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北极星电力网技术频道 作者:佚名 2008/1/4 17:58:53
洪家渡水电站水工隧洞设计与施工
湛正刚王刚赵继勇
(贵阳勘测设计研究院，贵州贵阳550002)
关键词：水工隧洞隧洞设计隧洞施工洪家渡水电站
摘要：洪家渡水电站水工隧洞断面大，洞室群布置复杂，外水压力高，隧洞沿线岩溶发育，工程地质条件复杂，设计及施工技术难度大。通过充分利用围岩、衬砌的联合作用，优化了衬砌结构；合理的施工组织设计和新技术、新工艺的采用，有利于加快施工进度和节约工程投资。
1水工隧洞布置
洪家渡水电站左岸为一河湾地形，水工隧洞截弯取直地布置于此处，含1条洞式溢洪道、1条泄洪洞及3条发电引水隧洞。5条水工隧洞在平面上呈放射状布置，洞式溢洪道与泄洪洞间水平轴线距离40～25m，洞式溢洪道底板高程和泄洪洞顶板高程相差50～25m；1号引水隧洞与泄洪洞轴线间及3条引水隧洞轴线间最小间距20m，最大间距约50m，轴线间夹角为2.9°～3.8°。防渗帷幕轴线与各水工隧洞轴线中部呈50°～80°交角穿过，将各水工隧洞分为帷幕前洞段和帷幕后洞段。水工隧洞布置参见本专辑洪家渡水电站枢纽总布置一文的图1。
洞式溢洪道隧洞长755m，断面为城门洞形，隧洞底宽14m，直墙高17.5m，顶拱高4.042m，隧洞底坡7.5。
泄洪洞由圆形有压洞和城门洞形无压洞段组成，圆形有压隧洞长325.0m，隧洞直径9.8m，隧洞底坡i=0；弧形工作门闸室段长18.5m，闸室尺寸19.6m×12.6m；无压隧洞段为城门洞形，长420m，底宽7.0m，直墙高10.6m，顶拱高2.02m，隧洞底坡7.5。
引水隧洞为3洞3机单元供水方式，由竖井式进水口、有压引水隧洞、压力钢管组成，2号竖井式进水口段长分别为114.52m，进水口段隧洞直径7.80m，闸门孔口尺寸6.2m×7.8m；3条引水隧洞平均长为272.4，直径7.8m；3条压力钢管平均长263.4m，直径6.0m。
溢洪道、泄洪洞及引水隧洞线路依次穿越T1yn1-5～T1yn1-1厚层中厚层灰岩和白云质灰岩、T1y3-2～T1y3-1薄层中厚层钙质、砂质泥岩和泥质灰岩、T1y2-5～T1y2-4厚层块状灰岩和白云质灰岩，隧洞进口段有j1～j8等8条软弱夹层，隧洞沿线有F3、F6、F13、F8、F43等断层。
2水工隧洞设计
洪家渡水电站地处灰岩岩溶地区，岩溶发育是其主要特点，水工隧洞布置区岩溶发育受NE向构造裂隙和断层控制，溶洞发育宽度一般为5.0m左右，最宽可达20～30m左右，岩溶形态有溶洞、溶蚀裂隙、溶孔等。由于受溶洞、断层的影响，隧洞沿线不良地质洞段较多，一次支护处理工作量及技术难度均较大；又由于左岸防渗帷幕线位于坝轴线下游，从各水工隧洞部穿过，帷幕前洞段位于库区，水库建成蓄水后的地下水位线较高，给水工隧洞特别是城门洞形无压洞的二次支护带来不利的影响，根据水文地质分析，溢洪道隧洞、泄洪洞及发电引水洞最大外水头分别为50m、80m和120m。
为此，隧洞一次支护设计，采用有限元进行围岩稳定分析，对不同断层、不同岩体、不同埋深洞段分别进行计算分析，各水工隧洞的一次支护设计情况见表1，并根据监测数据修正设计。隧洞二次支护设计，针对外水压力较大的情况，考虑充分利用围岩的承载能力，采用高压深孔固结灌浆提高围岩的整体性和弹模，降低围岩渗透系数，使围岩、锚杆及混凝土衬砌联合作用，同时，在衬砌与围岩接触面上，设排水沟排水，以降低外水压力。在隧洞二次支护设计中，采用多种方法分析计算了多种工况，最后选用的衬砌厚度见表1。
3施工设计的特点
3.1一洞多用，施工灵活，工程量小，功能大
