水利枢纽工程导流洞开挖技术与质量控制措施分析

2021-01-08王秋阳

工程技术研究 2020年22期

王秋阳

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410000）

我国是一个水资源丰富但分布极不均匀的国家，为满足不同地区用水需求、增加水电这一清洁能源的供应量，大规模建设水利水电工程成为我国近些年发展的重要任务之一。在水利枢纽工程实施中，导流隧洞的修建十分关键，其可为水利枢纽建筑物施工提供必要条件，施工期属临时建筑物，部分情况下导流结束后还可改为永久性建筑，加强其施工技术分析具有关键性意义。

1 水利枢纽工程导流洞概述

不同于其他类型的工作，水利水电建设中始终存在河道水流蓄泄与施工间的矛盾，在整个项目作业过程中，必须将水流控制落实到位，由此施工导流成为水利枢纽工程的重要组成部分。施工导流系统的运用主要涉及以下问题：（1）导流建筑物类型的选择与布置。（2）截流与围堰工程。（3）施工期通航、度汛、蓄水应用前临时导流孔洞封堵。（4）施工期完建后的泄洪、第一台机组发电的日期等。

文章主要围绕导流洞的施工展开分析，长期以来水利枢纽工程导流洞的开挖面临地质条件、运行工况相对复杂的情况，且不同断面、尺寸的导流洞对施工技术的要求也存在较大的差异，对此只有合理地选择开挖与支护工法，落实相关质量控制措施，才能保证导流洞发挥其应有的作用，保证后续施工作业顺利完成，水利枢纽工程导流洞类型如表1所示。

表1 水利枢纽工程导流洞类型

2 水利枢纽工程导流洞开挖技术方法

2.1 开挖施工技术的选择

在进行导流隧洞施工时，需根据工程地质特征合理制定开挖施工方法，不同围岩类别施工处理方法、技术侧重点均存在较大的差异，近年来新奥法已经成为主流工法，严格遵循“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”的原则，摸清地质情况后，再科学开展开挖、支护工作，保证隧洞作业的安全性。目前，我国导流隧洞常用的开挖技术方法主要有以下几种：（1）台阶法。将断面分为两个乃至多个工作面开挖。（2）全断面开挖法。断面一次开挖成型。（3）中隔墙法。开挖时断面分为左右两个部分进行开挖。（4）分部开挖法。断面分步开挖、逐步成型，若是先开挖断面一部分作为导洞，则称为导坑超前开挖法。（5）交叉中隔法。此方法综合了台阶法与中隔墙法。实际工程中，施工单位需根据地质情况，制订针对性的施工方案，确保导流隧洞开挖工作的顺利实施。

2.2 复杂特殊地质支护方法

支护是导流隧洞施工的重要环节，通过围岩加固保证后期施工安全，尤其是复杂特殊地质条件下，必须根据隧道围岩类别、隧洞工况、断面以及开挖形式，合理选择支护形式。

（1）超前支护。包括超前小导管锚杆、小管棚及大管棚等，超前支护参数具体如表2所示。

表2 Ⅳ、Ⅴ类围岩的超前支护参数

（2）联合支护。导流隧洞开挖若是遭遇Ⅴ类围岩、断层带、节理密集带等，必须采取联合支护措施，有效抑制有害变形，各种支护方法适用情况如表3所示。此外，针对一些围岩极其破碎的情况，可采用水泥卷式预应力锚杆、中空自进式锚杆支护，保证隧洞开挖安全。

2.3 不良地质段其他处理方法

导流隧洞开挖施工中保证围岩稳定性是第一原则，对此必须做到超前探测、超前排水、超前支护，针对不良地质段合理采用排水、灌浆加固等措施，具体处理方法如下：（1）断层带、软弱岩层带：可采用固结灌浆加固方法，部分严重地段增设悬吊锚杆。（2）岩溶发育地段：小溶洞挂网锚喷、注浆，岩溶管道落实洞内外处理，加强排水，开挖揭露后以混凝土封堵。

表3 各种支护方法适用情况

3 实例探析水利枢纽工程导流洞开挖与质量控制措施

文章主要以陕西省东庄水利枢纽工程中的导流洞项目为例展开分析，具体如下。

3.1 工程概况

陕西省东庄水利枢纽是国家重点水利工程，一等、大（1）型工程，导流洞按有压流设计，城门洞型（17m×19m），顶拱角度为120°，导流洞开挖轮廓线如图1所示。

图1 导流洞开挖轮廓线（单位：m）

3.2 导流洞沿线地质情况

导流洞进口边坡位于坝轴线上游，河床附近及部分地区基岩裸露，岩体表层风化、卸荷迹象明显，局部存在溶蚀现象，岩体部分区域可见松动或变形错位痕迹；弱卸荷带厚度一般为10～15m，裂隙宽度一般为1～5mm，局部为5～8mm，裂隙壁面弯曲粗糙，充填泥膜、钙膜及钙质土，局部存在溶蚀。

导流洞洞身长度为912.50m，埋深20～202m，岩体整体较完整，岩石强度较高，地应力水平不高，洞室围岩以Ⅱ～Ⅲ类为主。

导流洞出口边坡位于坝址区化石沟下游约150～300m处，主要出露基岩为奥陶系中统马家沟组（O2m4-2）巨厚层灰岩，边坡强卸荷带厚5～10m，宽度一般为1～3cm，局部为3～5cm，壁面弯曲粗糙，部分平直粗糙，充填滤泥、钙质土、岩屑及植物根系等，局部存在溶蚀现象；弱卸荷带水平深度为10～15m，裂隙宽度一般为1～3mm，局部为3～5mm。

