积石峡水电站导流洞交叉段开挖支护施工技术

苏晓军

（黄河上游水电开发有限责任公司工程建设分公司，青海 西宁 810000）

1 工程概况

积石峡水电站工程受地形、地质条件的限制，溢洪道、导流洞、中孔泄洪洞、泄洪排沙底孔等泄洪建筑物均布置在左岸。导流洞洞身总长660.087 m，中孔泄洪洞采用 “龙抬头”形式与导流洞结合布置，非结合段洞身长217.15 m，结合段洞身长442.937 m，开挖断面尺寸均为13 m×15 m，两洞在距中孔泄洪洞口253.39 m处交叉，交叉角19.9°。两洞结合部位的交叉段形成跨度为28.4 m、高20.59 m的城门洞形大断面洞室（见图1）。在其拱顶上方有一厚3～10 cm的软弱夹层穿过，围岩岩性为砾岩、中细砂岩和泥质粉砂岩，岩层产状为NE13°SE∠13°，成层状分布；岩体弱风化，发育有三组中陡倾角裂隙，岩体完整性差，基本属Ⅲ类围岩，局部为Ⅳ类围岩。地质条件复杂，断面多变，跨度大，施工高差大，工程安全问题突出，施工极为困难。鉴于以上特点，该部位的开挖方案、支护方式及混凝土衬砌方案的选择对洞顶围岩的稳定、工程安全及施工质量、进度有着极其重要的作用。

2 设计方案

图1 交叉段开挖体形（尺寸单位：m）

在平层结构裂隙发育的砂岩层中进行的大断面平顶拱的开挖、支护及混凝土衬砌施工，在目前国内已建和在建工程中尚属首例。经过对交叉段不同方案的理论计算分析和数据分析模型综合比较，考虑中孔泄洪洞与导流洞交叉段洞室地质条件和结构特点，确定施工采用分序开挖及素喷混凝土、锚杆、预应力锚索支护形式的方案（见图2）。具体支护形式为：边墙素喷10 cm厚混凝土及φ28 mm@2 m×2 m、长7.0 m的系统锚杆支护；顶拱喷15 cm厚钢纤维混凝土及长7.0 m和8.5 mφ28 mm@1.5 m×1.5 m长短系统锚杆支护；拱顶部位采用长20、25 m的1 000 kN预应力锚索支护，开挖完成后浇筑1.5 m厚钢筋混凝土衬砌。

图2 采用的分序开挖及支护形式

3 优化后的开挖、支护施工程序

针对交叉段特殊部位，将导流洞导0+160.0～0+217.15段划分为4个开挖区（见图3），并制定了相应的施工方法。导0+140～0+160.0段为第一开挖区，导0+160.0～0+169.39段为第二开挖区，导0+169.9～0+217.15段右半幅为第三开挖区，左半幅进行反方向开挖为第四开挖区。施工爆破均采用短进尺、浅孔、小药量、多循环、间隔装药、分段光面爆破。开挖过程中严格控制装药量，以减少爆破振动对已开挖中孔泄洪洞洞室的影响，保证交叉段的开挖安全。

（1）第一开挖区施工。导0+160.0段以前两洞室之间的最小围岩厚度为7.22 m，施工时按全断面12.20 m×7.0 m（宽×高）正常进行施工，循环进尺控制在3.0～3.5 m以内。支护按设计图纸要求进行，并跟进掌子面，喷10 cm厚素混凝土。局部存在岩石破碎、裂隙发育及软弱结构面的部位及时进行封闭，采用挂网喷护及C30钢纤维混凝土喷护。

图3 开挖施工程序

（2）第二开挖区施工。导0+160.0～导0+169.39段导流洞与中孔泄洪洞之间的最小围岩厚度为4.0m，对该区段开挖采取先导洞后扩挖、导洞与扩挖同步进行的方式，导洞断面尺寸为8.0 m×5.0 m（宽×高），循环进尺控制在2.0～2.5 m以内。造孔时将全断面的孔一次性造设完毕，但在爆破时只对导洞断面进行爆破，待导洞爆破两个循环后进行一次扩挖，若遇到有岩石特别破碎、断层裂隙发育或存在软弱结构面等情况，进行多次爆破扩挖。开挖施工中在下一个循环开始放炮之前采用间距80 cm的钢支撑进行加固；顶拱锚杆采用预应力锚杆，侧墙采用砂浆锚杆支护，及时跟进掌子面；喷护采用10 cm厚素混凝土，局部存在岩石破碎、裂隙发育及软弱结构面的部位时进行封闭，并采用挂网喷护及C30钢纤维混凝土喷护。

（3）第三开挖区施工。导0+169.39～导0+217.15段采用半幅开挖。第二区段开挖支护全部完成后进行右半幅（即第三区段）开挖，开挖高度8.0 m。为了便于进行预应力锚索及预应力锚杆施工，开挖断面左侧墙超过导流洞轴线1～1.5 m，循环进尺控制在1.5～2 m。半幅开挖过程中仍采用导0+160.00～导0+169.39段开挖支护方式，即导洞开挖两个循环后进行一次半幅扩挖，以及顶拱预应力锚杆及侧墙砂浆锚杆支护及时跟进掌子面。此时可提前对中孔泄洪洞中0+217部位的三角体进行钻孔爆破，为右半幅的贯通创造条件，同时可提前连接钢支撑。贯通后导0+193.93～导0+217.15段开挖面每掘进一个循环即可安装一榀钢支撑，间距80 cm，并与中孔泄洪洞内钢支撑进行连接，钢支撑与钢支撑间采用横向连接，形成整体；挂网喷混凝土及时跟进掌子面。在第三区开挖施工时，对中0+192～0+196.0段右半拱从欠挖部位进行切割，待导0+169.39～导0+217.15段右半幅开挖贯通后，随即进行该段的12～21号锚索施工。

