讨赖河冰沟水电站引水隧洞开挖施工技术

李 诺 ,李海鹏

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

摘 要：冰沟一级引水式水电站位于甘肃酒泉讨赖河，引水隧洞处于酒泉砂砾石地层中。施工中摸索采用“控制给水”的“少水钻进”施工工艺，不但有利于岩石的钻进，而且有利于钻进工作场面的除尘，提高了钻进效率，解决了易塌孔、装药难的问题。同时在施工过程中加强对围岩变形进行观测，为在酒泉砂砾石地层中洞室开挖施工积累了经验。

关键词：酒泉；砂砾石；地层；引水隧洞；施工技术;洞室开挖

1 工程概况

冰沟一级水电站位于甘肃省酒泉地区讨赖河冰沟峡谷口上游2.2 km处，北距酒泉市约60 km，距嘉峪关市40 km，是一座日调节引水式电站，工程由枢纽建筑物、有压引水隧洞、调压井、压力钢管及发电厂房等建筑物组成。电站主要功能为发电，总装机容量21 MW，主要建筑物级别为4级，设计洪水标准50 a，相应流量1 020 m3/s。大坝为闸坝，建基面高程1 996.50 m，最大坝高25.5 m，坝顶长130 m，设2孔8 m×9.5 m(宽×高)平底泄洪闸和1孔2.5 m×3 m(宽×高)的平底冲砂闸，钢质弧门控制水位。

引水隧洞处于酒泉砂砾石地层中，为有压洞，引水流量26 m3/s，断面呈圆形，衬砌后内径3.3 m,混凝土衬砌厚度0.4 m；进口底板高程2 003.00 m，位于正常蓄水位2 020.00 m以下 17 m。进口位于左岸坝前 10 m，洞底板坡降为0.276%，洞轴线长7 125 m。引水洞线穿越祁连山高山区、山前冲洪积扇和戈壁滩三大地貌单元。其中，高山区洞长2.5 km，占洞线总长7.125 km的35.09%，河谷两岸均发育V级基座阶地，岸坡基岩裸露，岸坡自然边坡40°～60°；山前冲洪积扇区长2.625 km，占洞线总长的36.84%，峡谷口以上，河谷呈“V”形，以下为“U”形，岸坡高 128～138 m，高程 2 077.00 m以上，地面平坦，坡度3°～5°，局部10°，该高程以下，坡度80°以上，局部为负坡；戈壁滩区长2.0 km，占洞线总长的28.07%，本段河谷呈“U”形，地面高程2 022.00～ 2 086.00 m。

本文着重介绍冰沟一级电站引水建筑物中第Ⅱ合同段，工程桩号为引4+500.00 m～引7+125.00 m(管0+00.00 m)～管0+281.00 m。工程主要岩层均为酒泉砂砾石层，位于戈壁滩地貌的Ⅳ级阶地上，岩性是第4系晚更新世含漂石砂卵砾石层，具有水平层理，钙泥质胶结层与松散层相间分布，胶结层出现频率为1～2层/m，单层厚度0.2～0.3 m，胶结层延伸性差，分布不稳定，胶结作用随埋深增大而加强。引水洞穿过F10断裂带后即进入晚更新世砂卵砾石层段，该段段长4 790 m、洞顶埋深 50～70 m、最小39 m。

2 施工布置

在酒泉砂砾石地层中进行地下洞室开挖施工，据当时中国可查资料反映无相关经验可借鉴，可以称之“史无前例”，具有极大的挑战性。因此，要确保该项目工程的顺利实施，因此在工程关键性施工工艺上，需要进行适宜的技术创新，以达到提高施工质量的目的。

2.1 施工支洞和竖井

1号施工支洞位于引5+675.00 m，长221 m；2号施工支洞位于引6+982.00 m处，长271 m。1、2号支洞断面为3 m×3.5 m呈城门形，纵坡为7.5%～8.1%。1号施工竖井位于引5+482.00 m处，直径1.5 m,深度67 m。支洞和竖井均与主洞正交，其主要功能是交通与风、水、电及混凝土浇筑管路布置，并通过施工支洞、竖井进入主洞进行施工[1]。

