引至各施工场面，洞外采用220V照明线路，洞内采用36V照明线路。洞内施工用电采用380V/220V三相四线制，洞内动力设备供电应采用三相380V。

2.2.2 施工供水。4#、5#施工支洞控制段施工用水均从支沟筑挡水埂，用7.5kW潜水泵抽至水池内(50m3)，用DN80钢管接至洞内工作面附近，再用塑料管(φ50mm)接至洞内作业面。

2.2.3 施工供风。分别在4#、5#施工支洞口附近安装两台空压机(20m3/min)，采用钢管(DN125)接至距掌子面30m处，再用φ50mm皮管接至工作面。

2.2.4 施工通风。在5#施工支洞口布置1台、4#施工支洞口布置 2台轴流式风机，接φ1000mm橡胶风带至洞内距掌子面30m。在引水隧洞内隔500m布置一台轴流式风机，作为接力风机。风机采用正压式通风，爆破后洒水降尘。

2.2.5 施工排水。4#、5#支洞向上游为顺坡洞，在顺坡洞段左侧开挖排水沟(30cm×30cm)，开挖过程中揭露出较大涌水，排水沟加深至60cm，加宽至50cm。4#支洞向下为反坡洞，在左侧开挖排水沟(30cm×30cm)，并每隔200m开挖一积水坑(200cm×100cm×150cm)，用3kW潜水泵抽排至支洞排水沟内，自流至洞外。

2.3 弃渣规划

为了合理利用机械，出渣采用ZL50侧铲装载机装渣，5t自卸汽车出渣。由于该隧洞开挖断面较小，需开挖回车洞和装车道。为了减少出渣时间且减少挖填工程量，每隔70m开挖一个装车道，300m开挖一个回车洞。装车道长12m，将腰线弧形边墙改为直墙，开挖宽度有6.2m，可以错车装渣，回车洞为“丁”字城门洞型，长5m、宽4m、高4.5m，边线为半径不小于2.5m弧形过度。

弃渣场在距各支洞口约1.0km的4#、5#弃渣场，每轮弃渣后，须采用装载机推渣平场。通过增加装车道、回车洞等措施，每轮炮出渣时间为3～6h(循环进尺按2.5m计，出渣量约110m3)。

3 Ⅲ类围岩开挖爆破施工

3.1 开挖方法

甲米河一级电站引水隧洞开挖断面尺寸小，采取全断面开挖，循环进尺控制在2.6m左右。

开挖工序流程:测量放样→钻孔→装药连网→移出台车及管线→爆破→通风排烟→安全找顶→出渣→欠挖补炮处理或进入下一循环。

根据本工程特点及进度要求，该隧洞开挖采取全断面钻爆法开挖施工，采用手风钻(YT－28)造孔，钻孔操作平台采用工字钢(Ⅰa16)焊成台车，台车用装载机移动就位。爆破通风排烟完成后，将边顶拱上破碎块体撬除，对局部破碎存在裂隙岩体，采用随机锚杆锁住，并素喷混凝土封闭裂隙。

3.2 爆破设计

根据本工程隧洞断面小，Ⅲ类围岩洞段以中风化玄武岩为主，玄武岩硬度大，带脆性，可爆性较好，围岩裂隙较发育，地下水丰富等特点，隧洞开挖采取全断面钻爆法。手风钻造孔，孔径42mm，孔深2.8m～3.2m，为控制隧洞周边轮廓线成型质量，避免欠挖，并尽量减少超挖量(超挖控制在15cm以内)，洞室周边布置光爆孔，孔距控制在45cm左右。为保证每排炮爆破效果，中部采用直孔掏槽，孔深超深崩落孔20cm～30cm。同时，为减少大块率、便于出渣，崩落孔孔距控制在1.0m以内。炸药为2#岩石乳化炸药，网路采用簇联方法串并联起爆，非电毫秒管延时，火雷管引爆。爆破参数见表1。

表1 爆破设计主要技术参数

3.3 实施效果

施工过程中，通过严格控制周边孔间距、装药量及孔内装药间距，爆破效果较理想，尤其是顶拱，半孔率在90%以上;边墙受围岩裂隙影响及马蹄形断面限制，成形较好，但半孔率稍差，不足50%。

