关于水电站引水隧洞施工技术的应用与研究

关于水电站引水隧洞施工技术的应用与研究

沈剑

湖南长沙市水利水电建设监理有限公司 湖南长沙 410008

【摘要】  隧洞施工作为地下建筑物，其设计和施工在交通、水电建设等领域得到了充分应用发展，但根据工程自身要求、以及水文、地质等客观因素决定了其建设规模和工程设计有不同的着重点、同时施工技术工艺也有着不同的特点。本文根据参建的水电站引水隧洞工程施工实践，针对该项目工程设计断面小、地下水丰富的特点，从开挖和衬砌支护两个方面进行了阐述，重点侧重于施工过程中根据现有的条件及所能提供的施工机械设备而采取的施工方法，在安全生产的前提下，既要强调质量，又要满足生产进度要求。

【关键词】 工程地质条件分析；电站引水隧洞的开挖；隧洞衬砌（支护）工程；三掺技术在引水隧洞支护中的应用；

一、概述

电站的枢纽建筑物由拦河坝、引水明渫、沉砂池、引水隧洞、压力管道、发电厂房及升压站等组成。引水隧洞采用城门洞形无压洞，引水隧洞总长为2211.9m，隧洞引用流量为13m3/s。隧洞洞顶主要为喷锚支护，小部分采用钢筋砼衬砌，底板和边墙大部分为钢筋砼，少部分为素砼，其开挖断面4.3m×3.4 m。隧洞原设计两条施工支洞，分别为1#支洞（K0+108）、2#支洞（K1+135），经设计修改后，取消了1#支洞。

电站区域内出露地层主要以元古界哀牢山群、乌都坑组中的中亚组（Ptwb）黑云角闪斜长片麻岩、角闪质条带状痕状混合岩为主，约占测区总面积的90%以上，中生代三叠系上统火把冲组（T3h）、中统个旧组中的第三段（T2gC）上述时代的地层之间以断层或侵入不整合接触。此外，第四系残坡积、崩坡积广泛分布于山坡地表，第四系冲洪积分布在拉灯河、瓦窑大河等山间盆地及河流阶地内。

电站所处区域的地下水类型划分为：松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水，包括岩浆岩风化裂隙水，分布于南侧瓦窑洞、石洞河、拉灯河勋平河源头带；变质岩裂隙水，分布于茅草坪至新桥洞二级（拉瓦）电站一带；碎屑岩裂隙水，分布于新街处的红河两岸；其中松散堆积层为水量贫乏区；碎屑岩、变质岩为中等富水层；岩浆岩为富水层，地下水自北西向南东运动，以大泉形式排出地表。

二、隧洞开挖：

由于隧洞断面积仅12.56m2，断面尺寸较小，且地质条件相对较好，在施工设备有限的情况下，各施工支洞作业面均采用全断面一次开挖成型的开挖方式。具体程序如下：

1、光面爆破钻孔：钻孔前搭设事先加工制作好的脚手架钻孔平台，钻孔采用气腿式凿岩机（手风钻）钻孔， 每个工作面配置五台该型钻机，一台备用。钻孔孔径为42mm，孔深2.5m，布孔按传统的做法分掏槽孔、崩落孔、二周边孔、周边孔。钻孔参数见钻孔装药参数表1。

表1  钻孔装药参数表

2、孔距E和抵抗线W按如下要求控制：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩孔距E为55cm，抵抗线W为70cm；Ⅳ类围岩孔距E为50cm，抵抗线W为70cm；Ⅴ类围岩孔距E为45cm，抵抗线W为60cm。

   3、对掏槽孔，因为没有大口径钻机，直眼空孔掏槽无法进行，且用以往三小孔（成“品”字形）联合成大孔的办法难于施工，以及小洞径隧洞采用楔形掏槽进尺太小，本工程采用直眼漏斗式掏槽，利用单炮孔在岩石自由面上爆破时产生的漏斗效果，均匀地扩大槽口，用增加炮孔数量的办法代替炮孔直径的加大。

