三道湾水电站引水隧洞主要施工方法

，姚涛

(1.中国葛洲坝集团项目管理有限公司，湖北 宜昌 443002；2.宁波原水集团有限公司，浙江 宁波 315100)

施工技术

三道湾水电站引水隧洞主要施工方法

卢红1，2，姚红涛1

(1.中国葛洲坝集团项目管理有限公司，湖北 宜昌 443002；2.宁波原水集团有限公司，浙江 宁波 315100)

三道湾水电站引水发电洞由于受高山地形限制洞身段未做重型地质勘探，利用平面地质图推测洞身段地质现象，开挖揭露后发现存在较大差异。施工阶段根据实际揭露的围岩情况，调整开挖支护方式和衬砌断面，实施了科学合理的方案，最终满足了设计要求，其实践经验值得肯定和借鉴。

引水隧洞；施工；方法

1 工程概况

黑河三道湾水电站位于甘肃张掖肃南裕固族自治县所辖的黑河干流夹道沟至柳园河段，为一引水式电站，总装机容量112MW，年发电量3.89亿kW·h。电站规划于20世纪50年代，建设于2004～2009年，由首部枢纽、引水系统和发电厂区等建筑物组成。其中引水系统是该电站建设的关键部位和关键线路，总结该引水隧洞的施工方法，能为类似工程提供有益的借鉴。

2 引水系统概况

该电站引水系统布置在右岸，由岸边陡坡式进水口、引水隧洞、阻抗上室式调压井及高压管道等组成，见图1。引水隧洞长9302m，初步设计时断面为圆形，衬砌内径5.80m，其中桩号5+049.43～5+226.2为加木沟埋管和管桥段。调压井内径12m，衬砌厚1m、高87m。高压管道由上平洞、竖井和下平洞相连组成，见图2，与隧洞合计全长9535m。发电引水流量98m3/s，额定发电水头 136.50m。

图1 三道湾水电站引水系统平面布置

图2 调压井、压力管道纵剖面及开挖尺寸：cm;高程:m

2.1 水文气象条件

该工程区属干旱气候，干燥少雨，蒸发强盛，多年平均降水量175.40mm，多年平均蒸发量1378.70mm，极端最高气温37.20℃，极端最低气温-33℃，多年平均气温8.50℃。冰冻期11月～次年3月，冻土深1.50m。

2.2 水文地质条件

引水洞处在地下水位线之下，开挖使赋存于基岩裂隙中的地下水得以释放。遇涌水一般持续10d以上，其后逐渐减少，表明储存于山体结构面的地下水因释放趋于减少，而后为线状滴水。

2.3 工程地质条件

工程区域地震基本烈度8度。隧洞所经区域因多次地质运动，其断裂构造较为复杂。围岩岩性软硬相间，岩相变化大，稳定性差。岩层走向一般为NW290°～330°，与洞轴线呈3°～45°夹角。洞身段最大埋深在800m左右，弱风化深度5～10m。进水口段主要为蛇纹岩，致密坚硬。洞身段围岩主要为板岩夹千枚岩、变质砂岩、千枚状板岩夹千枚岩，呈薄层状(5～20 cm)，性质软化，遇水膨胀，车碾成泥。由于受地形限制洞身段未做重型勘探,隧洞开挖前后分别对围岩类别进行了划分(见下表)，结果相差较大。

三道湾水电站引水隧洞开挖前后围岩类别划分情况表

2.4 计划进度和实际进度

按照合同计划进度，在隧洞不发生塌方和滑坡情况下，考虑支洞等因素后的掘进工期为1年3个月。由于隧洞穿过软弱围岩、地下水和破碎带频现的特殊地层，受塌方、涌水和停电等影响，掘进工期延长为2年3个月；包含衬砌、回填和固结灌浆在内的原合同工期由2年6个月延长至4年3个月。造成发电工期调整延后，投资增加。

