1工程概況
湟水和大通河均發(fā)源于青海省境內(nèi)，大通河發(fā)源于青海省境內(nèi)的木里山，河流自西北向東南流經(jīng)青海省剛察、祁連、門源、樂都等縣和甘肅省的天祝、永登兩縣于甘、青兩省交界的享堂峽匯入湟水。湟水發(fā)源于青海省境內(nèi)的大坂山，上游為巴勿圖河，河流源地由北向南至海晏，逐漸由湟源轉(zhuǎn)向由西向東，蜿蜒曲折，先后穿過小峽，大峽等峽谷，出青海湟水至民和與大通河享堂峽在我省海石灣相匯合，通稱為湟水，在甘肅省八盤峽附近匯入黃河。

甘肅華唐水電開發(fā)有限公司開發(fā)建設(shè)的湟水白川水電站項(xiàng)目位于甘肅省永靖縣西河鎮(zhèn)和蘭州市紅古區(qū)境內(nèi)的湟水河干流上，電站為低壩無調(diào)節(jié)引水式電站，總裝機(jī)容量36MW。電站東距蘭州市約85km，西距紅古區(qū)海石灣鎮(zhèn)約35km，引水樞紐擬選在白川村擁憲渠樞紐閘門附近，廠房擬選在永靖縣西河鎮(zhèn)二房村余家河灘，引水線路及發(fā)電廠房均布置在湟水河右岸，有簡易公路通行。

本工程引水系統(tǒng)有明渠、明洞和隧洞工程，我公司承建引水系統(tǒng)的Ⅰ、Ⅲ標(biāo)段，⑴第Ⅰ段：樁號(hào)0+001.048～0+612.944～1+612.944m；總長為1611.896m。包括漸變段（0+001.048～0+040.00、0+528.944～0+578.944）、Ⅰ型梯形明渠（0+040.00～0+528.944）段、明洞（0+578.944～0+612.944）段、引水隧洞（0+612.944～1+612.944）段；（2）第Ⅲ段：樁號(hào)3+741.122～5+636.00m；總長為1894.88m。包括隧洞工程（樁號(hào)：3+741.122～4+741.122m）段、明洞工程（樁號(hào)：4+741.122～5+022.90m）段、漸變段工程（樁號(hào)：5+022.90～5+052.90m）段和Π型梯型明渠（樁號(hào)：5+052.90～5+636.00m）段。

明洞和隧洞斷面相同，均為馬蹄形。在開挖高度較高時(shí)，采用明洞，施工結(jié)束時(shí)，上部回填開挖料，恢復(fù)原地面，對于臨時(shí)高邊坡開挖的渠段，應(yīng)及時(shí)回填。

隧洞設(shè)計(jì)水深6.685m，頂拱半徑4.45m，圓心角120°，側(cè)拱和底拱半徑為13.35m，圓心角分別為16°52′28″和33°44′56″。

根據(jù)圍巖類別采用不同的襯砌斷面，隧洞設(shè)計(jì)有兩種斷面，既A型和B型斷面，這兩種斷面的過水?dāng)嗝娉叽缤耆�相同，只是襯砌厚度不同。A型適用于Ⅳ類圍巖，頂拱、側(cè)拱和底拱砼襯砌厚底均為0.40m，B型適用于Ⅴ類圍巖，頂拱、側(cè)拱和底拱厚均為0.50m。

進(jìn)洞口高程1647.6m，洞內(nèi)設(shè)計(jì)水深6.685m，頂拱半徑4.45m，圓心角180°，側(cè)拱和底拱半徑13.30m，圓心角分別為16°52′28″和33°44′56″,底寬7.750m，頂拱和底板砼襯砌厚0.50m，側(cè)拱為1：0.30的貼坡砼，底厚0.50m。隧洞頂拱半徑4.45m，圓心角120°，側(cè)拱和底拱半徑為13.35m，圓心角分別為16°52′28″和33°44′56″。

