特長特大導(dǎo)流洞洞室快速施工技術(shù)研究

宿 銀 山， 龍 倫 剛

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 611130)

0 引 言

水電工程建設(shè)往往位于地形地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地區(qū)，施工道路布置困難，地下洞室群錯(cuò)綜復(fù)雜，施工難度大，合同工期較短。這些洞室群具有開挖斷面大，洞身軸線長等特點(diǎn)，采用高效的施工方法、先進(jìn)的施工設(shè)備、合理組織施工是保證工程質(zhì)量與進(jìn)度的關(guān)鍵[1-3]。

拉哇水電站位于金沙江上游川藏河段，屬一等大(Ⅰ)型工程，總裝機(jī)容量2 000 MW，多年平均年發(fā)電量90.89億kWh(梯級聯(lián)合)。樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、地下輸水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程2 709 m，壩頂長度398 m，最大壩高239 m。大壩施工采用隧洞導(dǎo)流方式，布置有2條導(dǎo)流隧洞。洞身軸線平行布置，軸線平面上由上游直線段、轉(zhuǎn)彎段和下游直線段組成，軸線間距35 m。①導(dǎo)流隧洞軸線長2 189.823 m，洞身結(jié)構(gòu)長2 126.75 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為17 m×19 m(寬×高)，屬特大斷面洞室。②導(dǎo)流隧洞軸線長2 266.33 m，洞身結(jié)構(gòu)長2 208.95 m。

導(dǎo)流洞洞身軸線長，開挖斷面大，支護(hù)工程量大，施工難度高。工程施工采用了分部開挖、分區(qū)支護(hù)，增設(shè)施工支洞，優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，加強(qiáng)施工組織管理等措施，保證了施工安全，提高開挖支護(hù)施工質(zhì)量，提升了施工效率，也保證了施工進(jìn)度。

1 導(dǎo)流洞工程施工技術(shù)難點(diǎn)

電站壩址河段為峽谷地形，山高坡陡，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工布置條件差。導(dǎo)流隧洞標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸大、洞身軸線長、施工質(zhì)量要求高，施工難度大。

1.1 地質(zhì)條件復(fù)雜

壩址區(qū)右岸山體雄厚，岸坡陡峻，地表多暴露弱風(fēng)化基巖，從山頂至河谷依次暴露蝕變角閃片巖、綠泥角閃片巖、云母石英片巖、絹云母片巖(Ptxna-5)、大理巖(Ptxna-4)、角閃片巖、綠泥角閃片巖(Ptxna-3)、大理巖(Ptxna-2)和角閃片巖(Ptxna-1)地層，巖層產(chǎn)狀總體上為N10°～60°W，SW∠35°～50°。

壩址區(qū)右岸斷層不甚發(fā)育，導(dǎo)流洞進(jìn)口洞段未見有斷層發(fā)育，但洞身段發(fā)育斷層F316、F317、 F318、F331及F126，出口洞段發(fā)育斷層F323?？傮w來看，導(dǎo)流隧洞洞身段圍巖以Ⅲ2、Ⅲ1類圍巖為主、成洞條件較好，對施工較為有利，但在導(dǎo)流隧洞進(jìn)、出口強(qiáng)卸荷帶及少量斷層帶附近洞段圍巖為Ⅴ類，進(jìn)、出口弱卸荷帶洞段圍巖為Ⅳ類，開挖期圍巖穩(wěn)定問題突出。

1.2 施工難度高、工程量大

①導(dǎo)流隧洞標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為17 m×19 m(寬×高)。②導(dǎo)流洞隧洞弧門上游標(biāo)準(zhǔn)過水?dāng)嗝娉叽鐬?.5 m×8 m(寬×高)，弧門下游段過水?dāng)嗝? m×15 m(寬×高)。最大開挖斷面達(dá)29.56 m×25.28 m，屬特大型斷面開挖，石方開挖量合計(jì)約101.5萬m3，開挖工程量大，施工強(qiáng)度高。同時(shí)導(dǎo)流洞洞室斷面尺寸大，圍巖自穩(wěn)能力差，難以一次快速開挖成型，制約開挖施工進(jìn)度。

①導(dǎo)流隧洞軸線長2 189.823 m，洞身結(jié)構(gòu)長2 126.75 m。②導(dǎo)流洞隧洞軸線長2 266.33 m，洞身結(jié)構(gòu)長2 208.95 m，為國內(nèi)在建、已建的最長導(dǎo)流洞工程。導(dǎo)流洞洞身軸線長，對外洞口少、轉(zhuǎn)彎多，加之工作面多，通風(fēng)散煙難度較大，影響施工效率。

