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【摘 要】本文介绍大断面洞室开挖及支护施工方法在埃塞俄比亚GD-3水电站工程施工中的运用。这些施工工艺、方法的使用，使该工程在工程质量、安全、进度上取得了较好的效果，并为后续工程提供了可借鉴经验。
【关键词】水利工程；大跨度平顶洞室；开挖技术；支护措施
1工程简介
1.1工程概述。GD-3水电站位于埃塞俄比亚首都亚的斯南部稍偏东约400km，靠近索马里、肯尼亚边境地带。电站装机容量254MW，有效库容2310Mm3，具备多年调节性能。GD‐3水电站主要由坝区建筑物、引水系统建筑物以及厂房建筑物三大部分组成。电站进水口位于大坝左岸上游，由进口喇叭口洞段、检修闸门竖井、渐变段组成，接引水隧洞通往地下厂房。本文主要讲述进口喇叭口段的开挖及支护施工方法。喇叭口段洞洞身长度28.465m，底板水平，洞顶沿水流方向为圆曲线，垂直水流方向为平顶矩形断面，洞口最大开挖断面为13.22m高×16.90m宽，断面面积223.4㎡，，衬砌厚度1.0m，上部围岩体最小厚度12.12m。。
1.2地质条件。从已开挖的洞脸边坡地质情况显示，受地质构造影响，洞脸边坡岩体发育一组陡倾角优势节理，岩体节理裂隙发育，裂隙走向与洞轴线小角度斜交，岩体呈碎石状镶嵌结构，属Ⅳ类围岩，结构面组合不利于大跨度洞挖围岩稳定。
2洞挖施工程序及方法
该工程喇叭口段断面属特大跨度平顶矩形断面，施工难度大，根据工程结构特点及现场实际情况，结合技术、安全、经济等多方面因素考量，决定采用综合台阶开挖法，进水口喇叭口洞段采取分上、下两个半洞开挖。
2.1上半洞开挖程序及方法。上半洞开挖高度8.0m，分左、右两个半洞掘进，右半洞底部设超前导洞，导洞开挖断面尺寸4m×3m。导洞超前2m掘进，右半洞跟进扩挖，当右半洞掘进和支护8m洞深后，开始左半洞开挖支护施工。洞口段导洞循环进尺按2m控制，半洞扩挖钻孔进尺按1m控制，采取浅孔小药量方法爆破施工。进洞后当围岩稳定、条件好转时，循环钻孔进尺适当增加，但不超过3m。由于原设计洞挖断面为平顶，不利于洞挖后顶部围岩稳定，也不利于支撑钢拱架的受力。因此，在左、右上半洞洞顶中部，从设计轮廓线向上扩挖0.5m，两侧边墙处钻孔位置从设计轮廓线下移0.5m，形成1m高的“m”型顶拱。两半洞顶拱间交接部位处，低于设计线0.5m的三角体，在后掘进半洞爆破时爆破炸除。洞室开挖使用手风钻钻孔，根据岩性及地质情况，采用楔形掏槽的方式，周边采用光面爆破，周边孔孔距为50～60cm，崩落孔梅花形布置。中导孔平均单耗为1.42～1.52kg/m3。扩挖平均单耗1.2～1.35kg/m3，装药采用钻孔台车进行。开挖出渣采用装载机进行，自卸车运输，洞内排险由反铲进行。⑴周边光爆孔爆破参数：孔径为42～45mm；孔距为50～60mm；最小抵抗线为45～55cm；炸药为Φ32mm乳化炸药；不耦合系数为1.3～1.5；线装药密度为200～250g/m（Ⅳ类围岩）。⑵装药结构和起爆：周边光爆孔采用细药卷，周边炮孔的底脚孔装一个粗药卷，以克服岩体的挟制作用。爆破按掏槽孔、崩落孔、周边光爆孔顺序由内到外分段起爆，其中光爆孔边墙先于顶拱起爆，以确保光面爆破效果。
2.2下半洞开挖程序及方法。下半洞在左、右两边侧墙预留2m厚保护层，中部采用顶部垂直爆破孔加底部水平预裂孔一次性爆破挖除，两侧预留保护层采用光爆加辅助孔爆破挖除。
⑴边墙爆破参数：孔径42～45mm，孔距50～60cm；250～300g/m（Ⅳ类围岩）。
⑵主爆破孔参数：孔径42～45mm，孔间排距1×1m，钻孔角度铅垂，单耗0.6kg/m3.