圖1隧洞洞口管棚超前支護(hù)效果圖

2工程地質(zhì)條件
引水線路地質(zhì)條件是：樁號(hào)0+010～0+612.94為漸變段、明渠。渠道通過河床及漫灘，該段渠道基本沿現(xiàn)擁憲渠行進(jìn)，地表巖性為第四系人工堆積碎石土，厚2～3.5m，沖積含漂石砂卵礫石層(alQ43)，厚約1.6～2.5m，砂卵礫石層結(jié)構(gòu)疏松，滲透系數(shù)為60～90m/d。下覆基巖為白堊系下統(tǒng)河口群（K1hk2c）泥質(zhì)粉細(xì)砂巖，強(qiáng)風(fēng)帶厚度約1.5～2.5m。

樁號(hào)0+612.94～1+612.944段為隧洞段，圍巖巖性以白堊系下統(tǒng)河口群（K1hk2c）褐紅色泥質(zhì)粉細(xì)砂巖為主，局部為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖薄層，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙不發(fā)育。巖層產(chǎn)狀NE30～50ºNW<5～10º。該段穿越Ⅲ級(jí)階地及沖溝，地形破碎，沖溝發(fā)育，溝深約20～36m，溝寬40～280m，深切沖溝部位洞頂基巖埋深約8～30m，該段各沖溝多呈“V”型溝，沖溝中有季節(jié)性洪水，沖溝兩側(cè)自然邊坡坡度約40～80º，目前邊坡穩(wěn)定。泥質(zhì)粉細(xì)砂巖室內(nèi)試驗(yàn)物理力學(xué)指標(biāo)：天然密度2.51～2.55g/cm3，內(nèi)摩擦角Φ=35.5～38.3°，凝聚力C＝0.19～0.41MPa，變形模量800～1000MPa，泊松比0.22～0.24。沖溝中地表水及第四系覆蓋層中賦存第四系孔隙性潛水，水質(zhì)對普通水泥具腐蝕性。

樁號(hào)1+517.11～3+573.9段為明洞。引水線路在湟水右岸Ⅱ級(jí)階地及后緣上通過，渠道中心線開挖深度約8.5～30m，地表主要為第四系沖洪積粉質(zhì)壤土（al-plQ41），厚約8～11m，局部表層為坡洪積碎石土（dl-plQ43），厚度2～5m,洪積碎石土（plQ43），厚度4～8m。下部為沖積砂卵礫石層（alQ41），厚約4～5m，砂卵礫石層頂部有厚度為0.5～1m粉細(xì)砂層，該層為含水層，底部賦存地下水，水位和水量受季節(jié)和灌溉影響變幅較大。第四系孔隙性潛水對普通水泥無腐蝕，但右側(cè)沖溝中地表水對普通水泥具強(qiáng)腐蝕�；鶐r為白堊系下統(tǒng)河口群（K1hk2c）褐紅色泥質(zhì)粉細(xì)砂巖，局部為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖及鈣質(zhì)砂巖薄層，節(jié)理裂隙不發(fā)育。樁號(hào)3+544.76處發(fā)育一條深切沖溝，溝深約22m，溝寬17～30m，洞頂埋深約10m，該沖溝呈“V”型溝，沖溝中有季節(jié)性洪水，沖溝兩側(cè)邊坡自然坡度約70～80º，邊坡穩(wěn)定。明洞底基礎(chǔ)為基巖，洞頂位于砂卵礫石層底板附近。

樁號(hào)3+693.9～4+730.29段，隧洞洞身段。隧洞洞身埋深大于60m，圍巖為白堊系下統(tǒng)河口群（K1hk2c）褐紅色泥質(zhì)粉細(xì)砂巖為主，局部為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及鈣質(zhì)砂巖薄層，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖層呈薄～中厚層，單層厚度5～25cm，巖層產(chǎn)狀NE70ºNW∠12º，洞室圍巖弱風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶中基本無地下水分布，巖壁干燥或局部潮濕。

