涔天河水库导流洞开挖施工优化

徐　超

（中国水利水电第十一工程局有限公司　河南　郑州　450000）



涔天河水库导流洞开挖施工优化

徐超

（中国水利水电第十一工程局有限公司河南郑州450000）

摘要涔天河水库扩建工程导流洞具有开挖成型断面大，洞身穿越段围岩地质条件复杂、成洞条件较差，且工期紧等特点，经过多次施工方案的研究论证，优化了施工方案措施，为完成施工任务奠定了良好的基础，同时保证施工质量、安全和效益。

关键词涔天河;导流洞;开挖方案;优化

1.工程概述

湖南省涔天河水库扩建工程坝址位于湘水支流潇水上游雾江段，坝址位于永州市江华瑶族自治县东田镇境内，下距东田镇和江华县城分别为3km和12km。本工程是以灌溉、防洪、向湘江下游长株潭河段补水为主，兼顾发电、航运等综合利用的大型水利水电工程。水库正常蓄水位为313.0m，总库容为15.1亿m3。枢纽工程由钢筋混凝土面板堆石坝、1#泄洪洞、2#泄洪洞、放空洞、发电引水洞、电站厂房和灌溉渠首工程等主要建筑物组成。

本工程导流洞与2#泄洪洞组合。导流洞与2#泄洪洞部分结合，布置于同一个纵剖面上，全长845m，坡比2%，其中非结合段长161m，衬砌后断面尺寸为12m× 12.5m（宽×高）。进口底板高程238.8m，进口前留高程为247.0m的岩埂；出口底板高程224.5m，出口设有挑流鼻坎。洞身采用钢筋混凝土衬砌，根据围岩情况，衬砌厚度0.5m～1.5m。

2.工程地质情况

导流洞进口地形较陡，基岩为D13岩组中厚、厚～巨厚层状粉砂岩、细砂岩夹石英砂岩。岩层产状走向与洞轴线交角40°。断层、节理不发育，岩石呈强风化状态，边坡稳定性较好。出口地形较陡。基岩为中厚～厚层状石英砂岩，砂岩夹粉砂岩、含砾石英砂岩与细砂岩，强风化状态。

洞身斜切6条断层。断层部位属Ⅳ类围岩，其余属Ⅲ1～Ⅱ类围岩。洞身Ⅲ1～Ⅱ类围岩稳定性较好，但断层附近Ⅳ类围岩，其稳定性较差。尤其是F27和F1断层规模较大，破碎带、影响带较宽，位于地下水位以下，存在掉块、塌方、渗水或涌水等问题。

主要工程地质问题：（1）断层部位Ⅳ类围岩，其稳定性较差，将存在掉块、渗水等现象。F27和F1断层规模较大，位于地下水位以下，将存在掉块、塌方、渗水或涌水等问题。（2）洞身Ⅲ、Ⅳ类围岩中，由于层面较缓，在与断层或节理的组合下，可能存在局部掉块或楔形体坍塌问题。（3）隧洞出口和明渠右侧深切方，边坡高度达90m～100m，由层面与节理和节理与节理均构成不稳定楔形体，边坡稳定较差。（4）隧洞出口位于16号冲沟，集雨面积约1.5km2，冲沟内溪流长年不断，溪流和暴雨对出口边坡和明渠的施工和运行均有影响。

3.导流洞开挖特点

涔天河水库导流洞开挖的特点为：

①导流洞和2#泄洪洞开挖成型断面大，根据设计图纸，导流洞洞身开挖断面设计为城门洞形，根据围岩类型及使用工况不同，开挖断面（宽×高）为13.2m× 13.58m～14.42m×14.98m不等，开挖断面面积在159.5m2～186m2之间，均属大断面平洞开挖。

②导流洞和2#泄洪洞洞身穿越段围岩地质条件复杂、成洞条件较差。

③洞室地下水位大多高于隧洞顶部，承压水严重威胁着地下洞室的开挖安全，必须做好超前预测预报，采取有效的预防措施，用“排、堵、截、引”的综合治理措施。

④在隧洞进、出口及洞身Ⅳ、Ⅴ类围岩与不良地质洞段提前做好超前支护，在进、出洞口二倍洞径的洞段范围内需采用“短进尺、弱爆破、强支护”的开挖方式进行开挖。

4.施工技术优化

4.1施工通道优化

原设计施工支洞将原引水洞0+727.6～0+706.35段压力钢管割除，形成通道后进入引水洞，由于0+727.6～0+706.35段压力钢管为下弯段，割除上半部钢板后的压力钢管管口长度约14.14m，因此需要制作14.14m×3m的钢支架并在上面铺设花纹钢板作为通过桥以便通行。进入引水洞后经引水洞至引0+295桩号，开挖施工支洞至泄洪洞0+235桩号，由此形成施工支洞道路。