⑶底板水平预裂：孔深3.0m，线装药密度250g/m，孔径45mm，孔距50cm，堵塞长度0.8m，实测单循环进尺2.6m。
3洞挖支护措施
3.1设计支护措施。⑴洞脸坡面设置25锚杆，L=4.5m，间排距2m×2m，外露100mm，垂直岩面梅花形布置，喷混凝土厚度100mm，强度30MPa。⑵洞口顶部2排锁口锚杆，锚杆规格28，L=9m，间排距1.0m×1.0m，外露100mm，梅花形布置。⑶洞内永久支护措施：在开挖揭露的洞壁布置25锚杆，L=3m，间排距1.2m×1.2m，外露100mm，梅花形布置，喷100mm厚30MPa砼，随洞挖循环及时跟进。
3.2施工期增加支护措施。⑴根据洞挖跨度及围岩实际情况，为保证施工安全及质量，在洞挖前从洞室上方的EL.1091.5m平台，以近似洞脸坡度的角度向下按2.0m×2.0m的间排距打孔灌注纯水泥浆，钻孔直径80～100mm，灌浆浆液水灰比由0.8：1变至封孔时的0.5：1，灌浆结束后在孔内插入12m长的28锚筋，预锚固洞顶岩体。⑵在洞挖过程中根据现场具体情况，在爆破钻孔前，设置超前锚杆，超前锚杆规格：25锚杆，L=3m，按与设计轮廓线呈10°～15°角度上扬钻孔。⑶每循环爆破结束排除危石后，及时架设钢拱架加强支护，钢拱架采用I20工字钢，由于顶拱跨度较大，在拱架两侧增设各两根斜撑，斜撑在隧洞衬砌前割除。拱架安装前，为确保施工安全，可先对岩面进行素喷混凝土以封闭岩面。钢拱架安装时，应紧贴岩面，对于空腔部位，不允许填塞木料或块石，可采用喷混凝土填充或型钢进行支撑，避免出现顶拱出现空腔。相邻拱架间采用25钢筋连接，钢筋间距50cm，拱架与岩面采用锚杆（25锚杆，L=3m）固定，锚杆间距1.5m。⑷洞内支护在设计永久支护措施的基础上全洞段增加φ6鋼筋网片。
4质量控制措施
为保证洞室开挖断面满足设计文件要求，洞室周边开挖均采用光面爆破技术，以形成光滑的开挖面，并使开挖超挖量控制在允许范围内。所有建基面开挖均不允许有任何形式的欠挖，在施工过程中还采取了如下控制措施：⑴施工前认真仔细熟悉图纸，做好施工技术质量交底，严格按方案及规程、规范组织施工，合理布置开挖工作面。⑵每一个循环开挖前，有测量人员采用全站仪进行现场放样，在掌子面上标出中心、腰线和开挖轮廓线，确保所有的钻孔位置准确，提高开挖面平整度和半孔残存率，确保开挖面岩石完整、平顺整齐。⑶周边孔钻孔时采用定人、定机、定区域钻孔，落实钻孔责任制度，确保钻孔角度、深度在允许范围内。⑷关键部位如顶拱不良地质地段、采用短进尺，弱爆破，严格控制超挖值。⑸周边孔采用不耦合装药，控制残孔率，每次爆破后及时进行总结，并优化爆破参数。
5安全措施
⑴加强对员工的安全教育，提高施工安全意识。⑵施工人员必须按劳保要求着装，在洞口设置安全标志牌、警示牌，施工机械应合理布置以免出现安全事故，施工机械应停放在安全处。⑶严格执行爆破安全技术措施，并在爆破作业是设置爆破安全警戒标识，做好人员、设备撤离及防护工作。⑷及时对围岩进行钢拱架支护和喷锚支护，支护施工前检查作业区围岩稳定情况，必要时进行适当处理，不得冒进。坚持每循环敲帮问顶，配合反铲和专业撬工，搞好安全排险，不留安全隐患。⑸电站进水口洞顶岩体节理裂隙发育，结构面组合不利于大跨度洞挖围岩稳定，施工中特别注意，加强地质条件复杂洞段的围岩监测，发现异常及时处理；对不良地质带采取“弱爆破”开挖，有效的控制爆破对围岩的破坏作用，增加围岩的自稳能力，防止产生塌方情况，保障施工安全。
6效果评价
最终，电站进水口喇叭口洞段安全、顺利贯通，该分部工程开挖质量得到了设计单位和业主代表的一直认可。开挖支护效果见图1。
图1 GD-3电站进水口喇叭口洞段开挖效果图
7结语
