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水电站引水隧洞开挖及支护施工技术分析

发表时间：2021/6/18 来源：《基层建设》2021年第6期作者：余雷

[导读] 摘要：近几年来，我国对水利工程中堤防护越来越重视，作为我国一项重要的水力资源工程，水电站对于促进水资源的充分利用，缓解用电压力有着十分重要的作用和价值，直接关系到社会各个行业的用水用电稳定性。

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        摘要：近几年来，我国对水利工程中堤防护越来越重视，作为我国一项重要的水力资源工程，水电站对于促进水资源的充分利用，缓解用电压力有着十分重要的作用和价值，直接关系到社会各个行业的用水用电稳定性。然而，在水电站的实际建设过程当中，更是会涉及到方方面面繁琐的过程，其中最为重要的一个环节就是引水隧洞的挖掘和支护，无论是对于开挖技术还是支护技术都有着极高的要求，再加上极易受到施工外部环境，包括土质和自然条件的影响，更是为水电站引水隧洞的施工带来了重重困难。文章主要从水电站引水隧洞的基本定义、水电站引水隧洞开挖阶段的施工措施以及水电站引水隧洞支护阶段的施工措施三个方面展开详细的分析。
        关键词：水电站引水；隧洞开挖；支护施工；技术；分析
        引言
        在水电站建设过程中，引水隧洞能够提高水电站的工作效率，降低施工成本，是水电站水工建筑物的关键。由于引水隧洞的开挖和施工过程具有较高的技术含量，因此，在实际设计中，若能够缩短引水道线，则可以实现更为节能和高效的引水隧洞施工，为后期水电站实现经济效益提供有力保障。
        1水电站引水隧洞的基本定义
        水电站存在的最大价值就是发电，其中所运用的原理如下：通过建设大坝实现对水流量的控制，在上游的水向下游流动的过程当中，实现对水量的调节，增加重力作用，得到一种势能，促进水轮机的发动，并通过对多个发电设备的带动运转，进而达到大量发电的工程。在实现发电的过程当中，最为主要的一个环节就是将水引入到水轮机所在的河道当中，而这个环节中，最为重要的就是引水隧洞。可以说，在整个发电站的运转当中，引水隧洞都发挥着极为重要的价值和作用。通常而言，引水隧洞主要有两种：有压引水隧洞、无压引水隧洞。在设计引水隧洞的过程当中应该注重对引水隧洞的规划设计，设计过程确保线路的简短，减少弯道，确保上下游之间的顺畅性，确保水流能够迅速通过。这不仅有利于降低工程施工难度，节约施工成本，更是有利于确保水电站的顺利运转。当然，更是有必要结合引水隧洞周边的地质条件和地下水环境。引水隧洞开挖和支护施工当中，存在以下三个难点：其一，由于水电站选址通常在地势较为险恶的地方，因此引水隧洞也更多的建造在山体当中，施工环境十分恶劣、狭小。再加上山体内部构造的不确定性和水流的影响，更是会直接导致施工过程当中多种意外情况的出现，因此对于施工技术提出了更高的要求。其二，引水隧洞施工之前应该做好勘探工作，包括了解山体构造、地质构造、地下岩层分布情况等等，避免施工过程当中所出现的漏水、塌陷等情况。其三，在较为恶劣的地理环境之下展开施工时，更是提高对施工人员的安全重视力度，在施工方案制定的过程当中就需要全面的考虑多种情况。
        2引水隧洞开挖施工技术
        2.1全断面开挖
        全断面开挖技术就是按照具体施工要求一次性开挖到位。这种开挖方法主要应用设备就是多臂钻机，通过利用多臂钻机一次性挖掘出10米左右高度的隧洞，多臂钻机的有效利用不仅可以大大缩短施工时间，提高工作效率，节约人工成本等，而且多臂钻机操作简单，便于携带。但是，由于引水隧洞开挖对工艺要求十分严格、精细，而且挖掘的隧洞断面往往面积都非常大，不易控制，使全断面开挖技术受到多方面因素的限制，给全断面开挖工作带来极大的挑战。全断面开挖技术通常适用于岩层稳定性较高，地质构造稳定的引水隧洞开挖工程。
        2.2进口渐变段和V类围岩开挖方式
