拉洛水利枢纽引水隧洞施工方案分析

徐成军，王 贇

（江苏科兴项目管理有限公司,江苏 南京 210000）

1 引言

引水隧洞是水利枢纽工程的重要组成部分。大型水利工程往往修建于山高坡陡的区域,地质条件复杂,引水隧洞作为深埋隧洞,地质情况不可预见性较强,因此,在施工前根据地勘成果、设计成果制定切实可行的施工方案是十分必要的[1-2]。施工质量是工程落实的最重要步骤,合理的施工方案对施工质量以及作业人员安全有较大的影响,需要充分结合实际情况确定。

2 工程概况

拉洛水利枢纽程位于高程4300 m地区,拉洛水库总库容2.965 亿m3,正常蓄水位4298.0 m,配套灌区设计灌溉面积45.39 万亩,为大（2）型水利工程。引水发电隧洞长7.520 km,最大埋深213 m,根据勘察成果及设计资料,拉洛枢纽引水隧洞围岩类型主要为J2z、J1r钙质页岩,含泥质、炭质,夹薄层状砂岩、极薄层状板理化细晶灰岩。该类型岩体强度较软弱,遇水极易软化,导致工程施工难度较大。根据调查,引水隧洞区域地下水较丰富,在部分洞段有基岩裂隙水渗出,因此,在施工过程中需加强地下水排水措施。根据调查,引水隧洞为低地应力水平,页岩和断层破碎带洞段在施工过程中可能出现大变形,需要加强监测及支护。隧洞穿过Ⅳ1类、Ⅳ2类、Ⅴ类围岩。根据不同围岩类别不同洞段布置不同间排距的砂浆锚杆,锚杆直径Φ22、L=3.0 m,外露0.15 m,梅花形布置。挂网喷混凝土,厚15cm,强度指标：C25F200W6；挂钢筋网（Φ6.5mm@20cm×20cm）；V类围岩段、破碎带及桩号Y2+503.33～Y3+274.07（埋深大于160 m）应采用工字钢加超前锚杆进行支护。洞身标准段V类围岩段全段应布设I14工字钢,如遇破碎段应加密,隧洞进口消力池段及出口加强段采用I16 工字钢,间距根据现场开挖地质情况确定。

图1 引水隧洞的石方开挖工艺图

3 引水隧洞开挖

3.1 开挖方法

采用全断面开挖法,如在局部地质条件特别差（如节理裂隙十分发育,岩体稳定性差的洞段）处采用正台阶开挖,即先开挖出顶拱,立即进行锚喷支护,顶拱以下开挖跟进的方法。

由于工程洞室开挖断面较小,而且工期要求紧,考虑开挖运输需要,减小施工机械在洞内运行干扰,引水隧洞每隔150 m～200 m设置一处倒车洞,倒车洞范围洞宽达到3.5 m、长度15.0 m,倒车洞宽度3.5 m,加上隧洞底宽5.0 m,共宽8.5 m。引水洞开挖爆破采用直线型掏槽方式、周边光面爆破、非电毫秒微差起爆网络爆破。

每次爆破后,清除残留碎块,保证人员、设备安全,及时采用钢支撑、钢拱拱架、锚杆及喷混凝土（包括钢筋网喷）等支护型式。

V类围岩强度较低,爆破开挖易造成隧洞坍塌,需要加强观测,必要时采用超前支护。也可根据实际情况,采用上下台阶法分层开挖方式,根据工程经验,开挖过程中上层比下层超前2 m～4 m,短进尺（1.0 m～2.0 m）,爆破时需要减少炸药用量。

3.2 施工期排水

各开挖工作面洞内宜500 m设置一个集水坑,以便于洞内排水,集水坑随着洞挖的深入根据施工现场实际积水情况确定具体位置和数量；正坡侧采用自流式汇水,反坡侧在集水坑内安装污水泵排水。对地下涌水较严重地段,应根据实际情况,分别采取排、堵、截、引或综合处理措施,必要时应采用较大功率抽水机进行抽排。积水应排泄到不会重新回流入工作面和其它作业区内,并应避免排出的水流引起地表冲刷、危害边坡稳定和影响附近公路交通。

3.3 爆破施工工艺

3.3.1 施工工艺

1）测量放线

测量由专业测量人员实施,每个循环钻孔需严格按照设计方案测量、放样,同时需要检查上一循环开挖情况,并技术反馈检查成果。断面测量间距为5.0 m,每周进行全面的检查、复测,保证隧洞施工质量。在隧洞开挖过程中,间隔20.0 m设置桩号标识,控制点需牢固、稳定、隐蔽。

