浅析大型水工隧洞开挖施工技术创新及经济评价

黄 浩 钦，　林 芳 芳，　易　丹

(1.中国人民武装警察部队 水电第七支队，湖北 武汉　430200；2.中国人民武装警察部队 水电第三总队，四川 成都　611130)



浅析大型水工隧洞开挖施工技术创新及经济评价

黄 浩 钦1，林 芳 芳2，易丹1

(1.中国人民武装警察部队 水电第七支队，湖北 武汉430200；2.中国人民武装警察部队 水电第三总队，四川 成都611130)

金沙江溪洛渡水电站泄洪洞工程的技术创新绝大多数都在实践中得到了良好的应用，有效解决了工程中的各项技术难题，提高了施工质量，加快了施工进度，保证了施工安全。其中开挖阶段采用的底板水平光爆和钢筋拱肋支护技术创新较好地解决了大型水工隧洞底板超挖超填和不良地质段及时支护问题。

泄洪洞；开挖；技术创新；经济评价；溪洛渡水电站；施工

1　工程概况

金沙江溪洛渡水电站的4条泄洪洞分左、右两岸各2条布置，全长分别为1.6～1.8 km不等。4条泄洪洞均为有压接无压、洞内龙落尾型式。泄洪洞由进水塔、有压段、工作闸门室、无压段、龙落尾段(含上直坡段、奥奇曲线段、斜坡段、反弧段、下直坡段)、明渠和挑坎组成，结构形式多样，水力条件复杂，主要具有以下特点：

(1)大断面。有压段隧洞直径为15 m，其他断面为14 m×19 m(宽×高)，对隧洞的开挖、衬砌都提出了很高的要求。开挖时要减少爆破对围岩的扰动和破坏，尽量采用预裂爆破、光面爆破等先进的爆破手段以确保开挖质量；混凝土浇筑时需要从材料、装备、工艺等各方面改进以保证混凝土衬砌的质量。

(2)大泄量。泄洪洞单洞泄量为4 000 m3/s，总泄量超过16 600 m3/s，要求泄洪洞在前期做好体型设计，解决水舌落点、水流归槽、充分消能等问题，后期施工时要做到体型精准以实现设计目标。

(3)高流速。最大流速可达50 m/s。一方面要解决好高流速区的气蚀问题，保证建筑物体型精准是基础，提高掺气效果是关键，同时应严格控制混凝土表面的平整光滑度；另一方面还需解决悬移质冲磨问题，必须选用高标号的抗冲耐磨混凝土，进而带来其他问题，比如温控防裂难度大、施工和易性差等，因此，很难保证施工质量。

综上所述，为了满足枢纽长期安全运行需要，泄洪洞建设者在施工过程中提出了“体型精准、平顺光滑、抗冲耐磨、高强防裂”的质量要求，采取了一系列技术创新和综合性管理措施，在确保进度和安全的同时实现了打造质量精品工程的目标。通过全体参建单位的努力，泄洪洞工程在建设过程中取得了丰硕的技术创新成果，这些技术创新有对传统工艺的改进，有新技术的拓展应用，还有新装备的研发和新材料的应用，内容涵括了泄洪洞施工全过程，全面提升了泄洪洞的建设水平。笔者就其中开挖阶段底板光爆、钢筋拱肋支护两项施工技术创新进行了浅析与评价。

2　开挖施工技术创新

2.1底板水平光爆

2.1.1起因

隧洞底板开挖通常采用垂直光面爆破技术，即从底板顶面垂直向下钻孔爆破，该方案的优点在于钻孔方便，进度较快，但其爆破开挖后平均超挖过大，部分超挖值甚至超过50 cm，导致超挖超填工程量巨大。因此，在底板开挖作业中尝试引进了水平光面爆破技术，以减少底板超挖量，节省工程投资。

2.1.2创新过程

水平光面爆破技术通常应用于边顶拱爆破开挖，而将其应用于底板开挖作业，其最大的变化是水平造孔需要贴近地面。但由于手风钻结构限制导致其无法紧贴基岩面，架钻困难导致造孔精度不易保证，进而影响到开挖质量。经过多次试验，建设者们针对水平光爆造孔设备设计了专用固定支架，并在长期的施工实践中逐渐摸索形成了一套标准化施工工艺，很好地保证了钻孔精度。

