白龟山水库尾水隧洞开挖支护技术

(河南省白龟山水库管理局，河南 平顶山 467000)

1 工程概况

白龟山水库位于淮河流域沙颍河水系沙河干流，距平顶山市区9km，是一座集防洪、城市供水、农业灌溉为一体的大(Ⅱ)型综合利用水利工程。水库控制流域面积2740km2,总库容9.22亿m3。水库兴利水位103m，汛限水位102m,两水位之间0.61亿m3库容水量在每年5—10月汛期间无为弃掉，造成巨大浪费。经过论证，在北干渠上修建一座水电站，分别利用北干渠渠首闸和张庄闸蓄水后形成的水位差和下泄水量发电。水电站主要包括进水闸、厂房、尾水隧洞，以及机电设备及安装。电站尾水隧洞上接尾水明渠，下接北干渠下游河道，全长57.36m,开挖断面5.83×5.78m；隧洞穿越市政道路及管网，距交通桥、体育馆等建筑物较近，地质条件和环境复杂，开挖支护难度很大，需要采用可行的施工方法，以确保隧洞顺利建成。

2 水文气象和工程地质

2.1 水文气象

白龟山水库多年平均降雨量963.9mm。6—8月降雨量占全年总降雨量的60%以上，本流域暴雨多集中在汛期。沙河天然径流主要由降雨形成，径流在年际间和年内分布不均,最大与最小年径流量相差近20倍。

2.2 工程地质

该工程地质从上到下地层有四层。其特性如下：

层状灰岩(层序号16)：厚约13m，灰色，具条带状层理。岩石新鲜完整，钻探地质取岩率在80%以上。

条砾状灰岩(层序号17)：厚约26m，棕灰色及深灰色中夹豹皮状灰岩团块。岩石新鲜，除喀斯特发育处以外，岩石完整，钻探地质取岩率在90%以上。

灰岩夹微薄钙质页岩(层序号18)：厚约14m，灰岩呈浅灰色，新鲜坚硬，分布多在本层下部，钙质页岩为浅紫红色，致密，在渠道右岸呈弱风化状态。较破碎，地质取岩率在50%以上。

灰岩夹页岩(层序号19)：厚约15m，二者均呈薄层或微薄层状。灰岩坚硬，较完整，页岩在地面以下2m范围内，为强风化状态(多呈泥土状)，底部为弱风化状态。破碎，地质取岩率一般为30%。

喀斯特主要发育于第16、17、18三序地层中。从钻孔中了解，在80m高程以上最为严重，往下发育程度则逐渐减弱。溶蚀缝隙宽度一般为10～50cm，最宽处已成为4m以上。溶洞一般为黏土岩屑所填充，但不密实。无充填物及充填密实之情况均占少数。

隧洞的围岩主要是灰岩，但部分灰岩中夹杂着弱风化易碎钙质页岩和风化破碎页岩，且有喀斯特地貌。部分洞段灰岩新鲜坚固完整；部分洞段灰岩有破碎软弱带，围岩稳定性差且有地下水；部分洞段位于喀斯特发育的石灰岩上，隧洞的喀斯特有的被黏土岩屑所填充，有的无充填，情况甚不均一。综上所述，该隧洞地质条件和环境复杂。

3 尾水隧洞开挖支护施工程序及方法

3.1 施工布置

3.1.1 施工道路

尾水隧洞开挖施工道路布置如下所示：

尾水隧洞→北干渠尾水口围堰→原有施工公路→碴场。

3.1.2 供风及通风

尾水洞出口布置2台20m3/min移动式电动空压机供风。用φ48mm钢管延伸进隧洞开挖工作面供风。

采用压入式通风方式。在尾水洞口采用一台7.5kW轴流式风机配φ800风筒压入式通风。

3.1.3 供水

施工用水从北干渠直接用φ32mm钢管引水进洞，延伸至工作面供水。

3.1.4 供电及系统

施工用电高压电源接线点布置的一台变压器，在变压器的接口端，通过12m长的水泥电杆架空线路至各施工工作面。

在整个施工期配置1台150kW柴油发电机，作为备用电源。一旦电力系统停电及供电不足，备用电源自动投入，解决基坑抽排水和照明用电的急需。

3.1.5 排水

在隧洞施工时，在洞内开挖排水明沟和集水井，把集水井的水用水泵从洞内抽出。

3.2 施工程序

尾水隧洞开挖施工程序如图1所示：

图1 尾水隧洞开挖程序框图

3.3 隧洞开挖施工方法

开挖前进行钻爆方案设计，为确保开挖洞帘边坡及隧洞围岩稳定安全，开挖前期进行现场生产性爆破试验，以确定合理、经济、安全的爆破参数。爆破试验的主要内容有：爆破器材性能检测试验；边坡预裂爆破控制试验；开挖爆破网络试验；爆破飞石距离控制试验。

