复杂地质条件下特大断面隧洞开挖施工技术探讨

魏永华

中电建新能源南方分公司 贵州贵阳 550081

北盘江董箐水电站左、右岸导流隧洞，均属复杂地质条件下的特大断面隧洞。由于要参加2006 年渡汛，工期紧、工程施工风险大。在复杂的地质条件下进行特大断面隧洞开挖，直接受到工程地质、水文地质和施工条件的制约，诸多不利因素，特别是在不良地质段，施工方法不当，措施欠妥，就会造成工程事故，因此，在确定施工技术仿案时，选择合适的开挖技术方案是极为重要的，是保证隧洞开挖能否顺利进行的关键因素之一。水电九局在董箐水电站右岸2# 导流洞进口段隧洞开挖施工中，技术方案得当，工程进展顺利，减少或避免了塌方。业主及专家认为：在董箐水电站导流洞施工中，水电九局技术过硬，措施得力。本文力求通过对右岸导流隧洞进口段所确定的技术方案进行探讨，总结和提高在复杂地质条件下特大断面隧洞开挖技术[1]。

1 工程概述

董箐水电站位于镇宁县与贞丰县交界的北盘江上，距河口102km。该电站为（茅口以下）梯级的第三个电站，其上游为马马崖水电站。下游为龙滩电站。坝址距镇宁县坡101km。距贞丰县城38km、距贵阳221km。施工期不考虑河道的通航问题。该电站是一个以发电为主. 兼顾其他效益的电站枢纽。电站装机4 台，总装机容量720MW。

右岸2# 导流隧洞布置于北盘江右岸边。位于洗鸭沟右岸山体中。隧洞为城门洞型，过流断面尺寸15mx17m（宽x 高），隧洞全长937.14m，进口高程为EL.368.0m。其布置图如图1 所示。

水电九局承建的是右岸2# 导流洞送口段（合同编号：DQ/C1-2-1），桩号：0-126.07-0+467.67m。其中0-126.07～0+000m为进水渠段，0+000-0+467.67m 为洞身段，洞身开挖及一期支护型式有A、B、C 及堵头段四种. 其开挖断面及一期支护型式如表I所示。

2 地质条件

洞身段穿越地层岩性均为T2b1-2 中厚至厚层砂岩夹泥岩（泥页岩），呈新鲜状态，埋深50～150m。层间挤压褶皱及裂隙较发育，裂面多为方解石及泥质充填。位于地下水位之下，洞壁多潮湿、滴水。岩体完整性较差，岩层走向与洞轴线交角较小，近平行，不利于围岩的稳定。导流洞围岩分类及物理力学地质指标如表2 所示。

图1 董箐水电站右岸2# 导流洞布置图

通过上述地质描述、围岩分类及物理力学地质指标分析，得知本隧洞开挖过程中将遇到复杂地质条件，在确定隧洞开挖施工技术方案时提出 “长洞短打，弱爆破，短进尺，多循环，强支护” 的施工技术原则，在施工支洞布置、施工程序和方法、支护和不良地质段处理等方面具体落实了这一施工技术原则，确保了工程和施工安全。

3 施工支洞布置

施工支洞是为进入主体工程工作面，作为施工期的交通通道，施工完毕即被堵塞。因而其数量和位置应根据隧洞长度、总工期要求、地质条件、机械化作业程度等因素确定。所以，施工支洞位置要适中，长度不能过长，也不能太短，要根据工期、成本、地质等条件综合考虑，慎重的选择。董箐水电站是抢救性工程，右岸导流隧洞要参与2006 年至2007 年渡汛是关系电站大坝工程设计方案能否得以实施的关键项目，工期是第一位的。鉴于上述原因，慎重地对以下3 个支洞布置方案进行了比较、分析和论证：

表1 右岸导流洞进口段开挖断面型式表

表2 导流洞围岩分类及建议指标表

（1）支洞布置在主洞左侧，支洞口位于2# 公路，距主洞口150m 处，设上岔洞和1 下岔洞，上岔洞长150m，交主洞0+144.18，平均纵坡1.5%；下岔洞长237m，交主洞0+350，平均纵坡5.5%，共计387m。本方案支洞与右坝肩开挖相互干扰，进口部位覆盖层厚，岩层为顺向坡，岩石风化破碎，成洞地质条件差，所以本方案不宜实施[2]。

（2）支洞布置在主洞右侧洗鸭冲沟内，距主洞口约70m，支洞口部位是陡岩，地质条件较好，利于排口成洞，但需修建100m 的施工道路，设上岔洞和下岔洞，上岔洞长150m，交主洞0+145，不均纵坡2.1%；下岔洞长188.5m，交主洞0+300，平均纵坡5%，共计338.5m。本布置方案在位置及长短设置上显然优于方案一，但没有体现长洞短打的技术方案原则，不利于抢工期，降低开挖强度，所以本方案不是最佳方案。

（3）在方案二的基础上增设一条上岔洞，即支洞进口位置不变，设置1# 上岔洞-2# 下岔洞-3# 上岔洞（视工程进展情况，完成主洞一部分开挖支护后，将其降坡改为3# 下岔洞），1# 上岔洞长150m， 交主洞0+145， 平均纵坡2.1%；2# 下岔洞长129m，交主洞0+235 平均纵竣7.52%，3# 上岔洞长100m，交主洞0+300，平均纵坡5.5%（上坡），共计379m。支洞断面尺寸为8m×6m（宽x 高）。支洞宽、高的确定是基于20t 自卸汽车错车，排水沟，风、水管及电路的铺设，挖掘机等机械设备的通行畅通确定的。本布置方案为洞挖施工增加了工作面，能改善作业环境和条件，对施工具有主动性，能长洞短打。加快施工进度，特别是对支护及地质缺

