黃 浩 欽，　林 芳 芳，　易　丹

(1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì) 水電第七支隊(duì)，湖北 武漢　430200；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì) 水電第三總隊(duì)，四川 成都　611130)

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淺析大型水工隧洞開挖施工技術(shù)創(chuàng)新及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

黃 浩 欽1，林 芳 芳2，易丹1

(1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì) 水電第七支隊(duì)，湖北 武漢430200；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì) 水電第三總隊(duì)，四川 成都611130)

金沙江溪洛渡水電站泄洪洞工程的技術(shù)創(chuàng)新絕大多數(shù)都在實(shí)踐中得到了良好的應(yīng)用，有效解決了工程中的各項(xiàng)技術(shù)難題，提高了施工質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度，保證了施工安全。其中開挖階段采用的底板水平光爆和鋼筋拱肋支護(hù)技術(shù)創(chuàng)新較好地解決了大型水工隧洞底板超挖超填和不良地質(zhì)段及時(shí)支護(hù)問(wèn)題。

泄洪洞；開挖；技術(shù)創(chuàng)新；經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)；溪洛渡水電站；施工

1　工程概況

金沙江溪洛渡水電站的4條泄洪洞分左、右兩岸各2條布置，全長(zhǎng)分別為1.6～1.8 km不等。4條泄洪洞均為有壓接無(wú)壓、洞內(nèi)龍落尾型式。泄洪洞由進(jìn)水塔、有壓段、工作閘門室、無(wú)壓段、龍落尾段(含上直坡段、奧奇曲線段、斜坡段、反弧段、下直坡段)、明渠和挑坎組成，結(jié)構(gòu)形式多樣，水力條件復(fù)雜，主要具有以下特點(diǎn)：

(1)大斷面。有壓段隧洞直徑為15 m，其他斷面為14 m×19 m(寬×高)，對(duì)隧洞的開挖、襯砌都提出了很高的要求。開挖時(shí)要減少爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)和破壞，盡量采用預(yù)裂爆破、光面爆破等先進(jìn)的爆破手段以確保開挖質(zhì)量；混凝土澆筑時(shí)需要從材料、裝備、工藝等各方面改進(jìn)以保證混凝土襯砌的質(zhì)量。

(2)大泄量。泄洪洞單洞泄量為4 000 m3/s，總泄量超過(guò)16 600 m3/s，要求泄洪洞在前期做好體型設(shè)計(jì)，解決水舌落點(diǎn)、水流歸槽、充分消能等問(wèn)題，后期施工時(shí)要做到體型精準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(3)高流速。最大流速可達(dá)50 m/s。一方面要解決好高流速區(qū)的氣蝕問(wèn)題，保證建筑物體型精準(zhǔn)是基礎(chǔ)，提高摻氣效果是關(guān)鍵，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土表面的平整光滑度；另一方面還需解決懸移質(zhì)沖磨問(wèn)題，必須選用高標(biāo)號(hào)的抗沖耐磨混凝土，進(jìn)而帶來(lái)其他問(wèn)題，比如溫控防裂難度大、施工和易性差等，因此，很難保證施工質(zhì)量。

綜上所述，為了滿足樞紐長(zhǎng)期安全運(yùn)行需要，泄洪洞建設(shè)者在施工過(guò)程中提出了“體型精準(zhǔn)、平順光滑、抗沖耐磨、高強(qiáng)防裂”的質(zhì)量要求，采取了一系列技術(shù)創(chuàng)新和綜合性管理措施，在確保進(jìn)度和安全的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了打造質(zhì)量精品工程的目標(biāo)。通過(guò)全體參建單位的努力，泄洪洞工程在建設(shè)過(guò)程中取得了豐碩的技術(shù)創(chuàng)新成果，這些技術(shù)創(chuàng)新有對(duì)傳統(tǒng)工藝的改進(jìn)，有新技術(shù)的拓展應(yīng)用，還有新裝備的研發(fā)和新材料的應(yīng)用，內(nèi)容涵括了泄洪洞施工全過(guò)程，全面提升了泄洪洞的建設(shè)水平。筆者就其中開挖階段底板光爆、鋼筋拱肋支護(hù)兩項(xiàng)施工技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行了淺析與評(píng)價(jià)。