    4、掏槽孔布置示意如图1，图中掏槽1序孔孔深1.5m，2序孔孔深2.0m，3序孔孔深2.5m。

    5、装药、连网起爆

    6、本工程隧洞开挖用炸药为云南安宁化工厂生产的RJ1#岩石乳化炸药，其性能参数如下：

表2    炸药性能参数

对于隧洞光面爆破，合理的布孔，将一定数量的炸药化整为零地分散装药，是爆破成功与否的关键。选用较密集的造孔参数和分散的状药结构，虽然可以减少单孔药量，但真正实现控制的目的，还得选择合适的起爆方式，本工程起爆网络沿用较为传统的起爆顺序，先掏槽孔，然后崩落孔，最后周边孔、底孔，只是在掏槽孔方面进一步细化为三块，控制起爆的雷管段别见表1。

药卷直径两种，分别为φ32mm、φ25mm，装药不耦合系数为1.3、1.68（周边孔）。周边孔、二周边孔、底孔装药采用竹片、导爆索均匀间隔装药，其它孔位装药由孔底开始向外连续装药，塑料导爆管雷管放至孔底，连网起爆如图2所示。

7、出碴：爆破后的石碴，采用立爪扒碴机装碴，扒碴机使用轨行式，运输由1.0m3的农用拖拉机。关于轨道，靠掌子面铺设40m左右（大约为启爆时石渣飞出的最远距离）的轨道约八段，钢轨为12Kg/m的小钢轨，间距为600mm，中间用垫板、锣丝连接，每开挖一段，便将后面的轨道往前移一段，如此循环往前。一排炮渣出完后，扒碴机退回轨道的最远处。

    8、风水电管线布设：风水管线沿隧洞底板边缘布设，支洞内风管、水管分别采用φ150mm、φ80mm钢管，主洞内风管、水管分别采用φ100mm、φ80mm钢管；通风排烟采用豉风排烟机，茅草坪电站各支洞进口设一台18Kw豉风机排烟，支洞与主洞交叉部位向上下游分别设置鼓风排烟机，与支洞内排烟风袋串联。根据茅草坪水电站引水隧洞施工经验总结，采用压入式豉风排烟，主洞用φ400mm的聚乙烯风袋，支洞用φ600mm的聚乙烯风袋，支洞与主洞串联，对14.6m2隧洞开挖断面，18Kw豉风排烟机有效作用距离约400m，排烟时间约30min，效果较好，排烟距离达500m时，烟尘很难及时排放，约需2h~3h，与钻爆开挖进度无法相适应。

施工用电沿洞壁敷设电源线路，电源线路采用φ70mm2铝芯线（各支洞部位变压器至主洞工作面的最长距离为1.3Km），在开挖过程中负责洞内扒碴机（55Kw）、抽水机（2.2Kw）及每隔10m一盏60W照明灯的供电；衬砌（支护）过程中负责电焊机、砼振捣器（2.2Kw）及照明用电。

距离工作面100m范围内的隧洞照明采用低压衡变压器变压至24V，负责钻爆过程中工作面附近的照明。

三、隧洞衬砌（支护）工程

水电站引水隧洞钢筋砼衬砌总长2150m。根据隧洞的地质条件，砼衬砌分三种形式，第一种为30㎝双排钢筋砼，第二种为20㎝单排钢筋砼，第三种为20㎝素砼、顶层为喷砼。结构上不同的衬砌形式之间设永久伸缩缝，浇筑过程的施工缝须凿毛、设BW—Ⅱ止水条，地下水较大的部位设排水孔。施工过程中，一般采取先浇边墙后浇顶拱最后一次性浇底板的浇筑的方式，由于隧洞断面较小，每一工作面只能采取撬挖、清基、扎筋、立模、浇筑进行流水施工，而不能采取多段多个工作面同时施工。为了加快施工进度，争取边开挖边浇筑，在每段（通常为6 m、7.5 m、9 m）边顶拱立模加固时要留出1.5 m ×2.0 m的出渣通道，已便于出渣拖拉机和砼及材料转运拖拉机通过。

    1、施工设备和工具配置：设备工具配置上，每个工作面配三台拖拉机，一台电焊机和 3台φ50软轴插入式振捣器，轮胎桶10只、铁铲6把，各支洞口布置两台0.5m3强制式砼搅拌机和手推车4台。

