穿越复杂地层超长引水隧洞的开挖及支护

王国威 董龑蛟

1. 中国葛洲坝集团国际工程有限公司 北京 100025；2. 北京金河水务建设集团有限公司 北京 102206

水利工程中引水隧洞施工场地狭窄，多位于山多、水急的区域，增加了工程建设中的不稳定因素，提升了现场施工难度；实际施工中，要充分了解施工区域的地理条件、岩层条件，避免施工过程中出现塌方等风险。因此，对于引水隧洞来说，不仅要考虑工程成本，还要参考工程施工环境、需求等特点，做好其开挖支护工作的管理[1-3]。

1 工程概况

巴基斯坦苏基克纳里水电站引水隧洞线路长度约23.156 km，最大埋深集中在A5—A6a之间，约1 350 m。开挖断面呈马蹄形，随现场围岩特性的变化而调整开挖断面的尺寸，控制范围为：宽7.06～7.80 m，高6.88～7.40 m。

2 工程难点

本工程的引水隧洞具有穿越的大小断层多、地质条件复杂、洞挖断面小、线路长等特点。洞内地下渗水、岩爆、围岩稳定等将对洞室施工极为不利，是本项目施工控制的难点。

1）引水隧洞断层带施工。本工程引水隧洞穿越的大小断层多达11条，其中F12（A6b—A7a段）、F17-1（A7a—A7段）、F23-1（A7a—A7段)、F18（A7—A7-1段）和F25-1（A8—A9段），断层带区域范围较大，岩石破碎，地质情况复杂，支护难度大，对隧洞施工影响非常大，是本工程施工难点。

2）引水隧洞穿越冲沟段施工。本工程引水隧洞穿越多条冲沟，冲沟段地质复杂，特别是A6a—A6b段，埋深非常浅，为满足设计规范，设置了压力钢管穿越冲沟。根据地勘报告，引水隧洞冲沟段的水位线在隧洞的上方，在施工过程中，发生涌水可能性较大，对隧洞施工排水产生较大的影响，因此冲沟段的施工也是本工程的难点。

3）岩爆段施工。本工程引水隧洞有2段埋深较大的区域，第1段A5—A6a段，埋深最大1 300 m；第2段A6b—A7a段，隧洞埋深近1 000 m。埋深超过1 000 m的区域，地应力较高，具备发生岩爆的条件。岩爆对隧道施工影响较大，对施工人员和设备存在较大的安全风险，因此岩爆段的预防与处理，是本工程施工难点。

4）通风排烟。引水隧洞单面掘进距离长，如何确保洞内通风是本工程的难点。

5）洞内排水。本工程引水隧洞单向开挖距离长，沿程损失较大，支洞口与主洞交叉口高程不一，其中一部分支洞排水是顺坡，另一部分支洞排水是逆坡。引水隧洞断面较小，排水较为困难，因此合理安排洞内排水方向与泵站布置是本工程的难点。

3 引水隧洞主洞的开挖施工工艺

3.1 施工准备

支洞成形后，重点处理支洞与主洞所形成的交叉区域，依托支洞的现有设备，加之其他辅助设备的配合，由施工人员规范操作，开挖主洞并采取支护措施。A5—A7控制段均采用中方钻工，除此之外的其他区域采取中方和巴方钻工相结合的方案。

3.2 测量放样

以设计图纸为准，由专业人员利用全站仪测量放样（包含隧洞中心线、掌子面桩号、设计轮廓线等），并结合钻爆图的相关要求，精准确定炮孔孔位，给后续施工提供参照基准。正式施工前，先详细检查上一循环的施工情况，例如是否超欠挖，针对质量问题采取处理措施，并汇总所得结果，向全体施工人员做技术交底，以便高效进入本循环施工。以月为单位，定期检查洞轴线和坡度，切实提高质量控制水平。

3.3 钻孔作业

引水隧洞开挖采用在自制的移动式钻爆平台上，人工配YTP28气腿钻造爆破孔，孔径42 mm，要求工作人员精准测放中线、腰线以及开挖轮廓线，分别组织钻孔作业。每排炮分别由专门的人员管理，检查钻孔作业情况，确保其满足“平、直、齐”的要求，同时各炮孔的孔底均处于相同的铅直断面处。此外，严格控制周边孔的外偏角，适当减小，以便与设备运行状态相适应。

炮孔装药前由质量管理人员逐一检查各炮孔，分析是否存在遗漏现象，若有则补钻，诸如孔径、孔深等各项参数也均要满足要求。当班技术人员根据所掌握的信息展开计算，确定合适的装药量，根据需求领取材料。

3.4 装药、联线、起爆

经钻孔作业后，孔内易堆积大量岩粉，不利于顺利装药，且易影响爆破质量。对此，装药前先用高压风清孔，待无误后方可装药爆破。各类孔的炸药需求以及装药方法不同，掏槽孔和崩落孔均为φ32 mm乳化炸药卷连续柱状装药，周边孔为φ25 mm乳化炸药卷不耦合间隔装药。

顺利装药后，根据设计要求细致地做好联线以及封堵工作，此阶段参考炸药的最小抵抗线长度，要求封堵长度不小于该值。此后，由专业炮工做详细的检查，若无误则组织人员以及无关施工机具退场，统一转移至安全区域。在各项准备工作均落实到位后，由炮工负责，开始起爆。整个过程中均要加强警戒，避免人员误入现场。

