1工程概況
湟水和大通河均發(fā)源于青海省境內，大通河發(fā)源于青海省境內的木里山，河流自西北向東南流經青海省剛察、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)建設的湟水白川水電站項目位于甘肅省永靖縣西河鎮(zhèn)和蘭州市紅古區(qū)境內的湟水河干流上，電站為低壩無調節(jié)引水式電站，總裝機容量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標段，⑴第Ⅰ段：樁號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3+741.122～5+636.00m；總長為1894.88m。包括隧洞工程（樁號：3+741.122～4+741.122m）段、明洞工程（樁號：4+741.122～5+022.90m）段、漸變段工程（樁號：5+022.90～5+052.90m）段和Π型梯型明渠（樁號：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，采用明洞，施工結束時，上部回填開挖料，恢復原地面，對于臨時高邊坡開挖的渠段，應及時回填。
隧洞設計水深6.685m，頂拱半徑4.45m，圓心角120°，側拱和底拱半徑為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，隧洞設計有兩種斷面，既A型和B型斷面，這兩種斷面的過水斷面尺寸完全相同，只是襯砌厚度不同。A型適用于Ⅳ類圍巖，頂拱、側拱和底拱砼襯砌厚底均為0.40m，B型適用于Ⅴ類圍巖，頂拱、側拱和底拱厚均為0.50m。
進洞口高程1647.6m，洞內設計水深6.685m，頂拱半徑4.45m，圓心角180°，側拱和底拱半徑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效果圖
2工程地質條件
引水線路地質條件是：樁號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，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，砂卵礫石層結構疏松，滲透系數(shù)為60～90m/d。下覆基巖為白堊系下統(tǒng)河口群（K1hk2c）泥質粉細砂巖，強風帶厚度約1.5～2.5m。
樁號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）褐紅色泥質粉細砂巖為主，局部為泥巖、粉砂質泥巖薄層，泥質膠結，節(jié)理裂隙不發(fā)育。巖層產狀NE30～50ºNW<5～10º。該段穿越Ⅲ級階地及沖溝，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，沖溝兩側自然邊坡坡度約40～80º，目前邊坡穩(wěn)定。泥質粉細砂巖室內試驗物理力學指標：天然密度2.51～2.55g/cm3，內摩擦角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，水質對普通水泥具腐蝕性。
樁號1+517.11～3+573.9段為明洞。引水線路在湟水右岸Ⅱ級階地及后緣上通過，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，但右側沖溝中地表水對普通水泥具強腐蝕�；鶐r為白堊系下統(tǒng)河口群（K1hk2c）褐紅色泥質粉細砂巖，局部為粉砂質泥巖、泥巖及鈣質砂巖薄層，節(jié)理裂隙不發(fā)育。樁號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，沖溝兩側邊坡自然坡度約70～80º，邊坡穩(wěn)定。明洞底基礎為基巖，洞頂位于砂卵礫石層底板附近。
樁號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）褐紅色泥質粉細砂巖為主，局部為泥巖、粉砂質泥巖及鈣質砂巖薄層，泥質膠結，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖層呈薄～中厚層，單層厚度5～25cm，巖層產狀NE70ºNW∠12º，洞室圍巖弱風化帶和微風化帶中基本無地下水分布，巖壁干燥或局部潮濕。
樁號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級階地后緣及Ⅱ級階地，地形破碎，沖溝發(fā)育，地表主要為沖洪積粉質壤土（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粉細砂，結構疏松，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）褐紅色泥質粉細砂巖為主。渠底基礎多位于II級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支護手段。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定部位水平鋪設鋼管，并可以通過鋼管向圍巖注漿，對管棚周圍的圍巖進行加固，使管棚成為隧道后續(xù)開挖的防護傘（棚），達到安全施工的目的。
3.1施工方案
由于隧洞進口處有較厚的第四系松散堆積體覆蓋層，主要為碎石土，對洞口進行開挖清理，達到設計的Ⅴ類圍巖的安全邊坡。管棚位置Ⅰ段在0+635.31(洞外)～0+640.423（進洞樁號）～0+691.108、Ⅲ段在4+728.93（洞外）～4+723.58（進洞樁號）～4+673.130，根據(jù)設計圖和現(xiàn)場情況分別采用5.113m和5.35m長大管棚對隨洞口進行預支護，以利成洞安全。
