乌东德水电站右岸导流隧洞开挖施工

肖弟康，卢本琼（重庆水利电力职业技术学院， 重庆 402160）

1 工程概况

乌东德水电站是金沙江下游河段（攀枝花市至宜宾市）四个水电梯级—乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝中的最上游梯级，坝址所处河段的右岸隶属云南省昆明市禄劝县，左岸隶属四川省凉山州会东县。

乌东德水电站右岸3号、4号和5号导流隧洞的进洞点依次错开且分别相距102.44 m和56.35 m，三条隧洞洞身段平行布置，轴线间距38 m～50 m，两洞间岩墩隔墙为28.1 m～30.1 m，洞顶最大上覆岩体厚度560 m，具有洞径大、跨度长且洞间距离小等特点。其导流隧洞特性，如表1所示。

表1 导流隧洞特性表

2 工程地质

乌东德水电站右岸3号、4号和5号导流隧洞上游洞段围岩主要位于因民组（Pt2y1-2），落雪组第4段第1亚段（Pt2l4-1）薄～极薄层大理岩化白云岩，落雪组第1段（Pt2l1）灰色、深灰色中厚层夹互层和薄层灰岩及落雪组第3段（Pt2l3-1～Pt2l3-5）地层中。上游段围岩以极薄～薄层大理岩化白云岩（Pt2y1、Pt2y2-1、Pt2l2-3、Pt2l4）为主，微裂隙、揉皱发育，岩层走向与洞室轴线夹角较小（10°～30°），岩层倾向左壁，∠50°～∠65°，且处于地下水位以下，渗水部位点多面广，受上述因素影响，围岩稳定性差，开挖后易在左侧拱造成岩体垮塌。上游段互层～中厚层灰岩或白云岩洞段（Pt2l1-1、Pt2l3-1～Pt2l3-5）长大裂隙以层面为主，岩层走向与洞轴线小角度斜交，倾向左壁，并与中缓倾裂隙切割，裂隙面多平直光滑，造成左侧拱顺层垮塌。

乌东德水电站右岸3号、4号和5号导流隧洞下游洞段围岩由褶皱基底构成，主要位于落雪组第4段第1亚段（Pt2l4-1）薄～极薄层大理岩化白云岩、落雪组第5段（Pt2l5）千枚岩及厚层变质砂岩、落雪组第6段中厚层—互层灰岩、落雪组第7段薄层～极薄层灰岩、落雪组第8段互层夹中厚层灰岩、落雪组第9段薄层～极薄层灰岩、落雪组第10段中厚层灰岩地层中。围岩以薄层～极薄层灰岩为主。

3 开挖施工

乌东德水电站右岸岩体中微裂隙发育，岩体极为破碎，多呈散粒体状结构，手捏易碎，遇水软化，地质条件复杂、多变、特殊，岩层极薄、极碎。在岩层破碎、极薄的围岩中进行大断面隧洞开挖成洞，其开挖施工难度远超出预期判断，为避免塌方、减少超挖等情况，必须采取相应的施工安全技术措施[1]。

3.1 开挖分层

（1）3号和4号导流洞对于Ⅳ2类、Ⅴ类段围岩（如4号导流洞0＋020～0＋510段）分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ层5层施工，开挖高度分别为9.00 m、4.50 m、4.50 m、4.50 m和4.70 m（如图1、图2和图3所示）。

图1 4号导流洞0＋020～0＋170段开挖分层图

图2 4号导流洞0＋170～0＋390段开挖分层图

图3 4号导流洞0＋390～0＋510段开挖分层图

Ⅳ1类段围岩（如4号导流洞0＋510～0＋884段）分Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅲ层4层施工，开挖高度分别为9.00 m、6.00 m、6.00 m和5.55 m～6.20 m（如图4所示）。

图4 4号导流洞0＋510～0＋884段开挖分层图

（2）5号导流洞对于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类围岩（如5号导流洞0＋000～0＋620、1＋502～1＋706段）分Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ层3层施工，开挖高度分别为9.00 m、4.50 m和5.10 m（如图5所示）。