3.3 导流洞开挖施工方法

（1）开挖方案。该标段地下洞挖工程主要为导流洞出口段导0+460.0m～导0+912.5m。在施工安排上首先利用上游施工便道和已沿导流洞轴线贯穿的勘探试验洞进入导流洞出口位置，展开导流洞出口边坡599.00m高程以上边坡开挖和支护，初步具备导流洞扩挖条件，其次在一期围堰的保护下，完成上层（上扩段）以及中层的开挖和支护，最后在二期围堰保护下，完成导流洞下层的开挖，最终和上游Ⅰ标贯通。

导流洞洞身为城门洞型，开挖断面尺寸为18.8m×20.7m，主要为II、III类围岩；根据围岩特点和开挖断面尺寸及现场施工条件，导流洞洞挖分三层进行，第一层高度为8.5m，第二层高度为7.7m，第3层高度为4.5m。

第一层开挖采用手风钻或多臂钻水平造孔，周边光面爆破；第二层开挖采用液压钻机钻垂直孔，两侧边墙采用YQ100B潜孔钻造光爆孔，半断面开挖；第三层全断面开挖，采用液压钻钻孔，复合消能爆破技术开挖。第一层开挖采用自制作业台车进行钻爆施工，第二层及第三层采用垂直钻孔爆破施工。

（2）开挖工程量。该合同石方洞挖为154124m3，各类支护锚杆7147根，喷射混凝土260.7m3，挂网钢筋78.5t，锚筋桩21.5t，地下洞挖开挖及支护工程量具体如表4所示。

表4 地下洞挖开挖及支护工程量表

（3）开挖技术要点。分层洞挖：该项目导流洞分3层开挖，上层（上扩段）高度为7.5m，中层（下卧段）高度为10m，下层（保护层）高度为3.2m。施工顺序为先上层，再中层，后下层，由桩号0+912.5m向上游进口方向掘进；先贯通上层（上扩），再进行中层（下卧）和保护层开挖。上中层全断面开挖、下层分幅开挖。①第一层开挖。第一层开挖面积约87.06m2，根据设计断面最开挖高度取8.5m，开挖循环进尺根据围岩类型及钻孔方式不同，Ⅱ、Ⅲ类围岩控制在3.0（手风钻）～6.0m（单臂钻），Ⅳ类围岩控制在1.5～2.5m。起爆网络采用非电雷管孔内延时起爆，周边光面爆破。第一层开挖采用手风钻、多臂钻进行钻孔爆破，开挖轮廓采用光面爆破。第一层开挖拟爆破参数如表5、表6、表7所示。具体以爆破试验为准。②第二层开挖。第二层开挖采用半断面，开挖面积约188m2，梯段掘进，进尺控制在20m，台阶高度取7.7m，半断面掘进，采用D7液压钻垂直造孔，边墙光爆孔采用YQ100B钻孔，起爆网络采用非电雷管孔内延时起爆。③第三层开挖。第三层开挖采用全断面，开挖面积为112.8m2，梯段掘进，进尺控制在10.8m，底板预留保护层为4.5m，采用D7液压钻垂直造孔，复合消能爆破技术开挖，起爆网络采用非电雷管孔内延时爆破，周边由中层一次光爆到位。

表5 导流洞第一层Ⅱ、Ⅲ类围岩爆破参数表（手风钻）

表6 导流洞第一层Ⅱ、Ⅲ类围岩爆破参数表（多臂钻）

表7 导流洞第一层Ⅳ类围岩爆破参数表（手风钻）

3.4 质量控制措施

该工程导流洞洞室所在区域大部分为Ⅱ、Ⅲ类围岩，小部分为Ⅳ类围岩，为保证作业安全、高效、高质完成，根据不同围岩地质情况制订了针对性的开挖、支护方案，并落实以下质量控制措施：（1）钻孔质量管理。由合格钻工严格按照测量定出的中线、腰线、开挖轮廓线和测量布孔进行钻孔作业。各钻工分区、分部位定人定位施钻，实行严格的钻工作业质量经济责任制。技术人员现场旁站，便于及时发现和解决现场技术问题。每排炮由值班质量工程师按“平、直、齐”的要求进行检查，做到炮孔的孔底落在爆破规定的同一个铅直断面上（梯段爆破为水平面）；为了减少超挖，周边孔的外偏角控制在设备所能达到的最小角度。光爆孔、预裂孔及掏槽孔的偏差不得大于5cm，其他炮孔孔位偏差不得大于10cm。（2）爆破质量管理。落实爆破试验工作，科学确定不同开挖作业面的爆破参数，保证隧洞开挖质量满足要求；合理控制装药质量、周边孔爆破时间等，装药前将钻孔清理干净，药卷必须落在孔中心线上，确保爆破效果达到设计要求，同时严格控制单响药量，防止爆破振动影响已支护部分；全面落实爆裂面爆破情况检查工作，检查预裂孔是否连成一条线；孔壁是否存在裂纹；孔间岩石层面是否平顺、光滑。（3）爆破成果分析、总结及验收。导流洞在爆破过程中及时总结，每次爆破完成后进行验收。

光面爆破和预裂爆破必须达到以下要求：（1）残留炮孔痕迹在开挖轮廓面上均匀分布。（2）炮孔痕迹保存率：对完整岩体达到80%以上；对较完整和完整性差的岩石不少于50%，对较破碎和破碎岩石不少于20%。（3）相邻两孔间的岩面平整，孔壁没有明显的爆震裂隙。（4）相邻两茬炮之间的台阶应不大于2cm。（5）预裂爆破后，必须形成贯穿连续性的裂缝，预裂缝宽度应不小于0.5cm。