木坡水电站堆积覆盖层进洞施工技术

吴必芳

【摘要】木坡水电站引水隧洞工程施工支洞进口段以堆积覆盖层为主，且为高边坡，加之雨季，施工难度大，安全风险高，采取合理、有效、可行的施工措施就尤为关键。本文就针对在土质高边坡条件下，采用管棚、超前注浆小导管及超前锚杆相结合进行进洞施工的方法进行探讨，为类似工程施工提供一定参考。

【关键词】木坡水电站；覆盖层；超前注浆小导管；超前锚杆

【Abstract】The construction of the diversion tunnel at Miaopen Hydropower Station is characterized mainly by the accumulation of overburden and the construction of high-side slopes. In addition to the rainy season， the construction is difficult and the safety risk is high. It is especially crucial to adopt reasonable， effective and feasible construction measures. In this paper， we discuss the method of hole construction with the combination of pipe roof， small grouting ahead and anchor rod in the condition of high soil slope， which will provide reference for the similar construction.

【Key words】Mupo Hydropower Station；Overburden；Small grouting ahead；Pre-anchor

1. 工程概述

1.1工程概述。

（1）木坡水電站位于四川省阿坝州小金县境内的抚边河干流上，为抚边河干流自下而上规划的第3级电站。木坡水电站为引水式电站，上游与美卧水电站衔接，下游与杨家湾水电站衔接，电站枢纽建筑物主要由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽等组成。电站正常蓄水位EL 2709.00 m，死水位EL 2705.00 m，引水隧洞长10074.768 m，设计引用流量43.32 m3/s，装机容量3x15MW，主要任务为发电，开发目的单一。隧洞长、工期紧、施工通风困难，因此，隧洞沿线需设置施工支洞、以增加工作面，根据引水隧洞的布置情况，结合沿线地形、地质条件、现已建临时道路情况及施工总进度安排，引水隧洞共布置5条施工支洞，断面型式为城门形，断面尺寸（宽×高）5.0mx6.0m。

（2）调压并为阻抗式，竖井为直径8.0m的圆形断面，井筒混凝土衬砌厚度为1.2m。在调压井顶部，靠山体外侧，开挖有一条永久通风洞。

（3）压力管道为地下埋管型式，采用联合供水形式，分为上平段、斜管段和下平段，管道起点至厂房外边线总长度为418.860 m，其中主管段长377.600 m。压力管道主管内径为3.7m，管道外包混凝土厚度为0.6 m 。岔管为“卜”型岔管，分岔角度75°，支管内径采用2.14m。调压井下部蝶阀室及压力管道斜管段设有一条交通施工支洞，压力管道下平段施工设有一条施工支洞。

1.2地质概况。

（1）木坡水电站引水隧洞工程施工支洞进口段以土质覆盖层为主，其中1#支洞、2#支洞为第四系全新统冲洪堆积的漂卵石夹砂层，漂卵石成分以花岗为主，辉长岩、石英岩次之，多呈圆状、次圆状，漂石粒径一般25～70 cm，卵石粒径一般3～18 cm，漂卵石含量一般60%～70%，粒间充填物为粉碎砂及砾石为主，含堡一般30%～40 %，局部含少量泥质，中密。在紧邻基岩处可见崩塌堆积的碎石，空隙率大，呈砌体状镶嵌结构。

（2）5#支洞、通风洞、蝶阀室交通洞及下平施工支洞主要由第四系全新统崩坡堆积的碎石土组成，块碎石成分为变质砂岩、板岩，块石直径一般25～58 cm，碎石粒径一般6～18 cm，多呈棱角状，块碎石间由粉土充填，干燥、硬塑，结构松散。

（3）各支洞洞型参数及地质情况见表1。

2. 进洞口施工方法

由于施工支洞进口段为松软的覆盖层和松质黏土，且为高边坡，为确保施工安全，边坡上部需设置安全防护网。边坡开挖后采用锚喷支护固坡，进洞口位置按照“先固后挖”的施工顺序采用管棚锁口，洞内采用管棚超前支护，开挖后工字钢支撑+锚喷联合支护跟进。

2.1施工程序。

进洞口施工顺序为：洞口顶部防护网施工→洞口边坡开挖→洞口边坡锚喷支护→洞口锁口支护→洞内开挖及支护。

2.2施工方法。

2.2.1洞口顶部防护网施工。

在洞口顶部设置两道防护，用于预防边坡上部的滚石、飞物。第一道SNS柔性被动防护网设置在洞口顶部约30 m高位置，长30～ 50 m，高5.0 m。第二道防护网布置在马道外侧，高1.5 m，采用48 mm钢管为立柱加竹条板铺设防护。第一道安全防护网在边坡开挖前施工，第二道安全防护栏在边坡锚喷支护时进行施工。