2　開挖施工技術(shù)創(chuàng)新

2.1底板水平光爆

2.1.1起因

隧洞底板開挖通常采用垂直光面爆破技術(shù)，即從底板頂面垂直向下鉆孔爆破，該方案的優(yōu)點(diǎn)在于鉆孔方便，進(jìn)度較快，但其爆破開挖后平均超挖過(guò)大，部分超挖值甚至超過(guò)50 cm，導(dǎo)致超挖超填工程量巨大。因此，在底板開挖作業(yè)中嘗試引進(jìn)了水平光面爆破技術(shù)，以減少底板超挖量，節(jié)省工程投資。

2.1.2創(chuàng)新過(guò)程

水平光面爆破技術(shù)通常應(yīng)用于邊頂拱爆破開挖，而將其應(yīng)用于底板開挖作業(yè)，其最大的變化是水平造孔需要貼近地面。但由于手風(fēng)鉆結(jié)構(gòu)限制導(dǎo)致其無(wú)法緊貼基巖面，架鉆困難導(dǎo)致造孔精度不易保證，進(jìn)而影響到開挖質(zhì)量。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，建設(shè)者們針對(duì)水平光爆造孔設(shè)備設(shè)計(jì)了專用固定支架，并在長(zhǎng)期的施工實(shí)踐中逐漸摸索形成了一套標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝，很好地保證了鉆孔精度。

如圖1、2所示，泄洪洞有壓段為圓形斷面，開挖半徑為8.6 m。第Ⅲ層為圓弧形底拱，開挖矢高3 m，開挖弦長(zhǎng)13.05 m，斷面面積為27.18 m2。無(wú)壓段為城門洞型斷面，開挖寬度為17.2 m，底部預(yù)留3 m保護(hù)層作為第Ⅲ層開挖。在爆破開挖過(guò)程中，還優(yōu)化了爆破參數(shù)以適應(yīng)底板水平光爆的特點(diǎn)，比如調(diào)整孔距，控制裝藥密度在0.2 kg/m以內(nèi)，短進(jìn)尺開挖，每循環(huán)開挖進(jìn)尺不超過(guò)2 m。這些措施都有效地提高了底板開挖質(zhì)量。

圖1　有壓段開挖分層圖

圖2　無(wú)壓段Ⅲ層底板開挖斷面圖

2.1.3創(chuàng)新成果

2.1.3.1水平造孔設(shè)備專用固定支架

如圖3所示，鉆孔采用固定支架，手風(fēng)鉆氣腿利用鋼筋網(wǎng)片作為支撐，精確控制鉆孔方向和角度，同時(shí)采用4.5 m長(zhǎng)鉆桿造孔，利用鉆桿撓度使鉆桿緊貼巖面，盡量與設(shè)計(jì)開挖面平行，以減少錯(cuò)臺(tái)和超挖。

2.1.3.2“準(zhǔn)、順、平、齊“的標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝

圖3　水平造孔設(shè)備專用固定支架圖

(1)準(zhǔn)。精確施放出光爆孔孔位，并在其正后方采用鋼管排架放出后視點(diǎn)，以便控制好鉆孔方向及角度；根據(jù)測(cè)量的輪廓點(diǎn)，按45 cm進(jìn)行分孔作為下鉆位置，以達(dá)到準(zhǔn)的要求。

(2)順。兩茬炮間的錯(cuò)臺(tái)控制在10 cm以內(nèi)。測(cè)量分孔時(shí)先放中，然后按1.8 m向兩側(cè)分孔，并放后視以保證前、后茬炮孔對(duì)位偏差較小，鉆工按45 cm在測(cè)量放點(diǎn)中間向兩側(cè)進(jìn)行分孔；基準(zhǔn)孔造完后，其他光爆孔角度通過(guò)插桿側(cè)向檢查控制，互相平行即可保證其他孔左右方向上的角度一致；長(zhǎng)鉆桿、短進(jìn)尺有利于控制孔底超挖。

(3)平。造孔時(shí)使用自制的分孔工具，孔口位置按45 cm測(cè)量，鉆桿后部按45 cm再測(cè)量，即可保證孔與孔間互相平行，避免飄鉆。

(4)齊。爆破后掌子面要齊，首先造孔深度要保證孔底能基本打到同一個(gè)面上；其次，掏槽孔、崩落孔造孔數(shù)量及藥量要能保證把中部的巖石抬起來(lái)，只有這樣，才能到達(dá)設(shè)計(jì)的光爆層厚度；第三，為保證光爆孔處不留殘根，輔助孔孔向須平行于光爆孔，以形成均勻厚度的光爆層。