    2、模板和脚手管：边顶拱立模加固时，先用脚手管加固好预先定做的木支撑和钢拱架，再将模板安装在木支撑和钢拱架上，最后根据测量放线予以调整加固。对于地下水比较大的地段，在安装模板时要留出排水孔。底板浇筑时，不用表面模板，只立端部挡板，在砼浇筑后用型板将砼表面刮成弧形即可。模板采用昆明钢模厂生产的无倒角的普通模板，脚手管有根据图纸加工的定尺钢管和不定尺钢管。

    3、水电管线布设施工用水。由于引水隧洞地下水丰富，在清基时除利用原来开挖时的排水管路往外抽排水外，还需在浇筑处上下游设两道围堰用相应的抽水设备将浇筑处的水排出。电源线路，因开挖时的电源线路已不能适应开挖与衬砌支护同时进行的需要，φ70mm2的铝芯线在线路长的情况下，电压降亦较大（加上洞内喷锚机），已不能满足施工设备的正常运行。经方案比较，排除利用绝缘的高压电缆进洞、变压器移至洞内的办法，最后采取将φ70mm2铝芯线完全换为φ90mm2的铝芯线的方案，扩大电源线断面积，减少电压降损耗。在开挖阶段布置线路时应充分考虑线路在开挖与衬砌支护的荷载以及线损，已减少重复作业和材料损耗。

4、砼衬砌：由于受到施工机械的制约和施工环境的影响，砼衬砌只能采取全人工方式进行。砼出机后，由拖拉机直接运至砼浇筑段。边墙浇筑时，因每一拖拉机砼的入仓时间只需5-8分钟，因而，可由二至三人用铁铲直接从拖拉机上将砼铲入仓面；顶拱浇筑时，由于浇筑难度较边墙大，时间也相对较长，为了确保洞内交通不受影响，在浇筑段距离地面130㎝左右的高度（以拖拉机能安全通过为宜）搭设一平台，先将拖拉机上的砼用铁铲或轮胎桶卸至平台（拖拉机从平台下退出），然后再从平台入仓，振捣。这样，不仅能保证砼浇筑的连续性，而且不会影响其它工作面的施工。

四、三掺技术在引水隧洞支护中的应用

水电站引水隧洞长2553m，其中第三种混凝土衬砌形式的顶拱为喷锚支护。喷锚支护为湿喷，设计强度等级为C20，混凝土工程量约600.0m3，因工期紧，工程量不大，为了确保电站按期发电，水电站引水隧洞的喷锚支护大胆地参照了工程局原建电站引水隧洞工程施工中的三掺技术，并结合该工程天然骨料的特点在其基础上有所改进。

     1、室内试验

1.1 水泥检验

甲供水泥为内掺掺量为8%炉渣的“红河”牌32.5级普通硅酸盐水泥，按照《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB175-1999)进行试验；其物理力学性能及熟料矿物成份分列于下表3、表4：

表3    红河P.O32.5、42.5级水泥物理性能试验成果

表4      红河32.5、42.5级水泥熟料矿物成份(%)          

   1.2 粉煤灰

本次试验采用国电小龙谭发电有限公司脱水粉煤灰，该公司一电场年排干灰(Ⅱ级)约18万吨，二、三电场产Ⅰ级灰约2.5万吨。依据《水工混凝土试验规程》（DL/T5150-2001）、《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL/T5055-1996）进行试验，其品质检验成果列于表5。

表5            粉煤灰品质检验成果表                       

从表5试验结果表明：按照《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》DL/T5055-199比较，粉煤灰满足Ⅱ级灰的标准。

  1.3 砂石料检验

据本工程特性和就地取材的原则，砂石料均采用引水隧洞洞渣料经人工加工的花岗岩人工砂石料。该人工砂石料经水电十四局勘测设计研究院检验评定为非活性骨料。

试验料从2#支洞人工砂石料场取样，该砂石料质地坚硬。小石为满足湿喷混凝土要求，粒径设计为5~15mm。但砂较粗，细度模数大，石粉含量偏少。砂颗粒级配列于表6，砂石物理性能列于表7。

