东非某水电站进厂主交通洞开挖施工关键技术

龙辉虎

摘要：东非某水电站进厂主交通洞作为该水电站的主要交通运输通道，其洞长长、净断面宽，且地质、水文环境较差，以致开挖施工难度大、安全风险高。对此，本文结合该项目施工实际，就进厂主交通洞开挖施工关键技术展开细致探讨，以供类似项目借鉴参考。

关键词：水电站;主交通洞;开挖施工;关键技术

中图分类号：TV731.6文献标识码：A文章编号：2096-6903（2021）12-0019-03

1项目背景

1.1工程概况

东非某水电站进厂主交通洞总长1.41km，从安装场左端进入厂房，外接进厂公路，采用城门洞型，净断面10/8×8.5m，进口接R2公路，洞口高程为1025m，最大纵坡-9.0%，是电厂的主要运输交通通道。主交通洞洞室段存在土层及全风化围岩，围岩稳定性差，且受地下水影响，开挖难度大、安全风险高，因此，开挖过程中务须要跟进支护，并做好围岩安全监测，以便及时发现问题，防止出现塌方、掉块等安全事故。

1.2施工原则

结合项目招标文件所提供的地质资料及补勘情况，进厂主交通洞进口300～350m范围主要为稳定性差的Ⅳ、Ⅴ类围岩，剩余区域以Ⅲ类围岩为主，少量分布有Ⅱ类围岩。根据该水电站进厂主交通洞特点，施工流程安排应遵循如下原则：（1）隧洞洞室开挖施工中，采取全断面钻孔爆破掘进为主，分部开挖为辅的方法进行掘进施工。（2）采用多臂钻与手持风钻湿式钻孔相结合的机械化施工进行交通洞开挖作业，开挖后的土渣通过装载机与自卸车配合进行装渣出渣，强力轴流通风机对洞内进行通风散烟。（3）在交通洞洞室不良地质段开挖时，应严格按照“超前支护预加固、短进尺、小药量、弱爆破、强支护、早封闭、勤观测”的原则实施开挖[1]。（4）加强不良地段地质条件分析，充分考虑条件较差地段对开挖的影响，并结合实际地质条件加强支护技术支持。（5）围岩爆破施工中，应由具备丰富经验的专业爆破人员跟班作业，做好对爆破现场的施工指导，并对不合理的爆破参数进行优化改进。（6）交通洞开挖施工中，应做好开挖与支护施工中的动态监控，并根据实时监测数据对开挖及支护参数予以调整优化。（7）在地质条件满足要求的情况下，采取喷砼、安装锚杆、挂钢筋网和立拱架等支护措施与掌子面开挖同步进行，且支护与开挖工作面的距离应不得影响开挖作业。

2施工总体方案

2.1土层段开挖

对于稳定性较好的土层，在不影响施工安全的情况下，上、下半洞分别采用全断面钻孔爆破开挖;对于稳定性较差的土层，则采用上半洞中导洞先行开挖，两侧按照设计轮廓线跟进扩挖，下半洞分为左右两侧进行开挖，即先开挖一侧并安装好钢拱架支护后，再进行另一侧的开挖与支护。土层段开挖时可直接使用反铲挖机实施开挖，并于开挖完成后及时跟进施作支护。

2.2Ⅴ类围岩开挖

（1）在进厂主交通洞Ⅴ类围岩段，由于围岩稳定性、易塌方，故须采用φ42×4、长2.5m与4.5m的超前小导管对围岩注浆进行预支护，然后再使用反铲挖机进行开挖，使掌子面形成顺坡，禁止挖成倒坡或超挖。（2）开挖时应按要求在周边适当预留一定厚度的保護层，开挖至保护层位置时，通过人工清撬的方式修整至设计断面，确保断面开挖的精确度及平顺性。（3）掘进开挖过程中，在满足型钢拱架安装要求且对掌子面开挖无影响的情况下，及时安装钢支撑进行支护;同时，在进尺满足超前小导管施工的情况下，按要求及时施作下一循环的超前导管。Ⅴ类围岩开挖施工每循环的平均时间见表1。

