例谈水电站引水隧洞大断面千枚岩开挖柔性支护

1、工程概况

古城水电站位于涪江上游干流上，是涪江上游干流水电梯级开发的第二级低闸引水式电站。

古城水电站引水隧洞断面为圆形，衬砌后内径为9.5m，开挖洞径Ⅳ类为10.6m，Ⅴ类为11.4m。围岩大部分为云英千枚岩，岩层陡立，走向与洞轴线夹角为35°左右，岩体虽新鲜较完整，但强度低，片理发育。千枚岩抗风化能力差，遇水易软化，呈千枚状，岩质较差，较为破碎，围岩不稳定，洞室爆破开挖成型效果较差，存在较大的安全风险。

2、爆破掘进方案设计 2.1 地质条件分析

根据开挖揭露情况看，古城水电站引水隧洞地质条件具有如下特点： （1） 岩层具有含水层，且厚度较大； （2）顶板岩层属于软岩（千枚岩）；

（3）地质条件复杂，含水层厚度、富水性变化大； （4）隧洞断面大。 2.2 开挖方法设计

根据以上分析，经过论证，最终采用“上下分断面开挖，弱爆破，短进尺，锚杆与网喷结合及时跟进支护”的方法，如图1-1所示，即上断面先开挖，完成后退后反向进行下断面扩挖，扩挖时采取分段开挖全断面衬砌跟进的施工方案。

总体方案确定后，分断面开挖方案设计时为充分考虑稳定和工序连接问题，对分断面开挖方案进行了设计，上断面以圆心下1.5m为平台界面，开挖时采用楔形掏槽光面爆破开挖方案；下断面开挖时中间掏槽，两侧预留保护层的施工工艺，充分保证了洞室两侧围岩底脚的稳定。为保证开挖断面整体受力效果，充分发挥围岩自身承载能力，边墙开挖成型后素喷10cm厚的C20混凝土及时封闭；完成边墙开挖和素喷混凝土施工后，再及时进行底板保护层开挖和20cm厚的C15素混凝土垫层施工。

图1-1 古城电站引水隧洞开挖支护示意图 2.3爆破方案设计

（1）爆破方式：在千枚岩地质条件下，经现场试验采用复合楔形掏槽的爆破方式。

（2）掏槽孔设计：经过论证，本设计采用了复合楔形掏槽孔布置方式。 （3）周边眼间距和周边眼最小抵抗线的选择

根据千枚岩本身的抗爆性选择周边眼间距和周边眼最小抵抗线、采用的炸药性能以及炮眼直径和装药量而定的，本设计周边眼间距取E=400毫米，最小抵抗线取W=400毫米。

（4）装药结构设计

根据现场生产性试验研究分析，本设计采取不耦合连续装药。 （5） 布孔参数

炮孔（φ42mm）布孔参数：主爆孔孔距a=0.80～1.00m、抵抗线w=0.80～1.0m。 （6）在爆破时，为避免对周围岩体造成破坏，增加超挖超填量，设计炸药单耗为0.75kg/m3。

（7）为保证爆破后的光面效果，设计的起爆顺序为：掏槽孔→崩落孔→底孔→边墙孔→周边孔

2.4支护结构设计

古城水电站引水隧洞依据不同的围岩类别，经现场进行生产性试验，选取不同的柔性支护方式保证工后长期暴露的围岩稳定性，具体支护参数设计如下：

（1）对于Ⅴ-类围岩：喷混凝土封闭开挖面→超前锚杆→（钻、爆）→局部初喷混凝土5cm→出渣喷混凝土5cm厚→工14钢架→系统锚杆（锁脚锚杆）→挂钢筋网→喷混凝土至设计厚度。

（2）对于Ⅴ+类围岩和Ⅳ-类围岩：超前锚杆→（钻、爆、出渣）→格栅钢架→系统锚杆（锁脚锚杆）→挂钢筋网→喷混凝土至设计厚度；

（3）对于Ⅳ+类围岩，采用挂网锚喷支护。

（4）在Ⅳ、Ⅴ类围岩中，采用短进尺、弱爆破开挖，出渣后需架立格栅钢架或钢支撑，并进行系统锚杆施工，与钢架焊连，用铁件填塞稳定及加固钢架，最后喷混凝土包裹钢架。

（5）格栅钢架由普通钢筋加工而成，钢架横断面为14×14cm，主筋为直径28mm的II级钢筋，箍筋和腹筋采用直径为16mm的I级钢筋，箍筋间距50cm，箍筋搭接長度≥30d，钢架接头采用10mm厚A3钢板焊接加φ16螺栓连接。前后两榀钢架中心间距0.75m。两榀钢架之间焊接纵向连接筋，连接筋为直径22mm的II级钢筋，环向间距1m， 设内外两层。钢架脚部设置预制混凝土垫块（50×50×15cm），预制混凝土垫块下部为C20找平混凝土。钢架脚部用Φ28mm、L=4.5m的锁脚锚杆固定柱脚。

（6）钢支撑由14#工字钢加工制作而成，钢支撑排距0.5m，相邻两榀型钢间采用Φ25钢筋连接，环向间距1.0m，连接筋长度为两榀型钢拱架翼缘外边距。

（7）每次爆破完成后，及时除危并初喷混凝土封闭围岩。每次循环进尺后及时进行锚喷支护作业，保证新奥法施工的及时性，确保了围岩稳定和安全。

2.5 洞室排水设计

施工过程中及时在隧洞两侧施作排水沟，排水沟离拱脚50cm，并每100m左右设泵站抽排集水；渗水部位及时施作2m排水孔，采用薄铁皮加工成漏斗状对拱顶等部位渗水进行集中并用塑料软管排至排水沟。

2.6 质量、安全、环境保护措施设计

（1）制定完善的质量规章及奖惩制度，进行全员全过程的质量管理控制。 （2）安排具有丰富经验的专业技术人员参与施工，在施工前按施工组织设计、质量计划、作业指导书对施工人员层层交底；施工中严格各施工程序及工艺要求，配备精良的先进的施工设备进入下道工序施工，以最优良的施工工艺作风施工。

（3）对各道工序严格实行三级质检制度，在此基础上再由监理工程师检查验收后进入下道工序施工。对关键工序设制质量控制点并进行跟踪检查，及时清理整改质量隐患，施工中所有工序都须认真填写详细的施工记录和验收签证记录单，对施工中发生的任何质量异常情况都要快速及时通报。

（4）支护应及时跟进，避免塌方造成二次开挖。同时施工过程中，应及时作好围岩变形观测及分析，为施工中爆破及支护参数确定提供可靠依据。

（5）建立健全安全文明施工管理，建立严格的安全管理制度。

（6）严禁违章操作、野蛮施工，爆破前应先进行爆破设计，认真按照爆破设计控制钻孔深度、钻孔布置要符合要求，连线应规范，爆破时安排人员警戒，爆破后过二十分钟方可进爆破部位进行勘察。

（7）爆破后应立即进行排险，因为是千枚岩，结构松散，排险应做到先机械排险，再人工清理，确保排险干净彻底，避免掉块。

（8）洞室透水的地方应做好排水设施，确保渗水能得到及时清排，千枚岩遇水容易软化造成塌方。

3、结语

按照相关设计参数进行引水隧洞光面爆破施工作业，炮孔残留半孔率达到60%左右，爆堆成型较好，爆破效率达90～92%，达到了预期目标。

本文虽然是对平武古城水电站引水隧洞施工技术成功经验进行简要描述，但通过描述，可对其它类似工程（千枚岩等软岩洞挖及支护施工）进行良好的指导，较具有借鉴意义。