導(dǎo)流隧洞支護(hù)措施主要有錨桿、噴混凝土、掛網(wǎng)鋼筋、鋼格柵拱架等。其中錨桿合計(jì)38.5萬根，掛網(wǎng)噴混凝土2.77萬m3，鋼筋網(wǎng)364.89 t，鋼格柵拱架872.634 t，支護(hù)工程量大。導(dǎo)流洞洞室開挖斷面大，圍巖穩(wěn)定性差，在開挖完成后，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)施工至關(guān)重要。

1.3 開挖質(zhì)量要求高

導(dǎo)流洞過流期長，過流流速高，開挖質(zhì)量要求較高。為保證開挖質(zhì)量，不僅需要根據(jù)地質(zhì)情況因地制宜地進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，還需要選用經(jīng)驗(yàn)豐富的鉆孔施工人員，嚴(yán)格控制好鉆孔精度。同時(shí)為了減少對圍巖的爆破破壞，殘留炮孔壁面不產(chǎn)生明顯爆破裂隙，往往采用短進(jìn)尺、少藥量、多循環(huán)的方式進(jìn)行施工。這些因素都較大地制約了施工進(jìn)度。

2 快速開挖支護(hù)施工方法

導(dǎo)流隧洞工程量大、施工難度高、工期緊張，采取了增設(shè)施工支洞、分區(qū)施工等多種措施，達(dá)到了快速施工的目的。

2.1 增設(shè)施工支洞

導(dǎo)流隧洞洞身軸線長，進(jìn)出口邊坡陡峭，施工道路布置困難，無法由進(jìn)出口直接向內(nèi)開挖主洞。通過增設(shè)施工支洞，快速形成多個(gè)施工作業(yè)面是切實(shí)可行的施工措施[4]。導(dǎo)流洞工程共設(shè)置了6條施工支洞，施工支洞布置圖見圖1。其中⑤支洞和⑧-1支洞負(fù)責(zé)閘室段開挖支護(hù)，導(dǎo)①～導(dǎo)④支洞負(fù)責(zé)導(dǎo)流洞洞身段開挖支護(hù)，各施工支洞控制施工長度約500 m。導(dǎo)①～導(dǎo)④支洞又分為上支洞和下支洞兩條岔洞，其中上支洞承擔(dān)①導(dǎo)流洞洞身段上層開挖支護(hù)施工，下支洞承擔(dān)①導(dǎo)流洞洞身段中下層及②導(dǎo)流洞洞身段開挖支護(hù)施工。采用增設(shè)施工支洞的方法，增加了施工作業(yè)面，加快了施工進(jìn)度，同時(shí)減少了施工通風(fēng)散煙距離，極大限度提高了施工效率。

圖1 施工支洞布置圖

2.2 分部開挖和分區(qū)支護(hù)

導(dǎo)流洞洞室開挖斷面大，一次開挖成型施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。為確保圍巖成洞穩(wěn)定及施工安全，采取以分部開挖、分區(qū)支護(hù)的方式進(jìn)行施工[5-7]?？傮w施工程序?yàn)橄冗M(jìn)行①、②導(dǎo)流洞上層開挖，同步跟進(jìn)支護(hù)施工，待①、②導(dǎo)流洞上層開挖支護(hù)施工基本完成后，進(jìn)行①導(dǎo)流洞中層開挖，同步跟進(jìn)支護(hù)施工，最后進(jìn)行①、②導(dǎo)流洞下層開挖支護(hù)施工。①導(dǎo)流洞采用分層進(jìn)行開挖，洞身分上、中、下(保護(hù)層)三層施工，上層采用三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔為主，局部手風(fēng)鉆輔助，設(shè)計(jì)輪廓光面爆破，中層開挖采用垂直預(yù)裂爆破進(jìn)行施工。其中上層開挖根據(jù)圍巖地質(zhì)條件，又分為“導(dǎo)洞開挖法”和“半洞開挖法”(見圖2)。地質(zhì)條件較差時(shí)，采用“導(dǎo)洞開挖法”進(jìn)行施工，先開挖出導(dǎo)洞，逐步釋放巖體卸荷應(yīng)力，充分發(fā)揮巖體自承能力，有利于巖體穩(wěn)定。導(dǎo)洞開挖30～50 m后，進(jìn)行擴(kuò)挖施工。地質(zhì)條件較好時(shí)，為加快施工進(jìn)度，采用半洞開挖的方法進(jìn)行施工。為確保施工安全，兩個(gè)半洞開挖掌子面間距不小于30 m。因采用分部開挖，相當(dāng)于大斷面洞室被拆分為多個(gè)小斷面洞室，開挖完成后，巖體自穩(wěn)性好，支護(hù)施工可根據(jù)現(xiàn)場施工情況分區(qū)集中進(jìn)行，減少了施工干擾，保證了開挖支護(hù)施工連續(xù)性，加快了工程進(jìn)度。