樁號(hào)4+830.29～5+808.52段為明洞、漸變段、明渠、前池，開挖深度約2～18m，引水線路通過Ⅱ級(jí)階地后緣及Ⅱ級(jí)階地，地形破碎，沖溝發(fā)育，地表主要為沖洪積粉質(zhì)壤土（al-plQ41），局部為崩坡積碎石土（col-dlQ43），坡洪積（dl-plQ43）及洪積（plQ43）碎石土，厚約3～15m；下部為沖積砂卵礫石層（alQ41），厚約3～7m，砂卵礫石層頂部有厚度0.5～1m粉細(xì)砂，結(jié)構(gòu)疏松，該層底部有地下水，水位和水量受季節(jié)和灌溉影響變化較大。基巖為白堊系下統(tǒng)河口群（K1hk2c）褐紅色泥質(zhì)粉細(xì)砂巖為主。渠底基礎(chǔ)多位于II級(jí)階地砂卵礫石層底板附近，渠頂位于砂卵礫石層頂部或粉質(zhì)壤土中。

3洞口大管棚施工方案及施工程序
管棚工法是隧道開挖施工中用以防止掌子面坍塌并限制圍巖變形的一種預(yù)支護(hù)手段。其主要原理是在隧道開挖之前，沿著隧道開挖輪廓線外的設(shè)定部位水平鋪設(shè)鋼管，并可以通過鋼管向圍巖注漿，對管棚周圍的圍巖進(jìn)行加固，使管棚成為隧道后續(xù)開挖的防護(hù)傘（棚），達(dá)到安全施工的目的。

3.1施工方案
由于隧洞進(jìn)口處有較厚的第四系松散堆積體覆蓋層，主要為碎石土，對洞口進(jìn)行開挖清理，達(dá)到設(shè)計(jì)的Ⅴ類圍巖的安全邊坡。管棚位置Ⅰ段在0+635.31(洞外)～0+640.423（進(jìn)洞樁號(hào)）～0+691.108、Ⅲ段在4+728.93（洞外）～4+723.58（進(jìn)洞樁號(hào)）～4+673.130，根據(jù)設(shè)計(jì)圖和現(xiàn)場情況分別采用5.113m和5.35m長大管棚對隨洞口進(jìn)行預(yù)支護(hù)，以利成洞安全。

3.2施工程序
明洞開挖及邊坡支護(hù)處理——采用大管棚預(yù)支護(hù)——人工或機(jī)械挖除覆蓋層及危石——支撐拱架與大管棚形成復(fù)合支護(hù)——采用自進(jìn)式錨桿作為支護(hù)手段進(jìn)行正常洞挖施工。

4洞口大管棚施工技術(shù)
4.1洞口及邊坡明挖施工
按設(shè)計(jì)圖紙開挖尺寸采用TCR702全站儀測量放樣，利用反鏟自上而下分段開挖，先清除洞口上方危石及可能滑塌的表土，按設(shè)計(jì)坡度對邊坡進(jìn)行削坡處理，再分別從洞口樁號(hào)0+640.423和4+723.58位置自上而下垂直開挖，形成進(jìn)洞位置。洞口坡面防護(hù)待進(jìn)洞54m進(jìn)入正常洞挖后，在雨季到來前按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行防護(hù)。

4.2進(jìn)洞前采用大管棚技術(shù)預(yù)支護(hù)
管棚按設(shè)計(jì)位置施工，先打有孔鋼花管，注漿后再打無孔鋼花管，無孔管可作為檢查管檢查注漿質(zhì)量，每鉆完一孔便完成一根鋼桁架的安裝。

（1）管棚施工工藝流程。

施作套拱→搭鉆孔平臺(tái)→安裝鉆機(jī)→鉆孔→清孔→驗(yàn)孔→安裝管棚鋼管→注漿。

（2）管棚施工參數(shù)

