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[摘要]水电站引水隧洞的竖井和弯管段的开挖历来是施工的难题。本文结合湖北房县三里坪水利枢纽地下电站引水隧洞开挖施工实践，阐述了中小型电站引水隧洞弯段及竖井段测量、开挖实用技术，其中竖井采用导井人工开挖方案，可供类似工程借鉴。
[关键词]三里坪水电站 引水隧洞 弯段 竖井 测量 开挖
[中图分类号] TV745 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-12-208-2
1概述
三里坪水利枢纽工程位于湖北省房县境内，是汉江一级支流南河流域梯级开发的最大“龙头”水库和电站。枢纽主要由混凝土拱坝及泄洪建筑物、发电引水系统、地下电站厂房、地面开关站等组成。其地下电站引水隧洞由渐变段、上平段、上弯段、竖井、下平段、下弯段及岔管段组成，总长227.84m。其中上弯段及竖井段开挖断面为R325cm圆形断面，竖井深53.05m，下弯段、下平段开挖断面为R355cm圆形，衬砌后断面均为R275cm圆形。岔管段为变截面形式。
2主要地质条件
引水隧洞段从引水渠至岔管段穿越？1t1+2泥质条带灰岩夹鲕粒灰岩、灰质串珠体页岩、豆状灰岩岩层，走向与洞轴线交角约14°，视倾角50°左右。岩体均为微新岩体，完整性好、岩石坚硬、透水性微弱，多属Ⅱ类良质岩体。
穿越？1t1+2的洞段以层面裂隙及走向NNE、NWW两组陡倾组合，并有在泥质条带灰岩、豆状灰岩岩层中发育一定数量的缓倾裂隙，虽均较短小且多被方解石充填，但可能存在顶拱不稳定块体，造成顶拱局部塌落。
3总体施工方案
根据工程实际情况，引水隧洞开挖与支护总体施工方案如下：
（1）引水隧洞开挖设两个工作面，下平段、下弯段从交通洞、3#施工支洞进入进行施工。上平段、上弯段从2#施工支洞进入进行施工。
（2）竖井段加上、下弯段共深79.25m，采用先开挖溜渣井，然后扩挖成型。溜渣井直径2.0m，先从上往下及从下往上各开挖20m深，中间约40m深利用潜孔钻一次性钻孔爆破成型，开挖渣料经3#施工支洞、交通洞运出洞外。
（3）引水隧洞下部施工工作面施工用电及供风，全部采用设于开关占回填区域外的变压器和集中供风站，经交通洞、3#施工支洞引入。施工供水在交通洞洞口上方山坡上设一2×3×1m的水池，水池采用3mm厚钢板制作。在南河设一扬程80m高的螺杆泵往水池供水，然后从水池引向各工作面。上部施工工作面风、水、电供应站全部设在2#施工支洞洞口。
（4）开挖的石渣主要用于砂石加工、开关站的回填，多余部分弃至李子沟大桥旁的弃渣场。
施工程序安排如图3-1：引水隧洞开挖程序图。
4主要施工方法
4.1弯段及竖井测量放样
90°弯道开挖的测量放样是该引水隧洞施工的一个技术难点。在施工中，如果不能很好地解决弯道开挖的测量放样问题，很容易出现超欠挖情况，进而很难确保隧洞的开挖尺寸和规格满足设计要求。本工程中，在曲线段每个循环钻孔前均进行设计开挖轮廓线放样，并检查上一个循环的超欠挖情况，检测结果及时向现场施工技术人员进行交底。直线段由现场施工技术人员根据前一段预留的点位进行放样，但不超过3个循环，由测量专业人员放样校核。测量放样内容包括：洞中心线和顶拱中心线，底板高程，掌子面的桩号（每隔10米在洞内打一条桩号线）、设计轮廓线、两侧腰线。并按钻爆设计图要求，在掌子面放出炮孔孔位。
4.1.1测量仪器
采用拓普康GPT-3002LN型全站仪，跟踪杆，C32Ⅱ自动安平水准仪，5m铝合金塔尺。
4.1.2测量方法
