引水隧洞施工技术浅析

黄跃辉

摘 要：引水隧洞工程的施工是水利水电工程施工中的难点。在压力引水隧洞施工的过程中，最重要的是在开挖后采用科学、合理的临时支护和永久支护方法。结合自身的工作经验，浅析了压力引水隧洞的施工技术，以解决施工过程中遇到的难点问题。

关键词：引水隧洞；施工技术；混凝土浇筑；边坡支护

中图分类号：TV554 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.23.144

1 工程概况

笔者曾参与过某水电站引水隧洞的施工。该电站为低闸引水式电站，装机容量30 MW，引水隧洞全长3 307 m，进口高程999.00 m，终点高程971.50 m，引用流量134.7 m3/s，额定水头25.5 m；采用了马蹄形断面形式，过流断面顶拱半径3.2 m，顶拱半角180°，底板宽6.4 m，过流断面36.56 m2，流速3.68 m/s。根据隧洞沿线不同的围岩条件，Ⅱ类和Ⅲ类围岩衬砌按照透水衬砌设计，主要目的是减糙，混凝土标号为C25，厚度为30 cm；Ⅳ类和Ⅴ类围岩C25衬砌厚度分别为60 cm、80 cm，全断面固结灌浆入岩4.0 m，每排12孔，排距3.0 m，全断面设置锚筋Φ25，长4.5 m，间排距1.5 m。各类围岩顶拱均回填灌浆。

2 工程地质

引水隧洞洞身段处于泥页岩夹砂岩中，埋深20～80 m。受断层破碎带的影响，岩石风化严重，极易破碎，隧洞掘进中经常出现坍塌和渗水现象，成洞条件差。

3 施工情况

隧洞进口至调压井全长3 307 m，本文选取了最具有代表性、施工难度最大的首段1号洞段来探讨其开挖和衬砌施工技术。该洞段长938.60 m，隧洞开挖跨度8.00～8.40 m，衬砌后跨度6.40 m。

3.1 施工支洞工程施工工序和方法

3.1.1 洞口施工边坡保护

在支洞口石方明挖施工中，要及时采取边坡支护措施，以确保开挖边坡的稳定性。洞口削坡应自上而下进行，严禁上下垂直作业。

3.1.2 施工支洞开挖

在确认洞脸边坡稳定及边坡上无危险物后挂口进洞，靠近洞脸处的岩体开挖和起始洞段的洞身开挖要采用浅眼弱爆破方法，以免洞脸边坡因爆破而发生岩体震裂、松动和塌方现象。

为了确保洞口的稳定性和安全性，支洞采取以下施工方案：①施工支洞断面的净空断面为5.4 m×5.2 m，S净=28.08 m2。②采用2Φ25 mm、L=4.0 m的超前锚杆，环向间距30 cm。③立格栅拱架的规格为20 cm×20 cm，间距为80 cm，连接筋Φ22 mm螺纹钢，长0.8 m，间距1.0 m。锁脚锚杆每榀12根，长3.5 m（Φ25 mm螺纹钢）。④洞口采用Φ12挂网钢筋，浇筑C20砼30 cm锁口。

3.1.3 质量情况

经过近10年的时间，只进行了临时支护的120 m长的施工支洞目前仍然较为稳定。但作为以后的检修洞，建议要尽快采取永久支护措施。

3.2 隧洞主洞洞身开挖

3.2.1 开挖方案与工期安排

引水隧洞采用城门洞形，开挖底宽7.6～8.0 m，高7.6～8.0 m。为了便于施工，Ⅳ类和Ⅴ类围岩开挖采用正台阶法光面爆破施工方案，上台阶开挖150 m左右时停止，开始开挖下台阶。为减少爆破对围岩的扰动，开挖下台阶时，要预留30 cm的保护层，然后人工配合150型挖掘机开挖至设计高程。Ⅲ类围岩采用全断面光面爆破施工方案。为确保洞室内开挖的安全，隧洞施工临时支护紧跟开挖工作掌子面进行。