3.3.1 测量放线

a.按照现行水利测量规范要求进行。

b.使用仪器：GPS、全站仪、水准仪。

c.测引坐标和高程控制点：先按照图纸要求，利用GPS把施工图上有关点的坐标引测到施工现场，并利用全站仪把绝对高程和相对高程控制点引入施工现场附近且做标识。上述坐标点和控制点用作整个施工过程的控制。

d.依据施工图和控制点，把隧洞洞口的开挖尺寸线和轴线、标高全部测记到洞口岩壁上。

e.洞内开挖的轮廓线，依据全站仪测得的轴线、高程进行控制，以防超挖和欠挖。

3.3.2 钻孔、爆破、出渣

a.为保证钻孔质量，严格按设计钻孔位置、间距、倾角等要求进行钻孔，且对钻工做好技术交底和采取必要安全措施。

b.在合格的钻孔内按爆破方案，依据不同的孔类、孔深、孔径装入不同类型炸药和不同药量，此次使用的炸药为2号岩石硝铵炸药和2号光爆炸药。

c.爆破完成后，立即进行通风排烟，等到烟雾消散后，再使用喷淋系统进行除尘。随后派爆破工巡查是否有哑炮并立即处理。

d.尾水隧洞开挖石渣选用150型挖掘机10t自卸汽车运至弃渣场。

具有代表性的围岩炮孔布置如图2所示。

图2 尾水隧洞围岩炮孔布置 (单位：cm)

围岩炮孔特性及工序作业循环时间见表1和表2。

表1 围岩炮孔特性

表2 围岩工序作业循环时间

3.3.3 施工机械配置

尾水隧洞开挖施工机械设备见表3。

3.4 隧洞支护施工方法

隧洞洞帘顶部宽12.14m、高11m范围采用锚杆和挂钢丝网喷射混凝土进行支护：锚杆采用φ25一级钢、L=2000mm和L=3000mm、间距1.5×1.5m，锚杆梅花布置，锚孔内灌注1∶2的水泥砂浆；钢丝网150mm×150mmφ2铁丝、外框φ6圆钢筋，喷浆厚度80mm的C20混凝土。

表3 尾水隧洞开挖施工机械设备

隧洞内部采用锚杆和挂钢筋网喷射混凝土进行支护：锚杆采用φ22螺纹钢、L=4000mm、间距1.5×1.5m，锚杆与洞顶水平夹角10°，锚杆梅花布置，锚杆外漏20cm，锚孔内灌注1∶2的水泥砂浆；钢筋网150mm×150mmφ6钢筋、加劲筋φ10圆钢筋，喷浆厚度200mm的C25混凝土。

3.4.1 施工顺序

安装自动升降操作平台→清理基岩面→施工放线→定位锚杆孔并钻孔→锚杆制安灌注→岩面编网固定喷护。

3.4.2 施工方法

a.把岩面打扫干净后，依据施工图，在岩面上逐个定出锚杆孔位置，并用红漆做标记。

b.锚杆成孔：根据位置及高程不同孔深为2m、3m、4m,且采用无水进孔工艺进行施工。根据不同地质情况，先用不同的钻进参数，试钻开始时慢速钻进，待正常后全速钻进。孔深应比锚杆锚固深度深20cm。成孔后采用高压风管进行清孔，将孔内岩粉、岩屑、沉渣清除干净，孔底沉渣厚小于5cm。

c.锚杆制安：根据施工图把不同钢筋下料，按要求焊制。距离锚杆头部，焊接φ8L=58mm、倾角30 ° 的燕尾叉。制作完成后逐一检查质量且分别堆放。接着把锚杆和注浆管一起插入孔内。安装时要控制锚杆端部距孔底20cm,为水泥砂浆留位，尾端露出岩面20cm，以便与钢网链接。