2.1.4施工效果

經(jīng)過(guò)對(duì)底板殘留炮孔痕跡進(jìn)行檢查與統(tǒng)計(jì)分析，底板開挖輪廓面上的炮孔痕跡分布均勻，殘留孔壁面沒有明顯的爆破裂隙。對(duì)于節(jié)理裂隙不發(fā)育的完整巖體，其半孔率在94.5%以上，高于80%的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；較完整和完整性差的巖石半孔率在85%以上，高于50%的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；各洞段的平均超挖均在15 cm以下，基本無(wú)欠挖。開挖效果見圖4、5。

2.2鋼筋拱肋支護(hù)的應(yīng)用

圖4　有壓段底板水平光爆效果圖

圖5　無(wú)壓段底板水平光爆效果圖

2.2.1起因

在溪洛渡水電站泄洪洞開挖中，特別是在應(yīng)力復(fù)雜及不良地質(zhì)段，除了噴錨和掛網(wǎng)支護(hù)，通常還采用鋼支撐來(lái)加強(qiáng)和幫助圍巖穩(wěn)定。在實(shí)際操作中，首先，鋼支撐笨重、安裝慢，不能及時(shí)支護(hù)，不利于圍巖早期穩(wěn)定；其次，由于是預(yù)先制作，其與實(shí)際尺寸有較大偏差，基本無(wú)法緊貼巖面，且在現(xiàn)場(chǎng)安裝好鋼支撐后還要另外加頂撐，再向圍巖與鋼支撐之間補(bǔ)噴混凝土。由此可見，鋼支撐對(duì)圍巖穩(wěn)定并無(wú)顯著作用，很難保證應(yīng)力復(fù)雜段和不良地質(zhì)段的圍巖穩(wěn)定。隨后將型鋼改用鋼格柵，重量雖有所減輕，但無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。因此，需要尋找一種既安全可靠、又簡(jiǎn)便快捷的支護(hù)方式取代鋼支撐支護(hù)。

2.2.2創(chuàng)新過(guò)程

在傳統(tǒng)支護(hù)理論中圍巖是一種荷載，因此需要鋼支撐這樣的剛性支護(hù)來(lái)承受圍巖荷載。但在新奧法理論中，圍巖不僅是荷載，也是一種承載結(jié)構(gòu)，支護(hù)的目的是為了幫助圍巖提高自穩(wěn)能力，因此，只需要柔性的、與圍巖緊貼的支護(hù)結(jié)構(gòu)即可幫助圍巖自穩(wěn)。在新奧法理論指導(dǎo)下，泄洪洞工程在應(yīng)力復(fù)雜段和不良地質(zhì)段的開挖支護(hù)中創(chuàng)新嘗試了鋼筋拱肋支護(hù)，即將鋼筋緊貼巖面(或一次噴混凝土面)并與錨桿焊接，其核心是通過(guò)鋼筋拱肋讓網(wǎng)噴、錨桿與圍巖之間形成有機(jī)的整體，共同變形承載。另外，鋼筋拱肋的制作和安裝方便，在及時(shí)性上可以限制圍巖變形從而使其達(dá)到自穩(wěn)的要求。同等邊界條件下，鋼筋拱肋是一種比鋼支撐(鋼格柵)更先進(jìn)的支護(hù)方式。

2.2.3創(chuàng)新成果

鋼筋拱肋利用鋼筋能貼緊巖面或噴混凝土面的特性，布置在頂拱及起拱線下一定范圍內(nèi)，通過(guò)連接筋與系統(tǒng)錨桿焊接，將錨桿與錨桿之間、錨桿與鋼筋網(wǎng)之間連成整體。

在實(shí)際施工過(guò)程中，由于錨桿位置不是特別精確，導(dǎo)致鋼筋拱肋與錨桿直接點(diǎn)焊效果并不好。為了讓鋼筋拱肋與錨桿更好地焊接在一起，建設(shè)者們創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“L”型連接筋，其不僅加長(zhǎng)了鋼筋拱肋與錨桿之間的焊接長(zhǎng)度，還能適應(yīng)對(duì)位的要求，允許鋼筋拱肋與錨桿之間有一定偏差。