由于本标段隧洞地下水丰富，并且大多位于顶拱，钻孔过程中呈柱状倾泄，增大钻孔难度，钻工为了减少钻孔数量，常采用“八”字型斜孔掏槽，但掏槽效果稍差，且会出现大块径炮渣，对顶拱和底板爆破效果影响不大，边墙成形效果不是很理想。

我部在开挖9+985m～10+023m桩号段时，遇到围岩(玄武岩)硬，且较棉，可爆差极差，曾采用直孔掏槽和斜孔掏槽，爆破效果均不理想，循环进尺还不足1.0m，组织了技术管理员和炮工分析研究，拟采取直孔兼斜孔双掏心方式进行掏槽，爆破效果有所提高，但循环进尺也只有2.0m(钻孔深3.0m)左右。

为加快Ⅲ类围岩洞段开挖进度，我部通过加强现场管理，精心组织及增加资源、回车洞和装车道等措施，4#支洞控制段向上游Ⅲ类围岩开挖最快曾达180m/月，一般为 130m/月～160m/月，5#支洞控制段Ⅲ类围岩开挖一般为140m/月～150m/月。

4 涌水处理

4.1 开挖掌子面裂隙涌水处理

本标段在引水隧洞开挖过程中揭露出较大涌水，涌水主要为裂隙水，与含水带相通，主涌水点始终在掌子面顶拱，涌水量在204m3/h～220m3/h，涌水经过一段时间后，由顶拱降至底板。由于开挖时涌水位于顶拱，在钻孔过程中，从孔内涌水射程约3.0m，增加了钻孔装药难度，对爆破效果影响较大，每轮炮钻孔3.0m，而进尺不足1.0m，且超欠挖严重。主要采取如下措施:

(1)加宽加深排水沟。揭露出的涌水较大(超过200m3/h)，涌水发生突然，洞内外排水沟(30cm×30cm)不能满足过流要求，用挖掘机配合人工对排水沟进行加深至60cm、加宽至50cm;

(2)掌子面设置排水孔。每次钻爆前先钻三个排水孔(孔径50mm深6m)，将涌水进行导排，并释放内水压力。在已开挖洞段顶拱涌水处，施工排水孔(孔径 50mm深 6m)，用 PVC管(φ50mm)沿边墙引至排水沟内。顶拱及边墙部分散水，采用溜槽(1m×2m)集中引排至洞内排水沟;

(3)固定药卷。装药采取将乳化炸药绑在钢筋(φ12mm)上(最先采用竹片，由于竹片在涌水孔内很难装进去，后改为钢筋)，再将炸药送入孔内;

(4)设置放水挡板。由于涌水面积及流量大，采用防水板沿整个开挖断面铺设，将涌水引排至边墙排水沟，便于喷混凝土施工。并在防水板内每隔1m埋设一塑料盲沟，用于喷混凝土后形成涌水通道;

(5)加强劳保着装。在施工中为了保护施工人员的安全及身体健康，对施工作业人员进行了安全防护，购买防水服及防水鞋进行防水。

4.2 4#支洞与引水隧洞交叉口涌水处理

4#支洞在开挖过程中揭露出较大涌水横穿引水隧洞，涌水量较稳定(约300m3/h)。4#支洞与引水隧洞交叉口围岩为凝灰质角砾岩，长期受水浸蚀，围岩极为破碎，尤其是涌水部位以上，均为大孤石夹泥，自稳性较差，加上涌水较大，该交叉口开挖支护难度非常大，安全风险极大。我部多次对4#支洞交叉口处涌水及揭露出的围岩进行研究、分析，采取先治水，后开挖的方案，具体施工方法如下:

(1)采取先开挖涌水导洞，穿过引水隧洞3.1m，并对涌水导洞采取钢格栅拱架结合挂网喷锚支护，然后按垂直于引水隧洞轴线方向立钢格栅拱架结合挂网喷锚支护，待支护完成后方可进行引水隧洞上、下游方向开挖。开挖前必须将开挖范围内的喷混凝土用风镐凿除，用焊机割除格栅架立柱，并进行超前锚杆(Φ25@30cm，L=4.5m，外露50cm)支护。超前锚杆必须与钢格栅拱架焊接牢固。为了确保安全，先向上游开挖，循环进尺不超过1m，并及时进行钢格栅挂网喷锚支护，待上游方向开挖支护超过4#支洞边线约5m后，再进行下游方向开挖;