依据设计总平面图﹑定位图及施工设计方案，采用极坐标法用全站仪标定竖井的定位轴线，用经纬仪配合钢尺确定开挖边线。用水准仪测量开挖边线周围的地面高程，用以确定开挖的深度。分层开挖时，及时向竖井内传递高程（高程点布置在护坡桩上），水准测量依据《工程测量规范》四等水准测量进行。当竖井开挖到底层时，重新用水准仪和50m钢尺向竖井内传递高程，高程的传递独立进行3次，互差不大于3mm，取3次成果的平均值作为最后高程值。同时测设5m×5m的方格网，方格网节点标高值不得超过设计值5cm；在竖井四周的护坡桩上以10m的间距测设下返50cm到竖井底的高程桩。
4.1.3坐标传递测量
在进行坐标传递过程中，采用拓普康GPT-3002LN 激光全站仪。向地下传递三维坐标时，由三角测量形成的三角形组成三角形网，可以达到施工要求的精度。
联系三角形定向应满足：（1）从地面近井点通过竖井定向，传递到地下近井点的坐标相对地面近全站仪测定铅垂仪纵轴坐标的中误差应在±3mm之内。（2）从地面近井点通过竖井定向，传递到地下近井点的坐标相对地面近井点的允许误差应在±10mm之内。在井下建立2～3个固定导线点。
4.1.4高程传递测量
采用检定过的钢卷尺，吊10公斤重锤，井上井下两台水准仪同时读数，将高程传递至井下的水准控制点，在井下建立2～3个固定水准点。传递高程时，每次应独立观测三测回，每测回应变动仪器高度，三测回测得地上、地下水准点的高差较差应小于3mm。
4.1.5井下导线控制点的建立
在隧道底板上每隔100m做一预埋钢板，在预埋钢板上做导线控制点，用Ⅰ级全站仪进行测量，测角四测回（左、右角各二测回，左、右角平均值之和与360°的较差应小于4″），测边往返观测各二测回，用严密平差进行数据处理，点位中误差小于±10mm。以后以此导线点控制隧道的前进方向。
4.1.6井下高程控制点的建立
从传递至井下的水准控制点开始，每隔100m左右做1水准控制点，做在不易被破坏的隧道帮上，水准测量采用二等精密水准测量往返测水准路线的方法和±8L mm（L为水准路线长，以km计）的精度要求进行施测。 4.1.7隧道施工轴线的测设
利用传递的坐标点在竖井壁上测设暗挖轴线点（或轴线的平行线），用C32Ⅱ自动安平水准仪测设暗挖隧道起拱线高程点。进而标出中轴线指导隧道的施工。同时在洞口底板埋设的钢板上测设暗挖轴线上的里程点。随着施工的进行，直线段隧道每前进10m（曲线段为5m）测设一组方向线点（至少三个点），点间距不小于0.5m；同时测设一个里程点（方向线上点），里程点、竖井坐标传递点和地面控制导线点组成复测支导线，用测回法进行往返测量，根据里程点和贯通相遇点的坐标反算出坐标方位角，及时对隧道的方向线进行调整。
4.2引水隧洞弯段及平段施工
弯段及平段施工按新奥法原理采用全断面掘进施工，本着“弱爆破、短进尺、少扰动、早喷锚”的施工原则，适时根据监控量测结果及时调整开挖方法，恰当调整设计参数。
隧洞正式施工前先做好爆破设计，进行爆破试验，取得爆破参数修改爆破设计报工程师批准后开始实施。其施工工艺流程为：施工准备→测量放样→钻孔→人工装药→联网爆破→通风排烟→排险、出碴→跟进初期支护及量测→下一个循环。
弯段开挖为该引水隧洞施工的一大难点，传统的施工机械、施工工艺等很难满足工程需要。该工程采用I14工字钢自行制作简易钻爆台车，提高了钻爆台车的适应性。采用YT-28气腿钻造孔，为减少洞内粉尘，采用湿法造孔。分区分部位定人定位钻孔，熟练的操作手负责周边孔和掏槽孔造孔，周边孔向外倾斜10至20厘米，以便留出下一循环光爆孔钻孔部位。钻孔过程中保证各炮孔相互平行，钻孔底均落在同一断面上。
炮孔经检查合格后，进行装药爆破。装药前用高压风吹洗钻孔，爆破孔采取柱状连续装药，周边孔采取空气间隔装药。爆破完成后，出渣采用ZL50C装载机装渣，10吨自卸车运渣。
4.3竖井段施工