2.3Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩开挖

Ⅳ类围岩先超前支护再进行爆破开挖，Ⅱ、Ⅲ类围岩稳定性较好，多采用全断面直眼或楔形掏槽爆破进行开挖。每循环有效开挖进尺按照如下标准：Ⅳ类围岩控制在1.7～1.8m，Ⅱ、Ⅲ类围岩控制在3m。钻孔时应严格按照规范要求，确保炮孔深度、孔径、打设角度满足设计要求。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩开挖循环平均时间见表1。

3施工关键技术

3.1洞口开挖与支护

3.1.1洞口开挖

洞口段覆盖层开挖前，须准确测出明挖开口线和开挖坡面线，并做出明显标示。然后施工坡顶截水沟，做好坡顶排水，防止雨水冲刷边坡，危及洞口安全。土方及强风化岩段利用推土机、挖掘机从上至下，严格按照边坡设计尺寸分层明挖，自卸车外运挖出的土方;在开挖至洞口石方段时，局部石方明挖采用手风钻浅孔，松动爆破或预裂爆破，由上而下分层开挖，尽量减少对周围岩体的扰动。边坡成型采取预裂或光面爆破，反铲和装载机挖装，15t自卸车出渣。坡面和洞头掌子面开挖后，应及时进行坡面防护和洞头锁口支护，为安全进洞创造有利条件，并提供有力保障。

3.1.2洞口支护

为确保洞口稳定性，防止洞口边坡出现塌方，在分层向洞内开挖2m左右后，沿设计开挖轮廓线浇筑长2～5m的钢筋砼明拱，明拱上安装管棚与锚杆对围岩洞口段围岩进行预支护，防止开挖后拱顶出现塌方。在洞口15m范围内，拱脚底部采用工字钢对撑，并用锚筋固定加强支护。另外，由于洞口段边坡属于覆盖层，为防止边坡出现泥石流、塌方等情况，于洞口边坡开挖线外3～5m布置浆砌石结构的截水沟，边坡支护采用C25普通砂浆锚杆，洞口两侧边坡采用钢筋砼框格梁内植草防护，洞脸边坡采用挂网喷砼防护。

3.2洞身开挖与支护

主交通洞在土层与全风化层穿过，围岩稳定性差，极易出现失稳、塌方等情况。为此，开挖过程中应严格遵循“超前支护预加固、短进尺、小药量、弱爆破、强支护、早封闭、勤观测”的原则，保证整个开挖顺利推进。

3.2.1超前预支护

交通洞洞室段围岩稳定性差，土层段及全风化围岩易出现塌方，为有效保证隧洞围岩的整体性与稳定性，须采取超前注浆小导管预支护。

（1）超前小导管参数。采用φ42×4超前小导管，长度分别为2.5m与4.5m，其中，Ⅴ类围岩拱顶及边墙采用长度4.5m的导管，拱顶及拱脚以下1.5m范围内采用长度2.5m的导管;Ⅳ类围岩拱顶及拱脚以下2m范围内采用长度4.5m的导管，导管按照40cm间距进行布设，采用双层导管时应确保内外层导管错开布设。

（2）超前小导管施工。①按设计孔位要求用手持风钻钻孔，确保孔位、孔径、外插角等参数能够满足钻孔设计要求;②超前小导管采用风钻顶入，钻进至设计深度后，采用水泥—水玻璃双液浆对风化围岩进行注浆加固，水灰比、水玻璃浓度及注浆压力等应结合设计要求进行确定;③注浆时应结合掌子面围岩情况确定注浆压力，并根据围岩吸浆量与注浆压力的变化情况，决定是否结束注浆;④超前小导管注浆完成后，其外露端应与钢支撑进行焊接，与钢支撑共同组成预支护体系。需要注意的是，超前小导管钻孔时，为防止掌子面发生掉块、塌方，可首先沿开挖轮廓线50cm范围喷射5cm砼进行封闭，以保证掌子面的稳定性与可靠性。