2.2 施工供风

采用集中供风方式，1、2号支洞口分别配置1台固定式22 m3电动空气压缩机。

3 施工技术与方法

采用钻爆法全断面掘进施工，利用自制简易式钻孔平台，人工手持风钻成孔，人工装药，电雷管起爆非电毫秒雷管，岩石炸药小药量爆破，周边实施光面爆破[2-3]。

引水隧洞洞挖的工艺流程为：测量放线 →布孔→钻孔→人工装药→光面爆破→通风排烟(安全监测)→安全支护→出碴转入下一循环。

3.1 施工测量放线

首先对施工测量控制网点进行复测，评定网点精度，使测量控制网点满足设计要求，布设施工控制网并定期进行检测。

洞室均采用全断面开挖，隧洞开挖前，每一个循环开始，测量人员做好中线、开挖断面轮廓线放样工作。进洞后，在洞口顶拱处设置激光定位仪，以控制隧洞轴线。

3.2 钻孔施工

施工中采用槽钢、角钢、钢管、钢筋等焊接加工的可移动式钻孔台架，台架工作台板可拆卸组合以适用不同高度位置的钻孔。洞室爆破机械排险后，人工5 min即可就位。就位后，工人在台架的各个区域排险，互不影响。

钻孔采用3台YT-28气腿式风钻，选用Ø40 mm钻头同时造孔。在钻进过程中经过不断试验改进并确定采用了“控制给水”的“少水钻进”方法，即：采用手摇泵给水钻进。这样不但有利于岩石的钻进，而且有利于钻进工作场面的除尘，提高了钻进效率，解决了易塌孔、装药难的问题。为保证光爆效果，司钻手定岗定位，掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼专人负责。通过严格控制，爆破轮廓圆顺，炮茬错台基本控制在10 cm以内[4]。

经统计，工程项目调整后掘进单循环平均时间6.5 h，平均循环进尺2.2 m，最高日进尺11.4 m。

3.3 爆破设计

爆破采用全断面人工钻爆法施工，风钻造孔、直眼掏槽、人工装药、光面爆破法，导爆管配合导爆索连网火雷管起爆。首先进行爆破网络设计，并做好爆破试验,确定爆破参数,施工中根据围岩结构，对爆破参数适当加以调整，以达到最佳爆破效果。崩落孔直接装Ø32 mm岩石炸药标准药卷。周边眼加密(30 cm)，隔眼间隔装药，用Ø25 mm小药卷,不耦合装药。采用的爆破参数如表1[5]。

表1 爆破设计参数表

施工部位孔径/mm孔深/m孔距/cm炸药规格/mm单孔药量/kg炸药单耗/(kg·m-3)线装药密度/(g·m-1)掏槽孔422．545Ø322．2崩落孔422．250Ø321．6周边孔422．230Ø250．61．32200

3.4 施工通风

掘进速度加快意味着单位时间内炸药量增加，无轨运输，单头掘进长度1 500 m，施工高峰期洞内4台车出碴以及装碴等设备。由于炮烟、粉尘、内燃机废气的排出，施工人员和内燃机的供氧，深进尺、高埋深、内燃机产生热量，致使洞内温度升高等因素，通风难度很大。

综合以上因素，通风系统配置为采用压入式通风和吸出式通风相结合，选用90-1轴流通风机，Ø700 mm软风管。爆破15 min，掌子面空气良好。

压入式通风机和吸出式通风机分别安装在支洞与主洞交叉处内侧高度2.5 m处和支洞与主洞交叉处外侧高度2.8 m处，紧贴主洞洞壁，风机支架稳固结实。

风管挂设，沿洞壁每5 m设锚杆，锚杆长度1 m，外露20 cm，安装锚杆时统一放线确定挂线位置，以保证悬挂高度一致，风管吊挂在Ø5 mm钢丝拉线上并用紧绳器拉紧，有效地保证了风管平、顺、直。

3.5 装碴运输

该工程断面小、线路长，洞内装碴采用南昌产120 m3/h履带式立爪装岩机，运输采用3 m3农用自卸车。经测算每车装车耗时3 min，包括车辆倒车就位时间均控制在5 min以内，洞内车速限制10 km/h。