2.2.2洞口边坡开挖。

边坡开挖采取从上至下的施工原则，开挖坡度不大于1：0.5，路面较近部位采用反铲挖掘机削坡，较高部位人工（拴安全绳）修坡。洞顶拱上部5m高位置，设一马道，宽不小于1.5 m。

2.2.3洞口边坡锚喷支护。

（1）洞口边坡采用锚杆十挂网喷混凝土封闭固坡，边坡锚喷支护前，人工清除边坡上的悬石及危石。锚杆采用22@1.5mx1.5m，L=5.0 m钢筋，对土质地段和易塌空部位采用25 ， L = 5.0 m的中空自钻式注浆锚杆替代，外露0.1 m ，梅花型布置。挂网钢筋采用8@ 20 cm x 20 cm盘条，喷10 cm厚C20混凝土。endprint

（2）洞口边坡周边位置及马道内侧设置截水沟（尺寸30 cm x 30 cm ），边坡积水通过截水沟引排至洞口排水沟内，最终排入抚边河。

（3）边坡位置设排水孔，42@3.0mx3.0m，L=3.0 m，梅花型布置，排水孔内插40 mm PVC管并妥善引出。

2.2.4洞口锁口施工。

（1）进洞口开挖前，在洞口开挖轮廓线外侧1m范围内布置2排管棚锁口，并设置3～5m明拱。

锁口初步设计是采用小80 mm钢管，间距50 cm，采用潜孔钻造孔。但实际施工中（2#支洞段），由于孔径较大，且是水平孔，在漂卵石夹砂层地质段，潜孔钻造孔功效低，难以发挥作用。后经现场调整，采用48 mm钢管替代，间距调小至30 cm，采用YT-28手风钻造孔。导管端头加工成锥形，并封焊严实，便于插人岩体，管身设溢浆孔，按梅花形排列，后端1m范围不设溢浆孔，管尾设一个加固环。小导管适量灌浆固结，使松散的围岩形成一层水泥胶结体拱圈，灌浆压力控制在0.2～0.3 MPa，浆液的水灰比为0.5：1 ～1： 1，每孔注浆量控制在200～300 L（根据现场实际适当调整注浆压力及注浆量），浆液应填实整个钢管，以增加钢管刚度，增大周边围岩应力和爆破影响而引起的变形。管棚锁口施工方法及工艺流程如图1：

（2）明拱采用I16型钢拱架作支撑，然后以喷射混凝土的方式形成混凝土拱。钢架中心间距.5～0.6 m，要确保拱脚稳定，落在坚实的地基上。拱架之间采用Φ22钢筋纵向连接，环向间距1.0 m，保证钢筋连接焊接质量。挂8@ 20 cm x 20 cm的钢筋网，喷厚20cm的C20混凝土。

（3）管棚锁口及明拱施工示意如图2：

2.2.5洞内开挖支护施工。

进洞口位置锁口加固完成后，然后进行洞内开挖，由于是覆盖松散体，采用挖掘机配合人工修边的方式开挖，装载机配合5t自卸汽车出渣，开挖后支护及时跟进。针对断面尺寸较大的洞型（如交通洞），为保证洞口整体稳定，减小开挖空间尺寸，即采用上、下半洞分层开挖，先进行上半洞开挖，再进行下半洞开挖，下半洞施工中避免对上部拱架的扰动，确保拱架下部接腿的安全。采用先上游侧，再下游侧施工，上、下半洞开挖进尺保持不小于4.0 m的施工平台。开挖后支护及时跟进，开挖一榀，拱架安装一榀，锚杆锁脚固定，纵向连接筋与前一榀拱架焊牢。隧洞开挖后初期支护常规采用锚喷支护方式，但在覆盖层施工中，单一的支护方式无法满足施工安全及工程质量需要。本工程中采用了超前支护+工字钢支撑+锚喷支护的联合支护方式进行覆盖层进洞施工（详见图2）。开挖前，先在掌子面顶拱180°范围设置超前支护，形成对前方围岩的预锚固（预支护），以确保开挖后围岩的稳定，有效地约束围岩在的一定时间内不发生松弛坍塌，为开挖与喷锚支护创造了条件。然后采取“短进尺、强支护、勤测量”的施工方法开挖掘进施工。开挖循环进尺不宜过大，每轮控制在0.7～0.8 m，然后采用工字钢配合锚喷支护加固围岩。具体开挖、支护參数如下：

（1）超前支护采用48 mm ，L=3.0m钢管，末端支撑在钢拱架上，间距20～25 cm，仰角、外插角8°～12°，循环间距1.4～1.6 m（搭接长度不小于1.0m），并适量灌浆固结，超前小导管施工及灌浆同第④条。针对堆积的碎石土层洞段，由于注浆效果不佳，开挖后顶拱部位宜出现局部掉块、垮塌，后采用Φ25 、L = 3.0 m锚杆作为超前支护。超前锚杆采用Φ25螺纹钢筋，间距20～25 cm ，顶拱180°范围布置，外露长度不大于20 cm，仰角、外插角8°～12°，循环间距1.4～1.6 m（搭接长度不小于1.Om）.超前注浆小导管和超前锚杆有机相结合的支护方式在覆盖层开挖取得了良好效果。