3.2.2开挖施工

在完成Ⅳ、Ⅴ类围岩及土层段的超前支护后，方可进行洞室的开挖施工。洞室段开挖采取全断面钻爆法为主，分部开挖法为辅的施工工艺。

（1）钻孔作业。结合设计方案的炮孔布置，采用多臂钻与自制台车配合手风钻进行钻孔，并根据隧洞地质与围岩情况，采用直眼或楔形掏槽，周边光面爆破。其中，Ⅱ类围岩楔形掏槽眼深1.5m，周边眼深1.4m，周边眼间距35～40cm，周边眼最小抵抗线60～70cm，必要时增加一排间距为20cm的防震孔;Ⅲ、Ⅳ类围岩掏槽眼深2.7m，周边眼间距45～50cm，最小抵抗线70～80cm，采用不耦合装药结构。

（2）钻爆设计。①钻爆参数：合理选取试验段，通过现场爆破试验确定爆破参数。②掏槽方式：采用直眼或楔形掏槽。③装药结构：掏槽眼、辅助眼采用φ32药卷连续装药，周边眼采用φ25药卷不耦合装药。④堵塞方式：所有爆破炮眼均采用炮泥进行堵塞，周边眼炮眼的堵塞长度≥40cm。⑤开挖进尺：交通洞开挖过程中，应根据围岩实际情况进行推进，并严格按照每循环有效开挖进尺标准开挖。⑥爆破效果：爆破开挖质量标准为：掌子面周边超欠挖情况;开挖轮廓平顺度;开挖掌子面平整度;爆破进尺是否满足爆破要求;炮眼痕迹是否均匀分布;爆出碴块是否满足出碴要求[2]。

（3）装药爆破。爆破孔检验合格后，方可根据钻爆设计参数进行装药连线，装药爆破由具备专业资质的炮工进行炮孔装药、堵塞及引爆。爆破孔装药时，利用自制台车作为装药平台，由炮工自上向下依次进行装药，光爆眼采用间隔装药，并通过火雷管或电雷管将非电雷管引爆。完成爆破孔装药及联线后，组织爆破工程师与专业爆破员共同对爆破区域进行检查验收，确认无误后方可对现场材料、设备、人员进行清场，退离至安全区域后进行起爆作业，并按照掏槽眼、辅助眼、抵抗眼、周边眼的爆破顺序分段尾差起爆[3]。

3.2.3跟进支护

开挖面形成后，应及时跟进支护，但根据不同地质条件，支护流程也有所不同，主要分为两种情况：一是围岩稳定性较好时，按照先锚杆后喷砼的顺序施工，锚杆紧跟开挖，喷砼滞后约30m;二是围岩稳定性较差时，按照先初喷砼后安装系统锚杆，然后挂钢筋网再喷砼至设计厚度，必要时应架设钢拱架加强支护。该项目由于存在土层及全风化围岩，且进洞后300～350m为Ⅳ、Ⅴ类围岩，围岩稳定性差，故采取第二种支护方案。

（1）锚杆施工：①完成掌子面開挖后，对松动围岩、危石进行清理后，先沿开挖轮廓线50cm范围、边拱顶初喷厚度3～5cm的砼封闭岩面，防止围岩出现风化、掉碴，保证洞室围岩稳定可靠后再进行其他支护施工。②初喷砼完成后，搭设好脚手架，并根据施工设计图纸的孔位要求，采用手风钻进行钻孔，孔位偏差应<10cm，孔深偏差应<5cm，钻孔完成后将孔内灰尘杂质冲洗干净。③锚杆安装时应按照试验确定的配比拌制砂浆，将锚杆插入钻好的锚杆孔内进行注浆，注浆过程中应缓慢抽动锚杆，在确保注浆饱满、密实后，对锚杆进行固定保护，防止后期施工对锚杆造成扰动，且不得对锚杆进行敲击、碰撞、拉拔，洞顶位置的锚杆注浆应使用锚固剂，以免锚杆发生坠落危险。④对完成安装的锚杆进行随机检查，确保锚杆砂浆密实度≥80%，对于密实度不满足要求的应按要求重新布设，并采用声波物探仪对锚杆长度进行无损探测，确保孔内锚杆长度应>95%设计锚杆长度。

