水电站地下工程开挖安全控制综述

付 文 彬

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司,四川 成都 610091)

0 引 言

我国水电站大多建在西南及西北地区穷山恶水之间，许多电站引水发电系统为地下埋藏式，而地下工程的重点和难点又突出在开挖安全问题上，因此，如何保证地下洞室群开挖的安全，将是水电建设的一大课题。

本人根据多年地下洞室开挖现场施工经验，结合本单位及其它单位一些工程实例，对如何控制地下洞室群开挖过程中的安全进行探讨。

1 地下洞室群开挖施工特点

地下洞室群开挖施工特点主要如下：

(1)洞室繁多，结构紧凑，相互平行或交错，施工时相互干扰大，存在安全隐患；

(2)地下厂房、主变室、尾调室等洞室开挖跨度大，开挖高差大，围岩稳定问题突出；

(3)平行洞室之间如引水洞、母线洞、尾水洞相邻洞室间岩壁较薄，容易失稳；

(4)地下洞室群分部空间大，引水系统、厂房系统以及尾水系统无论是平面还是立面上分布的范围均较广，因此，不可避免地会遇到各种地质情况，如节理、断层、涌水等；

(5)地下厂房洞室群一般埋深较大，厂房下部及尾水系统紧邻水道，因此，存在地应力高和地下水丰富的问题；

(6)地下厂房洞室群一般通道出口较少，通风散烟困难，直接威胁施工人员的健康；

(7)地下厂房洞室群一般含有竖(斜)井，且高差较大，存在安全隐患。

2 安全技术控制措施

由于地下洞室群开挖具有其特殊性，洞室群围岩结构及应力分部极其复杂，很容易产生安全事故，因此，完善的安全措施是地下厂房洞室群开挖过程中的重中之重。地下洞室群开挖安全技术从以下几方面进行阐述。

2.1 围岩稳定控制

2.1.1 影响地下洞室围岩稳定的主要因素

一般来讲，围岩不稳定是指妨碍生产使用或安全的围岩破坏或过大变形现象，比如不应有的顶板塌落、两帮挤入、底板隆起、围岩开裂、突发岩爆、围岩变形造成衬砌裂开或支护折断等。影响地下洞室围岩稳定的因素主要有以下几种：

(1)岩性的影响；(2)岩体结构及裂隙的分布；(3)特殊地质条件的影响；(4)地应力；(5)岩体力学性质；(6)工程因素；(7)地下水因素。

2.1.2 主要措施

针对影响围岩稳定的各种因素，根据本人工作经验以及其它工程实例，结合有关理论知识，本人认为要确保围岩稳定要做好以下几方面工作：

2.1.2.1 安排合理的开挖支护程序

开挖支护程序是否合理，直接影响围岩的稳定安全。因此，要确保围岩的稳定，首先必须选择正确的开挖支护程序。

(1)厂房与相交洞室之间开挖支护程序

开挖支护程序：母线洞及进厂交通洞、引水洞、尾水洞在厂房开挖至该洞洞口前提前开挖，进入厂房内2m以上。如果必须从厂房内开洞，必须先做好洞口锁口超前支护，采取分部开挖，短进尺、弱爆破掘进，并及时做好系统支护。

(2)平行洞室开挖支护程序

相互平行的洞室必须分组间隔开挖，或者可以一组先行，另一组滞后30～50 m跟进，注意控制爆破振动速度，且不能同时爆破，系统支护也必须及时跟进。

(3)空间或平面相交洞室开挖程序

支护范围必须扩大到相交段以外两倍洞径距离以上，上部洞室待下部洞室交叉处开挖支护完成后进行开挖，且在在交叉口二倍洞径的洞段范围内，采用浅孔多循环短进尺的方式开挖。对于直接相交的洞室，一般遵循先主洞后岔洞的顺序。

(4)大跨度洞室顶拱开挖支护程序

一般要采取分部开挖，先开挖中间导洞，并及时进行导洞顶部系统的支护，两侧扩挖滞后于导洞工作面一定的安全距离进行，顶拱层支护完成后，方可进行下层开挖。对于大井筒顶部穹顶开挖，一般应先进行周边环形开挖支护，中间预留岩柱，待周边支护完成后再开挖岩柱顶部，并及时进行顶部支护，最后开挖岩柱下部剩余部分。

2.1.2.2 做好超前地质预报

为了准确了解地下洞室中尚未开挖岩体的地质情况，及时研究选定掌子面开挖后的支护形式，对前方可能出现的涌水、有害气体、崩塌等及时采取防范措施，在开挖中设超前钻探孔。完成超前勘探后，根据探明的前方围岩情况制定相应的支护措施，包括超前支护、超前固结灌浆以及临时支护措施等。