图5 5号导流洞1＋502～1＋706段开挖分层图

3.2 开挖方法及措施

3.2.1 洞身顶层开挖

洞身顶层（Ⅰ层）各工作面开挖以钻架台车配手风钻钻爆开挖方式为主，三臂凿岩台车钻爆开挖方式为辅，周边按设计轮廓线进行光面爆破。主要采用的施工方法有三种，一是“中导洞超前勘探、全断面加钢拱架支撑扩挖跟进”；二是“超前小导管加钢拱架支撑”全断面开挖；三是“半洞错距＋钢拱架支撑”开挖[2]。现分别介绍如下。

（1）中导洞超前勘探、全断面加钢拱架支撑扩挖跟进，适用于进、出口渐变段Ⅳ2类及Ⅴ类围岩段。先挖7 m×6 m中导洞超前勘探，然后再进行全断面开挖，支护紧跟掌子面。采用超前锚杆（锚筋束）或超前注浆小导管预支护，按“分三区、先中后边、先软后硬”原则进行开挖支护，即：先进行中导洞（中洞超前1～2排炮，排炮进尺0.8 m～1.0 m）开挖，紧跟掌子面进行锚杆、钢拱架及喷混凝土支护。按同样施工程序、方法对中导洞两边侧土石方进行开挖、支护[3]（如图1所示）。

（2）“超前小导管加钢拱架支撑”全断面开挖，适用于Ⅳ1类围岩洞段。采用超前锚杆（锚筋束）或超前注浆小导管预支护，采用超前小导洞1～2排炮爆破开挖方式（循环进尺1.5 m～2.0 m）。首先对岩石强度低、节理裂隙较发育的一侧进行开挖；再进行另一侧的开挖，然后紧跟掌子面进行锚杆、钢拱架及喷混凝土支护（如图2所示）。

（3）“半洞错距＋钢拱架支撑”开挖，适用于Ⅱ和Ⅲ类围岩段。采取“半洞错距＋钢拱架支撑”的方式，按先右侧半洞后左侧半洞的顺序开挖（前后错距10 m～20 m），并在左半洞临时增加法向锁口锚杆，周边光面爆破（循环进尺采用3.0 m～3.5 m），然后紧跟掌子面进行锚杆、钢拱架及喷混凝土支护（如图3、图4和图5所示）。

安徽省淮南市大通区生活垃圾填埋场启用于1984年，于2009年6月停止使用，总占地面积110 000 m2，堆体顶部最大标高为50.5 m，填埋最大深度18.1 m，垃圾堆体约8.0×105m3，其天然密度为1.3 g/cm3。由于原有垃圾填埋场未做防渗，渗沥液导排设施导排不畅，而且填埋场一直未进行雨污分流，垃圾含水量很高，渗沥液向场地四周扩散，污染周边农田及地下水。

3.2.2 洞身中、下层开挖

（1）Ⅳ2和Ⅴ类洞段。3号和4号导流洞Ⅳ2和Ⅴ类段中下层开挖分为4层（Ⅱ～Ⅴ层），每层分3部分水平开挖（先两侧后中间），在开挖施工过程中，优先采用右半幅开挖方式。采用手风钻造水平爆破孔方式开挖，按设计轮廓线进行周边光面爆破（局部洞段反铲机械无爆破开挖），支护紧跟，一炮一支护，循环进尺按2.0 m控制[4]（如图1、图2和图3所示）。

（2）Ⅳ1类围岩洞段。在洞身中层和下层开挖前，采用改进型轻型潜孔钻在边墙钻孔，一次垂直预裂爆破至设计底板高程；然后，采用手风钻或三臂凿岩台车水平钻爆半幅错距开挖，并及时支护，排炮循环进尺按3.0 m控制（如图4所示）。

（3）Ⅱ和Ⅲ类围岩洞段。在顶层（Ⅰ层）开挖支护阶段穿插进行Ⅱ层预裂爆破施工：左右边墙采用改进型轻型潜孔钻在边墙钻孔，一次垂直预裂爆破至Ⅱ层底部；然后采用手风钻或三臂凿岩台车水平钻爆半幅错距开挖，并及时支护，排炮循环进尺按3.0 m～3.5 m控制。按同样的施工程序、方法完成Ⅲ层的开挖与支护工作[5]（如图5所示）。