d.锚孔灌浆：材料采用P.O 42.5硅酸盐水泥，中砂。按1∶2配置砂浆，水灰比控制在0.4～0.45。浆液配好后，把注浆管与压降机连接后，按设计要求调节压力表，加压送浆液入孔，直至保压充满整个孔深且有浆液从孔口流出为止。每次每批注浆随机取样两组，28天时做抗压强度试验。

e.拉拔试验：水泥砂浆凝固到期后，按设计要求的数量进行试验，若不满足进行补打。

f.钢筋网制安：在岩面上选定编网区域，然后进行钢筋下料。洞外岩面用φ2铁丝，按150×150mm间距编制后，用φ6钢筋压边；洞内采用φ6钢筋，按150×150mm间距编制后，用φ10钢筋加劲。上述钢筋网与锚杆焊牢。

g.混凝土喷面：在施工现场密闭工作间内，分别拌制C20和C25细石混凝土，然后用喷浆机喷射混凝土面层。根据不同位置要求，采用不同标号混凝土和不同厚度，每层喷30～50mm,分3～4次喷射完成，并按要求养护。

h.若岩面风化严重或局部软弱破碎，则先编网喷护，后钻孔制安锚杆并灌浆。

3.4.3 超前勘探

每开挖一个工作段洞室后，在尚未开挖岩体的掌子面后面钻设勘探孔，钻孔孔径150mm，钻孔深度20m左右。将超前勘探资料及时报送有关单位以复核先前地勘的准确性，以便及时调整施工方案。

3.4.4 不良洞段施工

根据工程地质资料，在尾水隧洞开挖过程中存在以下问题：存在岩石破碎软弱带，局部喀斯特发育，围岩稳定性差，局部失稳及局部塌方等问题。针对以上可能出现的情况，采取措施如下：

a.岩石破碎软弱带:超前支护一定要先跟上，边挖边锚、早锚早喷、弱爆破或不爆破。该工程采用管棚法，在洞顶轮廓线外10cm处，钻外倾角为10°的孔，孔径φ50mm，L=6m，孔距35cm，孔内的钢管为φ42mm花管，花管前端加工成扁尖形，灌注水泥砂浆，外露端用φ18mm钢筋焊连并与锚杆焊接，待凝固后进行弱爆破开挖或机械直接开挖。

b. 围岩稳定性差，局部失稳及局部塌方：采用超前锚杆和钢支撑支护(见超前锚杆断面剖面图)。开挖时采用超前锚杆，此锚杆为φ22螺纹钢长3m；钻孔直径45mm，超前锚杆倾角10°，横向间距0.4m，纵向间距与钢桁架相同，超前锚杆末端与钢桁架焊接牢固。灌浆采用早强砂浆。开挖后及时喷混凝土封闭围岩，接着采用钢支撑支护，钢支撑支护后进行锚杆及喷混凝土支护，确保隧洞安全。

c.局部喀斯特地貌处理：若溶洞在隧洞地板，清除杂物，使用C30混凝土浇筑；若溶洞在隧洞侧壁及顶，用钢筋混凝土封堵，在溶洞四周加设锚杆，接缝处进行防渗灌浆。

d.地下水洞段。地下水较大洞段，施工期要避开水库高水位期，选择在水库枯水期进行施工，降低水位影响程度；在厂房及闸基的来水一侧开挖截水沟及集水井，设潜水泵进行抽排，截断来水向尾水隧洞渗漏。爆破采用不受水影响的乳化炸药，开挖时采用边开挖边打泄水孔，插管后把水引入主管道再排除洞外，然后进行锚杆和编网支护。

3.4.5 对建筑物影响的处理

尾水洞的爆破开挖均距离交通桥、体育馆等建筑物较近，又坐落在喀斯特发育的石灰岩层上，且出口处顶部岩层较薄，爆破施工对附近的建筑物造成一定的影响，对此现状采取了石方洞挖进尺控制在2.5m以内，降低装药量；合理调整起爆顺序，将洞内各孔炸药分为5段间隔起爆。

4 结 语

a.应用上述综合开挖支护技术，尾水隧洞工程顺利竣工，使电站发挥了应有作用，增加了工程经济效益。

b.电站的泄水解决了平顶山市湛河的多年淤积问题，使昔日的污水沟，真正变成了水清岸绿生态水系的主干道，为平顶山市打造生态城市提供了可靠保证。