（2）喷射砼：喷射砼采用湿喷法，喷射时应按照“分区、分块、分层”的原则，沿一定方向均匀薄层进行喷射，具体喷射作业流程为：作业面清理→砼厚度标记→喷射砼→养护[4]。①根据砼喷射面积，对作业面进行分区，每段分区长度<6m，对分区作业面进行清理、冲洗，并在不同开挖作业面对砼喷射厚度进行标记，以为后期喷射砼施工提供参考。②采用喷射机或湿喷台车，分区分段、由下向上螺旋分层进行砼喷射，并按照先侧墙、后顶部的顺序依次进行，后一层喷射时应在上一层砼完成终凝后进行，紧跟开挖作业面的砼终凝至下一循环放炮时间应≥4h。③喷射时，喷枪口与岩面距离应<3m，喷嘴与受喷面保持垂直，每次喷射厚度应控制在5～6cm，喷射过程中应严格控制加水比例，确保砼喷射后无流淌、无粉尘等现象，砼喷射完成2h后即可喷水养护，养护时间应≥7d。

（3）钢拱架施工：①根据钢拱架结构尺寸分六段加工，顶拱2段，直墙4段，采用冷弯机加工成型，避免热弯引起钢材强度等性能降低或切割加工引起的应力集中等不利因素。钢拱架底部在安装前如发现基础面岩石完整性差，可先喷一层10cm厚素砼，然后再铺[25a或[18a槽钢，钢拱架底脚落在槽钢上，并进行焊接，槽钢铺设随拱架安装向前延伸。②开挖出碴或喷射砼后，利用围岩短时间内的稳定性，以最快速度安装钢支撑对掌子面进行支护，保证围岩稳定性，每榀钢支撑均应按要求设置锁脚锚杆，以保证钢拱架的整体性与稳定性。③钢拱架安装时，采用装载机与人工配合吊装，在架子车上进行架设，架设时应根据钢架设计间距及定位点，使钢拱架定位精准，对于底部存在超挖、欠挖的应及时处理，确保钢架底脚必须垫实，以免围岩发生变形而导致钢拱架出现沉降。④完成钢拱架安装后，对拱顶、两拱脚位置进行检查，检查无误后拧紧螺栓固定牢靠。

（4）挂网喷锚：钢筋在加工厂调直、除锈、切割，并加工成2m×2m的片状，洞内拼装，利用锚杆头点焊固点，中间用膨胀螺栓加密固定，使钢筋网紧贴壁面，最后复喷砼将钢筋网全部覆盖，使锚杆、喷射砼、钢拱架、钢筋网成为受力整体。

4結语

水电站的主交通洞开挖往往是一项复杂且技术含量高的系统工程，任一环节或是工序的管控不当均易引发一系列施工问题与安全问题，对此应全面抓好围岩安全监测、加强施工管控，以确保项目施工顺利、优质完成。

参考文献

[1]陈文亮.猴子岩水电站进厂交通洞洞口段施工技术研究[D].成都：西南交通大学，2017.

[2]李向超.向家坝水电站南总干渠上穿水富交通隧洞开挖方式及质量控制[J].水利水电技术，2016（s2）：56-59.

[3]杨晓辉.某电站交通洞土洞进洞技术分析[J].工程技术研究，2019，4（21）：173-174.

[4]达玫.小浪底引黄工程地下泵站交通洞洞口施工方案设计[J].山西水利，2017（7）：46-47+49.

KeyTechnologyforExcavationofMainAccessTunnelofaHydropowerStationinEastAfrica

LONGHuihu

（SinohydroEngineeringBureau8Co.，Ltd.，HunanChangsha410004）

Abstract：ThemainaccesstunnelofahydropowerstationinEastAfricaisthemaintransportationchannelofthehydropowerstation.Thetunnelislong，thenetsectioniswide，andthegeologicalandhydrologicalenvironmentispoor，sothattheexcavationconstructionisdifficultandthesafetyriskishigh.Inthisregard，combinedwiththeconstructionpracticeoftheproject，thispapermakesadetaileddiscussiononthekeytechnologiesoftheexcavationandconstructionofthemainaccesstunnelintotheplant，forreference.Keywords：hydropowerstation;mainaccesstunnel;excavationconstruction;keytechnology