2.1.2.3 做好支护工作

支护工作是确保洞室开挖安全的重中之重。支护参数一般根据围岩地质情况和洞室特性进行设计，除施工图中设计的系统支护外，还必须根据具体情况增设必要的临时支护。

临时支护包括超前支护(超前锚杆、超前小导管注浆、管棚、固结灌浆等)、随机喷锚支护、钢支撑等，根据需要进行布置。

2.1.2.4 做好安全监测工作

洞室开挖安全监测仪器主要有断面收敛仪、侧缝针、锚杆应力计等，收敛仪主要监测围岩断面变形情况，侧缝针主要监测局部岩块相对位移情况，锚杆应力计主要监测围岩内岩体应力变化情况。

2.1.2.5 选择合理施工方法

在围岩条件较差洞段和特殊洞段，采取分部开挖、分部支护；采用浅钻孔、弱爆破、多循环的施工方法，严格控制炮眼数量、深度及装药量，尽量减少爆破对围岩的震动。

2.2 地下水控制

由于地下洞室本身具有封闭的特点，当大量地下水涌入隧洞时，则隧洞局部可能会在极短的时间内被淹，造成设备和人员的伤害，因此，地下水的处理首在勘探。在长期勘探的基础上，进行短期超前勘探，查明地下水的规模及性质。

2.2.1 渗漏水处理

(1)开挖中洞内渗水面积较大时，采用钻孔将水集中引入集水井中，然后用水泵抽出洞外；

(2)当地下水较丰富或渗水量较大时，采取超前灌浆进行止水，并且在开挖掌子面前方保留不小于10 m的搭接长度。

2.2.2 承压水处理

(1)当勘探显示前方有承压水，且排放不会影响围岩稳定，采用超前钻孔排水；

(2)当勘探显示前方有承压水，且排放会影响围岩稳定，采用超前固结灌浆进行止水。

2.3 岩爆控制

岩爆多发生在埋藏很深、整体、干燥和质地坚硬的岩层中，一般在开挖后几小时，以顶部和腰部为多。

2.3.1 预防措施

(1)加强地质超前预报，预测岩爆可能发生洞段；

(2)使用光面爆破，严格控制药量，尽可能减少爆破对危岩的影响；

(3)选用预先释放能量的方法，如松动爆破法、超前钻孔预爆法、喷射高压水冲洗法，先期将岩层的原始应力释放一些，以减少岩爆的发生。

(4)加强支护工作，开挖后立即向拱部和腰部进行喷混凝土施工，衬砌工作紧跟开挖进行。

2.3.2 补救措施

岩爆发生后立即向拱顶及侧壁喷射混凝土，再加设锚杆和钢筋网，防止岩爆继续发生。

2.4 竖(斜)井开挖安全措施

(1)锁好井口，确保井口稳定，井口预留3～5 m宽的井台，设置围栏和排水沟，防止井台上杂物坠入井内。

(2)设置专门的提升设备，作为人员上、下和材料运输交通工具，提升设备设置导向装置和断绳保险装置，并控制升降速度。

(3)上下联系采用电话、信号灯、对讲机等多种通讯手段结合使用，互为备用。

(4)提升设备设置防止过卷、过电流和失电压等保险装置及可靠的制动系统，使用过程中加强维护检查工作。

(5)竖井扩挖时，Ⅱ、Ⅲ类围岩段采取二掘一支护；不良地质洞段采取一掘一支护，上层未支护不的进行下一层的开挖。

(6)非出渣作业或井底作为交通通道时，在导井井口采用钢篦子井盖盖住板；扒渣作业时，作业人员佩戴安全绳，安全绳挂在井壁锚杆上，防止发生人员坠落事故。

(7)竖(斜)井和平洞连接处，先将连接段加固后再开挖。

3 结 语

地下工程建设安全是一个系统工程，一整套的方案，需要多重防御，多层次、多途径、多方面编制安全网；在这个系统中，环环相扣，互相依存，缺一不可，缺一个环节，增一份风险。树立“不留遗憾，不当罪人，建不朽工程”的理念，坚持高标准、讲科学、不懈怠的建设要求，做好地下工程施工。地下洞室群开挖安全控制是许多施工单位面临的问题，安全事故频频发生，施工人员的生命受到严重威胁。本着以人为本的原则，施工单位必须大力加强安全投入，加强安全管理，尽量避免安全事故的发生。