表6  人工砂颗粒级配表

表7  人工砂石物理性能检测成果

1.4 减水剂检验

减水剂选用云南昆明山峰外加剂股份有限公司生产的FDN-2002，检验成果列于表8

表8

1.5 速凝剂选择试验

速凝剂直接选用云南昆明山峰外加剂股份有限公司生产的SF速凝剂，配合红河P.O 32.5MPa水泥，花岗岩砂石骨料，小石粒径不超过15mm，砂细度模数3.3。

1.5.1 速凝剂与水泥相容性试验

速凝剂加入混凝土中后能起速凝作用的性能称为相容性。试验在水泥净浆中进行，速凝剂按厂家推荐最佳掺量掺入，成果列于表9。

表9            掺速凝剂水泥净浆凝结时间表

表9表明：速凝剂符合国家标准

1.5.2 速凝剂试验

试验时，根据厂家的建议，在速凝剂中掺用FDN-2002减水剂，灰骨比为1：4.59。掺速凝剂混凝土试验成果列于表10。

表10          掺速凝剂混凝土试验成果表

根据试验结果，结合技术、经济等各方面进行综合比较认为山峰厂速凝剂NAC-3能满足施工要求。

1.6 喷射混凝土室内配合比试验

试验采用开远“红河”牌P.O32.5级水泥，小龙谭电厂脱水Ⅱ级粉煤灰，茅草坪水电站人工生产的砂石料，云南昆明山峰林外加剂股份有限公司生产的速凝剂NAC-3及减水剂FDN-2002。室内混凝土成型方法为先将混凝土按常态混凝土拌和，出机检验混凝土坍落度后迅速加入速凝剂，人工翻拌20S左右，马上装模在振动台上振动约40S后光面成型。室内混凝土试验成果列于表11。

表11 室内混凝土试验成果

2、引水洞湿喷混凝土现场工艺试验

2.1现场工艺试验成果

由于湿喷混凝土现场与室内各项试验结果有较大差异，所以湿喷混凝土施工配合比应通过现场工艺试验来确定。现场工艺试验以混凝土抗压强度和回弹量为主要控制参数。其工艺试验喷混流程为：先加入减水剂FDN-2002按常态混凝土拌和150S，坍落度控制在4～6㎝，然后将混凝土倒入湿喷机内，速凝剂NAC-3在湿喷机内随混凝土一起经喷射管喷出，由熟练操作手控制气压在0.5Mpa左右，从岩层低洼处成螺旋状喷射。不同配合比分别在边墙及顶拱成型。

试验成果列于表12。

表12             湿喷混凝土工艺试验成果

2.2 湿喷混凝土工艺试验总结

湿喷混凝土施工配合比试验，由于小石粒形较差，单位用水量较不掺减水剂仍降下30㎏，效果明显。通过室内及现场工艺试验，总结如下：

1、选定3#配合比为现场湿喷混凝土施工配合比。

2、喷混凝土最佳距离为0.8～1.2M，气压为0.5MPa左右，一次成型厚度可达12㎝以上。

3、回弹率的大小与喷射角度、小石粒形、砂率多少及水灰比大小有直接关系。

4、三掺技术满足湿喷混凝土施工质量要求。

5、混凝土坍落度控制在6㎝左右，湿喷混凝土回弹率最小。混凝土坍落度太大，造成部份混凝土直接从喷嘴流下，自然增大了回弹率。

6、由于是先将混凝土按常态混凝土配制、搅拌均匀后在喷射管口中加入速凝剂，这样比起干喷混凝土质量保证率大得多。施工灰尘也减小许多。

五、 结束语

开挖和衬砌（支护）是隧洞施工的两个主要施工过程。在同一个横断面上，不言而喻，应该遵循先开挖后衬砌的顺序。而对整个隧洞来说，如何合理安排各个部位开挖和衬砌之间的程序，以及开挖和衬砌本身的顺序，对于避免施工干扰，保证施工安全，加快施工速度，具有重要意义。

作者简介：

姓名:沈剑、出生1969年12月、性别:男、民族:汉、籍贯（湖南省辰溪县）、学历:本科（位）、

职称:工程师、研究方向:水电工程