①鋼管布設(shè)在圓心角約為1500的隧洞拱部；

②鋼管規(guī)格：熱軋無縫鋼管Ф108，壁厚6mm，節(jié)長3m和6m，采用絲扣連接；

③管距：環(huán)向間距50cm，拱布41跟管；

④管心與襯砌設(shè)計(jì)外擴(kuò)線間距為30cm；

⑤傾角：平行于路線縱坡；方向：平行于路線中線；

⑥鋼桁架采用I18工字鋼制作安裝，徑向間距80cm，采用同型號(hào)工字鋼連接。

（3）施工套拱

采用C25混凝土護(hù)拱做管棚固定端，護(hù)拱在明洞外輪擴(kuò)線以外，緊貼掌子面位置。護(hù)拱內(nèi)埋設(shè)三榀I18工字鋼，工字鋼與孔口管焊成整體。三榀工字鋼在鋼筋場內(nèi)加工成型，在現(xiàn)場安裝。

混凝土護(hù)拱基礎(chǔ)：為了保證混凝土護(hù)拱基礎(chǔ)的穩(wěn)定，開挖至基巖，用Ф22錨桿與基巖連接牢固。三榀工字鋼與錨桿連接后再澆筑C25混凝土作為基礎(chǔ)。

三榀工字鋼按測量放樣精確組裝，榀間采用I18工字鋼橫向連接，環(huán)向間距80cm。

孔口管安裝：用全站儀以坐標(biāo)法在工字鋼上定出其平面位置，用水準(zhǔn)尺配合安裝，保證其安裝的精確度滿足設(shè)計(jì)要求�？卓诠軕�(yīng)牢固焊接在工字鋼上，防止?jié)仓�混凝土�(xí)r產(chǎn)生位移。

混凝土施工：滿堂腳手架上架設(shè)木拱架作為支撐，上面拼裝組合鋼模板。采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)和混凝土，混凝土攪拌車運(yùn)至泵送點(diǎn)施工現(xiàn)場澆筑。

（4）鉆機(jī)平臺(tái)搭設(shè)及安裝鉆機(jī)

①鉆機(jī)平臺(tái)用鋼管腳手架搭設(shè)，上鋪枕木，便于根據(jù)孔位高程將鉆機(jī)平臺(tái)一次性搭好。

②平臺(tái)支撐要著實(shí)地，連接要牢固、穩(wěn)定。防止在施鉆時(shí)鉆機(jī)產(chǎn)生不均勻下沉、擺動(dòng)、位移等影響鉆孔質(zhì)量。

③鉆機(jī)定位：鉆機(jī)要求與已設(shè)定好的孔口管方向平行，必須精確定位。用8t吊車將鉆機(jī)吊至平臺(tái)上，用經(jīng)緯儀、掛線、鉆桿導(dǎo)向相結(jié)合的方法，反復(fù)調(diào)整，確保鉆機(jī)鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。

（5）鉆孔

①采用100B潛孔鉆機(jī)鉆孔，鉆頭采用Ф110隔孔施鉆。

②鉆機(jī)開機(jī)時(shí)，可低速運(yùn)轉(zhuǎn)，待成孔1m后，適當(dāng)加壓。

③巖質(zhì)較好的可以一次成孔；若鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生塌孔、卡鉆，需注漿待凝后再行鉆孔，根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)的情況判斷成孔的質(zhì)量，并及時(shí)處理鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的事故。

④認(rèn)真作好鉆進(jìn)過程的原始記錄，及時(shí)對孔內(nèi)巖屑進(jìn)行地質(zhì)判斷、描述，作為開挖洞身的地質(zhì)預(yù)探預(yù)報(bào)，作為指導(dǎo)洞身開挖的依據(jù)。

（6）清孔和驗(yàn)孔

打完孔后用高風(fēng)壓斷續(xù)掃孔3min，清除浮渣至孔底，確�？讖健⒖咨罘�合要求、防止堵孔。測量孔深并做好記錄。

（7）安裝管棚鋼管

①棚管在專用的管上加工好絲扣，四周鉆Ф20出漿孔；管頭焊成圓錐形（靠掌子面4.05m的棚管不鉆孔），便于入孔。

②棚管用人工裝進(jìn)。一次性頂進(jìn)長度27m。棚管接頭采用絲扣連接，絲扣長15cm，為使鋼管接頭錯(cuò)開，編號(hào)為奇數(shù)的每節(jié)鋼管采用3m鋼管，編號(hào)為偶數(shù)的第一節(jié)管采用6m鋼管。

