水电站尾水隧洞开挖与支护施工方法探析

刘显兴

(中交水利水电建设有限公司，浙江 宁波 315000)

0 引 言

水利枢纽工程是以防洪、发电为主，兼顾改善生态环境、旅游观光、库区航运等功能的大(1)型一等工程。枢纽工程建筑结构包括开关楼、冲沙洞、升压变电站、水电站厂房、溢洪道、大坝、泄洪排沙洞和发电引水洞等，投入运行后可改善农田灌溉面积5.5万hm2，通过调节控制可实现年供水量8.22亿m3，有利于维护下游绿色廊道生态环境和减轻洪水灾害损失，对于促进区域农业经济发展和提升河道防洪能力具有重要意义。

水电站尾水系统共设计3条隧洞，采用“一洞一井二机”的布设形式，相邻尾水隧洞之间的中心间距为13.0m，岩体厚度为6.8m。尾水洞为城门洞形开挖断面，单洞长208.50m，其中尾水扩散段开挖断面尺寸为6.4m×6.85m-3.8m×4.4m，桩号为0+15.47m-0+0.000；底板开挖高程为586.60m，典型开挖断面尺寸为6.60m×6.2m，相应编号为0+199.50-0+15.47m；尾水锁口段开挖断面为7.05m×6.60m，对应的编号为0+208.60-0+199.50m。

1 工程概况

1.1 地质状况

洞身地层为弱卸荷、新鲜-微风化岩体，岩性为灰色石灰岩、白色细晶白云岩，结构完整性差且比较松弛，出口段和洞身围岩以Ⅳ类、Ⅲ-Ⅳ类为主，不利于成组出现结构面和稳定块体。岩体稳定性差、卸荷作用强烈且边坡为斜顺向坡，裂隙较为发育[1]。

1.2 工程特点

该水利枢纽工程三面高山环环抱，地表干燥剥蚀且物理风化强烈，而高山河道冻冰剥蚀风化、冰碛物丰富、地势陡峭，加之森林缺少和植被稀缺，地表与河道沙源丰富，高山段河流洪水期水量集中且流速较大，水流具有较强的携沙能力，同时中低山地带的暴雨和融雪也将大量泥沙冲入河道，以上各因素作用使得水体含沙量大[2]。尾水洞开挖支护施工特点如下：

1) 砂化严重的细晶白云岩为尾水隧洞围岩类型，而灰白-灰色细晶白云岩分布于0+23.5m-0+0洞段，以弱风化且厚度超过24m的岩体为主；深灰-灰色细晶白云岩分布于0+51.0m-0+23.5洞段，以新鲜-弱风化且厚度为12m的岩体为主；灰白-灰色细晶白云岩分布于0+81.0m-0+51.0洞段，以微风化-弱风化且厚度为12m的岩体为主；深灰-灰色斑纹状细晶白云岩分布于0+165.0m-0+81.0洞段，以微风化-弱风化且厚度为45m的岩体为主；灰白-灰色细晶白云岩分布于0+214.0m-0+165.0洞段，以较强烈风化且厚度为40m的岩体为主。

2) 堆积体洞口。出口段围岩类型以Ⅴ类为主，洞顶覆盖层较厚，在软弱夹层和节理裂隙组合作用下形成不稳定块体，所以施工过程中的控制难点和重点是确保尾水出口安全进洞[3]。

3) 厚度不足1.5倍洞径的隧洞间岩体。尾水隧洞相邻岩墙之间的厚度较小为6.1m，隧洞开挖洞泾较大且为多条平行布设。上部进厂交通洞与尾水隧洞之间的岩体厚度较薄为8.4m，二者为立体交叉布设，开挖尾水隧洞上部洞室后存在比较复杂的二次应力，岩体塑性区和应力集中区位于洞室交汇部位。围岩开挖稳定性问题在3条尾水隧洞相邻洞室之间较为突出，相邻隧洞间的岩墙厚度约为开挖洞泾的1.5倍，为6.4m。交汇处围岩稳定性差且存在应力集中现象，主洞与连通洞之间存在较大的交汇跨度。

4) 塌方和溶洞段。在结构面不利切割综合作用下，开挖桩号0+0-0+167m段岩体时局部拱脚和顶拱存在塌方、掉块现象，掉块深度大部分为30-50cm，其它少部分为10-30cm[4]。开挖桩号0+167-0+214m岩体时，部分边墙、顶拱存在较为严重的塌方和掉块现象，掉块深度一般为1.0-1.6m，其它少部分为0.4-1.0m。