竖井施工采用先开挖溜渣井，后扩挖成型的方法。溜渣井直径2.0m，采用钻爆法开挖。
4.3.1溜渣井开挖
溜渣井开挖难度较大，本工程中，先沿竖井轴线从上往下及从下往上用手风钻各开挖20m，每次钻孔孔深1.5m。从上往下施工时，在上平段安装一1t卷扬机挂吊笼作为人员、机具及出渣的工具。从下往上施工时，每隔1m高在已开挖成型的溜渣井井壁对称钻2排50cm深的φ50孔，用φ42脚手架钢管穿入对称的两孔，并在其上搁竹跳板作为施工平台。每次钻孔、装药完毕放炮前拆除钢管及竹跳板，放炮完成后重新搭设施工平台。这样的施工程序能够确保溜渣井的开挖进度及施工安全。
溜渣井中间40m用潜孔钻钻孔，一次爆破成型。
4.3.2竖井扩挖
竖井扩挖采用手风钻从上往下施工，每次钻孔孔深2.5m，并形成从井壁向溜渣井倾斜的坡度，坡比1：4，以利扒渣。竖井扩挖施工周边孔采用光面爆破技术，每次钻孔前利用设在竖井正上方的轴线点吊垂线放出竖井边线。人员、机具上下利用卷扬机挂吊笼进出。
4.3.3出渣
溜渣井从上往下开挖的石渣采用人工装渣，卷扬机提升后用斗车运至上平段堆放，然后集中用ZL50C装载机装渣，15t自卸车运输，经2#施工支洞运出洞外。溜渣井从下往上开挖及竖井扩挖石渣直接落入引水隧洞下平段，利用ZL50C装载机装渣，15t自卸车运渣经3#施工支洞、交通洞运出洞外。竖井扩挖时，残留在工作面上的石渣用人工扒渣，掉入下平段运出。
4.3.4锚喷支护施工
竖井锚喷支护施工在上层扩挖完成及时进行，在下层扩挖爆破前完成。施工方法与平洞锚喷支护施工方法相同。
5结语
目前，随着施工技术的进步和施工机械的发展，反井钻机在竖、斜井导井施工中得到了较为广泛的应用，与本工程中应用的导井人工开挖的施工方法相比，反井钻机虽具有速度快、安全性高的优点，但同时也存在设备投入大的缺点。本工程中的引水隧洞规模较小，深度不足80m，选用导井人工开挖的施工方案，使工程投入达到最小，在保证了施工安全和质量的前提下，节约了施工成本，创造了较好的经济效益。该工程的成功经验可在中小型电站引水隧洞施工中借鉴使用。
[关键词]三里坪水电站 引水隧洞 弯段 竖井 测量 开挖
[中图分类号] TV745 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-12-208-2
1概述
三里坪水利枢纽工程位于湖北省房县境内，是汉江一级支流南河流域梯级开发的最大“龙头”水库和电站。枢纽主要由混凝土拱坝及泄洪建筑物、发电引水系统、地下电站厂房、地面开关站等组成。其地下电站引水隧洞由渐变段、上平段、上弯段、竖井、下平段、下弯段及岔管段组成，总长227.84m。其中上弯段及竖井段开挖断面为R325cm圆形断面，竖井深53.05m，下弯段、下平段开挖断面为R355cm圆形，衬砌后断面均为R275cm圆形。岔管段为变截面形式。
2主要地质条件
引水隧洞段从引水渠至岔管段穿越？1t1+2泥质条带灰岩夹鲕粒灰岩、灰质串珠体页岩、豆状灰岩岩层，走向与洞轴线交角约14°，视倾角50°左右。岩体均为微新岩体，完整性好、岩石坚硬、透水性微弱，多属Ⅱ类良质岩体。
穿越？1t1+2的洞段以层面裂隙及走向NNE、NWW两组陡倾组合，并有在泥质条带灰岩、豆状灰岩岩层中发育一定数量的缓倾裂隙，虽均较短小且多被方解石充填，但可能存在顶拱不稳定块体，造成顶拱局部塌落。
3总体施工方案
根据工程实际情况，引水隧洞开挖与支护总体施工方案如下：
（1）引水隧洞开挖设两个工作面，下平段、下弯段从交通洞、3#施工支洞进入进行施工。上平段、上弯段从2#施工支洞进入进行施工。
（2）竖井段加上、下弯段共深79.25m，采用先开挖溜渣井，然后扩挖成型。溜渣井直径2.0m，先从上往下及从下往上各开挖20m深，中间约40m深利用潜孔钻一次性钻孔爆破成型，开挖渣料经3#施工支洞、交通洞运出洞外。
