特大断面导流隧洞施工技术在水利枢纽工程中的应用

作者简介：李洋（1990-），男，硕士，工程师。研究方向为水利工程检测。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.046

摘" 要：该文以某水利枢纽工程为例，探究特大断面导流隧洞施工中爆破开挖与锚喷挂网联合支护技术的应用。经前期地质勘察可知，隧洞围岩为Ⅱ～Ⅲ级，围岩稳定性较好，采取先进行光面爆破再进行洞身开挖的作业方案。在清运碴石、清除危石后，在开挖面上初喷混凝土形成稳定工作面。然后打入锚杆、挂钢筋网并进行二次衬砌，对导流隧洞支护，营造安全的施工环境。拱顶沉降监测数据表明，在导流隧洞开挖后的30 d内，每日平均沉降速率为2.09 mm，在允许范围之内，本次特大断面导流隧洞施工效果符合预期。

关键词：水利枢纽工程；导流隧洞；锚杆支护；回填灌浆；混凝土

中图分类号：TV544" " "文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）21-0193-04

Abstract： Taking a water control project as an example， this paper probes into the application of blasting excavation and anchor-shotcreting net combined support technology in the construction of extra-large cross-section diversion tunnel. According to the previous geological survey， the surrounding rock of the tunnel is grades Ⅱ～Ⅲ， and the surrounding rock is stable， so the operation scheme of smooth blasting and then excavation is adopted. After removing the ballast and dangerous rock， the stable working face is formed by spraying concrete on the excavation face. Then put in the bolt， hang the steel mesh and carry on the secondary lining to support the diversion tunnel and create a safe construction environment. The monitoring data of arch roof settlement show that the average daily settlement rate is 2.09 mm within 30 days after the diversion tunnel is excavated. Within the allowable range， the construction effect of this extra-large cross-section diversion tunnel is in line with the expectation.

Keywords： water control project; diversion tunnel; bolt support; backfilling grouting; concrete

在水利工程建设中，特大断面导流隧洞的开挖作业会对围岩产生扰动，有概率出现围岩变形、拱顶塌陷以及隧洞内渗水等一系列问题，不仅影响正常的施工进度，而且还会对隧洞内施工人员的安全构成威胁。因此，在特大断面导流隧洞施工前，必须要综合采取物理、化学等方法进行地质探测，了解施工区域的地层结构、岩土特性和地下水赋存情况，在此基础上设计科学的施工方案。在围岩稳定的情况下，可采取爆破开挖方式，降低隧洞掘进难度、加快隧洞施工效率。为了避免拱顶沉降、围岩变形等情况，需要在洞身开挖后采取必要的支护措施。锚喷挂网联合支护在提高围岩稳定性、防止拱顶冒落事故的基础上，还有防渗作用，成为特大断面导流隧洞施工中的常用技术。

1" 工程概况

江淮沟通段工程自巢湖西北部派河口起，过派河、天河后经东淝河后入淮河，全长155.1 km。该段包含有输水渠道及航道开挖工程、堤防填筑工程、渠道及堤防边坡护坡工程、提水泵站枢纽工程（包括船闸）等。导流隧洞有2条，使用期5年，属于IV级临时建筑物。1#隧洞的洞身长度1 091.4 m，2#隧洞的洞身长度1 170.6 m，设计流速24 m/s。为便于洞身上部和下部施工，又增设了3#和4#施工支洞。隧洞为马蹄形断面，顶拱圆心角157°，顶拱半径8.3 m，最大开挖断面23.5 m×21.0 m（宽×高），导流隧洞上覆山体厚度146～237 m，山顶最高程533 m，坡角10.7～14.1°，围岩为Ⅱ～Ⅲ级。

