小水电站有压引水隧洞开挖及支护施工技术分析

潘德龙，胡　彬(．上饶市水利电力勘测设计院，江西上饶334000; ．新余市渝水区水务局，江西新余338000)

小水电站有压引水隧洞开挖及支护施工技术分析

潘德龙1，胡彬2
(1．上饶市水利电力勘测设计院，江西上饶334000; 2．新余市渝水区水务局，江西新余338000)

摘要:由于地下工程引水隧洞施工环境复杂多变，有很多无法预见的因素，安全隐患多，因此隧洞的支护质量对工程的投资、工程的施工进度以及工程的安全性均有较大的影响。通过实际案例，结合工程的水文地质环境，对隧道开挖和支护方案进行了分析，并对支护施工技术进行了探讨。图2幅。

关键词:小水电站;引水隧洞;开挖支护;施工

1　工程概况

富川水电站引水隧洞总长度为6 049 m，纵坡为4‰，开挖断面设计为马蹄形，底宽2.5 m，洞高3.0 m。隧洞采用钢筋混凝土衬砌，衬砌混凝土厚度0.3。在高程2 268.7 m处设置简单圆筒式调压井，井底高程2 221.5 m，顶高程2 275.5 m，高度54 m;调压井之后至隧洞出口长约72 m洞段采用8 mm厚钢板内衬，衬后内径1.3 m。调压井采用简单圆筒式，设计开挖断面为圆形，直径为6.0 m，并用连接管与引水道连接，连接管开挖内径4.0 m，均采用厚0.5 m钢筋混凝土衬砌。

隧洞通过地段属高山峡谷地貌，区内冲沟发育，切割较深，雨季时期常见有一些小型塌滑现象。隧洞沿线出露的地层岩性较为复杂，从进口至出口分别为:二叠系上统(P2a)板岩、砂岩夹灰岩等;三叠系上统崔依比组一段(T3C1)石英角斑岩、细碧岩夹流纹岩、玄武岩;侏罗系中统花开左组一段(J2h1)粉砂岩夹泥岩，砾岩、砂岩夹泥岩等。

此外隧洞沿线平缓山坡及沟谷部位分布有第四系残坡积碎石土。二叠系岩层岩性较坚硬，三叠系岩层岩性坚硬，侏罗系岩层岩性较软弱，但大部分洞段在微新岩石中通过，且岩层走向与隧洞交角大。受区域性史普力深大断裂的影响，隧洞沿线岩体断层、裂隙发育，岩石较破碎，对洞室围岩稳定不利。

总体来看，隧洞上游洞段围岩较为稳定，下游洞段围岩稳定条件相对较差。

2　隧洞开挖及支护方案

该隧洞断面小、线路长，且下游岩体地质稳定性较差。

(1)沿线经过3个大冲沟，布置5条施工支洞，其中后2个冲沟位置开双支洞，3～4号支洞间为最长洞段，约1 964 m，单边掘进985 m。

隧洞开挖采用光面爆破的方式进行，以此减小爆破对于岩体承载力和稳定性所产生的影响，并且能够有效的完成隧洞的加固，是一种经济实用的隧洞开挖工艺。而实际的施工过程中则是采用分台阶法进行施工的，施工的顺序为先进行上台阶的开挖和支撑，当上台阶完全贯通之后再进行下台阶的施工。

隧洞开挖还采用手风钻钻孔和光面爆破全断面掘进法施工，0.05 m3小型挖掘机装碴，手扶拖拉机出碴。洞内通风采用压入式通风，混凝土泵入仓，机械振捣。

(2)隧道支护主要包括喷射混凝土支护、锚杆支护、挂钢筋网支护、喷射混凝土+锚杆+挂钢筋网联合支护、喷射混凝土联合支护+锚杆、挂钢筋网联合支护+喷射混凝土等。

结合本工程的实际情况，围岩岩性为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等，围岩地质条件差，有少量地下水，只依靠喷射混凝土支护或锚杆支护网支护都无法达到良好的支护效果。喷射混凝土只可以封闭围岩岩壁，可以防止地下水渗出，锚杆支护只可以对局部溶液出现坍落的岩体进行支护，挂钢筋只可以包裹岩壁，避免石块出现掉落，使岩壁构成一个整体，但是无法对易坍落岩体进行支护。结合本工程的实际情况，使用了挂钢筋网+喷射混凝土+锚杆联合支护的方式进行支护。