3.6 洞室监测

GB50086-2015《岩土锚杆喷射混凝土支护工程技术规范》对允许变形量的规定是以相对收敛量给出的[6-7]，判定标准见表2。

表2 洞周允许相对收敛量表/%

围岩类别隧洞埋深/m<>

本工程使用的收敛观测仪，收敛计精度达0.01 mm,操作方便,精度比普通方法高。顶拱观测使用全站仪，精度为1 mm。开挖后24 h内测出初始读数，量测频率为每班1次。引4+659.00 m、引4+625.00 m、引4+595.00 m收敛观测记录见表3。

表3 引4+659.00 m、引4+625.00 m、引4+595.00 m收敛观测记录表

引4+659．00m序号观测时间观测值/mm位移值/mm引4+625．00m序号观测时间观测值/mm位移值/mm引4+595．00m序号观测时间观测值/mm位移值/mm12003．05．25T8：45-3．93 12003．05．28T9：00-4．85 12003．05．30T8：50-3．75 22003．05．25T9：45-3．810．1222003．05．28T10：00-4．700．1522003．05．30T9：50-3．640．1132003．05．25T11：45-3．680．1332003．05．28T12：00-4．550．1532003．05．30T11：50-3．550．0942003．05．25T15：45-3．50．1842003．05．28T16：00-4．340．1142003．05．30T15：50-3．470．0852003．05．25T23：45-3．250．2552003．05．28T23：00-4．260．0852003．05．30T23：50-3．400．0762003．05．26T15：45-3．180．0762003．05．29T15：00-4．150．1162003．05．31T15：50-3．350．0572003．05．27T15：45-3．120．0672003．05．30T15：00-4．090．6072003．06．01T15：50-3．330．0282003．05．28T15：45-3．090．0382003．05．31T15：30-4．060．3082003．06．02T15：50-3．320．0192003．05．29T15：45-3．070．0292003．06．01T15：30-4．050．1092003．06．03T15：50-3．320．00102003．05．30T15：45-3．050．02102003．06．02T15：30-4．050．00102003．06．4T15：50-3．270．05112003．05．31T15：45-3．040．01112003．06．03T15：30-4．040．10112003．06．05T15：50-3．270．00122003．06．01T15：45-3．020．02122003．06．04T15：30-4．040．00122003．06．06T15：50-3．270．00132003．06．02T15：45-3．010．01132003．06．05T15：30-4．040．00132003．06．07T15：50-3．240．03142003．06．03T15：45-3．000．01142003．06．06T15：30-4．020．20142003．06．08T15：50-3．230．01152003．06．04T15：45-2．980．02152003．06．07T15：30-4．020．00152003．06．09T15：50-3．230．00162003．06．05T15：45-2．960．02162003．06．08T15：30-4．010．10162003．06．10T15：50-3．230．00172003．06．06T15：45-2．950．01172003．06．09T15：30-4．010．00172003．06．11T15：50-3．220．01182003．06．07T15：45-2．940．01182003．06．10T15：30-4．000．01182003．06．12T15：50-3．220．00192003．06．08T15：45-2．930．01192003．06．11T15：30-4．000．00192003．06．13T15：50-3．210．01202003．06．09T15：45-2．930．00202003．06．12T15：30-4．000．00202003．06．14T15：50-3．200．01212003．06．10T15：45-2．930．00212003．06．13T15：30-4．000．00212003．06．15T15：50-3．200．00222003．06．11T15：45-2．930．00222003．06．14T15：30-4．000．00222003．06．16T15：50-3．200．00232003．06．18T15：45-2．900．03232003．06．21T15：30-3．990．01232003．06．17T15：50-3．200．00242003．06．25T15：45-2．900．00242003．06．28T15：30-3．990．00242003．06．24T15：50-3．190．01252003．07．02T15：45-2．900．00252003．07．05T15：30-4．000．00252003．07．01T15：50-3．200．00 262003．07．08T15：50-3．200．00

在实际控制中，一般当收敛值达到20～30 mm时，应及时进行初次支护。但通过3个断面的观测值可以看出酒泉砂卵砾石层中地下洞室的收敛量相对较小，最大为0.6 mm,且在15 d后趋于稳定。由此推断酒泉砂砾石围岩相对稳定[8]，详见图1～3。