(2)为便于涌水引排，在现涌水洞口采取锁口锚杆，并浇筑C20混凝土明拱。在现涌水洞口开挖集水坑(长约2m，宽1.5m，深2m)，与引水隧洞相交位置采取预埋排水管(φ600mm×8)，将涌水引至4#支洞排水沟内。沿层面的部分渗涌水，采取开挖排水沟，将渗涌水引排至集水坑内。

5 断层泥洞段开挖支护

4#支洞控制段向上游开挖，揭露出断层泥，严重影响施工进度，采取了如下主要施工措施:

5.1 断层泥段以黄沙土为主，结构松散，自稳极差，开挖时只对顶拱以下进行钻孔爆破，并在边墙预留80cm～100cm厚自然塌落层，以减少塌方后超挖过大。爆破后采用挖掘机(XD－90/7)修边找顶，直到满足设计开挖断面为止。开挖完成后，及时对边顶拱素喷5cm厚的C20混凝土封闭开挖面，防止塌方。素喷完成后，用装载机出渣。出渣完成后，及时立拱架(间距60cm～100cm)，施工超前锚杆(Φ25L=4.5m@30～40cm)及挂网喷锚支护;

5.2 由于断层泥受水浸泡后软化，很快就成为稀泥，尤其是在底板，经施工出渣车辆碾压，稀泥层厚度可达50cm～60cm，不仅增加了施工难度，影响施工进度，同时还会导致拱架脚基础变软下沉，带来了较大安全隐患。为确保施工安全，在每茬炮出完渣后，采用装载机清除底板淤泥，再从4#渣场用装载机装石渣换填;

5.3 为了确保施工安全，避免在断层泥洞段开挖后出现变形及大范围塌方，采取将底板向下开挖加深1m，左右边墙底部浇筑地基梁(地基梁必须顶住已立拱架脚)，并在右侧地基梁混凝土上设置排水沟(30cm×30cm);每隔4.8m设一根联系梁(仰拱)，联系梁之间采用石渣回填，联系梁钢筋深入地基梁，并与地基梁一同采用C20混凝土浇筑。地基梁跳仓浇筑按3m一仓分缝，浇筑完后及时回填，防止拱脚受力不均失稳(详见图1)。为了不影响开挖施工进度，需在新浇筑的联系梁混凝土部位用工字钢(Ia20)架设临时栈桥作为是施工通道，待混凝土达到龄期后再拆除;

5.4 断层泥段开挖至8+458m～8+456.5m桩号，在出渣过程中，顶拱出现塌方，塌方桩号为8+457.5m～8+450.8m，坍塌超过设计开挖线高度约5.0m，塌方面形成约1∶0.7的坡，塌方量约120m3，致该部位的超前锚杆被压弯。经现场踏勘分析，塌方是由于该断层泥段围岩为黄沙土，自稳极差，且在该段顶部有一滑移面，因黄沙土粘结力小导致滑移坍塌。我部根据断层泥及塌方情况，采取支护方案如下:

(1)用装载机作为施工平台，先对塌方段进行素喷5cm～10cm厚的C20混凝土。施工人员严禁站在塌方范围内。

(2)塌方段采用标准格栅拱架加副拱结合挂网喷锚支护，副拱必须顶紧围岩面，副拱与主拱间采用钢筋Φ25@1.0m)焊接成整体，拱架间距为60cm，锚杆尺寸为 Φ25mm、L=4.5m@1.0m，钢筋网为φ6.5mm@20×20cm(详见图1)。

(3)支护从外向里依次进行，开挖出1榀拱架距离及时跟进拱架支护。标准拱架顶拱部位的网片，须待副拱喷混凝土后进行施工，标准拱架与副拱间混凝土采取立模喷实，待塌方段空腔喷实后方可进行开挖施工。

图1 断层泥段(塌方)支护示意

6 结语

甲米河一级电站引水隧洞地质条件复杂，开挖揭露出的围岩较差，地下水丰富，增加了开挖施工难度，安全风险较大。通过采取增加回车洞，优化爆破参数，增加资源配置，积极、主动、科学地处理涌水及不良地质洞段，用了420天完成3898m隧洞开挖(单个工作面长1500m)，单个工作面平均开挖进尺3.6m/d，最高月进尺达180m/月，提前实现隧洞贯通目标。