根据现场实际，对导流洞施工支洞进行优化：沿右岸EL228河边道路，至右岸电站引水洞原施工支洞口，将原引水洞施工支洞打通，经引水洞至引0+200桩号，开挖施工支洞至泄洪洞0+140桩号处，该道路用于设备通行、出渣、通风排烟、管线布置等。

优化后从支洞口经原引水发电洞至主洞长约520m，断面尺寸不变。通过优化，满足了导流洞开挖强度高，开挖运输车流量大，出渣强度高的需要，缩短了运距，提高了开挖阶段出渣效率。同时作为导流洞下半洞开挖支护及混凝土衬砌的施工通道，增加了工作面，减少了施工干扰，是开挖施工与混凝土施工可以错开同步进行，加快了施工进度。导流洞施工支洞布置见图1。

4.2施工程序优化

导流洞开挖原方案为：在泄洪洞桩号0+220.0m处设置一条施工支洞，主要解决在导流洞和2#泄洪洞进口和出口边坡开挖、支护施工期间导流洞和2#泄洪洞主洞开挖支护施工不受影响。在施工支洞完成后，进行导流洞和2#泄洪洞上下游两个作业面主洞开挖支护施工。在2#泄洪洞进口边坡开挖、支护完成后，进行部分2#泄洪洞出口主洞开挖支护施工。在导流洞和2#泄洪洞主洞上半部分开挖完成后，同时从进口和出口两个方向进行主洞下半部分开挖支护施工。

由于通风散烟困难，钻孔及出渣机械设备、爆破产生的废烟、废气不容易排除，工作面停止等待排烟、排气时间长，开挖循环进尺缓慢，工作效率低。经过研究对导流洞开挖方案优化：先从支洞和0+664出口两个方向进行中段（0+664.5～0+140）上半洞开挖，贯通后从支洞向上游方向进行主洞开挖，同时对中段下半洞进行开挖。尽管中段下半洞开挖增加了一次风、水、电系统移设，但是加快施工进度，改善了工作环境，提高了工作效率，取得了很好的经济效益。

图1　施工支洞布置关系图

4.3开挖施工技术优化

为方便洞挖施工，确保洞室开挖安全，洞室开挖分为上、中、下三层进行施工。其中上层采用“手风钻水平钻孔、一次爆破成型法”进行开挖；中层相当于槽挖，采用“液压钻机（或潜孔钻）垂直造孔、深孔预裂＋梯段爆破法”进行开挖；下层相当于底部保护层开挖，由手风钻水平钻孔进行开挖。洞室开挖遵循“开挖先行、支护跟进”的原则，其中Ⅱ、Ⅲ类围岩段支护滞后开挖不超过50m，而Ⅳ、Ⅴ类围岩段则做到开挖一段、支护一段，即前一茬爆进尺未支护前不进行下一茬爆破作业。

钻爆设计采用“手风钻+潜孔钻+液压钻孔相结合”的分层钻孔爆破法进行开挖，其中上层开挖采用单层垂直楔形掏槽法，水风钻水平钻孔一次爆破成型，周边轮廓线由光面爆破技术进行控制，同时，为保证中、下层边墙预裂孔造孔，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩段上层开挖时两边墙各超挖20cm；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩段中下两侧边墙采用改进型潜孔钻机造孔、一次预裂爆破至隧洞底板，预裂爆破在上层开挖支护完成后即可进行，不占直线工期；中层中间爆破区采用液压钻机垂直造孔，采用深孔梯段微差爆破法进行开挖；下层及Ⅴ类围岩段中层两侧保护层采用手风钻水平钻孔，采用光面爆破法进行开挖。

上层开挖根据类似工程中的施工经验并结合导流洞所处地层的地质资料，光面爆破孔采用φ25mm×100g型2#岩石乳化炸药间隔不耦合装药，不耦合系数为1.6，导爆索起爆；爆破孔采用φ32mm×150g型2#岩石铵梯炸药连续耦合装药（底板孔及炮孔中有山体裂隙渗水时采用φ32mm×150g型2#岩石乳化炸药），毫秒延期导爆管雷管微差起爆，每循环计划进尺2.0m～3.0m。其中循环进尺及单位炸药消耗量Ⅱ、Ⅲ类围岩段取大值，Ⅳ、Ⅴ类围岩段取小值；为了减少爆破震动对围岩的稳定性影响以及更好地控制超欠挖量，泄洪洞上层开挖爆破的最大单响药量应控制在30kg以内。下层开挖主爆孔采用φ70mm×1500g型2#岩石乳化炸药连续装药，毫秒延期导爆管雷管微差起爆。为了减少爆破震动对围岩的稳定性影响以及更好地控制超欠挖量，泄洪洞中层深孔梯段爆破的最大单响药量应控制在80kg以内，下层手风钻浅孔爆破时最大单响药量应控制在30kg以内。