陷处理极为有利。 同时可提前实施洞身下卧施工. 但0+300～0+467.67 段独头开挖达167.67m。是本隧洞开挖的关键部位，要予以高度重视[3]。

最终选择的是方案三，其支洞布置如图2 所示。

图2 董箐水电站右岸2# 导流洞施工支洞布置图

4 施工程序和方法

隧洞开挖的施工程序和方法要根据开挖断面尺寸及围岩分类，结合施工机械和技术水平而采取不同的开挖方式。对于复杂地质条件下的特大断面隧洞开挖，采取分部分块开挖，减少一次性开挖跨度，使自稳的时间满足一次支护要求是特别重要的。开挖方法采取钻孔爆破法是适宜的，但对控制爆破技术要求高，要根据地质状况随时修正钻孔爆破参数。

4.1 施工程序

（1）开挖总程序。本隧洞开挖分为上、中、下三层掘进。上层掘进有5 个工作面可供钻爆作业；进口单向、1# 上岔洞双向、3# 上岔洞双向；中下层掘进有5 个工作面可供钻爆作业：进口单向、2# 下岔洞双向、3# 下岔洞双向。工作面流向如图3 所示，开挖总程序如图4 所示。

图3 洞挖工作面流向图

图4 开挖总程序图

（2）分部分块开挖。在确定分部分块时，吸取了左岸导流洞施工的经验和教训，（开挖后、隧洞成形差，岩层容易产生溃屈破坏，发生塌方）。本隧洞围岩为III-IV 类岩石，针对本隧洞的复杂地质条件，并且是特大断面隧洞，施工技术方案确定：宜采取较小跨度的分部分块。因为，上导洞率先掘进，这对揭露地质情况极为有利，能起地质预报的作用，两边错开刷边，能减少对围岩的施工扰动；分层下卧，每层先中间，后保护层，有利于边墙岩体稳定和岩基的完整。施工中采用的分部分块如图5 所示。

4.2 钻孔爆破

图5 右岸2# 导流洞开挖顺序图（单位：m）

（1）上层洞钻孔爆破。钻孔爆破主要选择自制台架，YT28手风钻造孔，设计轮廓线实施光爆，毫秒雷管分段爆破，966F 装载机装车，斯太尔自卸汽车出渣。施工中，在挂口和地质条件特差的洞段，对导洞开挖采取先小洞，后扩洞步步为营的掘进开挖方法，施工工况表明：这种开挖方法是稳妥的措施，对挂口成型及塌方控制是有效的。

（2）中层洞钻孔爆破。中间采用古河HCR12 液压钻造孔，梯段爆破，两侧保护层采用YT28 手风钻造孔，设计轮廓线天施光爆，毫秒雷管分段爆破，CAT33OB 反铲挖掘机装车，斯太尔自卸汽车出渣。施工工况表明：液压钻造孔提高了机械化施工水平，加快了施工进度，YT28 手风钻造孔保证了边墙的开挖质量。

（3）下层洞钻孔爆破。YT28 手风钻造孔，实施光爆，毫秒雷管分仪爆破，CAT320C 反铲挖掘机装车，斯太尔自卸汽车出碴。本施工技术方案工况表明：爆后岩基完整，有效控制了超挖。

5 洞身一期支护

洞身一期支护是在隧洞开挖施工过程中，对开挖出来的围岩进行支护，以保证围岩稳定，防止风化，防止塌方，满足工程和施工安全的要求，及时有效的支护措施对不良地质段是特别重要的。常见的支护主要有喷锚支护，喷射砼支护、锚杆支护，喷射砼与锚杆、钢筋网联合支护等。

在上层洞导洞0+000～0+270m 段施工中， 锚杆支护滞后钻爆循环2-3 轮， 喷混凝土滞后开挖面20-30m 进行， 在0+270～0+467m 段，采取打超前锚杆，顶拱围岩自撑稳定，未出现塌方掉块现象。开挖过程揭示，隧洞左侧岩层成薄板，裂面光滑呈 “镜面” 状，在上层洞两边刷边施工中，虽然采取浅钻孔、弱爆破、多循环、减少对围岩的扰动的措施及一期支护跟进及时，但仍出现大面积岩层塌方。针对这种情况，施工中采取了增加随机锚杆，并用φ25 钢筋焊接成网状，喷射砼（厚5cm）的支护措施，有效的控制了塌方。这说明在复杂地质条件下，水平岩层或缓倾角的层状岩层，不利于项拱的稳定，采取有针对性的支护措施显得尤为重要，它既可作为临时支撑也可作永久支护。

6 结语

在复杂地质条件下，特大断面隧洞施工不论是开挖还是支护，必须先要确定合适的施工技术方案，采取较为稳定积极的掘进施工万法，既不能急于求成，也不能束手无策。施工技术方案不在于有多先进，而在于符合实际施工情况。合适的方案对施工有前瞻性的指导作用，能使施工有条不紊的进行，同时方案又受到施工实践的检验，对突发事件要有应对的措施。方案是人为确定的，是否台适，取决于工程技术人员的以下几点能力：

（1）具有因地制宜，统筹兼顾，合理进行施工布置的能力。

（2）具有针对不同的地质条件选择不同的施工程序和方法能力。

（3）具有与工程施工特点相匹配的施工机械设备选择能力。

（4）具有一定的控制爆破、高效通风、快速柔性支护、锕纤维砼技术水平。

（5）具有对复杂地质条件随机应变的能力。施工实践表明，隧洞开挖施工中，针对不同的工况，作出合适的技术方案选择，才能确保工程顺利进行，达到安全、优质、高效。