3.2.2 钻孔与爆破

钻孔：引水隧洞采用YT-28气腿式风钻钻孔，孔径为42 mm。

爆破设计：引水隧洞开挖采用楔形掏槽方式，周边光面爆破。Ⅳ类和Ⅴ类围岩部位以及向斜地质构造等特殊部位的爆破采用“短进尺、弱爆破，周边孔加密布置，隔孔装药爆破”的方式，尽量降低单响药量，最大限度地降低爆破震动对围岩的不利影响。炸药使用的是2#岩石乳化炸药，雷管使用的是非电毫秒微差雷管。周边孔采用竹片或导爆索分节间隔装药，爆破孔采用柱状连续装药，最后采用砂和黏土的混合物堵塞。光面爆破参数需通过试验确定，施工中，按照选定的参数总结每次爆破效果，并测量半孔率和轮廓的不平整度。施工初期，要根据经验公式选定各项参数。根据相关技术条款，Ⅲ类围岩循环进尺不应大于3.5 m，Ⅳ类围岩的循环进尺不应大于2.2 m，Ⅴ类围岩的循环进尺不应大于1.2 m。经统计，本工程实际循环进尺如下：Ⅲ类围岩循环进尺为2.2～2.5 m，Ⅳ类围岩的循环进尺为1.65～1.95 m，Ⅴ类围岩的循环进尺为1.0～1.05 m。

出碴：爆破后采用2 m3侧翻装载机装5 t自卸汽车由掌子面运至洞口弃碴场堆弃。

3.3 主洞临时支护

3.3.1 典型洞段的临时支护措施

隧洞开挖施工采用新奥法，设计支护施工必须及时、快速。支护的机构型式与掌子面的关系：Ⅲ类围岩不超过20 m 距离，Ⅳ类和Ⅴ类围岩紧跟掌子面。洞内临时支护形式主要包括锚杆、挂钢筋网、喷混凝土等常规支护形式，Ⅳ类和Ⅴ类岩石较差部位采用钢拱架（Φ25格栅或16#工字钢拱架）、超前锚杆等支护形式。在实际施工中，为适应地质条件和结构条件的变化，需综合采用各种支护方式，并根据不同的围岩类别选取不同的临时支护参数。

3.3.2 不良地质段的临时支护措施

该隧洞主要包含弱风化的砂岩、泥页岩夹砂岩和强风化卸荷的灰岩、泥灰岩夹白云岩，岩石较为完整，以中厚层至薄层状、块状为主。掘进中，出现了局部掉块、垮塌和渗水、滴水现象，成洞条件差，毛洞在短时间内稳定。经过地质工程师的复核和监理、业主等各方的现场确认，认定其为Ⅳ类围岩，需采取Ⅳ类围岩的支护措施进行支护。

3.3.3 Ⅴ类围岩段的临时支护措施

该围岩以深灰色泥页岩为主，岩体结构松散、节理发育，有渗水、涌水现象；锤击无回弹，浸水后可手捏成团；无自稳能力，松动、变形现象非常严重。经过地质工程师的复核和各方现场确认，认为其为Ⅴ类围岩，支护措施与“无名沟”段相同，格栅拱架主筋由Φ22螺纹钢筋调整为Φ25螺纹钢筋。

3.3.4 浅埋段的临时支护措施

“无名沟”引0+447～引0+518段隧洞围岩属三叠系上统白果湾组地层（T3bq），围岩以深灰色泥页岩为主，岩体结构松散、节理发育，有渗水、涌水现象；锤击无回弹，浸水后可手捏成团；无自稳能力，开挖后松动、变形现象普遍。地表地貌显现为冲沟，沟心处至隧道洞顶埋深不足30 m。当地矿场在沟中心建造了一座洗矿池，在地面挖了一个深度超过10 m的坑，用来存放矿碴。经实地查看，地表洗矿池堆积的矿碴残粉完全呈泥糊状。如此一来，该段隧洞实际埋深不足20 m，安全隐患突出。为确保隧洞穿越“无名沟”段的安全，经充分讨论，该段按Ⅴ类围岩施工。

3.4 混凝土衬砌施工

3.4.1 混凝土工程施工总体安排

引水隧洞混凝土浇筑与开挖工序一样，分为上、下游两个工作面和开挖工序平行作业。先浇筑底板混凝土，边顶拱混凝土施工紧跟其后。

3.4.1.1 混凝土浇筑工序安排

本工程引水隧洞混凝土浇筑施工采用“先浇筑底板，后浇筑边顶拱”的工艺。引水隧洞开挖、衬砌平行作业如图1所示。

3.4.1.2 混凝土施工工艺流程

混凝土施工工艺流程为：①当将上台阶开挖至150 m时，开始挖下台阶；②下台阶开挖完成后即进行C15垫层混凝土施工；③待垫层混凝土达到一定强度后，开始绑扎底板钢筋；④待边底板完成4个以上仓位时，开始浇筑边顶拱混凝土。至此，底板、边顶拱浇筑各个工序之间就能形成互不影响的流水作业。