如图1、2所示，泄洪洞有压段为圆形断面，开挖半径为8.6 m。第Ⅲ层为圆弧形底拱，开挖矢高3 m，开挖弦长13.05 m，断面面积为27.18 m2。无压段为城门洞型断面，开挖宽度为17.2 m，底部预留3 m保护层作为第Ⅲ层开挖。在爆破开挖过程中，还优化了爆破参数以适应底板水平光爆的特点，比如调整孔距，控制装药密度在0.2 kg/m以内，短进尺开挖，每循环开挖进尺不超过2 m。这些措施都有效地提高了底板开挖质量。

图1　有压段开挖分层图

图2　无压段Ⅲ层底板开挖断面图

2.1.3创新成果

2.1.3.1水平造孔设备专用固定支架

如图3所示，钻孔采用固定支架，手风钻气腿利用钢筋网片作为支撑，精确控制钻孔方向和角度，同时采用4.5 m长钻杆造孔，利用钻杆挠度使钻杆紧贴岩面，尽量与设计开挖面平行，以减少错台和超挖。

2.1.3.2“准、顺、平、齐“的标准化施工工艺

图3　水平造孔设备专用固定支架图

(1)准。精确施放出光爆孔孔位，并在其正后方采用钢管排架放出后视点，以便控制好钻孔方向及角度；根据测量的轮廓点，按45 cm进行分孔作为下钻位置，以达到准的要求。

(2)顺。两茬炮间的错台控制在10 cm以内。测量分孔时先放中，然后按1.8 m向两侧分孔，并放后视以保证前、后茬炮孔对位偏差较小，钻工按45 cm在测量放点中间向两侧进行分孔；基准孔造完后，其他光爆孔角度通过插杆侧向检查控制，互相平行即可保证其他孔左右方向上的角度一致；长钻杆、短进尺有利于控制孔底超挖。

(3)平。造孔时使用自制的分孔工具，孔口位置按45 cm测量，钻杆后部按45 cm再测量，即可保证孔与孔间互相平行，避免飘钻。

(4)齐。爆破后掌子面要齐，首先造孔深度要保证孔底能基本打到同一个面上；其次，掏槽孔、崩落孔造孔数量及药量要能保证把中部的岩石抬起来，只有这样，才能到达设计的光爆层厚度；第三，为保证光爆孔处不留残根，辅助孔孔向须平行于光爆孔，以形成均匀厚度的光爆层。

2.1.4施工效果

经过对底板残留炮孔痕迹进行检查与统计分析，底板开挖轮廓面上的炮孔痕迹分布均匀，残留孔壁面没有明显的爆破裂隙。对于节理裂隙不发育的完整岩体，其半孔率在94.5%以上，高于80%的规范标准；较完整和完整性差的岩石半孔率在85%以上，高于50%的规范标准；各洞段的平均超挖均在15 cm以下，基本无欠挖。开挖效果见图4、5。

2.2钢筋拱肋支护的应用

图4　有压段底板水平光爆效果图

图5　无压段底板水平光爆效果图

2.2.1起因

在溪洛渡水电站泄洪洞开挖中，特别是在应力复杂及不良地质段，除了喷锚和挂网支护，通常还采用钢支撑来加强和帮助围岩稳定。在实际操作中，首先，钢支撑笨重、安装慢，不能及时支护，不利于围岩早期稳定；其次，由于是预先制作，其与实际尺寸有较大偏差，基本无法紧贴岩面，且在现场安装好钢支撑后还要另外加顶撑，再向围岩与钢支撑之间补喷混凝土。由此可见，钢支撑对围岩稳定并无显著作用，很难保证应力复杂段和不良地质段的围岩稳定。随后将型钢改用钢格栅，重量虽有所减轻，但无法从根本上解决问题。因此，需要寻找一种既安全可靠、又简便快捷的支护方式取代钢支撑支护。

2.2.2创新过程

在传统支护理论中围岩是一种荷载，因此需要钢支撑这样的刚性支护来承受围岩荷载。但在新奥法理论中，围岩不仅是荷载，也是一种承载结构，支护的目的是为了帮助围岩提高自稳能力，因此，只需要柔性的、与围岩紧贴的支护结构即可帮助围岩自稳。在新奥法理论指导下，泄洪洞工程在应力复杂段和不良地质段的开挖支护中创新尝试了钢筋拱肋支护，即将钢筋紧贴岩面(或一次喷混凝土面)并与锚杆焊接，其核心是通过钢筋拱肋让网喷、锚杆与围岩之间形成有机的整体，共同变形承载。另外，钢筋拱肋的制作和安装方便，在及时性上可以限制围岩变形从而使其达到自稳的要求。同等边界条件下，钢筋拱肋是一种比钢支撑(钢格栅)更先进的支护方式。