除进口通道外，泄洪系统还布置了5、7、9、14号施工支洞。其中5号施工支洞为坝体填筑施工通道，与溢洪道底板平交，兼用于溢洪道底部开挖和后期衬砌施工通道；9号施工支洞通至泄洪系统出口顶部，用于出口明挖；7号施工支洞为泄洪系统后部主要施工通道，分4个岔洞，1号岔洞施工溢洪道顶拱层及出口，2、3号岔洞为中、下部断面施工通道；4号岔洞通至泄洪洞，为泄洪洞无压洞段施工通道。另外，7号施工支洞还作为底层灌浆廊道永久交通通道；14号施工支洞从5号施工支洞接出通至泄洪洞闸室段顶部，作为泄洪洞闸室施工的通道，并在电站完建后成为泄洪洞闸室工作的永久交通。
3条引水隧洞上平段全部由进口通道进行施工，在闸门井以后布置1条连通洞，使3条隧洞互为施工支洞。下平段布置有11号施工支洞用于下平段及斜井段的施工以减少厂房施工干扰。
3.2开挖与衬砌脱离，确保施工质量和进度
大断面洞室传统的施工方法是采用分部开挖，边挖边衬，对于大断面洞室不良地质情况更是经典的做法。已衬砌混凝土受爆破震动以及衬砌分块多、接头多的影响，混凝土衬砌质量下降；施工程序多，工期长。特大断面洞室的溢洪道，开挖断面为16m×23.54m，如按传统施工方法不能满足节点工期的要求，必须切实认真按“新奥法”施工，做到一期支护全断面成洞后，再进行混凝土衬砌，从而简化施工程序，保证施工进度。
(1)对于围岩较好洞段，隧洞分上、中、下3层进行开挖，开挖完后进行衬砌。周边进行光面爆破，采用“新奥法”理论适时进行一期支护。一期支护应保证隧洞全断面开挖后施工期的安全，根据监测数据及时修改一次支护参数。
(2)隧洞穿越九级滩泥岩层时，风化速度快，成洞后稳定性较差，施工安全问题突出。严格按“新奥法”理论施工，开挖钻爆按照“短进尺、弱爆破、早喷锚支护，勤量测”的原则施工。
(3)对可能遇到断层、破碎带、岩溶洞段，设计预先发出地质预报，采取超前地质钻探和地质雷达等措施，探明岩溶规模和发育情况。利用管棚法原理，采用小导管注浆、自钻式锚杆等方法进行超前支护，利用风镐或松动爆破进行留核心土开挖，短进尺推进，循环进尺小于1m。锚、喷、网和钢支撑及时跟进以加强支护。
4施工中新技术的运用
(1)喷钢纤维混凝土。喷混凝土中加入钢纤维后，能提高其断裂韧性、延性、抗震性和抗冲击性能。由于喷钢纤维混凝土的施工简单快捷方便，与传统的挂网喷混凝土比较，节省了大量的时间和劳动力。对于地质情况较复杂的洞段喷钢纤维混凝土能做到适时支护，更好地符合新奥法的原理。工程经验表明：钢纤维喷射混凝土的厚度和挂网喷混凝土相比可节省厚度25～30，减少回弹20，节省工期20～30。
(2)自钻式锚杆加固技术。其主要原理是锚杆与灌浆加固相结合进行，锚杆为带螺纹的空心锚杆，通过锚杆上的孔可对不良地质岩体进行灌浆，从而达到加固的目的。和传统的管棚法相比，具有施工快速方便、节约工程投资等特点。自钻式锚杆加固技术可用于不良地质洞段的超前加固和系统加固，加固时，必须同灌浆相结合进行。灌浆方法可采用边钻边灌法或从孔底灌浆法。超前加固时，一般可采用φ29～30mm的自钻式锚杆，锚杆深度4～10m，间排距30～80cm，倾角0～5°,倾向开挖轮廓线外侧。系统加固时，一般可采用φ25～30mm的自钻式锚杆，锚杆深度6～14m，间排距60～120cm，垂直于开挖面布置。自钻式锚杆超前加固后，应按不大于1.0m的循环进尺进行开挖，开挖到位后，立即进行该循环的系统加固。与自钻式锚杆配套进行的灌浆处理，其钻进参数、浆液配比及注浆工艺通过现场试验确定。
5结语
(1)水工隧洞设计中，以加固围岩为主，形成围岩固结圈，考虑围岩、衬砌及锚杆联合作用，以解决隧洞高外水压力问题，这是切实可行，经济合理的。
(2)设排水设施以降低外水压力，并作为必要的安全储备是十分必要的。
(3)施工支洞布置上尽可能做到一洞多用，以使工程量小，功能大。
(4)认真按“新奥法”理论施工，做到一期支护全断面成洞后再进行混凝土衬砌，能简化施工程序、减少施工干扰，确保衬砌质量和施工进度。
(5)在不良地质洞段开挖施工中，喷钢纤维混凝土、自钻式锚杆加固技术有利于开挖成洞，可加快施工工期，节约工程投资，值得推广应用。
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