2" 特大断面导流隧洞施工方案

2.1" 洞身开挖

本次导流隧洞的洞身开挖以起拱线为界，上部和下部分别一次起爆开挖成型，开挖过程中采用锚喷网联合支护。洞身爆破施工流程如下。

1）通过物理仪器测量、采样化学分析等方法确认围岩级别，然后设计相应的爆破参数，包括跑岩深度、掏槽形式、装药密度等，以便于取得更好的爆破效果，为洞身开挖创造便利。

2）现场施工人员使用全站仪、水准仪、激光准直仪等精密仪器，参考施工图纸确定开挖轮廓线，避免洞身开挖过程中出现超挖、欠挖等情况；同时标记出炮眼的位置，安排人员复核确认位置坐标无误后准备钻眼[1]。

3）本工程使用液压凿岩台车钻眼。导流隧洞上部炮眼深度3.5 m，每循环进尺3.3 m，选用直眼中空孔掏槽，掏槽眼深度较其他炮眼深0.2 m，装药密度为0.6 kg/m，数量为14个。另外有辅助眼80个，装药密度0.55 kg/m；底板眼24个，装药密度0.50 kg/m；周边眼50个，装药密度与围岩级别有关，具体参数见表1。

导流隧洞下部炮眼深度9.2 m，直径0.06 m，相邻炮眼的直线距离1.5 m，排距1.8 m，单位耗药量0.66 kg/m3。

4）对于周边眼，使用直径为0.03 m的乳胶药卷，采用不连续装药方式；除此之外的其他炮眼，采用连续装药、密集堵塞方式。所有炸药装填完毕后，采用导爆管毫秒雷管复式簇联网路进行爆破。

5）为保证现场作业环境的安全性，本工程中在爆破现场布置了2台轴流式通风机，在爆破后及时通风散烟，同时在开挖面上辅以水管喷射水雾，降低烟雾与粉尘浓度。

6）经安全员检查，并将残炮与危石全部清理干净后，施工人员驾驶侧卸式装载机清运石块。

2.2" 洞身临时支护

根据地质勘察结果可知，导流隧洞内围岩的整体性和稳定性较好，采取爆破施工后可采取锚喷挂网联合支护工艺，流程如下。

1）岩面处理。在爆破作业结束后，施工人员清理岩面上松动的石块和泥土、粉尘，以便于初喷混凝土能够与岩面牢固黏结。初喷混凝土选用C20级混凝土，分2次喷射。第一层厚度0.05 m，保证厚度均匀，无流淌现象；在初凝后继续喷第二层，厚度为0.1 m。初喷混凝土的流程如图1所示。

喷射混凝土时，要求喷嘴与岩面之间的倾斜角控制在10°左右，并且在喷嘴上接一条直径为0.02 m、长度为0.8 m的扰料管，可以保证喷射混凝土时回弹的石子不会对施工人员造成伤害。现场作业应按照分段分块、自上而下的顺序进行，对于岩面上凹凸不平的区域要进行找平。本工程施工中，局部地段出现了漏水情况，施工人员采取“化线漏为点漏”的处理方式，再通过直径为0.05 m的橡胶软管将水引出、外排。对于渗漏部位，先喷一层干混合料，使水泥、砂与漏水融合后，再喷射混凝土，既能满足防渗要求又可以发挥加固作用[2]。

2）钻孔。在初喷混凝土固结后，施工人员参考图纸在混凝土表面测量放线，确定锚杆孔的位置，并进行标记。复核孔位坐标，确保孔位偏差不超过0.01 m后，即可使用钻机以垂直于开挖面的方式钻孔。钻孔直径略大于锚杆直径，钻孔深度控制在设计深度的±0.03 m以内。使用空压机将钻孔内的粉尘等杂物清理干净。

3）锚杆安装。本工程使用胀壳式锚杆，施工人员检查锚杆组件，确认无质量问题后进行组装，保证楔子可以在胀壳内顺畅滑动。

4）锚杆注浆。为了使锚杆达到加固围岩的效果，需要在锚杆与锚孔的间隙中注满泥浆。本工程中按照水泥1 kg、砂1 kg、水0.45 kg的比配制泥水泥砂浆，并使用注浆机将水泥砂浆灌注到锚杆孔内。然后将锚杆插入钻孔内，并拧紧杆体进行固定。在水泥砂浆完全凝固前，不得碰撞和拉拔锚杆。