（8）注漿

注漿順序：采取與鉆孔流水作業(yè)，成孔一根，注漿一根。

采用注漿機(jī)將水泥漿注入管棚鋼管內(nèi)，初壓0.5MPa，中壓2.0MPa，必要時(shí)摻速凝劑。注漿前先進(jìn)行注漿現(xiàn)場試驗(yàn)，出擬定注漿參數(shù)0.8∶1，具體參數(shù)通過現(xiàn)場試驗(yàn)按實(shí)際情況確定。

4.3進(jìn)口洞挖
大管棚完成以后，隧洞進(jìn)口段開挖采用反鏟人工風(fēng)鎬配合進(jìn)行。每次開挖進(jìn)尺小于1m，每次開挖后，立即架立I18工字鋼鋼拱架，鋼拱與棚管焊成整體形成復(fù)合棚狀支護(hù)。鋼拱拱腳采用I18工字鋼，平鋪在巖基上。鋼拱間距80cm。每開挖3m初噴5cm厚C20混凝土，終凝后再分2～3次噴混凝土齊平鋼拱內(nèi)側(cè)，緊貼鋼支撐掛Ф6.5鋼筋網(wǎng)片后，再噴10cm厚混凝土。

5隧洞洞身開挖超前支護(hù)施工技術(shù)
5.1施工總程序
洞身自上而下分三層進(jìn)行開挖支護(hù)。ⅰ層開挖考慮到開挖機(jī)械性能及支護(hù)施工的需要，確定開挖高度約為4～5m；ⅱ層開挖高度為3～4m；ⅲ層主要為保護(hù)層開挖，開挖高度0.5～1m。

單洞開挖施工程序依次為ⅰ層→ⅱ層→ⅲ層。ⅰ層開挖支護(hù)完成后進(jìn)行ⅱ層開挖，ⅱ層開挖支護(hù)完成后進(jìn)行ⅲ層開挖。

各層均利用分別向上、下游進(jìn)行平行作業(yè)，其中從上層施工支洞進(jìn)入完成導(dǎo)流洞洞身ⅰ層開挖支護(hù)；利用下層施工支洞在主洞內(nèi)向上、下游升坡10至ⅱ層底面，完成導(dǎo)流洞洞身ⅱ層開挖支護(hù)；從下層施工支洞進(jìn)入導(dǎo)流洞底部進(jìn)行ⅲ層的開挖支護(hù)。

5.2施工隊(duì)伍配置
Ⅰ、Ⅲ段各配置一個(gè)開挖隊(duì)伍，每個(gè)開挖隊(duì)各設(shè)一個(gè)臺(tái)車鉆爆班、一個(gè)支護(hù)班和一個(gè)混凝土噴護(hù)班。

5.3常規(guī)洞段開挖支護(hù)施工
常規(guī)洞段共1849.404m（Ⅰ段洞身917.4m、Ⅲ段洞身932.004m），進(jìn)口洞段共111.135m（Ⅰ段洞身60.685m、Ⅲ段洞身50.45m）。

開挖施工工藝流程見圖2。圖2隧洞開挖施工工藝流程圖

常規(guī)洞段即i、ii、iii類圍巖段：

（1)洞身第ⅰ層開挖施工程序：中導(dǎo)洞超前貫通后進(jìn)行周邊擴(kuò)挖，初期支護(hù)滯后3~5米進(jìn)行，與后循環(huán)開挖平行作業(yè)，ⅲ類圍巖視危巖情況及時(shí)進(jìn)行局部支護(hù)。

（2)洞身第ⅱ層開挖施工程序：邊墻用手風(fēng)鉆預(yù)裂4.5m，初期支護(hù)滯后3~5米進(jìn)行，與后循環(huán)開挖平行作業(yè)，ⅲ類圍巖視危巖情況及時(shí)進(jìn)行隨機(jī)支護(hù)。