        基于引水隧洞的开挖作业，进口处存在渐变段，由初期的方形逐步转为圆形，即典型V类围岩，施工中可优先开挖上半部，确保稳定后开挖下半部。关于上台阶的开挖作业，以施工设备运行性能为基准，确定合适开挖高度，通常工作高度在4.2~4.5m区间内。洞内开挖时，遵循导洞→两侧→拱顶的基本流程，且结束上部开挖后随即采取支护措施。完成隧洞上部支护作业且足够稳定后，进入到后续施工环节，隧洞各环节施工都要遵循多循环、短进尺的基本原则。钻孔作业中，为工程适配YT-28凿岩机，考虑到施工效率问题，辅以自制钻孔台车，施工洞口段时单次循环进尺以1m为宜。上半部拱部导洞开挖作业基于楔形掏槽方式展开，并于拱缘处光面爆破，针对两侧的爆破施工作业，优先处理挖拱处的临空面，由第一排开始逐步向后延展，随后对设计面采取光面爆孔措施。注重爆破材料的选择，以乳化炸药较为可行，若孔内残留积水，在将其完全排出后方可装填炸药，具体采用非电毫秒雷管起爆方式[1]。
        2.3IV类围岩开挖方式
        IV类围岩不具备优良成洞条件，在实际施工中需充分考虑岩石漏出问题，严格遵循上下台阶法施工，具体规划为上台阶开挖高度4.5m，剩余区域均设置下台阶。上台阶钻爆施工形成楔形掏槽，周边区域基于光面爆破方式展开，下台阶为V型抽槽作业方式，遵循对称起爆原则。以乳化炸药为宜，若孔内存在积水，在全面清除积水后方可装填炸药，基于非电毫秒雷管顺利起爆，所有光爆孔均使用竹片做进一步绑扎。
        2.4断面分部开挖
        断面开挖技术就是将引水隧洞分阶段、分层次合理分解细化开挖工作任务。其主要分为导洞开挖和台阶开挖两种形式，这两种方法都是主要根据断面的岩土特性、跨度大小、选取方式的不同而进行不同的选择。导洞开挖又被称为三导洞法，此方法通常把引水隧洞断面划分为中间、左、右三部分。首先，开挖施工人员需要开挖一个中型导洞；然后，在中导洞基础之上进行引水隧洞的后续工作。最后，开挖左右两边导洞，导洞开挖手段可以采用上洞、下洞的方法。导洞开挖的方式一般适用于通风、灾害、岩土结构条件较好的隧洞，并适用于直径十米以上的隧洞挖掘工程施工。台阶开挖方法通常适用于直径十米以下，地质复杂、岩土结构不够稳定的隧洞掘进工作，而且施工周期短、成本低、防水性能好。

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        2.5钢支撑架设工艺
        考虑到钢支撑稳定性要求，需在具体安装位置预留0.15~0.2m原地基，可在钢支撑基脚处安装槽钢，以达到提升地基承载力效果。钢支撑各处与垂面偏差均要控制在5cm内。为提升钢支撑安装精确性，开挖隧洞过程中需处理各连接板，该区域预留钢支撑并与板凹槽连接；还应注重拱脚与墙脚，为之增设钢支撑槽钢凹槽。遵循设计要求完成钢支撑安装作业，若钢支撑与初喷层间隙超出正常范围，需设置骑马垫块，提升钢支撑与围岩接触紧密性，二者间距在50mm以内。出于提升钢支撑稳定性并预防岩石掉块问题，在钢支撑内焊接钢筋网以达到稳固效果。
        3水电站引水隧洞支护施工技术研究
        3.1水电站引水隧洞锚杆支护施工技术
        通过选择抗拉强度大、易于切割的锚杆结构，对水电站引水隧洞进行加固性支护施工，能够有效提升隧洞的稳定性。水电站引水隧洞锚杆支护施工流程。
        在锚杆施工过程中，需要确定钻孔的孔位，在确定孔位后，根据施工场地的实际状况，轻微调整孔位的角度后进行钻孔，以供后期的锚杆固定做准备。为了能够更好地进行后期的锚固操作，在安装锚索之前需要对钻好的孔位进行清孔操作，之后安装锚索。锚索的制作过程中，每一根钢绞线长度与锚杆设计的长度，要与水电站引水隧洞的实际腰梁宽度相关，且在计算过程中，要将锚索张拉情况下受不同千斤顶型号影响的最小长度包括在内。在工程钢绞线的两端需要实现自如伸缩，为了达到这一目的，在钢绞线伸缩部分用黄油填充，并且利用塑料管将两端固定好，确保其伸缩能力符合锚索的施工规范。沿着锚杆的方向，按照合理的固定间隔，捆扎和固定钢绞线。在工程应用过程中，对固定钢绞线的隔离架之间的距离通常控制在1.5m左右。完成锚索的加工后，需要进一步对其性能进行检验和分析，确保其质量。在将锚索运到之前钻好的孔口同时，还需要同时插入镀锌管。在此过程中，如果出现难以进入孔洞的问题，则需要再次进行清孔操作，并且重新完成钻孔直至锚索顺利到位。为了提升工程进展速度，在工程支护施工时，采用边注浆边拔管的方式完成，但是两项操作之间的间隔不能太短，否则会影响锚杆的质量。通常在注浆完成后，大于5m进行拔管，注浆达到孔口溢出浆时不能拔出注浆管，需要在湿粘土封口后进行稳压二次注浆。