（3）引水隧洞下部施工工作面施工用电及供风，全部采用设于开关占回填区域外的变压器和集中供风站，经交通洞、3#施工支洞引入。施工供水在交通洞洞口上方山坡上设一2×3×1m的水池，水池采用3mm厚钢板制作。在南河设一扬程80m高的螺杆泵往水池供水，然后从水池引向各工作面。上部施工工作面风、水、电供应站全部设在2#施工支洞洞口。
（4）开挖的石渣主要用于砂石加工、开关站的回填，多余部分弃至李子沟大桥旁的弃渣场。
施工程序安排如图3-1：引水隧洞开挖程序图。
4主要施工方法
4.1弯段及竖井测量放样
90°弯道开挖的测量放样是该引水隧洞施工的一个技术难点。在施工中，如果不能很好地解决弯道开挖的测量放样问题，很容易出现超欠挖情况，进而很难确保隧洞的开挖尺寸和规格满足设计要求。本工程中，在曲线段每个循环钻孔前均进行设计开挖轮廓线放样，并检查上一个循环的超欠挖情况，检测结果及时向现场施工技术人员进行交底。直线段由现场施工技术人员根据前一段预留的点位进行放样，但不超过3个循环，由测量专业人员放样校核。测量放样内容包括：洞中心线和顶拱中心线，底板高程，掌子面的桩号（每隔10米在洞内打一条桩号线）、设计轮廓线、两侧腰线。并按钻爆设计图要求，在掌子面放出炮孔孔位。
4.1.1测量仪器
采用拓普康GPT-3002LN型全站仪，跟踪杆，C32Ⅱ自动安平水准仪，5m铝合金塔尺。
4.1.2测量方法
依据设计总平面图﹑定位图及施工设计方案，采用极坐标法用全站仪标定竖井的定位轴线，用经纬仪配合钢尺确定开挖边线。用水准仪测量开挖边线周围的地面高程，用以确定开挖的深度。分层开挖时，及时向竖井内传递高程（高程点布置在护坡桩上），水准测量依据《工程测量规范》四等水准测量进行。当竖井开挖到底层时，重新用水准仪和50m钢尺向竖井内传递高程，高程的传递独立进行3次，互差不大于3mm，取3次成果的平均值作为最后高程值。同时测设5m×5m的方格网，方格网节点标高值不得超过设计值5cm；在竖井四周的护坡桩上以10m的间距测设下返50cm到竖井底的高程桩。
4.1.3坐标传递测量
在进行坐标传递过程中，采用拓普康GPT-3002LN 激光全站仪。向地下传递三维坐标时，由三角测量形成的三角形组成三角形网，可以达到施工要求的精度。
联系三角形定向应满足：（1）从地面近井点通过竖井定向，传递到地下近井点的坐标相对地面近全站仪测定铅垂仪纵轴坐标的中误差应在±3mm之内。（2）从地面近井点通过竖井定向，传递到地下近井点的坐标相对地面近井点的允许误差应在±10mm之内。在井下建立2～3个固定导线点。
4.1.4高程传递测量
采用检定过的钢卷尺，吊10公斤重锤，井上井下两台水准仪同时读数，将高程传递至井下的水准控制点，在井下建立2～3个固定水准点。传递高程时，每次应独立观测三测回，每测回应变动仪器高度，三测回测得地上、地下水准点的高差较差应小于3mm。
4.1.5井下导线控制点的建立
在隧道底板上每隔100m做一预埋钢板，在预埋钢板上做导线控制点，用Ⅰ级全站仪进行测量，测角四测回（左、右角各二测回，左、右角平均值之和与360°的较差应小于4″），测边往返观测各二测回，用严密平差进行数据处理，点位中误差小于±10mm。以后以此导线点控制隧道的前进方向。
4.1.6井下高程控制点的建立
从传递至井下的水准控制点开始，每隔100m左右做1水准控制点，做在不易被破坏的隧道帮上，水准测量采用二等精密水准测量往返测水准路线的方法和±8L mm（L为水准路线长，以km计）的精度要求进行施测。 4.1.7隧道施工轴线的测设
