沙坪水电站引水隧洞开挖施工技术

王 芹，王克生

(中国水利水电第五工程局五分局，成都，610225)



沙坪水电站引水隧洞开挖施工技术

王 芹，王克生

(中国水利水电第五工程局五分局，成都，610225)

沙坪水电站引水隧洞所处区域为西南泥岩地带，洞室泥质粉砂受地表渗水影响，围岩稳定性差，开挖技术控制难度大。为有效控制洞室开挖施工的质量和安全，在引水隧洞开挖过程中，通过不断调节和优化施工程序、爆破参数、支护形式，使洞室开挖施工取得了较好效果。

沙坪水电站 泥岩地质 引水隧洞 施工技术

1 工程概况

沙坪水电站工程位于四川雅安青衣江一级支流周公河中下游，是周公河梯级开发的第四级电站。工程地处成都市西南侧雅安市雨城区沙坪镇和周河乡境内，距成都市约168km，距下游雅安市23km。沙坪水电站水库正常蓄水位高程703m，总库容0.0286亿m3，总装机容量56MW，年发电量1.6亿kW·h，为三等中型工程。

沙坪水电站工程枢纽主要由混凝土挡水坝、右岸引水系统、地面厂房等建筑物组成。右岸引水隧洞全长5.3km，均为全圆式断面开挖及衬砌，开挖直径8.05m～8.85m。开挖一期支护形式为型钢拱架、挂网及混凝土锚喷联合支护体，洞室永久衬砌为双层钢筋和C20混凝土衬砌。整个引水隧洞施工支洞共布设3个，为城门洞形，每个施工面开挖控制范围约800m。

2 地质条件及施工难点

工程区位于川西平原西部边缘山区，地处峨眉山与龙门山接壤地带，区内岩石软硬相间，在风化等地质引力作用下，易形成单面山、条状山脊及陡崖地形。第四系松散堆积物广布于河谷两岸及河床部位，区内出露地层主要为寒武系、奥陶系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系等地层。引水隧洞基本沿沙坪背斜西侧布置，地面高程750.00m～870.00m，隧洞埋深大于30m，局部最大埋深可达190m。引水隧洞轴线与岩层走向小角度相交，揭露地层为J2S紫红色泥岩夹砂岩，岩体新鲜，围岩类别以Ⅳ类为主，所占比例约为97%，局部围岩段为Ⅲ类、V类围岩。

周公河流域属于四川盆地亚热带湿润气候区，夏季受孟加拉湾西南季风影响，带入大量水汽，加上特殊地形影响，极易形成强降雨。该流域是全国有名的暴雨区，全年降雨时段达2/3。由于洞室围岩中软泥岩占多数和层间夹层发育，总体稳定性较差，且大部洞段处于地下水位以下，岩体易风化崩解，遇水易软化，围岩稳定性低。

由于特殊的地质条件和施工要求，沙坪水电站引水隧洞开挖施工存在下述难点：(1)本工程前期地质勘探较为粗略，所提供指导施工地质详细资料较少，致使地下工程施工带来较大隐蔽性，多数洞段围岩详细情况只有在开挖至附近时才能判断确定；⑵ 由于引水隧洞开挖断面为圆形，开挖施工全断面爆破钻孔及体形控制要求较高；⑶ 工程区大部分洞段以Ⅳ类和V类围岩为主，多数洞段渗水严重，开挖爆破控制稍微不当就会造成超挖，增加后期衬砌工程量，增大施工成本，同时对洞室围岩稳定和安全不利。循环工序多，为达到及时、有效支护，每个循环中的各工序必须连续良好衔接。

3 施工技术控制

根据沙坪水电站引水隧洞地质条件，主要针对泥岩的破碎、层状及层间咬合力差、遇水易泥化特点展开施工方案拟定，施工主要应用“新奥法”思想，采用“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤观察”方法，对围岩地质较差洞段采用锚喷、钢筋网、型钢拱架联合系统进行加强支护。其开挖支护施工工序见图1。

