浅谈高流速泄洪隧洞施工支洞规划设计与施工

张卫华

(中国安能集团第三工程局有限公司，成都，611130)

1 工程概况

溪洛渡水电站左右岸共布置四条泄洪洞，总泄量约16700m3/s，单洞泄量约4200m3/s，最大单宽泄量约307m3/s·m，最高泄洪水头205m，最大流速约50m/s。右岸两条泄洪洞轴线平行布置，中心间距为54.30m，隧洞全长分别为1433.55m、1633.61m，洞内均为有压接无压形式布置，依次由岸塔式进水塔、圆形有压隧洞段、地下工作闸门室、圆拱直墙形无压隧洞段、龙落尾段和出口明渠挑坎等组成。

右岸泄洪隧洞体形结构大，最大设计断面为14m×19m。为合理规避施工干扰，保证工程施工均衡有序进行，右岸泄洪隧洞共布置施工支洞7条，总长827.48m，自上游至下游依次布置有压隧洞联系洞、右泄1支洞、右泄2支洞、右泄3支洞、11-1支洞、右泄4支洞、右泄5支洞，具体布置如图1所示。

图1 右岸泄洪洞施工支洞示意

溪洛渡水电站右岸泄洪洞施工支洞施工期使用完成后，为充分发挥施工支洞功能效用，将位于过水断面水位线以上的右泄2支洞、右泄4支洞、右泄5支洞改建为泄洪洞补气支洞永久应用，水位线以下的施工支洞按设计要求进行封堵。从工程最终实施情况来看，溪洛渡水电站右岸泄洪洞施工支洞规划设计是合理的，施工支洞改建为高流速泄洪隧洞补气支洞永久应用的经验值得推广。

2 施工支洞规划设计原则方法

施工支洞的规划设计应以技术先进、经济适用为总原则，着力保证工程项目的安全目标、质量目标、进度目标及成本目标顺利实行。因此，溪洛渡水电站右岸泄洪洞施工支洞规划设计时主要按以下几点原则方法确定：

(1)根据施工总进度，永久隧洞的断面形式，结构尺寸、工程量和利用永久隧洞通道等条件确定施工支洞的数量，一般情况下，在永久隧洞轴线方向上尽可能均匀地布置各施工支洞，使各工作面承担的任务基本相等，以保证工程施工均衡、有序地进行。

(2)按总工期及需要的工作面数量，在各工作面承担的任务基本相等的原则下，再考虑支洞线路最短、工程量最小及地形地质条件好的位置，同时兼顾临建布置规划和防洪标准来确定施工支洞的位置，尤其是施工支洞进洞口位置及高程，施工支洞进洞口一般在规定的防洪高程以上，避免汛期无法使用。

(3)支洞的位置确定后，再详细考虑施工支洞的断面、转弯半径、纵坡、错车道及交角等因素，施工支洞的断面设计需有利于施工供风、供水、供电、排水、通风及照明灯临时设施的布置，施工支洞断面一般设计为城门洞型，具体断面尺寸由施工设备尺寸决定。

(4)多条永久隧洞轴线平行布置且在同一高程时，施工支洞以连通所有隧洞为宜，同时要尽量利用永久隧洞作为施工通道，以减少临建工程量。

3 施工支洞规划布置及断面

溪洛渡水电站在右岸泄洪洞沿线布置施工支洞7条，分别为：有压隧洞联系洞、右泄1支洞、右泄2支洞、右泄3支洞、11-1支洞、右泄4支洞、右泄5支洞，7条施工支洞总长827.48m，各施工支洞分部如图2所示。

3.1 有压隧洞联系洞

图2 右岸泄洪洞施工支洞平面布置

3.2 右泄1支洞

右泄1支洞主要为右岸3#、4#泄洪洞工作闸门室585m高程以上开挖支护施工道路，起于4#交通洞601m高程处，终于右岸3#泄洪洞工作闸门室左端边墙597.5m高程处，路线全长23.5m，底板纵坡为15.00%，断面型式为6m×5m(宽×高)城门洞型，边墙、顶拱采用长度为3m、直径为φ25系统锚杆进行支护，锚杆间排距为2.5m，边墙、顶拱挂钢筋网喷10cm厚混凝土。

3.3 右泄2支洞

右泄2施工支洞为右岸3#、4#泄洪洞上层开挖支护施工道路，起于右岸边坡11岩流层通道545.5m高程处，与3#泄洪洞桩号3#泄0+783.456相互正交，并水平贯穿至4#泄洪洞桩号4#泄0+897处左侧边墙，全长245.89m，底板最大纵坡为2.61%，断面型式为8m×7m(宽×高)城门洞型，边墙、顶拱采用长度为3m、直径为φ25系统锚杆进行支护，锚杆间排距为1.5m，梅花型布置，边墙、顶拱挂钢筋网喷10cm厚混凝土，底板为25cm厚路面混凝土，两侧预留排水沟。

