谈菲律宾良安水电站竖向输水隧洞施工技术

谈菲律宾良安水电站竖向输水隧洞施工技术

陈鹏

中国能源建设集团广西水电工程局有限公司

摘要：水电站是利用水能转换为电能的工程，也是各国能源开发的重要领域之一。在水电站的建设中，输水隧洞是关键的组成部分。输水隧洞的建设质量和施工技术，不仅与水电站的安全、稳定运行直接相关，还与进度计划和项目成本有密切相关。水电站的竖向输水隧洞的建设被认为是项目的关键技术之一。本论文旨在研究谈菲律宾良安水电站竖向输水隧洞施工技术，探讨如何解决项目建设过程中的技术难点和问题，提高竖向输水隧洞施工的效率和质量。

关键词：良安水电站；竖向输水；隧洞施工技术

引言：随着全球能源需求的不断增长和环保意识的普及，水电站的建设和运营越来越受到人们的关注。而水电站的竖向输水隧洞是实现水电站水头落差发电的关键设施之一，其施工技术的优劣直接影响到水电站的效率和安全性。竖向输水隧洞施工技术是一项复杂的工程技术，需要涉及到地质、水文、机械、电气等多个学科的知识。在施工过程中，必须充分考虑地质条件、水文情况、隧道长度及外部条件等多种因素，以确保隧洞的成功建设和安全运行。因此，提高竖向输水隧洞施工技术的水平，不仅可以提高水电站的效率和安全性，也能够为保障能源安全和环保做出贡献。

一、工程概况

菲律宾良安水电站输水隧道由两个部分组成，包括一个竖井和一条水平隧洞。竖井位于输水系统里程H1+133.111位置，根据图纸原地面自然高程209.50米，上平中心高程为207.00米，井口高程199.50米，推测地下水位标高约107.9米，下平管中心高程为100.4米，竖井直线段长91.6米，开挖断面直径3.8m，断面面积11.34㎡。竖井内壁采用Q345C钢管，内径2.4米，厚度14毫米。竖井位置主要岩层为新世纪弱风化玄武岩，试样芯柱完整，气孔较发育。以较硬岩为主，少量较软岩，围岩类别以Ⅲ类为主，局部或存少量Ⅳ类围岩。按照图纸设计，地下水位线位于107.9米处，本地雨量充沛，需考虑降雨对竖井施工的影响[1]。

二、施工准备

2.1供风系统布置

本供风系统主要考虑竖井、水平隧洞施工所用的高压风。供风系统的负荷中心主要在竖井及水平隧洞的石方洞挖和井挖部位，其他工序施工过程中用风量较小，其用风原则上自备供风设备解决。本方案在竖井位置设集中供风系统，通过发电厂房边坡敷设供风管道，用于水平隧洞石方洞挖。在集中供风系统出风口位置，设置三通管道，分别接竖井、水平隧洞高压风管。

2.2供水系统布置

本工程取水方式采用水管从大坝上游村庄水源地自流（高程满足自流要求）取水，上游村庄水源地水量充足。在竖井位置设置5*6*1.5m中转水池。水池采用砌块砌筑而成，水池材质类型根据现场实际情况灵活选择。水池出水口外接2根φ100mm的钢管，分别向竖井和水平隧洞供水。

2.3供电系统布置

本工程最大用电量270.0KW,其中电机最大同时工作用电量为空压机170KW+水泵30KW+照明6KW=206KW。不同时工作系数=206/270=0.76，取不同时工作系数0.85合适。考虑发电机的功率折损和供电距离长，配备1台300KW发电机满足施工需求。

三、施工方法及工艺要求

3.1工艺流程

竖井、水平隧洞施工工艺流程如下图所示。

3.2主要施工方法、技术要点

为保证工期及施工安全性，竖井采用正向全断面开挖至竖井底，且随挖随支护，一次开挖成型。竖井钢管施工完成就可以进行开挖相邻镇墩基础，在接近竖井回填管的基础开挖中严禁使用炸药爆破，防止破坏钢管衬砌。水平隧洞开挖待发电厂房基础开挖至隧底高程后，将水平隧洞主、岔洞口支护完成，由外向内先将水平主隧洞按设计进行变截面开挖，直至与竖井贯通后，机械设备转场将岔洞由外向内开挖至贯通[2]。

3.3竖井施工

3.3.1施工准备

开工前先由测量人员定出竖井平面位置,清理地表杂草及腐植土，露出坚实土层，平整压实。再次放样出竖洞的准确位置，用白灰洒出竖洞开挖断面位置，报检后准备开挖。

3.3.2 锁口开挖

锁口圈基坑土方开挖时采用挖掘机开挖，开挖时锁口尺寸预留15～20cm采用人工修整，保证成形质量、侧壁土体稳定性。

挖掘机开挖深度约2m，如果不能抵达稳定岩层，应采用人工开挖，井架提升方式继续开挖，直至抵达完整稳定岩层。根据现场附近回填管开挖实际情况，竖井锁口开挖3-4米可抵达完整岩层。