针对本工程电站进水口大跨度平顶洞室、地质条件差的特点，结合施工经验，分别采用了“分层分块开挖”、“设置超前导洞”、“平顶部预起拱”的开挖施工方法。隧洞支护方面，在洞外采用了“洞脸设置锁口锚杆”、“上部围岩体架设钢筋桩”、“洞脸边坡系统锚喷支护”的支护方式、并结合洞内“系统锚杆+挂网喷护”“钢拱架支撑”等支护措施，在保证洞挖施工安全的前提条件下，加快了施工进度。该方法行之有效，并对今后类似工程的施工有一定的借鉴经验。
【关键词】水利工程；大跨度平顶洞室；开挖技术；支护措施
1工程简介
1.1工程概述。GD-3水电站位于埃塞俄比亚首都亚的斯南部稍偏东约400km，靠近索马里、肯尼亚边境地带。电站装机容量254MW，有效库容2310Mm3，具备多年调节性能。GD‐3水电站主要由坝区建筑物、引水系统建筑物以及厂房建筑物三大部分组成。电站进水口位于大坝左岸上游，由进口喇叭口洞段、检修闸门竖井、渐变段组成，接引水隧洞通往地下厂房。本文主要讲述进口喇叭口段的开挖及支护施工方法。喇叭口段洞洞身长度28.465m，底板水平，洞顶沿水流方向为圆曲线，垂直水流方向为平顶矩形断面，洞口最大开挖断面为13.22m高×16.90m宽，断面面积223.4㎡，，衬砌厚度1.0m，上部围岩体最小厚度12.12m。。
1.2地质条件。从已开挖的洞脸边坡地质情况显示，受地质构造影响，洞脸边坡岩体发育一组陡倾角优势节理，岩体节理裂隙发育，裂隙走向与洞轴线小角度斜交，岩体呈碎石状镶嵌结构，属Ⅳ类围岩，结构面组合不利于大跨度洞挖围岩稳定。
2洞挖施工程序及方法
该工程喇叭口段断面属特大跨度平顶矩形断面，施工难度大，根据工程结构特点及现场实际情况，结合技术、安全、经济等多方面因素考量，决定采用综合台阶开挖法，进水口喇叭口洞段采取分上、下两个半洞开挖。
2.1上半洞开挖程序及方法。上半洞开挖高度8.0m，分左、右两个半洞掘进，右半洞底部设超前导洞，导洞开挖断面尺寸4m×3m。导洞超前2m掘进，右半洞跟进扩挖，当右半洞掘进和支护8m洞深后，开始左半洞开挖支护施工。洞口段导洞循环进尺按2m控制，半洞扩挖钻孔进尺按1m控制，采取浅孔小药量方法爆破施工。进洞后当围岩稳定、条件好转时，循环钻孔进尺适当增加，但不超过3m。由于原设计洞挖断面为平顶，不利于洞挖后顶部围岩稳定，也不利于支撑钢拱架的受力。因此，在左、右上半洞洞顶中部，从设计轮廓线向上扩挖0.5m，两侧边墙处钻孔位置从设计轮廓线下移0.5m，形成1m高的“m”型顶拱。两半洞顶拱间交接部位处，低于设计线0.5m的三角体，在后掘进半洞爆破时爆破炸除。洞室开挖使用手风钻钻孔，根据岩性及地质情况，采用楔形掏槽的方式，周边采用光面爆破，周边孔孔距为50～60cm，崩落孔梅花形布置。中导孔平均单耗为1.42～1.52kg/m3。扩挖平均单耗1.2～1.35kg/m3，装药采用钻孔台车进行。开挖出渣采用装载机进行，自卸车运输，洞内排险由反铲进行。⑴周边光爆孔爆破参数：孔径为42～45mm；孔距为50～60mm；最小抵抗线为45～55cm；炸药为Φ32mm乳化炸药；不耦合系数为1.3～1.5；线装药密度为200～250g/m（Ⅳ类围岩）。⑵装药结构和起爆：周边光爆孔采用细药卷，周边炮孔的底脚孔装一个粗药卷，以克服岩体的挟制作用。爆破按掏槽孔、崩落孔、周边光爆孔顺序由内到外分段起爆，其中光爆孔边墙先于顶拱起爆，以确保光面爆破效果。
2.2下半洞开挖程序及方法。下半洞在左、右两边侧墙预留2m厚保护层，中部采用顶部垂直爆破孔加底部水平预裂孔一次性爆破挖除，两侧预留保护层采用光爆加辅助孔爆破挖除。
⑴边墙爆破参数：孔径42～45mm，孔距50～60cm；250～300g/m（Ⅳ类围岩）。
⑵主爆破孔参数：孔径42～45mm，孔间排距1×1m，钻孔角度铅垂，单耗0.6kg/m3.