3.4.2 砼工程施工

3.4.2.1 隧洞衬砌混凝土浇筑方法

隧洞衬砌混凝土浇筑方法主要有：①分层、分段浇筑法。隧洞混凝土衬砌施工采用“先浇筑底板、再浇筑边顶拱”的方法。边顶拱采用钢模台车施工，相邻浇筑段间采用橡胶止水带连接，洞内衬砌混凝土施工采用循环作业方式。②底板浇筑方法。底板混凝土每隔12 m一个仓位，混凝土浇筑严格按浇筑工艺进行。浇筑时，混凝土由施工支洞洞口混凝土拌和站供料，由4.0 m3 混凝土搅拌车运输至工作面附近，HB60型混凝土泵泵送入仓，Φ50插入式振捣器振捣。底板浇筑方法如图2所示。③边顶拱浇筑方法。边墙及顶拱采用钢模衬砌台车，为方便转弯段的砼浇筑，将钢模衬砌台车改装为2 m×6 m的规格。

边顶拱浇筑的流程为：①台车就位。钢模台车按使用说明书在厂家指导下使用。模板在使用之前清理干净，并涂刷脱模剂。模板与已浇筑混凝土面的接触必须严密，以保证混凝土表面的平整度和混凝土的密实性，避免产生错台、挂帘等缺陷。安装两端堵头模板是钢模台车施工流程中的关键工序之一，为了保证两端侧模模板安装的牢靠度，在钢模板周边设计了一些安装在两端侧模模板的专用工件、卡具和支撑传力梁等。②混凝土入仓。混凝土由施工支洞洞口混凝土拌和站供料，系统设计生产能力为70 m3/h。采用4.0 m3混凝土搅拌车运输混凝土，混凝土入仓采用1台HB60混凝土泵泵送入仓。混凝土入仓后采用振捣器辅以人工摊铺，铺料厚度不得大于振捣棒长度的1.25倍。两侧混凝土应均衡上升，高差不大于50 cm。同一浇筑块在浇筑时要左右对称、均匀，然后加强振捣。在斜面（约3.3%）上浇筑混凝土时，要从低处开始，使浇筑面保持水平。③平仓振捣。混凝土振捣根据不同衬砌厚度和不同部位（侧拱、顶拱）选用Φ100、Φ50 插入式振捣器振捣。振捣时，要均匀移动振捣器，移动间距不得大于振捣器的影响半径。振捣上一层混凝土时，应将振捣棒插入下一层混凝土下15 cm，以免漏振和过振。为使所浇筑混凝土内实外光，除利用软轴插入式振捣器振捣外，还可在钢模台车内侧布置一定数量的附着式平板振捣器进行振捣。在浇筑边墙部位时，要利用混凝土泵从两侧受料口向底拱均匀地布料，同时加强混凝土振捣，控制浇筑速度。

3.4.2.2 混凝土养护

根据施工条件，可采用洒水喷雾的方式养护混凝土，养护时间不少于21 d。

3.4.2.3 施工缝面处理

对于光滑的基岩面，扎筋立模前应对其进行凿毛处理；对于软弱或易风化的基岩，基础验收合格后应尽快用混凝土或喷混凝土予以保护，以免在以后的立模扎筋等施工活动中被扰动或风化。

对于混凝土水平施工缝，在混凝土终凝前，按监理工程师的要求进行凿毛处理，并纵向布设2 cm×3 cm的遇水膨胀止水条。上一分层仓号混凝土入仓前，需先铺一层2～3 cm厚的水泥砂浆。

4 结束语

通过采取各种措施，顺利完成了隧洞泥页岩地段、浅埋地段和Ⅴ类围岩地段的开挖和支护施工作业。目前，该电站引水隧洞已顺利完成充放水试验，并已安全运行了5年。

〔编辑：王霞〕

Abstract： The construction of the diversion tunnel project is the difficulty in the construction of water conservancy and Hydropower projects. In the process of pressure diversion tunnel construction， the most important is to adopt scientific and reasonable temporary support and permanent support after excavation. Based on the author's working experience， the author analyzes the construction technology of the pressure diversion tunnel， in order to solve the problems encountered in the construction process.

Key words： water diversion tunnel； construction technology； concrete pouring； side slope support