3.3.3锁口圈混凝土施工

（1）锁口开挖完成后及时施工锁口圈混凝土，锁口圈混凝土采用整体浇筑。

（2）锁口C20混凝土采用商品混凝土，罐车运到现场后，用溜槽入模，振捣棒振捣密实，圈梁顶高达到设计高程后人工用木抹子刮平，铁抹子赶光。

（3）考虑现场雨水频发锁口混凝土高出地面50cm, 并设排水沟，以防止地表水进入井孔内。混凝土采用表面洒水自然养护，脱模时间不少于3天。

（4）锁口混凝土应坐落于稳定基岩上，并适当大于洞口直径。

（5）最后安装安全护栏并挂网，护栏高出地面1.2m，护栏上安密目网封闭。

3.3.4导井施工

根据导井钻孔布置设计，该导井共需钻孔26个，合计2418延米。依据以往施工经验，CJD-350履带式气动水井钻机综合工况每小时工效为8米。

钻孔进度：暂按平均每工日64米，2418÷64=37.8天≈38天。

钻机移除、钻孔平台拆除等用时4天。

导孔施工合计工期：38+4=42天

导井施工主要是采用CJD-350履带式气动水井钻机在竖井中心钻直径250mm的孔。经过多次连续钻孔将竖井中心1.5m直径全部钻空，最终形成导井。导井施工过程中，不得在无人管理的情况下运转。水井钻机不使用液压系统时，应将水井钻机拧管机切换阀放在“油泵卸载”位置，操作时应随时注意各压力表的工作情况，如有异常，应及时处理。

图3.3-1 导井钻孔平面示意图

3.3.5扩挖施工

导孔完成后，扩挖作业计划使用YT-28钻钻孔爆破施工方法扩挖至竖井与平洞贯通位置。

钻孔时间：Ⅲ围岩凿眼速度0.3m/min，Ⅴ、Ⅳ围岩凿岩速度0.7m/min，折合按0.5m/min计算，单个循环共凿20+17+8=45个，总深度90m，按配置2台钻，每台钻23个孔眼，挪钻对点10min，则计算：

93/2*0.5+23*10=253.3min（4.2小时）

装药、爆破时间：一个循环装药50kg，装药、布网、连线约30分钟，清场（15min）、起爆、排尘（30min）、排炮（15min）、共计90分钟。

出渣清底时间：一个循环2m，方量19.2方，人工清渣，导孔溜渣，60分钟。

支护加固时间：循环进尺按2m，锚杆3m，15根，喷C25混凝土1.16*2=2.32m3共计4小时。

各班组交接耗时按5分钟计，主要有钻孔班组、爆破班组，出渣班组、支护班组，共计15分钟（0.3小时）。

一个循环进尺2米，时间合计约11小时。按照2班施工计算。计算工期为90/3=30天约等于30天。

故竖井扩挖工期合计30天。

3.3.5竖井施工工艺流程

本施工方案主要针对竖井剩余石方开挖方法进行详细编制，经过内部讨论，结合现阶段全断面“正井法”爆破施工的经验教训，剩余竖井石方开挖拟采用CJD-350履带式气动水井钻机进行导井施工，待导井施工完成后，采用常规爆破法扩挖，竖井施工工艺流程见图所示。

图3.3-2竖井施工工艺流程框图

3.3.6 井身开挖

根据不同的围岩状况、振动控制条件、爆破成孔试验拟定爆破参数并依据实际施工需要进行调整。爆破尽量选用低爆速炸药，用非电毫秒雷管分段起爆。考虑成孔及导孔出渣，按光面爆破，爆破后的岩渣粒径越小越好。

（1）炮孔布置

扩孔开挖炮孔布置图，爆破顺序1-2。

图3.3-3  炮孔布置图

图3.3-4  1-1剖面图

（2）装药结构

装药结构周边眼采用间隔装药并使用导爆索作为传爆线，直径为 25mm 乳化炸药（防水）加竹片绑扎的串状装药结构。其它炮眼采用连续装药，药卷为 32mm,全部采用反向起爆装药结构。

在一般情况下，周边眼的堵塞长度不少于 20cm,其它炮眼堵塞长度不少于 30cm，堵塞材料可选用黄泥。

图3.3-5  炮眼堵塞示意图

（3）炸药用量

参照下平段水隧洞爆破周边眼和辅助眼用药量，周边眼0.7kg/孔，辅助眼1.2kg/孔。

单循环共计装药0.7×24+12×1.2=31.2kg

由于隧洞围岩类别不同，因此开挖根据施工实际情况确定开挖进尺。隧洞口及不良地质段，采用短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤测量的思想指导施工。根据不同的围岩状况、振动控制条件、爆破成孔试验拟定爆破参数并依据实际施工需要进行调整。爆破尽量选用低爆速炸药，用电毫秒雷管分段起爆。当同一部位、同一种开挖眼用药量 超过最大允许用药量时，则采用分段爆破的方法来减少对周边围岩的振动影响[3]。