（3)洞身第ⅲ層開挖施工程序：兩側(cè)邊墻手風(fēng)鉆預(yù)裂到底，ⅲ層采用手風(fēng)鉆及鑿巖臺(tái)車分半開挖，底部光爆，初期支護(hù)滯后30米進(jìn)行，與后循環(huán)開挖平行作業(yè)，ⅲ類圍巖視危巖情況進(jìn)行隨機(jī)支護(hù)。

本工程圍巖主要是Ⅴ類圍巖，巖性軟弱，裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度嚴(yán)重，穩(wěn)定性差，給施工帶來一定難度。施工中根據(jù)地質(zhì)條件和現(xiàn)場實(shí)際情況，施工采取了洞口大管棚技術(shù)、超前支護(hù)、穩(wěn)步推進(jìn)的方法，增加了鎖腳、隨機(jī)錨桿等支護(hù)方式，加強(qiáng)測量觀測工作。采取有效垂直加固措施，防止洞頂塌落，隧洞開挖嚴(yán)格按“新奧法”工藝施工，開挖鉆爆按照“先支護(hù)（強(qiáng)支護(hù)）、短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)，快封閉，勤量測”的原則施工，本隧洞工程施工技術(shù)具有其特點(diǎn)和先進(jìn)性,消除安全隱患，保證施工進(jìn)度和施工質(zhì)量，以確保圍巖成洞穩(wěn)定及施工安全，同類工程的施工提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

6質(zhì)量控制
（1）鉆孔前，精確測定孔的平面位置、傾角和外傾角，并對每個(gè)孔進(jìn)行編號(hào)。

（2）嚴(yán)格控制鉆孔平面位置，管棚不得侵入隧洞開挖線內(nèi)，相鄰的鋼管不得相撞和立交。

（3）鉆孔需經(jīng)常量測孔向，發(fā)現(xiàn)誤差超限及時(shí)糾正，至終孔仍超限者應(yīng)封孔，原位重鉆。

（4）掌握好開鉆及正常鉆進(jìn)的壓力和速度，防止斷桿。

（5）在遇到松散的堆積層和破碎地層時(shí)，鉆進(jìn)中可以考慮增加套管護(hù)壁，確保鉆機(jī)順利鉆進(jìn)和鋼管順利頂進(jìn)。

（6）管棚注漿時(shí)隨時(shí)觀察注漿情況并做好記錄，確保鉆孔與管壁注漿飽滿。

7安全措施
（1）施工時(shí)現(xiàn)場派專職安全員，隨時(shí)觀察洞頂及洞內(nèi)圍巖穩(wěn)定情況及時(shí)組織人員撤離。

（2）嚴(yán)格執(zhí)行機(jī)械操作規(guī)程，非作業(yè)人員不得靠近作業(yè)現(xiàn)場。

8結(jié)語
白川水電站引水隧洞施工從2008年4月30日開始進(jìn)行大管棚施工，完成洞口開挖支護(hù)施工后，隨后進(jìn)入隧洞Ⅴ類圍巖石方爆破開挖施工，最終提前全部完成隧洞的開挖施工和襯砌工作，利用管棚套拱支護(hù)和超前支護(hù)技術(shù)在不良地質(zhì)條件下進(jìn)洞的隧洞施工中的應(yīng)用，確保安全、順利的完成隧道掛口進(jìn)洞，并安全、快速的通過不良地質(zhì)段，防止了塌方事件的發(fā)生，減少了隧洞超欠挖帶來的損失，施工質(zhì)量得到了有效控制，引水隧洞Ⅰ段平均超挖為0.182cm，Ⅲ段平均超挖為0.204cm，導(dǎo)流隧洞施工期觀測結(jié)果表明：Ⅰ、Ⅲ段引水隧洞圍巖變形觀測值呈收斂狀態(tài)，沒有突變現(xiàn)象發(fā)生；錨桿應(yīng)力受力較好，觀測結(jié)果穩(wěn)定；隧洞開挖時(shí)，爆破參數(shù)控制較好，對圍巖松馳圈影響范圍較小。證明了白川水電站引水隧洞開挖支護(hù)方案是科學(xué)的。為隧洞施工創(chuàng)造了良好的開端、積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。