2.2.3创新成果

钢筋拱肋利用钢筋能贴紧岩面或喷混凝土面的特性，布置在顶拱及起拱线下一定范围内，通过连接筋与系统锚杆焊接，将锚杆与锚杆之间、锚杆与钢筋网之间连成整体。

在实际施工过程中，由于锚杆位置不是特别精确，导致钢筋拱肋与锚杆直接点焊效果并不好。为了让钢筋拱肋与锚杆更好地焊接在一起，建设者们创新设计了“L”型连接筋，其不仅加长了钢筋拱肋与锚杆之间的焊接长度，还能适应对位的要求，允许钢筋拱肋与锚杆之间有一定偏差。

钢筋拱肋的施工工序见表1。

表1　钢筋拱肋施工工序表

在溪洛渡水电站左、右岸泄洪洞地下工作闸门室上下游渐变段部位、主洞与支洞交叉部位以及泄洪洞龙落尾出口不良地质段，钢筋拱肋均有广泛的应用，对于确保施工期间洞室安全及洞洞交叉部位的开挖成型起到了较大的作用。

2.2.4施工效果

据统计，在采用钢筋拱肋支护方式后，泄洪洞所有洞洞交叉口及不良地质洞段均未发生塌方或掉块，说明钢筋拱肋支护有效地将钢筋拱肋、锚杆、钢筋网及喷混凝土形成整体，与围岩体共同变形承载，提高了支护强度，保证了围岩稳定。实践证明：钢筋拱肋与喷锚支护的联合应用，能有效地帮助围岩实现自稳，是一种既安全可靠、又简便快捷的支护方式，可应用于块状岩体、不良地质洞段的支护以及交叉口复杂应力部位的加固。

3　经济评价

3.1底板水平光爆

底板开挖采用水平光爆技术，与垂直光爆相比主要具有以下三方面的优势：

(1)大幅度减少了平均超挖值，与采用垂直光爆的导流洞工程相比，平均超挖减少20 cm，泄洪洞底板水平光爆实施面积约10万m2，仅此一项即可减少超挖及混凝土超填工程量2万m3。石方超挖及混凝土超填施工单价合计约为330元/m3，节省施工成本660万元。

(2)底板开挖后壁面平整，一方面大大减轻了爆破对水工隧洞围岩的扰动和破坏，有利于围岩稳定；另一方面也减少了围岩的应力集中现象，后期浇筑衬砌后可有效降低混凝土开裂的风险。

(3)改善了爆破开挖后的交通条件，大大减轻了人工清渣的难度。虽然底板水平光爆技术前期钻孔效率降低，但爆破后清基效率大大提升，综合来看施工进度加快。

3.2钢筋拱肋支护

钢筋拱肋与传统的钢支撑(钢格栅)相比，具有实施快速及时、节省钢材制作安装工程量、支护效果好且可灵活调整的特点。泄洪洞工程钢筋拱肋制安累计约130 t，较使用传统的钢支撑支护减少钢材制安工程量约300 t，钢支撑制安单价约为8 000元/t，节省工程投资约240万元。

4　结　语

技术创新是一个系统工程，每一项技术创新都可作为一个相对独立的项目，从工程实际出发找到创新的需求和目标，提出技术创新的设想，解决创新过程中遇到的各项技术难题，然后试验、改进、局部应用，实践成功后再推广应用。同时还需要做好创新的各项管理工作，比如营造创新氛围、保障资源投入、做好风险管控等。应该说泄洪洞工程的技术创新工作取得了很好的成绩，内容上涵括了水工隧洞的开挖、支护和衬砌全过程，成果上包括新技术拓展、装备研发、新材料应用和传统工艺的改进，全面推动了大型水工隧洞建设水平的提升。

(责任编辑：李燕辉)

2016-07-12

TV7;TV554;TV52;TV53

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1001-2184(2016)04-0036-04

黄浩钦(1983-)，男，广东汕头人，工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

林芳芳(1985-)，女，安徽天长人，工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

易丹(1983-)，男，四川宜宾人，工程师，硕士，从事水利水电工程施工技术与管理工作.