3.5 剥离

经爆破后，在确保现场已经通风散烟的前提下，先用反铲剥离松动的危石和岩块，再进一步由现场施工人员用剥离杆清理剩余的小块危石和岩块。施工期间加强检查，例如开挖洞段的围岩情况，判断其是否失稳或是否有失稳的发生趋势。

3.6 出渣

采用2.3 m3侧卸装载机和20 t自卸汽车联合作业，高效出渣，其间由施工人员处理掌子面以及边墙围岩处所存在的浮渣和危石，做到清理无死角。

4 支护施工

4.1 锚杆施工

提前加工成形，施工前详细检查锚杆的质量，例如尺寸是否合理、是否有油污附着，本次施工采用的是全注浆锚杆，具体含2类：一是普通砂浆锚杆，施工遵循的是“先注浆、后插杆”的原则；二是自进式锚杆，施工遵循的是“先钻进杆体、后注浆”的原则。

4.1.1 造孔

根据现场作业情况，A5以上控制段的钻孔采用的是移动式平台配气腿钻的方法。A5—A7段的施工均选择单臂钻，相较于岩石锚杆直径，成孔直径应大于该值15 mm。正式钻孔前，精准测放孔位，正式钻孔时严格控制作业参数，例如孔径、孔深等，确保成形的孔洞满足质量要求。

4.1.2 清孔

钻孔后，用高压风清理孔内杂物，例如岩粉、泥岩等，以便给后续的注浆施工创造良好的条件。

4.1.3 注浆

顶拱锚杆注浆统一在移动式平台处完成，所用装置为麦斯特注浆机和φ25 mm的PE注浆管。正式注浆前，将提前准备好的注浆管插至孔底，随着注浆作业的持续推进，缓慢从孔底拔出注浆管，直至孔内灌满泥浆为止。对于具有向上倾斜特征或是垂直状态的孔，需加强防控，避免浆液大范围流失；水泥浆存在特定的凝固时间，该阶段用木楔固定锚杆，以免失稳。

4.1.4 杆体安装

在确保移动式平台具有足够稳定性的前提下，由人工安装锚杆。对于带有锚定板的锚杆，应严格控制其锚杆端部伸出螺母外的部分，该段的长度不可超过50 mm。经水泥浆性能试验后，确定其硬化特性，根据所得结果合理控制锚杆旋紧时间。

4.2 喷混凝土施工和质量控制

隧洞喷射混凝土主要起到防护作用，较为适宜的是素喷混凝土或钢纤维混凝土。遇地质破碎带等特殊的地质条件时，应判断该部分是否存在坍塌的可能，若有则不允许出渣，应根据实际情况及时喷锚支护。

1）按初喷、复喷的顺序依次喷射施工，2个阶段的厚度要求分别为：4～5 cm、不超过10 cm。以不影响施工质量以及不诱发安全事故为前提，Q2类围岩可采取每3个循环初喷1次的方法；Q3类围岩减小至每2个循环初喷1次；对于Q4—Q5类围岩，要求尽快组织复喷作业，缩短岩面的暴露时间，以免出现表层风化剥落的情况。对于复喷作业，则安排在锚杆及挂网安装到位后施工。

2）根据施工需求，在拌和站按设计配比生产质量达标的混凝土，遵循随拌随用的原则，及时用自卸车运输至现场，利用机械臂式湿喷机作业，达到连续湿喷的效果。

3）为确保湿喷的施工质量，提前做好准备工作：清理作业范围内的危石，用高压风清洁岩面，避免岩粉等杂物附着问题；配备照明设备以及通风设备，改善现场施工环境；调试施工机械，确保其均能够稳定运行；于岩面上打入短钢筋，根据要求详细标记刻度，作为喷层厚度控制的依据。

4）于料斗上安装筛网，利用该装置阻隔超粒径的骨料。正式喷射过程中，在送风前先开启计量泵，喷射机司机与喷射手密切沟通，严格控制喷射压力，及时整理喷射现场所采集的数据，以此为依据调整风压和计量泵参数，从而保证施工安全，提高施工质量。

5）喷嘴与受喷面呈垂直的位置关系，两者间距控制在100～200 cm。若受喷面存在钢筋网覆盖的情况，可以在许可范围内适当调整喷嘴，但至少需确保喷嘴与受喷面的夹角达到70°。严格控制受喷面的角度至关重要，若因空间限制或其他原因而导致受喷面的角度过小，将导致混凝土的附着力下降，易在受喷面滚动，由此产生波形喷面，导致面层的平整度不满足要求。

6）喷射作业遵循的是分片依次推进的原则，每片的尺寸要求为长2 m、宽1.5 m，采取自下而上“S”形喷射的方法，此举可避免因回弹物附着在围岩面（此处指的是尚未经过喷射处理的部分）而导致喷层与岩面的黏结力下降。在正式喷射前，先找平凹陷部位，再呈螺旋形缓慢移动喷头，每圈压前面半圈，尽可能提高混凝土面层的光滑性与平整性。

5 结语

综上所述，在水电站工程建设全流程中，引水隧洞为重点施工内容，同时该处的施工质量将直接对工程的整体施工质量带来影响。对此，施工单位需紧密结合实际情况，合理应用开挖施工工艺，加强质量控制，在安全的环境中高效完成开挖与支护作业。