（4）第四开挖区施工。导0+169.39～导0+217.15段右半幅开挖贯通后，对左半幅（即第四开挖区）反方向进行导0+193.93～导0+169.39段的开挖，开挖循环进尺控制在2 m以内；顶拱预应力锚杆及时跟进掌子面，侧墙视地质条件，如有陡倾角裂隙则进行对锚加固。每一个爆破循环结束后，立即进行钢支撑安装，间距80 cm。

（5）开挖施工时根据岩体不同情况，采用缩短进尺、密孔、小药量和强支护的形式进行开挖，将循环进尺控制在1～2.5 m以内，并根据实际情况增设观测仪器，对围岩进行监控；根据不同的爆破参数，做爆破震动试验，及时调整爆破参数。

4 交叉段施工主要控制方法

（1）考虑交叉段的特殊情况，为确保施工安全，避免对中孔泄洪洞、两洞室之间围岩及新浇混凝土产生影响，确定安全质点振动速度，为开挖提供最佳爆破参数，在导流洞非结合段开挖时进行了爆破振动测试。根据测试结果，严格控制爆破规模和单响药量；交叉段范围导0＋160以下游的爆破单响药量均控制在5 kg以内。

（2）及时支护，每循环爆破完成后，最短时间内完成该循环内的支护工作。

（3）如遇有岩石特别破碎、断层裂隙发育或软弱结构面不利于洞室稳定时，在原设计支护形式的基础上，再采取如下措施：①随机超前锚杆支护，主要对多组结构面切割形成的楔形体进行预加固；②加密钢支撑；③加密长、短锚杆间距；④短进尺弱爆破及危石处理结束后，喷3～5 cm厚钢钎维混凝土，或挂钢筋网喷混凝土进行补强支护，厚度应达到设计要求。

5 施工中采取的加固措施

根据开挖过程中揭露的岩石条件及设计支护形式，并结合现场情况，对交叉段在原有的设计支护的基础上进行了强化。

（1）预应力锚索施工。交叉段洞室顶部设计加固措施为现场增加高强锚杆（张拉150 kN）与28根1 000 kN预应力锚索联合作用，喷钢纤维混凝土。交叉段开挖前，对中0+192.823（导0+174.242）～中0+242.664段预先完成中孔泄洪洞一侧及导流洞侧的预应力锚索加固，并对中0+201.00～中0+204.00、中 0+209.00～中 0+213.00、 中 0+216.50～中 0+218.50、中0+223.80～中0+225.80段内的钢支撑进行切割，切割后沿拱顶洞轴线方向的钢支撑之间采用型钢连接，并与预应力外锚头部位焊接。

（2）预应力锚杆。在导0+170～导0+217段开挖时，对顶拱采用 φ32 mm（PSB785）、长7.5 m、间排距1.5 m×1.5 m的预应力锚杆加强支护。

（3）砂浆锚杆。导0+170～导0+217段侧墙采用φ28 mm的砂浆锚杆支护，锚杆长7.5 m、入岩7.0 m、间排距2 m×2 m，梅花形布置；导0+160～0+170段开挖时，左边墙砂浆锚杆长3.5 m、入岩3 m、间排距2 m×2 m，梅花形布置。

（4）喷护、钢支撑加固。导流洞开挖时，顶拱喷10 cm厚C30钢纤维混凝土，侧墙喷10 cm厚素混凝土支护。导0＋160.00～导0＋174.242段与中孔泄洪洞之间的最小围岩厚度为7.22～2.0 m，导0＋160～0＋169.3段上扩开挖后即安装钢支撑加固，型号为 22，间距80 cm，钢支撑之间用 [14槽钢横向焊接，间距100 cm，钢支撑在洞顶紧贴岩面，超挖部位采用拱上拱，安装后喷15 cm厚C30钢纤维混凝土。

（5）超前灌浆。对中0+190～0+196段右边墙因裂隙发育进行了超前固结灌浆，布孔方向与中孔泄洪洞洞轴线成45°夹角，灌浆压力为0.3 MPa，入岩深度为6.0 m，全孔一次灌浆，灌浆采用卡塞法进行。

6 结语

大断面隧洞的开挖支护是一个施工环节多、程序严谨的复杂过程，在施工中应根据工程实际情况选择先进、安全、合理的技术方案以及合理的施工程序。积石峡水电站导流洞和中孔泄洪洞交叉段洞室开挖断面最大跨度28.4 m，是目前国内在白垩系水平岩层中最大的洞室之一，采用的开挖施工方案确保了交叉段顺利贯通，保证了施工安全，其开挖施工工序和支护措施的成功应用，可为国内特大断面洞室开挖尤其是存在水平层状围岩、岩性变化多、夹泥层面与多组裂隙组合情况下的工程提供参考。