3.3.6出渣垂直运输

每次爆破完成后进行自然通风20分钟，人员再下井进行清渣。竖井溜渣时，下平洞口进行封闭安排专人进行值班看守禁止一切车辆、人员进入。

施工人员到达井底后，首先恢复导孔周边的防护栏杆网架，再进行清渣作业。清渣作业整个过程安排专人在井口值守，井盖闭合。

图3.3-6  溜渣孔防护栏杆布置图

清渣作业完成，竖井支护作业平台安装完成后方可开始平洞出渣。

3.3.7喷锚支护

每向下扩挖一层，临时支护跟进一层。支护断面形式如下：

（1）Ⅲ级围岩

采用L=2m，Ф25锚杆，间距2.0m梅花形布设，挂φ10@250*250钢筋网加固支护。

施工程序为：岩面清理→先初喷混凝土→钻孔→锚杆→钢筋网安装→压浆→第二次喷混凝土至设计厚度。

锚杆孔钻孔直径φ40，锚杆孔位偏差不应超过10cm，孔深偏差不得大于5cm，锚杆露出岩面的长度不应大于喷射混凝土的厚度。

锚杆安装后，在水泥砂浆凝固前不得随意敲击、碰撞和拉拔锚杆。喷射混凝土采用C25，施工机具采用喷射混凝土机。

（2）Ⅳ级围岩

采用L=2m，Ф25锚杆，间距1.5m梅花形布设加固支护，挂φ10@250*250钢筋网加固支护。

施工程序为：岩面

清理→先初喷混凝土→钻孔→锚杆→钢筋网安装→压浆→第二次喷混凝土至设计厚度。

挂钢筋网喷射混凝土时，挂网钢筋使用前应清除污锈，钢筋网宜在岩面喷射一层砼后铺设，钢筋宜尽量贴壁面，钢筋网应与锚杆或其他锚定装置联接牢固，喷射时钢筋不得晃动，喷射中若有脱落的混凝土被钢筋网架住，应及时清除。

3.4水平隧洞施工

进场开工后，先进行临时道路的施工，为尽快进行隧洞的开挖创造条件。隧洞进口先进行洞脸开挖，削坡卸载。具备进洞条件后，即进行隧洞洞挖和临时支护施工，临时喷锚支护、永久锚喷支护紧随开挖工作面进行施工，确保施工安全。隧洞开挖、初期支护结束后，进行压力钢管安装，钢管外侧回填混凝土。

3.4.1洞口工程

根据洞口的实际情况，首先做好防排水，按设计图纸和实际地形，修筑洞顶截水沟，并与原有排水系统妥善连接，使之形成完整的排水系统，防止地表水流入施工场地范围内，保持路基洞口边坡稳定、安全。

隧洞洞口处岩层破碎，进洞前对边、仰坡采用锚杆、钢筋网、喷射砼，对坡面进行加固和防护。洞口开挖时，在开挖轮廓线的周边，采用密钻眼，对岩体进行切割拱部。洞口采用短进尺弱爆破，周边眼采用小药卷，间断装药。

3.4.2超前支护施工

根据施工图纸显示，本隧道洞口设置有超前支护，为φ25超前锚杆，间距1.0m/根，长度L=7.0m/根。外插角度10°（斜向上）。在软弱围岩地层中施工，采用超前锚杆、小导管超前支护预加固地层技术，通过注浆，使小导管周围土体固结形成承载拱，在超前锚杆、小导管及承载拱的棚架作用下开挖下部土体既安全又稳妥，可有效地控制拱顶坍塌。

3.4.3洞身开挖

本工程钻爆施工段，洞身开挖施工采用“新奥法”进行施工，施工严格遵循“短进尺、少扰动、强支护、勤观测、早衬砌”的原则。

Ⅲ类围岩地段围岩稳定，整体性较好，拟采用全断面光面爆破开挖，开挖作业循环主要由钻孔、装药、联线、爆破、通风、清理撬挖、装渣运渣等工序构成。

3.4.4施工工艺流程

全断面法施工工艺流程：

四、结语

总之，竖向输水隧洞施工技术是水电站引水系统建设的重要组成部分，经过科学周密的施工部署，本施工方案满足项目进度要求，且能解决施工中所面临的难题，降低施工成本，对于提高水电站的安全性、可靠性和经济性起到了至关重要的作用。

参考文献：

[1]孙容.景德镇应急水源工程输水隧洞施工技术[J].水利科学与寒区工程,2023,6(01):134-137.

[2]李振华.输水隧洞工程施工技术及质量控制要点[J].山西水利科技,2023,(03):30-32.

[3]杨东辉,陈好春,王俊杰.复杂地质条件下输水隧洞施工与监测预警技术[J].建筑技术开发,2022,49(13):105-107.