图1 沙坪水电站引水隧洞开挖工序

3.1 地质预报技术

短期超前地质预报的距离为掌子面前方15m～30m，采用岩层岩性及层位预测法和条带状地质体影响隧洞长度预测法，同时对部分构造复杂、不良地质多发区地段进行超前钻孔探测，包括钻进速度、孔内情况、涌水量、岩芯描述等，分析、判断不良地质体的位置。其中简单常用的岩层岩性及层位预测法主要工作方法和步骤如下。

⑴ 对掌子面已揭露出的岩层进行地质编录(观察岩石的矿物成分及其含量、结构构造特征和特殊标志)，准确定名，测量岩层产状和厚度；

⑵ 测量该岩层到已揭露的标志性岩层或界面的距离，计算其垂直层面的厚度；

⑶ 将岩层与地表实测地层剖面图和地层柱状图对比，确定其在地表地层(岩层)层序中的位置和层位；

⑷ 依据实测地层剖面图和地层柱状图的岩层层序，最终推断出掌子面前方一定范围内岩层在隧洞中的位置和规模。

通过超前地址预报技术的使用，给施工建立了指导理论基础，为爆破控制及后期支护施工提供了有效的依据。

3.2 开挖施工技术

由于本工程引水隧洞开挖洞形为全圆性，考虑洞内运输通行，分上、下两层(下层预留，待引水隧洞贯通后处理)钻爆开挖，局部用人工或风镐开挖。爆破设计按“短进尺、弱爆破、少扰动、勤观察”的原则进行，采用导爆管族法联结爆破网络，导火索、火雷管起爆，导爆管传爆，毫秒微差爆破，周边孔光面爆破。

3.2.1 爆破掏槽方式

隧洞爆破开挖前期试验应用了平行直孔掏槽、楔形掏槽等方式，通过数次试验表明，平行直孔掏槽对钻孔质量要求高，作业面上的炮孔数量增加了5%～10%，效果不理想。而水平楔形掏槽对钻孔的精度要求较低，炮孔利用率高，且便于施工。最终决定采用水平楔形掏槽方式。为了提高掏槽效果，采取了以下措施：①控制炮眼孔底偏向误差±10 cm，以保证造孔质量；②为防止出现炸药受压钝化效应，避免殉爆现象，要求掏槽只装化学发泡型2#乳化炸药，而不许使用高威力的胶质炸药和钝化效应明显的珍珠岩敏化胶质炸药，掏槽孔装药按装药系数K=0.6控制。

3.2.2 钻爆施工技术

(1)放样布眼。钻眼前，测量人员用红铅油准确绘出开挖断面的中线和轮廓线，标出炮眼位置，其误差不超过5cm；

(2) 定位开眼。采用钻爆台车钻眼时，台车与排水洞轴线保持平行，台车就位后按炮眼布置图正确钻孔，开眼误差控制在3cm～5cm以内；

(3) 钻眼。钻工在熟悉炮眼布置图的基础上，能熟练地操纵凿岩机械，特别是钻周边眼，应选有丰富经验的老钻工司钻，台车下面有专人指挥，以确保周边眼有准确的外插角，尽可能使两茬炮交界处台阶小于15cm。同时，根据眼口位置及掌子面岩石的凹凸程度调整炮眼深度，以保证炮眼在同一平面上；

(4) 清孔。装药前，必须用由钢筋弯制的炮钩和小于炮眼直径的高压风管输入高压风，将炮眼石屑刮出和吹净；

(5) 装药。装药需分片分组按炮眼设计图确定的装药量自上而下进行，雷管要“对号入座”。所有泡眼以炮泥堵塞，堵塞长度不小于20cm；

(6) 联结起爆网络。起爆网络为复式网络，以保证起爆的可靠性和准确性；联结时要注意导爆管不能打结和拉细，各炮眼雷管连接次数应相同；引爆雷管应用黑胶布包扎在离一簇导爆管自由端10cm以上处；网络联好后，要有专人负责检查。