4.4不良地质洞段开挖

根据相关的地质资料，导流洞和2#泄洪洞贯穿5条断层带，断层部位Ⅳ类围岩，其稳定性较差，将存在掉块、渗水等现象。其中F27 和F1断层规模较大，位于地下水位以下，将存在掉块、塌方、渗水或涌水等问题。在开挖施工过程中，除严格按照“新奥法”施工工艺进行施工外，在F27和F1断层Ⅳ、Ⅴ类围岩段开挖时，还细化分层、分区施工工艺，采取必要的超前的围岩固结灌浆处理、超前支护等措施，如超前锚杆、管棚、小导管等，以形成稳定的拱圈；同时在每茬爆破后，及时、保质、保量地按照设计图纸进行钢支撑等支护形式的加强支护。在不良地质洞段开挖支护前，通过监测监控、预测预报等各种措施，并辅以超前勘探孔和岩芯取样，切实掌握断层及破碎带的宽度、填充物、地下水以及隧洞轴线与断层构造线的组合关系，根据施工方法和设备条件选择通过断层地段的施工措施，并遵循“短进尺、弱爆破、强支护、少扰动、早封闭、勤量测”的原则进行施工。

5.方案优化实施效果

5.1进度方面

受工作面移交、岩石条件变化较大、电源等外界因素影响，实际施工工期较进度计划滞后约60天。在各种施工干扰仍然存在的情况下，通过对开挖方案的优化，缩短了出渣运距约350m，并增加了工作面。

5.2质量和安全方面

由于洞室岩石条件变化大，通过对钻孔爆破技术的优化和不良地质洞段施工方法的优化，采用分层开挖施工，通过锚杆对边顶拱的岩石锚固支护和破碎岩体的注浆固结，改善了破碎岩体的均匀整体性，提高了围岩的自身承载能力，确保了洞体的稳定和安全，保证了隧洞开挖施工的顺利进行。

5.3施工成本方面

通过对施工通道、施工程序的优化，增加了施工工作面，加快施工进度，降低了工程费用，经测算，优化后的施工费用比优化前降低约5.22%。

6　工程实践总结

工程实践证明了施工方案的优化是科学的、合理的,总结可供借鉴的经验如下:

（1）施工方案优化主要通过对施工方案的经济、技术比较，选择最优的施工方案，达到加快施工进度并能保证施工质量和施工安全，降低消耗的目的。

（2）根据掌子面揭露围岩具体情况适时调整开挖方案、爆破参数等相关内容，达到最佳施工组织效果。

（3）根据拟建隧洞工程的实际情况全面了解全国乃至全世界的类似工程实践经验和工程技术发展趋势,可以比较准确地预先判断拟建工程在采取不同施工方案可能遇到的各种问题及其适合的解决办法,使传统的类比法更具实用性和可靠度,对提高隧洞工程施工水平具有重要的技术保障作用。

由于水电站建设中，大断面、长隧洞在引水等项目中普遍应用，其施工难度较大，研究和探索大断面长隧洞合理、经济的施工组织设计，舍其短取其长，抓好每个循环衔接，实现快速施工及推广应用将起到重要的推动作用。通过涔天河电站项目，施工方案技术优化落实到工程实际中，效果显著，洞挖按常规每循环的1.5m～2m增加到每循环2.0m～3.0m。工程进度加快，工程施工安全得到一定保障，综合效益明显。陕西水利

参考文献

[1]胡冉,傅少君.龙滩水电站进水口边坡2.2剖面反馈分析[J].湖北水力发电. 2004(04)

[2]鲍军.隧道塌方的原因和预防[J].芜湖职业技术学院学报. 2004(03) [3]王锦国,柳毅,周志芳.龙滩水电站左岸高边坡裂隙岩体渗透张量遗传反演[J].勘察科学技术. 2004(04)

[4]于彬.隧道塌方的原因及预防措施[J].公路与汽运. 2004(03) [5]李学政,李大国,李江南.龙滩水电站蠕变岩体非开挖区边坡稳定性分析与评价[J].水力发电. 2004(06)

[6]张利洁,聂文波,杨良策.滑坡计算中地下水作用的探讨[J].土工基础. 2003(02)

（责任编辑：唐红云）

中图分类号：TV551

文献标识码：C