        3.2混凝土泵隧洞支护法
        该种支护方法最为核心的部分就是浇筑混凝土。主要是通过连接冲天尾管、排气管以及导管，为混凝土的输送提供管道。在地表处将混凝土挤压至模板支撑的仓内，以实现浇筑。在应用该种支护方法的过程当中，最应该注意的是混凝土浇筑至顶拱仓面这一阶段，要及时的撤出其中的施工工具，将仓面两端筑高，当混凝土浇筑到人孔高度时，及时撤离施工人员，确保施工人员的人身安全。在完成了人孔洞浇筑之后，更是要提高泵机的效率，确保浇筑支护作业的顺利完成。
        3.3新奥法隧洞支护法
        这种支护方法在实际应用过程当中，需要充分的考虑到隧洞周边岩石的承载能力是否足够。该种支护方法施工过程如下：光面爆破开挖、锚喷支护、检测围岩稳定性。在确保了围岩稳定力度足够之后，在开挖和支护阶段都应该通过对隧洞周边岩体形变的充分利用，使用相关的材料工具加强岩体稳定性，提高围岩抵抗外力的能力，实现对整个隧洞的支护保护。
        3.4注浆小导管施工方法
        布孔：遵循小导管设计要求，以开挖断面中心为基准，做好布孔放样工作，通过设置插钎的方式形成标志。成孔：首先设置方向架，精确测定打孔方向与具体位置，基于YG40凿岩机展开施工作业。插管：设置小导管时必须与管孔方向一致，可通过液压推进器顺利将其顶入，针对同一剖面，要求小导管尾端外露长度为30cm。封口：喷射混凝土施工并达到5~8cm厚度，针对管圈与开挖周边5m的区域实行封闭措施。注浆：基于地质勘察资料确定可行的注浆参数（重点考虑注浆用量与压力、扩散半径），为施工选择高品质注浆材料与设备，提升人员配置合理性。
        3.5水电站引水隧洞混凝土喷射支护技术
        在混凝土喷射加固过程中，由于隧洞岩面会出现碎石等杂物，使混凝土加固不理想。因此，在混凝土喷射隧洞之前，需要对岩面进行有效清洁，采用高压水冲洗，但由于岩石种类不同，对遇水之后稳定程度下降、较易泥化的岩石结构，则不能选择这种清洁方式，应考虑采用压力风处理。与此同时，需要检测隧洞的防水性能，对可能出现渗水问题的部位增加排水管道，保障隧洞的稳定性不受渗水的影响。采用合理比例完成混凝土喷射料的制备，通过钢筋网和之前施工完成锚杆相连接，开始混凝土隧洞喷射阶段施工，喷射过程尽可能提升喷射面的光滑度和完整度，并确保在工程施工过程中混凝土原料充足，相关设备能够稳定运行。
        结语
        简而言之，水电站工程的建设，不仅能够促进国家社会经济，确保各行各业的稳定发展，更是有利于维护社会稳定，为人民的日常生活提供有利的条件。因此，水电站工程的建设质量也十分重要。作为该工程的主要环节，引水隧洞当中的开挖和支护的施工，更是应该受到重视，有效提高水电站工程施工效率和质量的同时，实现对最低的成本投入取得更高效的建设效果，实现更大的价值。本文主要从三个方面对此展开了详细分析，本文内容可供相关人士参考。
        参考文献：
        [1]马庆星.水电站引水隧洞开挖及支护施工技术[J].智能城市，2020（12）：239-240.
        [2]唐伟.考虑流-固耦合的水电站引水隧洞开挖数值模拟[J].中国水运（下半月），2017（08）：104-106+157.
        [3]陈雪湘.上马相迪A水电站引水隧洞开挖施工技术[J].西北水电，2019（06）：84-87.
        [4]李丰现.水电站引水隧洞开挖与支护的施工技术[J].工程技术研究，2019，4（5）：86-87.