2.3" 钢筋加工与安装

本工程中利用锚杆挂钢筋网的方式，提高洞身支护效果。钢筋网架为现场加工，施工人员对照物料清单对钢筋材料进行检查，包括尺寸、数量等，确认无误后清理钢筋材料表面的油污和锈迹，对于有轻微弯曲的使用调直机进行矫直。对于锈蚀严重、明显弯曲的，不得使用。考虑到导流隧洞的断面较大，使用的钢筋网架无法一次性加工成型，首先在加工棚内将钢筋材料加工成3.6 m×3.6 m的网片，然后在运输到施工现场进行拼接、固定。在导流隧洞的顶拱、边墙和底板上，均使用双层φ30主钢筋，底板与侧墙的主钢筋采用绑扎方式固定，并以锚入岩层0.5 m深的φ25钢筋和与之焊连的φ25纵向骨架钢筋定位固定[3]。为方便顶拱作业，现场搭建了简易的钢筋台车，在底板上铺设轨道，使用钢筋台车完成拱圈钢筋的安装。使锚杆的露出端与钢筋网片相接，并在相接部位通过焊接的方式进行固定，保证钢筋网片能够牢固贴合在开挖面上。

2.4" 洞身混凝土衬砌

洞身混凝土二次衬砌是本工程的施工重点，结合导流隧洞衬砌断面情况，制定了开挖与衬砌同步作业、底板混凝土最后浇筑的作业方案。洞身衬砌所用混凝土由10 m3砼车运送，经泵送设备将混凝土送入仓内，经振捣密实和养护后完成二次衬砌施工，作业流程如图2所示。由于底板流水面设计为仰拱圆弧形（半径18.5 m、圆心角35.8°、底宽12.4 m），如果采用传统的“盖模法”会影响施工进度，因此本工程中选择了敞开式浇筑方式，浇筑完毕后再使用直径为0.02 m的钢管滚动进行碾压，使表面成形[4]。该方法的优势在于比较容易控制混凝土的坍落度，并且对泵送设备的泵送压力要求较低，适合在导流隧洞内作业。

1）施工准备。在混凝土浇筑前，现场施工人员参照施工图纸检查放样的中线、高程及断面尺寸等是否与图纸一致，如果有误差要进行调整；检查端头挡板是否放置合格，以及混凝土的坍落度等是否符合要求。经检查确认无误后，开始进行混凝土的浇筑。

2）混凝土的浇筑与振捣。为了提高洞身衬砌效果，泵送混凝土时应做到连续浇筑。在连接泵管之后、正式浇筑之前，可以泵送少量清水，一方面是检查泵管密封情况，如果有漏水现象要及时进行封堵处理，防止后期泵送混凝土时出现漏浆问题；另一方面是湿润管道，预防泵送过程中出现堵塞管道的情况。同时，为了避免浇筑混凝土时出现离析情况，应当将管口入模高度控制在1.2 m以内。为了加快施工效率，可以采取左右两侧对称灌注的方式，但是需要保证2个泵管的流量一致，两侧混凝土的高差应控制在0.2 m以内。在混凝土浇筑至设计标高后，插入振捣器进行振捣，按照“快插慢拔、插点均匀”的原则振捣密实。另外，根据施工设计，在导流隧洞内每隔15 m设置1处伸缩缝，伸缩缝内布置塑料袋止水，在浇筑混凝土时用木方固定塑料止水带。

3）背后回填。对于衬砌背后的一部分空隙，也要及时使用混凝土回填模式，注意不要让回填的石块与混凝土侵入衬砌断面内。考虑到导流隧洞内出现过渗水情况，因此在衬砌背后布置了排水设施，以便于将积水及时排出。