3 隧洞掘进

隧洞施工期间布置进水口、1号支洞、加木沟、2号支洞4个施工工区、8个工作面(见图1)。最长单头掘进洞长(不计支洞)为加木沟下游2023.8m。

3.1 平洞掘进

3.1.1施工测量

隧洞施工测量采用GTS-332全站仪、J2电子经纬仪和DS3水准仪。根据工区附近设计单位移交的三角控制点等用两台全站仪实地放出洞轴线。

洞内平面控制测量布置的基本导线和施工导线统一考虑。施工导线点每隔200m设一点，间隔3～5个施工导线点布设一个基本导线点，并每掘进50m进行一次复测。

由于隧洞开挖断面因围岩类别不同而产生变化，隧洞开挖轮廓放样根据轴线高程进行控制。开挖放样每个工作循环采用激光经纬仪，利用施工导线点直接标定开挖中线，在掌子面标定中心和腰线，用红漆画出开挖轮廓线。

3.1.2 平洞开挖

开挖采用普通钻爆法，使用YT24型气腿式风钻机湿式凿岩，用2号岩石炸药、导爆管、导爆索等进行爆破作业，采用ZLC-50侧卸式装岩机装岩、5～10t自卸汽车运输。采用全断面开挖掘进，运用新奥法原理及时支护，对完整围岩和软弱破碎的特殊地层分别采取不同爆破参数。

a.炮眼数目的确定。按下式计算炮眼数目：

N=0.0012QS/(aD2)

式中N——炮眼数目 ；

Q——单位炸药消耗量，为1.1kg/m3；

S——开挖断面积，为36.3m2；

a——炮眼平均装药系数,为0.60；

D——药卷直径,为0.032m。

计算结果：N=77.98个，一般取77个。特殊地层式中Q=0.75kg/m3，则N=67个。主洞炮眼布置见图3。

图3 主洞炮眼布置和开挖断面尺寸单位:cm

b.掏槽方式。主要采用锥形掏槽。特殊地层采用φ50孔眼直线或锲形掏槽。

c.炮眼深度。根据岩性，一般为2.4～2.9m，特殊地层0.5～1m。

d.光面爆破参数确定。该参数通过现场试验确定，并随岩性的变化按照以下原则进行调整：

两孔间的岩石凸起，炮眼完整率好，说明线性装药量适合；但孔间距过大或保护层过小，应减小孔间距或加大保护层厚度。

眼痕完整率差，岩石凹进，说明线性装药量过大，孔间距过大或保护层过厚，应减小孔间距或减小保护层厚度。

e.单眼装药量。掏槽眼 2.50kg；辅助眼1.86kg；周边眼一般软岩0.45kg，相对较硬岩石0.60～0.75 kg。特殊地层掏槽眼0.90～1.15kg，辅助眼0.45～0.75kg，周边眼0.15～0.30kg。

f.装药结构。掏槽眼、辅助眼采用耦合线状连续装药反向起爆；光爆眼采用间隔不耦合装药，孔口用炮泥堵塞。

g.起爆方式。

起爆器材的选择：起爆器材用非电塑料导爆管起爆系统，该系统由塑料导爆管、微差延期雷管、卡口塞连接块组成。

起爆顺序：掏槽眼4个，2～5个用1、3两段延期雷管引爆，辅助眼分别用5、7、9三段引爆，周边眼用十一段引爆。特殊地层先起爆掏槽眼、辅助眼，然后出渣；最后进行光爆圈的爆破。

h.主洞开挖断面尺寸。根据实际的围岩类别，选定适当的设计洞形和衬砌厚度，加上支护尺寸，再确定开挖断面和尺寸，据此分段计量，见图3。

3.1.3 特殊地层的开挖、支护措施

在岩石软弱、破碎的特殊地层开挖时，根据实际情况，掌握好“先排水，短开挖，弱爆破，强支护，勤观测，稳步前进”的要点，采取了如下具体措施，以防止塌方：

a.爆破采用短循环、弱爆破、分次爆破，循环进尺控制在0.5～1m，并对爆破参数按上述特殊地层要求进行调整，或直接用挖掘机进行挖掘，对开挖边线预留30～50cm，人工用风镐、锄头开挖。