鋼筋拱肋的施工工序見表1。

表1　鋼筋拱肋施工工序表

在溪洛渡水電站左、右岸泄洪洞地下工作閘門室上下游漸變段部位、主洞與支洞交叉部位以及泄洪洞龍落尾出口不良地質(zhì)段，鋼筋拱肋均有廣泛的應(yīng)用，對(duì)于確保施工期間洞室安全及洞洞交叉部位的開挖成型起到了較大的作用。

2.2.4施工效果

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在采用鋼筋拱肋支護(hù)方式后，泄洪洞所有洞洞交叉口及不良地質(zhì)洞段均未發(fā)生塌方或掉塊，說(shuō)明鋼筋拱肋支護(hù)有效地將鋼筋拱肋、錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴混凝土形成整體，與圍巖體共同變形承載，提高了支護(hù)強(qiáng)度，保證了圍巖穩(wěn)定。實(shí)踐證明：鋼筋拱肋與噴錨支護(hù)的聯(lián)合應(yīng)用，能有效地幫助圍巖實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)，是一種既安全可靠、又簡(jiǎn)便快捷的支護(hù)方式，可應(yīng)用于塊狀巖體、不良地質(zhì)洞段的支護(hù)以及交叉口復(fù)雜應(yīng)力部位的加固。

3　經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

3.1底板水平光爆

底板開挖采用水平光爆技術(shù)，與垂直光爆相比主要具有以下三方面的優(yōu)勢(shì)：

(1)大幅度減少了平均超挖值，與采用垂直光爆的導(dǎo)流洞工程相比，平均超挖減少20 cm，泄洪洞底板水平光爆實(shí)施面積約10萬(wàn)m2，僅此一項(xiàng)即可減少超挖及混凝土超填工程量2萬(wàn)m3。石方超挖及混凝土超填施工單價(jià)合計(jì)約為330元/m3，節(jié)省施工成本660萬(wàn)元。

(2)底板開挖后壁面平整，一方面大大減輕了爆破對(duì)水工隧洞圍巖的擾動(dòng)和破壞，有利于圍巖穩(wěn)定；另一方面也減少了圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象，后期澆筑襯砌后可有效降低混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)改善了爆破開挖后的交通條件，大大減輕了人工清渣的難度。雖然底板水平光爆技術(shù)前期鉆孔效率降低，但爆破后清基效率大大提升，綜合來(lái)看施工進(jìn)度加快。

3.2鋼筋拱肋支護(hù)

鋼筋拱肋與傳統(tǒng)的鋼支撐(鋼格柵)相比，具有實(shí)施快速及時(shí)、節(jié)省鋼材制作安裝工程量、支護(hù)效果好且可靈活調(diào)整的特點(diǎn)。泄洪洞工程鋼筋拱肋制安累計(jì)約130 t，較使用傳統(tǒng)的鋼支撐支護(hù)減少鋼材制安工程量約300 t，鋼支撐制安單價(jià)約為8 000元/t，節(jié)省工程投資約240萬(wàn)元。

4　結(jié)　語(yǔ)

技術(shù)創(chuàng)新是一個(gè)系統(tǒng)工程，每一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新都可作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的項(xiàng)目，從工程實(shí)際出發(fā)找到創(chuàng)新的需求和目標(biāo)，提出技術(shù)創(chuàng)新的設(shè)想，解決創(chuàng)新過(guò)程中遇到的各項(xiàng)技術(shù)難題，然后試驗(yàn)、改進(jìn)、局部應(yīng)用，實(shí)踐成功后再推廣應(yīng)用。同時(shí)還需要做好創(chuàng)新的各項(xiàng)管理工作，比如營(yíng)造創(chuàng)新氛圍、保障資源投入、做好風(fēng)險(xiǎn)管控等。應(yīng)該說(shuō)泄洪洞工程的技術(shù)創(chuàng)新工作取得了很好的成績(jī)，內(nèi)容上涵括了水工隧洞的開挖、支護(hù)和襯砌全過(guò)程，成果上包括新技術(shù)拓展、裝備研發(fā)、新材料應(yīng)用和傳統(tǒng)工藝的改進(jìn)，全面推動(dòng)了大型水工隧洞建設(shè)水平的提升。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-07-12

TV7;TV554;TV52;TV53

B

1001-2184(2016)04-0036-04

黃浩欽(1983-)，男，廣東汕頭人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

林芳芳(1985-)，女，安徽天長(zhǎng)人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

易丹(1983-)，男，四川宜賓人，工程師，碩士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.