水利工程导流洞洞口开挖研究

导流洞是水利工程中的前期工程。导流洞的顺利开挖施工和竣工将影响水利工程后期的截流、坝基施工进度，甚至可能影响整个水利工程的进度和投资效益。
水利工程导流洞洞口岩石普遍比较破碎、整体性差。如果施工工艺选择不当，就会导致洞口岩石开挖安全性降低、施工措施跟不上，容易出现塌方。这样既影响了工期，又增加了造价，甚至还有可能造成人员伤亡、设备的损坏，后果相当严重。为了避免造成以上的严重后果，我们就会选用一种安全性较高的施工工艺，即管棚法施工工艺。

一、导流洞实例及地质条件
以四川省凉山州西昌市官邸水电站左岸导流洞为实例，该导流洞洞身及出口段尺寸均为21m×16m，进口渐变段最大尺寸为22m×19m，最小尺寸为21m×16m。导流洞进、出口段30m范围内，岩性等级都较差，多是砂岩，有许多裂缝、破碎、整体性较差(可通过地质小导洞勘探分析)，若开挖施工工艺选择不当，极易出现塌方现象，产生机械设备损失、人员伤亡、增加工程造价等严重后果。

二、导流洞进口渐变段开挖难易程度分析
第一，该导流洞进、出口长度30m范围内岩性等级都较低，砂岩、破碎、裂缝多、整体性差。第二，该洞身段及出口段开挖尺寸均为21m×16m，进口渐变段最大开挖尺寸为22m×19m，最小尺寸为21m×16m。从开挖尺寸的数据来分析，导流洞进口渐变段开挖难度最大，其尺寸最大处顶拱弧拱的高度为3m，而跨度达到了19m，顶拱的开挖弧度很小，产生的拱力很小，极易出现塌方现象，如图1所示：它的开挖难度在国际上都是排在前列的，其对施工工艺技术的考验也很大，除了要加强支护措施外，还要选择安全性非常高的施工工艺。这样对整个导流洞进口渐变段的施工质量和进度才有保障。

三、管棚法施工工艺分析
管棚法施工工艺是安全性非常高的开挖施工工艺。我们以导流洞进口渐变段为例进行讲解。(一)导流洞顶拱弧拱开挖、支护施工工艺。把外直径100mm、壁厚4.5mm、长度30m、周围布置梅花行小孔(大小15mm左右，间排距为150mm)的钢管插入先用钻机造好的孔内(导流洞顶拱开挖弧拱线外侧范围造一排孔，孔的间距为800mm，大小为120mm，长度为30m)，如图一所示，钢管的间距为800mm，在导流洞顶拱外侧弧拱线范围内布置一排，待钢管全部安装到位后，用水泥浆进行灌浆(灌浆由稀到浓，水灰比为4:1、3:1、2:1、1:1、0.5:1五个等级)，水泥浆通过钢管上的梅花行小孔渗入到破碎岩石的裂隙中，水泥浆发生水化反应硬化后，将破碎的岩石连接为一个整体，这样就提高了开挖的安全性。先进行导流洞进口渐变段顶拱第一层开挖、支护，以二米一段为开挖进程，在开挖的顶拱弧拱范围，有了管棚作为支撑，所开挖部位在短时间内不会出现塌方，2m一段的进程顶拱岩石部分完全开挖完成后，立即进行初衬工字钢(间距800mm)的衬砌施工，每榀工字钢与钢管的交叉接触点必须采用焊接技术连接牢固，每榀工字钢必须采用锁口锚杆(间距500mm)牢牢地锁紧在岩石上，每榀工字钢之间内侧再采用钢筋网连接，喷混凝土防止细小岩石掉落伤人。第一段初衬完工后，继续进行第二段二米一段进程的岩石开挖，开挖完成后，第二段就悬空了，没有做初衬，在短时间内并没有塌方的危险，因为悬空段的两端，一端是第一段的初衬工字钢管棚架作为支撑，安全性很高，另一端是还没有开挖的岩石洞体作为支撑，安全性也很高，虽然第二段位于中间悬空段，但是有了管棚钢管(间距800mm)作为顶上支撑架体，没有大塌方的危险，安全保障很高。为了把危险降低到最低，第二段悬空部分开挖完成后还是要立即做好初衬支护，这样循环地进行岩石开挖、初衬支护掘进，既保证了导流洞工程施工的安全性，又保证了工期。(二)导流洞进口渐变段阶梯型下挖、初衬支护施工。待进口30米长岩石破碎的渐变段弧拱开挖、初衬支护完成后，就能进行导流洞进口渐变段的下挖施工。由于进口渐变段岩石破碎，下挖施工容易出现边墙崩塌的危险，我们仍然采取“稳中求进”的原则，下挖施工仍然不能冒进，纵向以二米一段为开挖进程，垂直方向开挖高度为5米，不能一次性开挖到底，横向以两边墙向中间方向开挖进行，边墙下挖完成一段，就立即进行边墙的工字钢初衬支护稳定施工，防止空置过长，出现边墙崩塌的危险，并且针对特别不利的部位，还应该打入九米长的锚筋桩(用钻机钻孔，成孔后放入用三根直径32mm制作的锚筋桩，用水泥浆进行灌浆，水灰比为2:1、1:1、0.5:1)加强支护措施，锁住导流洞边墙(为防止渗水压力，还要做排水孔)。第二层开挖、初衬支护完成后，才能继续下挖第三层。为保护导流洞底板岩石完整性，底部应留500mm保护层不能开挖到底，待进行底板钢筋施工临近前才能开挖到底。3.遵照规范、科学检测：在导流洞进口渐变段初衬支护过程中，为了进一步提高导流洞进口渐变段开挖、支护的安全性，将安全事故发生率降到更低，我们需要均匀布置应力变形检测点，要做到科学检测、勤检测，采集数据并保存完整，若发现不正常的岩石变形应力数据，必须立即采取科学的应对措施，做到不给安全留隐患。

四、管棚法施工工艺与其他施工工艺的比较
管棚法施工工艺相比其他施工工艺有明显优势。(一)超前锚杆施工工艺。这种工艺的难度主要在于超前锚杆要斜向上30°～45°，钻孔难度很大，成孔后插入锚杆，灌入水泥浆。由于灌浆是倾斜向上的，水泥浆会向下流动，对破碎岩石缝隙的粘结很差，岩石整体的稳定性较差，灌浆效果很难满足开挖技术工艺的要求，在开挖过程中容易出现塌方现象，既延误了工期，又会造成比较重大的设备损失和人员伤亡。(二)小范围岩石开挖施工工艺。这种工艺是在没有超前支护的情况下开挖的，只能采取小范围开挖，小范围支护，不能大范围大药量放炮，施工进度缓慢。由于初期衬砌是采取小范围支护，小范围支护衬砌之间的衔接工艺难度大，其初衬支护的整体性效果较差，存在较大塌方的可能性，安全隐患较大。
五、结束语
管棚法施工工艺实用范围较广，特别是对岩性较差的隧道进出口，其安全性极高。从隧道工程的实践中，我们要坚持“稳中求进”的原则，即隧道工程施工过程中无较大质量、安全事故发生，就是隧道工程施工的上上策。