利用传递的坐标点在竖井壁上测设暗挖轴线点（或轴线的平行线），用C32Ⅱ自动安平水准仪测设暗挖隧道起拱线高程点。进而标出中轴线指导隧道的施工。同时在洞口底板埋设的钢板上测设暗挖轴线上的里程点。随着施工的进行，直线段隧道每前进10m（曲线段为5m）测设一组方向线点（至少三个点），点间距不小于0.5m；同时测设一个里程点（方向线上点），里程点、竖井坐标传递点和地面控制导线点组成复测支导线，用测回法进行往返测量，根据里程点和贯通相遇点的坐标反算出坐标方位角，及时对隧道的方向线进行调整。
4.2引水隧洞弯段及平段施工
弯段及平段施工按新奥法原理采用全断面掘进施工，本着“弱爆破、短进尺、少扰动、早喷锚”的施工原则，适时根据监控量测结果及时调整开挖方法，恰当调整设计参数。
隧洞正式施工前先做好爆破设计，进行爆破试验，取得爆破参数修改爆破设计报工程师批准后开始实施。其施工工艺流程为：施工准备→测量放样→钻孔→人工装药→联网爆破→通风排烟→排险、出碴→跟进初期支护及量测→下一个循环。
弯段开挖为该引水隧洞施工的一大难点，传统的施工机械、施工工艺等很难满足工程需要。该工程采用I14工字钢自行制作简易钻爆台车，提高了钻爆台车的适应性。采用YT-28气腿钻造孔，为减少洞内粉尘，采用湿法造孔。分区分部位定人定位钻孔，熟练的操作手负责周边孔和掏槽孔造孔，周边孔向外倾斜10至20厘米，以便留出下一循环光爆孔钻孔部位。钻孔过程中保证各炮孔相互平行，钻孔底均落在同一断面上。
炮孔经检查合格后，进行装药爆破。装药前用高压风吹洗钻孔，爆破孔采取柱状连续装药，周边孔采取空气间隔装药。爆破完成后，出渣采用ZL50C装载机装渣，10吨自卸车运渣。
4.3竖井段施工
竖井施工采用先开挖溜渣井，后扩挖成型的方法。溜渣井直径2.0m，采用钻爆法开挖。
4.3.1溜渣井开挖
溜渣井开挖难度较大，本工程中，先沿竖井轴线从上往下及从下往上用手风钻各开挖20m，每次钻孔孔深1.5m。从上往下施工时，在上平段安装一1t卷扬机挂吊笼作为人员、机具及出渣的工具。从下往上施工时，每隔1m高在已开挖成型的溜渣井井壁对称钻2排50cm深的φ50孔，用φ42脚手架钢管穿入对称的两孔，并在其上搁竹跳板作为施工平台。每次钻孔、装药完毕放炮前拆除钢管及竹跳板，放炮完成后重新搭设施工平台。这样的施工程序能够确保溜渣井的开挖进度及施工安全。
溜渣井中间40m用潜孔钻钻孔，一次爆破成型。
4.3.2竖井扩挖
竖井扩挖采用手风钻从上往下施工，每次钻孔孔深2.5m，并形成从井壁向溜渣井倾斜的坡度，坡比1：4，以利扒渣。竖井扩挖施工周边孔采用光面爆破技术，每次钻孔前利用设在竖井正上方的轴线点吊垂线放出竖井边线。人员、机具上下利用卷扬机挂吊笼进出。
4.3.3出渣
溜渣井从上往下开挖的石渣采用人工装渣，卷扬机提升后用斗车运至上平段堆放，然后集中用ZL50C装载机装渣，15t自卸车运输，经2#施工支洞运出洞外。溜渣井从下往上开挖及竖井扩挖石渣直接落入引水隧洞下平段，利用ZL50C装载机装渣，15t自卸车运渣经3#施工支洞、交通洞运出洞外。竖井扩挖时，残留在工作面上的石渣用人工扒渣，掉入下平段运出。
4.3.4锚喷支护施工
竖井锚喷支护施工在上层扩挖完成及时进行，在下层扩挖爆破前完成。施工方法与平洞锚喷支护施工方法相同。
5结语
目前，随着施工技术的进步和施工机械的发展，反井钻机在竖、斜井导井施工中得到了较为广泛的应用，与本工程中应用的导井人工开挖的施工方法相比，反井钻机虽具有速度快、安全性高的优点，但同时也存在设备投入大的缺点。本工程中的引水隧洞规模较小，深度不足80m，选用导井人工开挖的施工方案，使工程投入达到最小，在保证了施工安全和质量的前提下，节约了施工成本，创造了较好的经济效益。该工程的成功经验可在中小型电站引水隧洞施工中借鉴使用。