b.爆破后立即进行岩面清理、喷射混凝土(或浓水泥浆)封闭，然后出渣，必要时再二次喷混凝土，厚度5～20cm，强度等级C20(水泥∶砂∶0.5～1cm石子∶速凝剂=1∶2.05∶2.05∶0.03)。全洞都采用。

d.挂网。φ8钢筋，20cm×20cm网格，结合喷混凝土。主要在较破碎的Ⅲ、Ⅳ类围岩段采用。

e.拱架支护。主要采用了钢筋格栅拱架，少量为型钢拱架，锁拱锚杆定位，见图4。拱架在Ⅲ、Ⅳ围岩段采用，共计投入2160t，设置范围2870m,约为1/3洞长。

f.锚喷网拱架联合支护。由以上两种或两种以上形式联合支护，主要在稳定性较差的Ⅲ类围岩和Ⅳ类围岩段采用。

g.超前支护或加固。

超前小导管(管棚)预注浆：采用脚手架钢管(φ50@0.30～0.60m)制作成尖头花管，用凿岩机(或潜孔钻造孔)打入。装好花管再进行水泥浆的预注，3～5d后再进行开挖，并结合锚喷网拱联合支护。在Ⅳ类围岩和塌方段使用，见图4。

h.勤观测。随时观察和量测地质及涌水变化情况，调整开挖支护参数和方法，对复杂、不稳定地段，按规范进行隧洞收敛变形观测，出现异常及时处理。

图4 拱架和小导管或管棚预注浆支护 单位:cm

3.1.4 主要大塌方段的处理

隧洞开挖中共计发生主要塌方18处，大量涌水7处，还发生过二次塌方和严重收敛。塌方主要是地质原因，或有预测失真，处理时间一般在1～4个月左右。一般的中小塌方(范围10m以内)在上部岩石稳定后清除塌方碎石，安装拱架，顶部以圆木支撑，必要时用混凝土加固边墙。当遇到意外大塌方时，则根据具体情况冷静处理。

a.大塌方且顶部不稳定时的处理。加木沟下游 6+319～6+355片状千枚岩段，在按设计要求边支护、边开挖时，于2005年9月17日晚上发生塌方，顶部持续垮塌，危及人员安全。最后采用了“对该段封闭后，进行塌空区灌浆回填，将塌方体固结，然后二次开挖结合架设格栅拱架”的处理方案，处理时间3个月。

b.停止掘进改由另一端贯通。加木沟上游在执行业主增加任务时于2007年8月16日开挖至3+107时遇泥层段并多次大塌方，经艰难处理2008年1月掘进至3+090，顶部大量涌水和塌方，造成30多m已支护好的隧洞被泥石流填埋。2月13日业主决定停止掘进，改由上游端完成未贯通部分。

c.隧洞贯通后的塌方收敛处理。贯通后洞内风速加快，使得部分围岩加剧了风化，造成6+900处大塌方，还在3+118～3+169段发生2次砸坏台车、钢筋的塌方；7+250～6+455段衬砌时，风化变形、塌方滑帮以至5次将台车、钢筋砸坏，经清理修复，恢复浇筑。8+220～8+330段严重收敛以至拱架侵占永久衬砌内，采取修凿一段、浇筑一段的方式进行衬砌施工。

d.变更衬砌方式。由于塌方段围岩软弱，3+100～3+115段变更为钢管混凝土衬砌。

3.2 调压井和竖井石方开挖

调压井平台在明挖完成后，进行了井口部位的固结灌浆处理，合计注入水泥213t。然后进行圈梁的浇筑，提高了井口岩体的稳定性。

调压井井身开挖时，先在井中心钻一个φ110的孔通至隧洞，从隧洞由下而上借助吊篮用普通钻爆法，掘一直径2m的反导井，贯通后再自上而下用光面爆破法，边扩挖边临时支护。爆破后的岩渣从导井溜到隧洞，然后由装载机装车经2号支洞运到弃渣场。见图2。