3.4 右泄3支洞

右泄3施工支洞为右岸3#、4#泄洪洞中、下层开挖支护、混凝土浇筑及灌浆等项目施工主要道路，起于右岸边坡11岩流层通道534.5m高程处，与3#泄洪洞桩号3#泄1+010.373相互正交，并水平贯穿至4#泄洪洞桩号4#泄1+124处左侧边墙，全长169.12m，底板最大纵坡为4.59%，断面型式为8m×7m(宽×高)城门洞型，边墙、顶拱采用长度为3m、直径为φ25系统锚杆进行支护，锚杆间排距为1.5m，梅花型布置，边墙、顶拱挂钢筋网喷10cm厚混凝土，底板为25cm厚路面混凝土，两侧预留排水沟。

3.5 11-1支洞

11-1支洞主要是为减少右岸天然边坡处理与大坝、泄洪洞施工交通的相互干扰，同时兼顾右岸4#泄洪洞龙落尾上缓坡段、奥奇曲线段开挖支护、混凝土浇筑施工而设置的主要通道，11-1施工支洞起于右岸11岩流层下游通道510.8m高程处，终于4#泄洪洞桩号4#泄龙落尾奥奇曲线段1+290.024处，终点高程527.44m，路线全长159.56m，全线纵坡为10.4%，断面型式为7m×6m(宽×高)城门洞型，边墙、顶拱采用长度为3m、直径为φ25系统锚杆进行支护，锚杆间排距为1.5m，梅花型布置，边墙、顶拱挂钢筋网喷15cm厚混凝土，底板为30cm厚路面混凝土，两侧预留排水沟。

3.6 右泄4支洞

右泄4支洞为右岸4#泄洪洞龙落尾段开挖支护施工道路，支洞洞口布置在11岩流层道路上，支洞起点高程为490m，终点与4#泄洪洞龙落尾桩号4#泄1+456.81左侧边墙相交，相交高程为485.15m，路线全长31.8m，底板纵坡为15.25%，断面型式为7.5m×7.5m(宽×高)城门洞型，边墙、顶拱采用长度为4.5m、直径为φ25系统锚杆进行支护，锚杆间排距为1.5m，梅花型布置，边墙、顶拱挂钢筋网喷15cm厚混凝土，底板30cm厚路面混凝土，两侧预留排水沟。

3.7 右泄5支洞

右泄5支洞为右岸4#泄洪洞龙落尾段开挖支护施工道路，支洞洞口布置在泄4支洞上游侧平台，与3#泄洪洞桩号1+214.44相交，支洞起点高程494.5m，终点高程为484.71m，路线全长151.63m，采用城门洞型开挖，外段121.63m长采用7.5m×6.5m(宽×高)开挖断面，轴线转弯半径为25m，坡比为8.05%，内段30m长采用7.5m×7.5m(宽×高)开挖断面，轴线转弯半径为15m，为水平段，边墙、顶拱采用长度为4.5m、直径为φ25系统锚杆进行支护，锚杆间排距为1.5m，梅花型布置，边墙、顶拱挂钢筋网喷15cm厚混凝土，底板30cm厚路面混凝土，两侧预留排水沟。

4 施工支洞的开挖支护施工

支洞施工主要包括洞脸、洞身和支洞与主洞交叉口段的施工，支洞进洞口洞脸明挖完成后，及时衬砌或现浇一段混凝土，以保证施工和管理运用的安全。洞身开挖采用YT-28手风钻进行钻孔、周边光面爆破的方法施工，支洞与主洞交叉口段开挖空间大，特别需要注意控制断面。为防止因开挖引起的围岩松弛和坍塌，支洞采用系统挂网、锚杆及喷混凝土施工，在围岩较差洞段采用型钢支撑拱架或超前管棚支护，支洞进洞口20m范围内浇筑混凝土衬砌。

5 施工支洞的封堵施工及永久应用

施工支洞作为临时工程，完成其使用功能后，需要进行封堵，溪洛渡右岸泄洪洞将水位线以下的施工支洞进行了封堵，水位线以上的则永久应用改建为高流速泄洪隧洞补气支洞。

5.1 施工支洞封堵

5.1.1 封堵体长度的确定

施工支洞封堵体位置根据围岩的工程地质及泄洪洞主洞相关位置关系，决定在与主洞相交处进行封堵，泄洪洞投入运行后，施工支洞封堵体主要承受内水压力。由《水工隧洞设计规范》(SL 279-2016)提供计算公式计算封堵长度：

L≥P/[τ]A

式中：L为封堵体长度(m)；P为堵头迎水面承受的总水压(N)；[τ]为容许剪应力，取0.2～0.3MPa；A为堵头剪切面周长(m)。

施工支洞堵头抗滑稳定校核可按以下方式计算，堵头至考虑底板面产生抗滑摩擦力F1，混凝土与岩石间的摩擦系数取f=0.45，岩石与混凝土间粘接力至考虑边墙和顶板面，粘接力作用系数取a=1.0，单位面积上粘接力取C=15MPa。