4）养护。完成混凝土浇筑后进行养护。检查混凝土的强度，对于非承重挡板，要求在实际强度达到2.5 MPa后即可拆模；对于承重模板，则需要在实际强度达到设计强度的80%后方可拆模。由于本工程中所用混凝土插入了外加剂（速凝剂），因此养护14 d后达到拆模标准，完成拆模后继续进行不少于7 d的洒水养护[5]。

2.5" 回填灌浆

在衬砌混凝土的实际强度达到设计强度的80%后，可以进行回填灌浆。利用衬砌时的预埋管进行回填灌浆，将注浆设备的管口与预埋管密封连接后，按照划分好的灌浆区段依次进行回填。以奇数排为I序，以偶数排为II序，两序交替回填。同一序列的孔采用推移灌浆方式，临近的孔作为排水、排气用，当临近孔有浆液溢出后，使用木塞将其堵塞并移动至下一孔继续灌浆，直到全部孔灌满。在回填灌浆结束1周后，再进行固结灌浆。施工人员利用风钻在预留孔上钻孔，使用风机将孔内的粉末清理干净后，从I序孔中选择5%的孔开展水压试验，根据试验结果确定固结灌浆的具体参数。然后按照“逐段加密”的方式，从位置最低的孔开始灌浆，一直灌注到位置最高的孔。在导流隧洞中全部孔灌浆完毕后，先关停孔口闸阀，等到孔内浆液完成初凝后，再关停注浆设备。

3" 导流隧洞施工监测

在导流隧洞开挖过程中，为保证现场作业人员的安全，实时掌握围岩变形情况，需要做好动态监测。本工程中监测项目主要包括周边位移监测、拱顶下沉监测、地表下沉监测、围岩体内位移监测等。这里以拱顶下沉监测为例，使用工具包括水平仪、水准尺、测杆等，每隔30 m布置一个测点，在隧洞开挖后的前2周内每天采集2次数据；在开挖后的第3～4周，每天采集1次数据；在开挖1个月后，每周采集1次数据。现场共布置10个监测点，30 d内累计沉降量35～61 mm，平均最大沉降速率2.03 mm/d。根据JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技术规范》，对于Ⅱ～Ⅲ级围岩，隧道拱顶沉降速率允许值为10 mm/d，故本工程的拱顶沉降速率在允许范围之内，支护效果符合要求，保证了隧洞工程和施工人员的安全。

4" 结束语

在一些大型水利枢纽工程中，经常会遇到特大断面导流隧洞。基于施工安全和施工进度方面的考虑，必须要科学设计施工方案。在围岩级别良好的情况下，通过光面爆破可以让岩石破碎，使洞身开挖更加容易。同时，也必须考虑洞身开挖之后，拱顶临空面失去支撑力可能会出现冒落、塌陷等事故，因此还要采取支护措施。锚喷挂网联合支护工艺将锚杆与钢筋网结合，再喷射混凝土形成了稳定的支护结构，为拱顶、侧壁围岩提供了较强的支撑力，缓解了拱顶沉降和围岩变形的压力，保证导流隧洞的结构安全，为现场施工的安全和高效率进行提供了保障。

参考文献：

[1] 邱勇，余文飞.小转弯半径大断面引水隧洞上平段衬砌施工技术[J].电力勘测设计，2022（6）：71-77.

[2] 尚福强，鲁成勃，唐小强.复杂地质条件下特大断面水工隧洞开挖施工技术分析[J].工程技术研究，2022，7（16）：54-56.

[3] 吴桃，赵云龙，刘胜虎.施工支洞与特大断面隧洞相交三岔口采用的开挖施工方法[J].四川水力发电，2023，42（4）：14-18.

[4] 郑长洲，张采贤，龙玉女.浅埋小断面隧洞开挖技术在白乃水库中的应用[J].云南水力发电，2023，9（2）：160-163.

[5] 郭鸿俊.乌东德水电站复杂地质条件下大型导流隧洞群开挖支护设计[J].水利水电快报，2022，43（12）：41-48.