3.3 支护施工技术

引水隧洞不同围岩类别分别采用喷、锚、钢筋网、钢格栅的不同联合支护结构，Ⅲ类围岩采用喷锚支护，Ⅳ、Ⅴ类围岩采用喷锚网+钢格栅支护。由于沙坪水电站工程引水隧洞Ⅳ类围岩占很大部分，主要以Ⅳ类围岩情况叙述支护施工。其具体支护型式及项目为：钢格栅由4φ25mm主筋、φ20mm箍筋及φ20mm辅筋分5节加工制作而成，断面15cm×15cm，节间采用10mm厚A3钢板+ 4φ24mm高强螺栓机械连接，每榀钢格栅采用环向间距1m的φ25mm锁脚锚杆锁定(单根长4.5m，共19根)，榀距70cm，榀与榀间环向采用φ20mm钢筋连接，间距50cm，后期采用I18mm。系统锚杆为φ25mm水泥砂浆锚杆，L=4.5m，环间距45°，排距3m，外露50cm，顶拱270°范围内梅花形布置。钢筋网为φ6.5mm@15×15cm，拱顶90°范围布置。C20喷护混凝土厚10cm，顶拱270°范围内布置。

引水隧洞沿顶拱120°范围内设置φ50mm排水孔，孔深4.5m，每个断面3孔，排距3m。

3.3.1 锚杆施工

爆破排烟除尘，反铲清理危石、出碴完后，在设计支护区先喷3cm～5cm厚C20混凝土，再进行系统锚杆的钻孔、安装。当系统、随机、锁脚、超前等类型锚杆施工时，利用自制简易钻架平台，采用手风钻钻孔、吹孔后，注浆器注浆，人工插入或手风钻顶入锚杆。尽量将钢格栅、钢筋网等构件焊接。

3.3.2 钢格栅、型钢拱架施工

系统锚杆施工完成后，随即架立格栅钢架。钢格栅在加工厂加工运至现场人工安装，各节组装顺序为先上后下，分节组装。

3.3.2.1 在加工场按1∶1比例放样，设立1∶1胎模的工作台，分节制作，按单元试拼装后，运至现场安装。其制作要求如下：

(1)加工做到尺寸准确，弧形圆顺；焊接长度满足规范要求；焊接成型时，沿钢架两侧对称进行，接头处相邻两节圆心重合，连接位置准确；

(2)钢架加工先试后拼，检查有无扭曲现象，接头连接每榀之间可以互换，沿隧道周边轮廓误差<3cm；

(3)单元钢架经预拼装，验收合格后备用。

3.3.2.2 格栅钢架安装工作内容包括定位测量、安装前的准备和安设。其要求如下：

(1)定位测量。首先测定出线路中线，确定高程，然后再测定其横向位置；格栅钢架设于曲线上时，安设方向为该点的法线方向；安设于直线段时，安设方向与线路中线垂直；每榀位置定位准确，上下、左右偏差小于±5cm，斜度小于2°；

(2)安装前准备。运至现场的单元格栅钢架分单元堆码，隧洞进行断面尺寸检查，及时处理欠挖部分，保证格栅钢架正确安设，外侧有不小于5cm的喷射混凝土；安设拱脚或墙脚前，清除垫板下的松碴，将钢架置于原状岩石上，在软弱地段，拱脚下应垫钢板；

(3)安设。钢格栅采用自制简易钻架平台作安装平台，利用人工+手拉葫芦吊装就位，与系统锚杆焊接的方式临时固定。钢格栅与围岩间空隙，采用块石填塞稳定并加固钢格栅。钢格栅脚部设置强度高、规则的岩块垫脚，并用φ25mm、L=4.5m、环向间距1m的锁脚锚杆锁定。榀与榀间焊接纵(环)向连接筋(φ20mm的II级钢筋)，环向间距50cm，与其它金属构件焊接，形成联合的支护体系。

3.3.3 钢筋网施工

待锚杆和钢格栅施工完成后，进行钢筋网的铺设。为减少现场铺设时间，在钢筋加工厂预先加工成2m×2m的网片，利用自制简易钻架平台现场组装。钢筋网片采用焊接或拱接，紧贴岩石面展布，利用锚杆或插筋固定。

3.3.4 喷护混凝土施工

喷护混凝土细骨料为细度模数大于2.5的中粗砂，粗骨料为小于15mm的豆石，水泥用P.O.42.5普通硅酸盐水泥,配合比通过室内试验和现场试确定。配合比初拟为：水泥∶砂∶石子比例为1∶2.5∶2.5，速凝剂掺量为2%～3%，砂率为50%～60%，水灰比控制在0.4～0.5。