圖2 導(dǎo)洞開挖法和半洞開挖法

2.3 選用高效施工設(shè)備

導(dǎo)流洞開挖工作面多，開挖支護(hù)工程量大，保證開挖支護(hù)施工資源配置充足，選用高效施工設(shè)備，提升施工效率是加快工程進(jìn)度的關(guān)鍵。上層開挖支護(hù)造孔施工主要采用阿特拉斯·科普柯Boomer353E多臂臺(tái)車進(jìn)行。多臂臺(tái)車打孔作業(yè)時(shí)，采用機(jī)械臂定位，開孔位置準(zhǔn)確，鉆孔間距控制較好，同時(shí)成孔效率高，移動(dòng)便利迅速，有效減少了施工干擾，大大提高了開挖支護(hù)施工進(jìn)度。

2.4 優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)

為提升開挖施工質(zhì)量，施工前進(jìn)行爆破試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)選取合適的爆破施工參數(shù)。光爆孔孔深3.5 m，間距0.5 m，單孔裝藥量0.8 kg。主爆孔孔深3 m，間排距0.6～0.8 m。采用小直徑藥卷、低密度、低爆速炸藥，綁扎在竹片上形成串狀裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥結(jié)構(gòu)采用不耦合裝藥，控制好堵塞質(zhì)量，采用高精度毫秒雷管起爆，提升開挖質(zhì)量。結(jié)果表明，采用合適的爆破施工參數(shù)，保證了開挖施工質(zhì)量。同時(shí)避免了圍巖爆破破壞，保證了施工安全，提升了施工進(jìn)度。

2.5 加強(qiáng)監(jiān)測

洞室開挖過程中根據(jù)地質(zhì)情況、開挖部位及洞室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置臨時(shí)動(dòng)態(tài)變形觀測點(diǎn)、圍巖收斂監(jiān)測斷面及爆破振動(dòng)觀測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)變形觀測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對開挖過程中洞室穩(wěn)定進(jìn)行評判，進(jìn)而對開挖、支護(hù)程序的調(diào)控進(jìn)行指引，并根據(jù)量測信息反饋結(jié)果，調(diào)整各單項(xiàng)工序的施工參數(shù)。監(jiān)測成果顯示，導(dǎo)流洞開挖施工過程中，圍巖變形量較小，為快速施工提供了數(shù)據(jù)支撐，保證了施工安全，加快了施工進(jìn)度[8]。

2.6 加強(qiáng)施工組織管理

導(dǎo)流洞工程規(guī)模大，施工工序多，作業(yè)面廣，工期緊，施工強(qiáng)度高。結(jié)合導(dǎo)流洞施工實(shí)際情況，統(tǒng)計(jì)各關(guān)鍵工序效率，各施工設(shè)備施工工效，按照施工進(jìn)度計(jì)劃安排，配備了足夠的施工人員及設(shè)備，保證了施工強(qiáng)度。同時(shí)通過加強(qiáng)協(xié)調(diào)管理，合理組織施工，保證了各工序之間緊密銜接，減少了工序之間間隔時(shí)間，形成流水施工，避免了作業(yè)面閑置，極大地提升了施工進(jìn)度。

3 結(jié) 論

針對壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度高等問題，研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下特長特大導(dǎo)流洞洞室快速施工技術(shù)，同時(shí)研究了增設(shè)施工支洞、分區(qū)施工、選用高效施工設(shè)備、優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)、加強(qiáng)監(jiān)測和加強(qiáng)施工組織管理等措施對特長特大導(dǎo)流洞洞室施工工效的影響。同時(shí)，通過增設(shè)施工作業(yè)面、減少施工干擾、加強(qiáng)工序銜接等手段，達(dá)到了工程按期完成的目的。結(jié)果表明，在地質(zhì)條件復(fù)雜及施工難度較大的工程中，采用高效的施工方法、先進(jìn)的施工設(shè)備、合理組織施工等，可有效地提高施工效率、加快施工進(jìn)度。研究結(jié)果對類似工程具有一定的參考價(jià)值。