5) 地下水部分。平行交叉开挖和支护施工时，为确保围岩安全和稳定必须及时抽排施工用水、地下水渗水，该过程为支护施工的重要环节之一。

2 施工方法

2.1 进洞方法

尾水隧洞出口平台的修建占1/2省道面积，将出口高程590.2m平移至省道位置。采用石渣填筑出口平台，向上游方向以降坡10%、长50m将至省道路面，路面的回填材料为石渣，采用石渣直接回填呈路面且省道向河道平移5m。满足省道同行条件和尾水隧洞施工条件为改造省道的基本要求，尾水隧洞支护材料、出口边坡开挖出渣等运输由改造公路承担

为尽快进入尾水隧洞出口和完成高程590.2m以上进洞锁口支护、边坡开挖支护，开工后应先修建尾水施工道路，采用先开挖1#、3#，待掘进30m再开挖2#尾水洞的跳洞开挖方式进行进洞开挖[5]。

2.2 洞内砂化围岩洞段处理

1)施工程序。采用先开挖1#、3#，后开挖2#的跳洞开挖施工方案，开挖完成0+199.5-0+209.5尾水出口10m后跟进混凝土衬砌施工，然后继续掘进开挖。尾水隧洞围堰类型以Ⅴ类为主，局部为Ⅳ类，针对此情况的开挖应采用勤测量、强支护、弱爆破、短进尺的开挖方式，严格按“新奥法”施工控制单孔装药量，最大程度的降低围岩的受干扰作用

对于10m范围开挖东段选用多循环、弱爆破、短进尺的全断面开挖方式，通常情况下进尺为1.0-1.5m；进洞前做好超前固结灌浆支护和洞口锁口锚杆，进洞后应结合不同的结构条件和围堰类型选取合适的加强支护方式，从而避免发生因爆破震动可能引起的塌方、松动和震裂等现象，尾水隧洞开挖工艺、开挖方法应结合不同的断面形式合理确定。

结合地质勘探前期数据资料，尾水隧洞岩体强度基本丧失且地质条件极差，施工过程中的控制重点是控制该地质条件下的作业人员安全和保证洞室的稳定。为便于及时支护钢格栅和后续施工将开挖断面增大20cm，从而防止结构线被钢格栅侵占的情况。若开挖后围堰稳定性较好且洞室自稳能力墙，能够符合洞室成型相关要求，则宜选用喷锚支护方式。

设定200-250cm为手风钻造孔开挖控制进尺，喷厚5cm的C20素混凝土对每一开挖循环较为破碎的出露边顶拱进行封闭处理，支护施工作业顺序为钢格栅、锚杆挂网、混凝土喷射施工。在开挖施工下一循环之前，将一排@30cm、L=450、Φ25超前锚杆环向支护起拱以上部位，入岩深度为300-450cm范围，为避免混凝土结构先被钢格栅侵占将开挖断面扩大20cm用于钢格栅布置。

若地质条件无法达到以上开挖过程中的进尺要求，将排炮孔深度调整值200-100cm，洞室开挖爆破孔径Φ50mm，预进尺度为150-100cm，单孔炸药耗量为1.15kg/m3。为降低围岩受爆破的损害作用，选取光面爆破作为周边围岩处理方式。进场交通洞正下方交叉重叠布设尾水隧洞，岩石厚度设计最小值为820cm，因该部位岩石自稳能力差且基本丧失承载强度，有必要加强支护该部位。

2) 支护施工。采用新奥法原理进行洞室支护施工，及时跟进设计支护段，必要时可加设钢筋格构架、固结灌浆、引水盲材和随机排水孔等加强支护措施，隧洞支护工艺流程如下：

采用洞室开挖、围岩处理、锚杆支护、挂钢筋网、喷混凝土、验收作为满足洞室成型段支护施工工艺，按照洞室开挖、围岩处理、钢格栅、锚杆支护、挂钢筋网、喷混凝土、验收作为无法满足洞室成型段支护施工流程。

锚杆施工采用人工安装、机械注浆和手风钻造孔相结合的工艺措施，选用Ⅱ级螺纹钢筋作为砂浆锚杆，按照先插杆后注浆、先注浆后插杆的程序对顶拱和边墙进行施工[6]。大于锚杆直径25mm以上为顶拱锚杆上仰孔钻孔直径基本要求，并增设一Φ8mm的硬质塑料排气管。在钢筋上用胶带固定排气管，孔口处插入进浆管，且孔口内均插入排气管、进浆管和钢筋，采用锚固剂或速凝水泥砂浆封堵孔口，注浆开始前必须确保凝固，以排气管回浆作为注浆停止标准，对折后用钢丝扎紧排气管和进浆管。对于破碎洞段钻孔施工无法安装锚杆、无法成孔或成孔质量较差的条件下，以自进式锚杆替换砂浆锚杆，保持其它参数不变。钻孔深度、孔径、孔位和角度应严格根据设计图纸和规范确定，确保钻孔质量合格[7]。