混凝土采用JDY350型强制式拌机拌制，5t自卸汽车将拌制好的干料运至洞内工作面。人工上料，利用简易钻架平台或直接喷射施工，喷射混凝土应自下而上螺旋式进行，避免回弹料污染受喷面。分层喷射时后一层应在前层终凝后1h内进行，否则应清洗喷射面。喷射作业应紧跟开挖工作面，混凝土终凝至下一次循环放炮时间不应少于3h。喷射混凝土终凝2h后即开始喷水养护，并且不少于14d。

3.4 不良地质段施工技术

不良地质段施工按“短进尺、弱爆破、勤量测，强支护” 原则和采取相应的技术措施施工。涌水严重洞段除采用常规支护方法外，可采取小导管双液注浆方法施工，形成阻水帷幕，以保证围岩稳定和施工安全。

3.4.1 塌方的预防措施

⑴ 勤观测。在施工过程中，随时观察和量测现场工程地质和水文地质变化情况，研究变异规律，据此拟定施工对策。在地质构造复杂、地下水丰富处，按设计要求埋设观测仪器(YST型钢丝收敛计、液力应力计、卷尺式伸长计等)，随时量测围岩变形，及时预报岩体稳定情况；

⑵ 短进尺。严格控制进尺，以保证围岩不受过分扰动和减少因爆破造成的局部应力集中；

⑶ 弱爆破。即根据炮孔布置图，采用最小装药量，控制爆破对围岩的扰动；

⑷ 强支护。利用系统锚杆(加密、加长)，型钢拱架(间距为0.3m～0.6m)，必要时采用钢管棚进行支护。

3.4.2 塌方处理

⑴ 深入现场观察研究，分析塌方原因，弄清塌方规模、类型及发展规律，核对塌方段的地质构造和地下水活动状况，尽快制定切实可行的塌方处理方案；

(2)对一般性塌方，在塌顶暂时稳定后，立即加固四周围岩，及时支护结构物，托住顶部，防止塌穴继续扩大。对于较大塌方或冒顶事故，应妥善处理地表陷坑；

(3)有地下水活动的塌方，先治水再治塌方；

(4)认真组织塌方处理专业队伍，指定有经验的专职干部领导负责；

(5)充分保证处理塌方的必须器材设备，避免中途停工。在开挖过程中如发现断层、破碎软弱夹层、溶洞、涌水、涌泥等地质缺陷，应立即报告监理工程师，共同协商处理方案和技术措施，经监理工程师批准后方可处理。

3.5 施工期临时监测

施工监测主要量测Ⅳ～Ⅴ类围岩段收敛和顶拱沉降。量测区的间距不超过30m，每个收敛量测段的测点不少于3点，围岩收敛和顶拱下沉量测原则上在同一断面上进行。量测断面的间距与隧洞长度、围岩条件、开挖方法等多种因素有关，实际量测时，按技术规范及监理工程师要求进行。量测拱顶沉降和收敛的标记到掌子面的距离不超过1m，首次量测在爆破后尽快实施。围岩的工程地质及支护情况观察、洞内地质超前预测预报，均按照相关的技术规范进行。

现场量测数据应及时整理，绘制位移～时间曲线，并分析是否正常，进而判断围岩的稳定性，并及时反馈给设计及监理，用以修改支护设计和施工，确保工程安全。

4 结语

沙坪水电站引水隧洞开挖施工，在泥岩地质条件下难度很大，为严格控制工程质量，工程上运用了短期超前地质预报技术，为爆破开挖和后期支护提供了依据。爆破采用常规技术，根据现场地质情况不断变化，优化爆破相关参数成为本工程快速施工的关键。初期支护充分利用围岩的支撑能力，在保证安全的前提下采用跟进开挖的方法，运用“新奥法”技术为本工程快速施工提供了保证，常规围岩量测技术确保了工程快速施工的安全。 结合以上快速施工技术，一些简单而常规的实用施工技术通过本工程成功应用，达到了快速施工的效果，节约了成本，保证了工期，为类似工程的中小型断面隧洞开挖积累了经验。

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