4 无盖重固结灌浆

为提高围岩自稳能力，在乌东德水电站右岸不良地质洞段导流隧洞中下层开挖之前，经过各参建方多次讨论，采用无盖重固结灌浆技术对导流隧洞不良地质洞段进行处理。具体处理范围如下：

（1）3号和4号导流洞钢拱架支撑施工段左侧半拱及拱脚下3 m范围，桩号为3号导流洞0＋000～0＋504，4号导流洞0＋000～0＋675；

（2）3号和4号导流洞钢拱架支撑施工段右侧半拱及拱脚下3 m范围，具体桩号为3号导流洞0＋000～0＋504，4号导流洞0＋000～0＋630；

（3）3号导流洞0＋190～0＋330因围岩条件差，顶拱全断面无盖重固结灌浆。

无盖重固结灌浆参数：孔径φ56 mm、孔深L＝4.5 m，孔间距2.0 m，排距2.5 m，最大灌浆压力0.3 MPa，分两序施工。

5 锚索、锚筋桩加强支护

2013年4月，乌东德水电站右岸导流隧洞顶层已完成支护，但在下挖的边墙上出现多处向内变形、喷混凝土开裂和钢拱架支撑扭曲等情况，据监测数据分析反映，部分洞段边墙存在持续变形的可能性。为了确保导流隧洞下层开挖时的稳定性，在3号、4号和5号导流隧洞及相关施工支洞部分洞段及边墙、中隔墙分别增设对穿锚索735束、端头锚索567束及锚筋桩297根等加固支护。通过这些加强支护措施的实施完成，有效地控制了边墙的变形情况，确保了下层开挖的安全。

6 施工监测

乌东德水电站右岸导流隧洞不良地质洞段在开挖过程中及时采取科学合理的开挖、支护（包含加强支护）方法，确保了导流隧洞不良地质洞段的安全稳定，取得了预期的效果。由爆破振动监测（如表2所示）、围岩与结构变形监测数据分析可知，爆破振动满足要求且围岩变形趋于稳定状态。

表2 3号和4号导流洞不良地质洞段爆破震动监测情况统计表

右岸3号导流洞和4号导流洞两个爆区爆破震动监测结论如下。

（1）3号导流洞桩号0＋567～0＋562爆区有效测点3个，距爆区最近距离13 m。爆破质点最大振动速度为3号导流洞测点的垂直向（Z方向），该点三方向的测值为：水平径向（X方向）3.17 cm/s，水平切向（Y方向）2.32 cm/s，垂直向（Z方向）4.94 cm/s。测点质点振动速度满足安全允许振速要求。

（2）4号导流洞桩号0＋416～0＋420爆区有效测点5个，距爆区最近距离20 m。爆破质点最大振动速度为1号导流洞测点的水平径向（X方向），该点三方向的测值为：水平径向（X方向）3.01 cm/s，水平切向（Y方向）2.38 cm/s，垂直向（Z方向）1.94 cm/s。测点质点振动速度满足安全允许振速要求。

监测结果表明，不良地质条件下大断面洞室开挖高边墙多点位移计的数据反映出围岩内部存在松弛变形情况，但随着开挖后有效合理的支护措施的实施，松弛变形情况呈现收敛趋势，围岩趋于稳定。

综上所述，选择“多种开挖方法、多种支护方式”对乌东德水电站右岸3号、4号和5号导流洞进行开挖、支护，实现了科学、合理、安全快速开挖支护的目标，很好地完成了3号导流隧洞（Ⅳ和Ⅴ类围岩总长1 012 m）、4导流隧洞（Ⅳ和Ⅴ类围岩总长1 264 m）及5导流隧洞（Ⅳ和Ⅴ类围岩总长1 297 m）的开挖及支护等工作。

经检测：右岸导流洞洞身开挖检测断面共2 342个（3号导流洞767个，4号导流洞827个，5号导流洞808个），测得平均最大超挖60.4 cm，平均超挖25.4 cm，平均不平整度12.0 cm，半孔率75.8%，无欠挖，满足洞挖控制标准要求。