高压管道垂直段(竖井)石方开挖与调压井类似，也按照中心钻孔—反导井—从上而下扩挖的方法进行。

4 隧洞衬砌

各工区在距洞口约200m处分别建了一座混凝土拌和站，配备了4～5辆混凝土罐车(3～8m3)为洞内运输混凝土。

4.1 钢筋混凝土衬砌施工

平洞衬砌按照先浇筑底板、后浇筑洞身(侧顶，见图5)，底板始终超前洞身4～6仓的顺序进行。每个工作面配备2台移动式钢模台车(每台长12m)跳仓浇筑。一般是从洞内往洞口浇筑。2007年7月～2009年2月完成的加木沟下游段衬砌，为了避开洞口在冬季浇筑，则从洞口往下游洞内施工。隧洞衬砌尺寸见图5。

图5 引水洞衬砌施工示意图

渐变段、上平洞、支洞封堵都采用小块拼装模板。调压井和竖井段采用1.50m高的定型钢滑模，以手动葫芦提升。调压井阻抗孔浇筑采用钢模板配木模板。

搅拌罐车将洞外混凝土运输至仓位，经混凝土泵转送入仓，底板先用插入式振捣器振捣密实，再用平板振动器振捣。侧顶部位浇筑时保持左右前后均匀上升，用12只1.50kW附着式振捣器振捣密实。注意观察顶部设置的通气管，当其出浆时，以低速和适当压力浇筑封拱。

调压井先自下而上浇筑井身，用混凝土输送泵输送入仓。竖井段(高103.2m，衬厚60cm)常态混凝土从上平洞用溜管下溜入仓。最后浇筑阻抗孔。

4.2 低温季节施工措施

采用搭建保温棚、棚内生煤炉、电加热方法进行骨料、搅拌机保温，并用锅炉加热的温水进行混凝土拌制。

4.3 衬砌混凝土质量

设计强度等级为C20，经过对1182组试块的检测统计，抗压强度平均值为24.01MPa，最小值为17.5MPa，最大值为39.0MPa，标准差2.41，离差系数0.1，保证率95.18%，确保了混凝土质量。

5 结 语

三道湾水电站引水发电洞在勘察阶段受自然条件等因素的限制，仅在隧洞进口、加木沟上下游、下平段出水口进行了平洞勘探，对洞身段则利用平面地质图推测其地质现象。施工阶段根据实际揭露的围岩情况，调整进度计划、支护方式和开挖、衬砌断面，实施了科学合理的方案，最终满足了调整后的进度计划和工程质量要求，其实践经验成果可供借鉴。

MajorConstructionMethodofSandaowanHydropowerStationDiversionTunnel

LU Hong1,2，YAO Hong-tao1

(1.GezhoubaGroupProjectManagementCo.,Ltd.Yichang443002,China; 2.NingboRawWaterGroupCo.,Ltd.,Ningbo315100,China)

Being limited by mountain terrain, heavy-duty geology investigation wasn’t carried out in the section of tunnel body for diversion tunnel of Sandaowan hydropower station, and there is great difference discovered after excavation and disclosure using plane geology drawing to predict geological phenomenon in tunnel body. During construction period, based on actual wall rock status disclosed, excavation and bracing methods and lining cross section are adjusted, scientific and reasonable scheme is implemented, and design requirements are met, and its practical experiences are worth appreciation and drawing from.

diversion tunnel; construction; method

TV672

B

1673-8241(2014)09-0001-05