3　隧洞开挖

3.1洞口渐变段和V类的围岩开挖

在进行实际开挖的时候，应当将渐变段的形状由方形变为圆形，在施工过程中也是采用先上部后下部的施工办法。实际的开挖顺序如下所示(见图1)。

图1　洞口工程施工示意

3.2 IV类围岩开挖

在进行上台阶的开挖时，所选定的机械工作范围是4.2～4.5 m，具体的施工顺序为:先进行导洞的开挖，再进行两侧和顶拱的开挖，在完成上部开挖之后即可完成支护工作，然后再按照相关的施工要求完成后续的相关工作。在钻孔时应当采用YT—28型的钻孔机进行人工钻孔，钻孔台车应当由装载机端运。导洞的上半部分应当进行楔形掏槽处理，拱缘处则采用光面爆破处理。在起爆之前一个档先进行槽孔的钻设，再进行辅助孔和光爆孔的钻设。在进行爆破时应当先进行两侧辅助孔的对称起爆，再进行设计面光爆孔的起爆。对于下半部分来说，应当先从中心开始引爆，然后再进行两侧的对称引爆，最后完成设计面的光面起爆。所采用的爆破材料应当是乳化炸药，进行炸药装填的时候若存在水孔，则应当采用压力风管将积水吹出，然后再进行炸药的装填。炸药的引爆应当采用非电毫秒雷管进行引爆(见图2)。

图2　V类围岩炮孔布置

3.3断层破碎地段施工措施

在施工中对可能遇到的断层破碎带及其影响带，严格按照“早预报、管超前、预注浆、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”的原则施工。

(1)超前地质预测、预报、超前探水

采用以TSP203地质预报系统为主的综合超前地质预报，探明掌子面前方工程地质、水文地质的活动态势等情况。主要探测断层压碎带地段岩石的强度、岩性、岩层的破碎程度、涌水压力和涌水量等情况，为正确选择开挖方法、注浆参数及采取相应的技术参数提供依据。

(2)断层破碎带开挖方法

断层破碎带地段采用超前小导管预注浆或超前长管棚预注浆支护措施，并对围岩进行注浆处理，根据围岩条件及监控量测资料，合理确定开挖进尺。开挖完成后立即初喷并及时施做锚杆、架立钢架、喷射混凝土封闭围岩。根据围岩情况采取超前锚杆、钢拱架、挂网等手段加强支护。

开挖方法:Ⅴ级围岩断层破碎带采用弧形导坑留核心土的方法，Ⅳ级围岩采用全断面施工，有水地段实行预注浆加固岩层。

开挖手段:一是在特别软弱的围岩段，采用非钻爆开挖，如利用十字镐、风镐开挖或利用小型挖装机开挖。另一种是采用控制爆破措施，如松动爆破、微振动爆破等，目的就是尽可能地减小开挖对围岩的扰动。

4　支护

支护使用锚杆、混凝土、钢筋网联合支护的方式进行施工，必要时需要根据观测结果和地质情况设置管棚和钢拱架支撑。在开挖软弱、松散岩体时，使用一掘一支护的方式进行施工，整个施工过程要稳步前进;开挖一循环线喷射一层混凝土，然后打锚杆、挂网、喷射混凝土达到设计厚度后，再次循环进行掘进。对于稳定性比较差的围岩，爆破后马上喷混凝土封闭岩面。完成出碴后，再打锚杆、挂网、喷射混凝土，需要时可以利用钢拱架支撑来提高支护能力。

4.1混凝土的喷射

所采用的水泥为普通的硅酸盐水泥，而砂粒的直径应当控制在2.5 mm以下，石子必须采用坚硬度极好的卵石，必须使用洁净水完成工程的建设，加入的速凝剂一般为水泥总使用量的3%，混凝土凝结后的基本强度应当达到20 MPa以上。所使用的混凝土喷射机应当为湿喷机，并且采用双水环的喷头进行。

在进行工程开挖之前必须对挖掘处进行细致的检查，及时清除松动的危险物品并埋设相关的喷层厚度标识，从而确保工程建设的基本质量。另一方面，盲管安装可以划分为2种，即环向盲管和局部集中式的盲管。