2）钻孔作业

钻孔质量是爆破质量影响较大,需要严格控制成孔质量。钻孔需要根据测量成果实施,每排炮需要做到“平、直、齐”,孔底位于同一个铅直断面上,周边孔的外偏角控制在最小范围以减少超挖量。光爆孔、预裂孔及掏槽孔偏差小于5.0 cm,其他孔不超过10.0 cm。

3）装药、联线、起爆

装药需要在成孔并检查合格后进行,装药、联线需要严格按照设计方案进行。光爆孔、预裂孔可将药卷绑于竹片上以保证间隔装药,起爆前需要再次由专业人员检查装药质量。

3.3.2 开挖爆破参数设计

爆破参数对拉洛水利枢纽引水隧洞的开挖质量及安全性影响较大。爆破参数的确定需要根据施工区域地质情况、岩体性质、开挖方法以及相关规范要求确定。结合类似工程经验,在拉洛水利枢纽引水隧洞施工过程中可以采用微差爆破方法进行施工,隧洞轮廓线采用光面爆破方式,爆破实施中应当尽量减少对围岩的扰动。

根据实际情况,引水隧洞开挖爆破参数选取如下：采用直眼中空掏槽方式,主爆孔、周边光爆孔间排距拟为50 cm、45 cm～55 cm；孔径均为40 mm、药卷直径均为32 mm。若光爆药卷,可利用普通药卷间隔装药方式实现光面爆破。引水隧洞主要为J2z、J1r钙质页岩,局部有地下水,考虑采用乳化炸药,使用非电毫秒雷管和非电秒雷管进行起爆。由于地质条件变化较大、不可预见性强,需要及时根据地质情况调整爆破参数。

3.3.3 引水隧洞贯通施工方法

由于工期紧,引水隧洞采用双向开挖的施工方法,在引水隧洞双向开挖相距30 m时,为确保开挖安全,变双向开挖为单向开挖,单向开挖采用浅孔弱药爆破；接近贯通（相距15 m）时,适时通过小导洞进行贯通,然后按分部台阶法引水隧洞扩挖成型。贯通开挖时,严格控制进尺长度及装药量。

4 超前支护施工

对稳定性差的洞段不良地质情况,采取超前支护以确保洞挖安全、稳定。根据类似工程经验,可采用超前锚杆实现超前支护,当采用超前锚杆支护效果较差时,可采用超前小导管注浆+钢拱架相结合的支护形式。

超前支护主要是在破碎岩体、断层处使用,超前锚杆主要包括Φ22,L=4.0 m砂浆锚杆。锚杆间距为0.40 m,布置在起拱线以上,每环布置锚杆约25根。超前支护注浆小导管采用φ42钢管,L=3 m,环向间距0.3 m,小导管仰角10°,超前段间搭接1m,小导管布置于钢拱架外边缘紧贴钢拱架起拱以上范围。

1）由于超前锚杆主要在破碎岩体及断层处实施,在注浆过程中较易出现孔口跑浆现象。因此,在注浆前,需要对开挖面以及5.0 m范围内喷射混凝土面层,从而封闭开挖轮廓、掌子面。

2）导管采用钢管,钻孔直径需要超过钢管直径不小于20.0 mm,导管环向间距0.30 m,纵向需预留搭接长度。导管安装后,需封堵钢管与孔壁空隙并安装封头和孔口阀。

3）导管注浆按由下至上的顺序错孔施工,浆液采用0.5∶1水泥浓浆（根据实际施工情况可对浆液浓度进行调整）,注浆量先大后小,为防压裂工作面,同时还需控制注入量,当每根导管的注浆达到设计量（暂按130 L～150 L,可根据实际施工情况调整）时即可停止,当孔口压力达到规定但注入量不足时也应停止,注浆压力按0.3 MPa～0.8 MPa控制,压力应根据实际情况进行适当调整。达到要求压力后持压15 min后即可结束。当压力达不到要求压力时采用间歇注浆或者换下一个孔注浆。

图2 小导管注浆工艺

5 结语

拉洛水利枢纽引水隧洞穿过Ⅳ1类、Ⅳ2类、Ⅴ类围岩,地质条件复杂,为了保证施工质量及施工人员的安全,根据类似工程经验和隧洞地质情况从洞内排水、爆破设计、超前支护等几个方面确定了隧洞开挖施工方案。在施工过程中需要加强超前地质预报工作,严格控制爆破药量,以保证隧洞的稳定。