安全系数：K=F1/F2

抗滑力：F1=G·f+A×a×c

滑动力：F2=A1×P

式中：G为堵头重(kN)；A为堵头与边墙和底板间的面积，通常取底边的全部加上两侧边墙一半的面积(m2)；A1为水压力作用面积(m2)；P为单位面积上的内水压力(kN/m2)。

由于溪洛渡水电站右岸泄洪洞施工支洞封堵断面、长度设计院已给出详细参数，其中有压联系洞全洞段进行封堵、11-1支洞及右泄1支洞封堵体长度均为15m，而按照上述计算公式计算堵头长度均较小，故本工程按设计要求的封堵参数进行封堵。

5.1.2 封堵段主要施工程序

右岸泄洪洞施工支洞封堵程序主要有：施工准备→基岩面清理→立模、预埋回填灌浆管加工、安装→仓位验收→混凝土浇筑→回填灌浆施工→封堵完成。

5.1.3 封堵段混凝土施工

由于需封堵支洞的断面较大，结合现场实际情况，同时为便于顶拱回填灌浆引管的布设，采取分层、分块进行浇筑，分层高度控制在2m～2.5m为宜，每层混凝土浇筑完成后，及时对已浇层混凝土进行凿毛，在最顶混凝土浇筑前，预埋好顶拱回填灌浆引管，以便顶拱回填灌浆。

(1)仓面清理：混凝土浇筑前，将底板上已浇筑的路面混凝土及水稳层由人工进行凿除，再将底板及两侧边沟内杂物及松散石渣全部清除，并将底板及岩壁冲洗干净。仓面清理标准为：底板清至基岩面，无松散石渣、泥土等，仓内无积水，在每层混凝土浇筑完成后，及时对施工缝面进行凿毛，在进行顶层混凝土浇筑前需预埋好灌浆管路，以便顶拱回填灌浆。

(2)模板安装：支洞封堵混凝土模板采用组合钢模板进行拼装，与岩壁较小缝隙采用砂浆或木模板进行补缝，模板采取内拉、内撑方式进行固定。

(3)混凝土浇筑：施工支洞封堵混凝土采用混凝土拖泵泵送入仓，仓内采用平铺法进行施工，插入式振捣器人工振捣密实，顶层浇筑时，在外侧堵头模上预留进人孔，混凝土则由内至外依次进行浇筑，人员不便再进入仓内及浇筑至末端端头时，封堵预留孔改浇一级配自密实混凝土。

(4)回填灌浆：施工支洞封堵段回填灌浆在混凝土达到70%设计强度后进行。混凝土浇筑阶段预埋2根φ32PE管进行引管灌浆，φ32PE管设置灌浆支管，支管间距6.0m，采用全段依次灌浆的方法进行施工。

5.2 施工支洞永久应用

本工程对于泄洪洞水位过流线以上的右泄2支洞、右泄4支洞、右泄5支洞经改造后作为高流速泄洪隧洞补气支洞永久应用，同时还可兼做为泄洪洞检修洞使用。改造主要是对支洞与主洞交叉口洞段20m范围内进行混凝土衬砌，支洞进洞口设置钢格栅门予以封闭即可。

溪洛渡右岸泄洪洞的右泄2支洞、右泄4支洞、右泄5支洞作为高流速泄洪隧洞补气支洞永久应用，防止了洞室水流因补气不足而影响水流流态和掺气效果，有效扩展了施工支洞一般意义上的功能效用，上述支洞既节省了工程投资，又缩短了施工工期，为溪洛渡水电站提前发电作出了贡献。

6 结语

(1)支洞是隧洞施工和运行管理的辅助通道，设计合理与否，将影响隧洞的造价、施工难易、工程进度和运用的可靠性等方面。溪洛渡水电站右岸泄洪洞的支洞设计是在原设计规划基础上进行了优化，沿线布置了6条施工支洞、总长827.48m，为控制性泄洪洞主体工程施工的保质保量完成提供了有力保障。

(2)右泄2支洞、右泄4支洞、右泄5支洞改建为补气支洞永久应用，为高流速泄洪隧洞施工支洞的合理应用开创了很好的范例，值得在以后的工程设计中推广。

(3)从溪洛渡右岸泄洪洞水电站施工支洞实施后的情况分析，有以下几点值得总结：

①施工支洞尽量以逆坡进洞，同时设置不小于1%的底坡，以利于施工期的排水；

②施工支洞封堵设计应结合支洞的永久性应用考虑；

③施工支洞作为补气支洞永久应用可较好地解决高流速下洞室掺气、补气问题。