采用平台车配合人工操作安装钢筋网片，选用厚5cm的C20素混凝土进行洞室系统喷射支护。针对严重砂化的部位应增设钢格栅，喷厚25cm的C25混凝土且要求盖过钢格栅1-2cm。

采用运输车将洞外加工制作的钢格栅输送至洞内，然后由人工安装至洞内相应的位置。以焊接施工规范作为钢格栅焊接依据，工字钢与钢筋网、钢格栅附件、超前锚杆、锁脚锚杆焊接成一个整体，喷锚支护到位且钢格栅一次安装，选用全断面开挖尾水洞洞身段。

3)灌浆作业。将两排超前固结灌浆孔布设于为尾水隧洞进口段，采用Φ76钎头、CIR70风动冲击器和XZ-30钻机进行造孔，施工顺序为从内到外圈。采用高压灌浆泵进行灌注施工，型号为TTB200/12、注浆压力为0.5-1.0MPa，通过钻花眼和加工成锥形进行射浆施工，采用分强度、分片、分区的方式对其它部位固结灌浆施工。

2.3 特殊条件下的施工方法

爆破开挖控制采用间隔分序的方式，间隔距离不低于30m为相邻隧洞开挖作业面的基本要求，既要选用合适的爆破控制措施、开挖程序，又要考虑加强衬砌、加强支护等隧洞交叉结构处理措施，结合围岩变形监测数据动态优化施工方法[8]。

2.4 溶洞及塌方段处理

施工过程中受岩溶地质条件的作用易出现塌方现象，并对尾水洞安全开挖造成直接的威胁[9]。考虑到该影响作用，应采取相应的加强处理措施，具体如下：

1) 采用厚5cm标号为C25素混凝土封闭处理塌方段基岩面。相对于钢格栅间距，架设钢格栅间距较小，安全屏障选取为已完成施工的防护拱。完成单榀钢格栅架设后对钢筋网、连接筋、锁脚锚杆施工，开挖面与最后一榀钢格栅之间的安全距离预留55cm；完全恢复塌方段施工作业前，将一排超前锚杆布沿开挖设计顶拱圆弧段掌子面布设，其参数为@30cm、L=4.5m且Φ25mm。

2) 将间距为1.0m的副拱增设于钢格栅顶部，直抵基岩堤防处。锁脚锚杆与钢格栅弯钩焊接，锚杆外露50cm、间距1.0m，L=3.0m且Φ25mm；采用间距为20cm的Φ25mm。钢筋连接，上覆钢筋网片尺寸为@15cm×15cm、Φ6.5mm；将厚25cm的C25混凝土喷射于顶拱范围，采用模喷对边墙进行处理。

3) 将Φ50mm的3根灌浆管买摄于顶拱范围，塌方空腔深入值为150cm、50cm，外露最高点50cm。对已完成钢格栅顶部施工的塌方散落体进行清除处理，采用M7.5砂浆灌注塌方空腔段，按照50cm、100cm、注满3次对埋设的灌浆管进行灌注，下一次灌注的条件为上一次灌注强度达到75%。

2.5 地下水的处理

结合施工现场情况和工程地质条件，顶拱和底部开挖式存在细水渗出的现象，局部深入较为严重并对开挖进程产生影响。因此，对于存在较大出露渗水点的开挖施工，要及时增设引水盲材钻随机排水孔和系统排水孔。采用潜水泵和排水系统将地下水、施工弃水抽至集水坑，并排至尾水隧洞外[10]。

2.6 评价分析

水电站建设施工于2012年，开挖支护初步完成时间为2013年，在此期间有效解决了施工过程中存在的诸多问题，为保证电站的有序施工和按质按时工期计划提供了技术支撑。

3 结 论

在极其不利条件下开展的水电站尾水洞开挖支护工程，经过资源合理配置、周祥安排和科学组织，科学有效的完成了预期建设任务，结合工程实践经验和尾水洞开挖情况应注意如下几点：

1) 在岩体强烈砂化情况下应对支护型式合理灵活选取，确保高效开挖和开挖方式的合理布局；对于堆积体洞口的开挖，为防止对洞内开挖产生不利作用，应对堆积体进行正确的处理并选取合适的进口方式。

2) 通过及时处理开挖引起的质量和安全隐患，有效处理平行开挖的3条洞室可能出现的岩体厚度不足的问题；施工安全和开挖进度的主要制约因素为岩溶发育地质情况下的用水问题，为达到互利双赢的节约成本的目的要采取经济、高效、快速的处理措施。