图1 引4+659.00 m断面观测位移值-时间曲线图

图2 引4+625.00 m断面观测位移值-时间曲线图

图3 引4+595.00 m断面观测位移值-时间曲线图

本工程标段中对支洞、竖井与主洞交叉处进行钢拱架联合支护[9]及局部胶结较差即有流沙和夹层部位进行挂网锚喷措施加强支护[10-11]处理。为防止洞顶掉块，在循环进尺完成后，建议先进行喷射厚5 cm混凝土封闭岩面[12-13]。

4 结 语

工程项目自2002年3月开工，5月底进入主洞后连续2个月月进尺仅为90 m。经过实践总结调整后，在8月和9月分别创造单头掘进进尺219 m和230 m的记录，至2002年12月底共完成洞挖2 943 m，且未发生洞室塌方现象。

应特别注意的是，有些已稳定未支护的砂卵砾石洞段在后续混凝土浇筑过程中。因泵送混凝土中水的作用使拱顶部位砂卵砾石层剥落，掉入已浇筑中的混凝土，产生质量稳患。所以即使在稳定的酒泉砂卵砾石围岩中，建议在开挖成型后应及时采用挂网喷护厚5 cm的薄层混凝土予以封闭，以保证混凝土浇筑质量。

另外，喷锚对泥质胶结砂砾层有影响，喷射混凝土的水能引起泥质胶结砂砾层表面脱落，喷射的混凝土也随之脱落，达不到支护效果。因此，应采用挂网(板)喷混凝土的方法。并在喷混凝土施工中严格控制水量，以达到了支护目的。

通过冰沟水电站引水隧道开挖施工过程中不断实践探索，工程安全顺利完成，为在砂砾石地层中进行洞室开挖施工积累了宝贵经验。

参考文献:

[1] 陈万业,董兰凤.地下洞室施工理论与技术进展[J].西北水电，2002(02):47-50.

[2] 王宝仲.地下洞室不良地质段常用施工方法及处理措施[J].科技风，2009(14):142-144.

[3] 舒晓东.地下洞室不良地质段常用施工方法综述[J].四川水力发电，2008(02): 37-40.

[4] 魏权，地下洞室施工安全专项措施[J].四川水力发电，2016(04):89-91.

[5] 国家能源局.水工建筑物地下开挖工程施工技术规范:DL/T5099-2011[S].北京：中国电力出版社，2011.

[6] 谭恺炎.地下洞室施工安全监测的设计与实施[J].水力发电,2008(09):81-84.

[7] 桂惠中,王涛.地下洞室围岩稳定计算分析[J].建筑技术开发，2005(05):45-47.

[8] 高凯,王林维,郭建宏.云南某水电站地下洞室围岩稳定性分析[J].西北水电，2015(05):25-29.

[9] 阳建齐,杨根录,权锋.积石峡水电站导流隧洞与中孔泄洪洞交叉段开挖支护方法[J].西北水电，2008(05):27-30.

[10] 付红波，李秋玲.乌东德水电站导流洞不良地质洞段开挖支护施工技术[J].西北水电，2013(05):32-36.

[11] 袁望弘.地下洞室开挖锚喷支护方案设计与施工分析[J].低碳世界，2017(01):89-90.

[12] 中国冶金建设协会.岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范：GB50086-2015[S].北京：中国计划出版社，2015.

[13] 常兴兵，虎晓鹏，李秋玲，等.江边水电站安全管理工作综述[J].西北水电，2012(05)：103-106.

Construction Technology of Headrace Tunnel, Binggpou Hydropower Project on the Taolai River

LI Nuo, LI Haipeng

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

Abstract:The headrace tunnel of Binggou 1 water-diverted Hydropower Project, which is located on the Taolai River in Jiuquan, Gansu, is excavated in the sandy gravel stratum. In tunneling, the construction technology of excavating with less water (water supply control) explored benefits not only the tunneling progress but also the dust removal, improving the tunneling efficiency and avoiding hole collapse and charging difficulty. Meanwhile, deformation of the surrounding rock is observed. Experience on tunneling in the sandy gravel stratum in Jiuquan is accumulated.Key words: Jiuquan; sandy gravel; stratum; headrace tunnel; construction technology; cavern excavation

文章编号：1006-2610(2017)04-0068-04

收稿日期：2017-07-15

作者简介：李诺(1966- )，男，河北省辛集市人，高级工程师，主要从事技术质量管理工作.

中图分类号：TV554

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.04.017