⑶底板水平预裂：孔深3.0m，线装药密度250g/m，孔径45mm，孔距50cm，堵塞长度0.8m，实测单循环进尺2.6m。
3洞挖支护措施
3.1设计支护措施。⑴洞脸坡面设置25锚杆，L=4.5m，间排距2m×2m，外露100mm，垂直岩面梅花形布置，喷混凝土厚度100mm，强度30MPa。⑵洞口顶部2排锁口锚杆，锚杆规格28，L=9m，间排距1.0m×1.0m，外露100mm，梅花形布置。⑶洞内永久支护措施：在开挖揭露的洞壁布置25锚杆，L=3m，间排距1.2m×1.2m，外露100mm，梅花形布置，喷100mm厚30MPa砼，随洞挖循环及时跟进。
3.2施工期增加支护措施。⑴根据洞挖跨度及围岩实际情况，为保证施工安全及质量，在洞挖前从洞室上方的EL.1091.5m平台，以近似洞脸坡度的角度向下按2.0m×2.0m的间排距打孔灌注纯水泥浆，钻孔直径80～100mm，灌浆浆液水灰比由0.8：1变至封孔时的0.5：1，灌浆结束后在孔内插入12m长的28锚筋，预锚固洞顶岩体。⑵在洞挖过程中根据现场具体情况，在爆破钻孔前，设置超前锚杆，超前锚杆规格：25锚杆，L=3m，按与设计轮廓线呈10°～15°角度上扬钻孔。⑶每循环爆破结束排除危石后，及时架设钢拱架加强支护，钢拱架采用I20工字钢，由于顶拱跨度较大，在拱架两侧增设各两根斜撑，斜撑在隧洞衬砌前割除。拱架安装前，为确保施工安全，可先对岩面进行素喷混凝土以封闭岩面。钢拱架安装时，应紧贴岩面，对于空腔部位，不允许填塞木料或块石，可采用喷混凝土填充或型钢进行支撑，避免出现顶拱出现空腔。相邻拱架间采用25钢筋连接，钢筋间距50cm，拱架与岩面采用锚杆（25锚杆，L=3m）固定，锚杆间距1.5m。⑷洞内支护在设计永久支护措施的基础上全洞段增加φ6鋼筋网片。
4质量控制措施
为保证洞室开挖断面满足设计文件要求，洞室周边开挖均采用光面爆破技术，以形成光滑的开挖面，并使开挖超挖量控制在允许范围内。所有建基面开挖均不允许有任何形式的欠挖，在施工过程中还采取了如下控制措施：⑴施工前认真仔细熟悉图纸，做好施工技术质量交底，严格按方案及规程、规范组织施工，合理布置开挖工作面。⑵每一个循环开挖前，有测量人员采用全站仪进行现场放样，在掌子面上标出中心、腰线和开挖轮廓线，确保所有的钻孔位置准确，提高开挖面平整度和半孔残存率，确保开挖面岩石完整、平顺整齐。⑶周边孔钻孔时采用定人、定机、定区域钻孔，落实钻孔责任制度，确保钻孔角度、深度在允许范围内。⑷关键部位如顶拱不良地质地段、采用短进尺，弱爆破，严格控制超挖值。⑸周边孔采用不耦合装药，控制残孔率，每次爆破后及时进行总结，并优化爆破参数。
5安全措施
⑴加强对员工的安全教育，提高施工安全意识。⑵施工人员必须按劳保要求着装，在洞口设置安全标志牌、警示牌，施工机械应合理布置以免出现安全事故，施工机械应停放在安全处。⑶严格执行爆破安全技术措施，并在爆破作业是设置爆破安全警戒标识，做好人员、设备撤离及防护工作。⑷及时对围岩进行钢拱架支护和喷锚支护，支护施工前检查作业区围岩稳定情况，必要时进行适当处理，不得冒进。坚持每循环敲帮问顶，配合反铲和专业撬工，搞好安全排险，不留安全隐患。⑸电站进水口洞顶岩体节理裂隙发育，结构面组合不利于大跨度洞挖围岩稳定，施工中特别注意，加强地质条件复杂洞段的围岩监测，发现异常及时处理；对不良地质带采取“弱爆破”开挖，有效的控制爆破对围岩的破坏作用，增加围岩的自稳能力，防止产生塌方情况，保障施工安全。
6效果评价
最终，电站进水口喇叭口洞段安全、顺利贯通，该分部工程开挖质量得到了设计单位和业主代表的一直认可。开挖支护效果见图1。
图1 GD-3电站进水口喇叭口洞段开挖效果图
7结语
针对本工程电站进水口大跨度平顶洞室、地质条件差的特点，结合施工经验，分别采用了“分层分块开挖”、“设置超前导洞”、“平顶部预起拱”的开挖施工方法。隧洞支护方面，在洞外采用了“洞脸设置锁口锚杆”、“上部围岩体架设钢筋桩”、“洞脸边坡系统锚喷支护”的支护方式、并结合洞内“系统锚杆+挂网喷护”“钢拱架支撑”等支护措施，在保证洞挖施工安全的前提条件下，加快了施工进度。该方法行之有效，并对今后类似工程的施工有一定的借鉴经验。