（2）开挖后采用116型钢拱架支护，钢架中心间距0.7～0.8 m，要确保拱脚稳定，落在坚实的地基上。

（3）钢架锁脚固定锚杆采用Φ22 ， L=3.0 m普通锚杆，间距1.5 m，并与1l6工字钢焊接。

（4）拱架之间采用Φ22钢筋纵向连接，环向间距1 0 m，保证钢筋连接焊接质量。

（5）沿岩面挂Φ8@ 20cm x 20cm的钢筋网，喷厚20cm的C20混凝土。

（6）钢架宜紧贴岩面，局部脱空处采用喷C20混凝土回填密实。边墙部位存在空腔的，20 cm以内直接采用喷C20混凝土回填密实，大于20cm的拱架上部设置格栅副拱支撑，然后喷C20混凝土的方式回填密实，使拱架形成整体受力。

（7）排水孔，针对渗水部位设置Φ42 mm排水孔，孔深3.0 m ，间排距3.0mx3.0m，梅花型布置，内插40mm PVC管并妥善引排（木坡水电站施工支洞进洞口施工示意图见 图3、洞内拱架施工示意图见图4）。

2.3开挖强度分析。

根据木坡水电站施工支洞覆盖开挖强度统计（详见表2），平均日进尺在1.0～1.2m，在同类不良地质条件下，开挖日进尺达到同行先进水平。

3. 质量与技术控制

3.1超前小导管施工。

（1）布孔及钻孔：钻孔孔位沿顶拱环向布置，孔距按设计要求布孔，倾角8°～12°。为了便于施工和悬挑受力，可采用I16工字钢中心钻孔作为钻孔固定架，安装48mm钢管，钻孔直径大于钢管直径，钻孔要求圆滑，避免出现凹凸尖角，导致应力集中，顶拱受力时刚拱架发生剪切破坏。

（2）导管制作：导管采用48mm的钢管加工而成，尾部焊套箍，钢管顶部加工成锥形，便于插人孔内，管壁按梅花型布钻小孔，孔眼直径6～8 mm，间距为20～30 cm。

（3）安插导管：人工配合钻机将加工好的钢管插人孔内，外露20 cm，尾部与钢拱架焊接成一体。

（4）注浆：注浆水泥采用P·042.5普通硅酸盐水泥。采用灌浆泵灌注水泥液浆，注浆前对开挖面及距掌子面5m范围内边、顶拱喷混凝土封闭，喷厚5～10cm，注浆压力0.2～0.3 MPa，水灰比按1：1至0.6：1逐级变浓，具体根据现场试验后最终确定，孔口设置止浆塞。注浆时先注无水孔，再注有水孔，从拱顶向下间隔跳孔注浆，如遇冒浆或串浆，则间隔一孔或几孔分序注浆。注浆后的开挖时间不宜小于4 h。

3.2超前锚杆施工。

（1）超前锚杆采用Φ25螺纹钢筋加工制作，一端用氧焊割尖偏于插入。

（2）锚杆钻孔前根据设计要求和围岩情况，定出孔位，作出标记。

（3）钻孔做到圆而直，其孔径和孔深符合设计要求，锚杆孔口岩面应整平，并使岩面与钻孔方向垂直，如不垂直，安装锚杆时可用特制垫板调整，使托板密贴岩面。

（4）锚杆安装后不得随意敲击，安装结束后4h内不宜进行开挖作业。

3.3钢支撑施工。

（1）钢支撑在加工厂分段、分节加工制作，施工现场拼装焊接。

（2）钢支撑结构尺寸满足支洞断面要求，钢支撑的安装应进行测量放线，应满足规范要求。

（3）钢支撑的制作焊接、拼装焊接、节间的连接与锁脚锚杆的焊接都应牢固、可靠，避免钢支撑受力而发生变形破坏。

4. 结语

（1）木坡水电站引水隧洞工程土质高边坡及覆盖层洞挖施工采取合理有效地施工措施，在保证施工安全、工程质量、施工进度的前提下，为提前进入主洞开挖争取宝贵时间，得到了业主、监理一致好评。

（2）针对覆盖层进洞，洞口采用管棚锁口，设置混凝土明拱，对加固松散围岩和下一步洞内安全、快速开挖施工创造了有利条件，

（3）超前注浆小导管和超前锚杆有机相结合的支护方式在通过覆盖层开挖施工中应用，通过实践证明取得了良好效果，有效地解决了覆盖层开挖施工的困难，提高了施工进度，确保了施工安全，对类似工程施工提供借鉴。endprint