在进行混凝土施工时必须做到以下几点:第一，根据岩面的潮湿度确定水灰比例;第二，按照设计的施工顺序进行施工;第三，分段的距离为6 cm以内，分块大小为4 m2的正方形;第四，喷嘴到岩面的距离为1 m，并且保证喷嘴和受喷面之间的垂直度，根据岩面的凹凸度来确定混凝土的喷出量;第五，在混凝土喷射完成后必须加强养护，养护时间超过7 d。

4.2管棚法施工

(1)钻设孔径

在进行孔径钻设的时候必须加强孔位和立轴的方向控制，孔径直径为108 mm，在实际的孔径钻设过程中必须准确记录各段围岩的实际情况。在完成所有的钻孔工作之后应当进行孔径和打管质量的检查，对所有的孔径进行编号，并予以准确记录。

(2)管料的输送

在完成孔径的清理工作之后，即刻将钢管放置于孔径之中。对于钢管的加工应当根据工程设计的相关要求进行，并且在施工现场以丝扣的形式连接在一起。

(3)对于注浆管口的加工

进行注浆时采用的是长度为30 cm的镀锌钢管，钢管的1个接头和管棚堵头焊接在一起，另一端则和注浆管连接在一起。

(4)进行压水试验

在进行混凝土的注射之前必须保证相关设备工作的正常性，并且进行压水试验，将实验过程中的用水量、水压以及流量都进行准确记录。

(5)注入混凝土

所使用的混凝土水灰比应当为1∶1，注浆的最大压力不能超过2 MPa，注浆的压力应当逐渐增加，在达到最大允许压力值之后持续进行10 min以上的注浆;对于混凝土的注入量以及持续时间等都要进行准确的记录，在注浆完成之后必须即刻堵塞孔口，避免浆液流出。

4.3施工工艺要求

(1)对于管棚的加工和安装

应当按照相关的设计进行管棚钢管的设计和制造，并且在施工现场完成组装工作，保证接头的准确性和牢固性。对于未达到要求的安装管棚应当重新进行安装，要求孔位的误差不超过25 cm，角度误差小于22°。

(2)混凝土的注入

在进行注浆之前必须进行压水试验，从而得到工程建设的基本参数，用于工程建设的指导。混凝土注入的压力应当逐渐上升，在达到所设计的压力值之后应保持10 min以上，以保证孔径中混凝土的密实度达标。在实际的工程建设过程中应当对混凝土的注入量和注入压力进行准确地记录，加强注浆量和钢管质量的检查，当发现注浆厚度低于30 cm时应当钻设小钢管完成注浆，以满足相应的施工要求。

(3)对于挂网的施工

在进行挂网的固定时必须使用锚杆或者插筋，并且在岩面上喷射1层混凝土之后才可以进行钢筋网的安装，钢筋网和壁面之间的间距应当为3～5 cm。在进行挂网的焊接时应当进行人工整理，以保证挂网能够紧贴在初喷层上，在初喷完成之后再使用混凝土将其覆盖。钢筋网的制造应当在钢筋加工厂完成，并且使用5 t的载重汽车运送至施工场所。

4.4借助小导管进行注浆施工

当地质条件较差时，应当采用小导管进行支护，并且保证小导管和开挖洞面的夹角为10°。应当采用手风钻钻设直径为942 mm的孔径，而成孔后的冲洗压力应当为注浆压力的80%，直到冲洗回流水变为清水位置。灌浆的水灰比则应当为0.5或者0.6，灌浆的压力则应当为0.2～0.3 MPa。

5　结语

本隧道工程开挖施工后，光面爆破效果良好，超挖也都保持在20 cm以内，残孔率也在90%以上，断开开挖符合规定要求。

综上所述，在进行引水隧道开挖和支护时，要结合工程的具体情况制定合理的开挖、支护措施，保证工程的施工质量达到设计要求。

参考文献:

［1］琳才元，徐胜峰．隧道锚喷支护体系作用机理浅析［J］．中国西部科技，2007(6) : 26_27．

［2］冯尚伟．锚杆发展的方向——全螺纹等强锚杆［J］．锚杆支护，2000(1) : 45_46．

责任编辑吴昊

作者简介:潘德龙(1983－)，男，工程师，主要从事水利工程设计工作。

收稿日期:2015－10－23