3.2施工程序
明洞開挖及邊坡支護處理——采用大管棚預支護——人工或機械挖除覆蓋層及危石——支撐拱架與大管棚形成復合支護——采用自進式錨桿作為支護手段進行正常洞挖施工。
4洞口大管棚施工技術
4.1洞口及邊坡明挖施工
按設計圖紙開挖尺寸采用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，按設計坡度對邊坡進行削坡處理，再分別從洞口樁號0+640.423和4+723.58位置自上而下垂直開挖，形成進洞位置。洞口坡面防護待進洞54m進入正常洞挖后，在雨季到來前按設計要求進行防護。
4.2進洞前采用大管棚技術預支護
管棚按設計位置施工，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→安裝鉆機→鉆孔→清孔→驗孔→安裝管棚鋼管→注漿。
（2）管棚施工參數(shù)
①鋼管布設在圓心角約為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管心與襯砌設計外擴線間距為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，采用同型號工字鋼連接。
（3）施工套拱
采用C25混凝土護拱做管棚固定端，護拱在明洞外輪擴線以外，緊貼掌子面位置。護拱內埋設三榀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加工成型，在現(xiàn)場安裝。
混凝土護拱基礎：為了保證混凝土護拱基礎的穩(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。
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：用全站儀以坐標法在工字鋼上定出其平面位置，用水準尺配合安裝，保證其安裝的精確度滿足設計要求�？卓诠軕喂毯附釉诠ぷ咒撋希乐�?jié)仓炷習r產生位移。
混凝土施工：滿堂腳手架上架設木拱架作為支撐，上面拼裝組合鋼模板。采用強制式攪拌機和混凝土，混凝土攪拌車運至泵送點施工現(xiàn)場澆筑。
（4）鉆機平臺搭設及安裝鉆機
①鉆機平臺用鋼管腳手架搭設，上鋪枕木，便于根據(jù)孔位高程將鉆機平臺一次性搭好。
②平臺支撐要著實地，連接要牢固、穩(wěn)定。防止在施鉆時鉆機產生不均勻下沉、擺動、位移等影響鉆孔質量。
③鉆機定位：鉆機要求與已設定好的孔口管方向平行，必須精確定位。用8t吊車將鉆機吊至平臺上，用經緯儀、掛線、鉆桿導向相結合的方法，反復調整，確保鉆機鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。
（5）鉆孔
①采用100B潛孔鉆機鉆孔，鉆頭采用Ф110隔孔施鉆。
②鉆機開機時，可低速運轉，待成孔1m后，適當加壓。
③巖質較好的可以一次成孔；若鉆進時產生塌孔、卡鉆，需注漿待凝后再行鉆孔，根據(jù)鉆機鉆進的情況判斷成孔的質量，并及時處理鉆進過程中出現(xiàn)的事故。
④認真作好鉆進過程的原始記錄，及時對孔內巖屑進行地質判斷、描述，作為開挖洞身的地質預探預報，作為指導洞身開挖的依據(jù)。
（6）清孔和驗孔
打完孔后用高風壓斷續(xù)掃孔3min，清除浮渣至孔底，確保孔徑、孔深符合要求、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。一次性頂進長度27m。棚管接頭采用絲扣連接，絲扣長15cm，為使鋼管接頭錯開，編號為奇數(shù)的每節(jié)鋼管采用3m鋼管，編號為偶數(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。
采用注漿機將水泥漿注入管棚鋼管內，初壓0.5MPa，中壓2.0MPa，必要時摻速凝劑。注漿前先進行注漿現(xiàn)場試驗，出擬定注漿參數(shù)0.8∶1，具體參數(shù)通過現(xiàn)場試驗按實際情況確定。
4.3進口洞挖
大管棚完成以后，隧洞進口段開挖采用反鏟人工風鎬配合進行。每次開挖進尺小于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合棚狀支護。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側，緊貼鋼支撐掛Ф6.5鋼筋網片后，再噴10cm厚混凝土。
5隧洞洞身開挖超前支護施工技術
5.1施工總程序
洞身自上而下分三層進行開挖支護。ⅰ層開挖考慮到開挖機械性能及支護施工的需要，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層開挖支護完成后進行ⅱ層開挖，ⅱ層開挖支護完成后進行ⅲ層開挖。
各層均利用分別向上、下游進行平行作業(yè)，其中從上層施工支洞進入完成導流洞洞身ⅰ層開挖支護；利用下層施工支洞在主洞內向上、下游升坡10至ⅱ層底面，完成導流洞洞身ⅱ層開挖支護；從下層施工支洞進入導流洞底部進行ⅲ層的開挖支護。
5.2施工隊伍配置
Ⅰ、Ⅲ段各配置一個開挖隊伍，每個開挖隊各設一個臺車鉆爆班、一個支護班和一個混凝土噴護班。
5.3常規(guī)洞段開挖支護施工
常規(guī)洞段共1849.404m（Ⅰ段洞身917.4m、Ⅲ段洞身932.004m），進口洞段共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：中導洞超前貫通后進行周邊擴挖，初期支護滯后3~5米進行，與后循環(huán)開挖平行作業(yè)，ⅲ類圍巖視危巖情況及時進行局部支護。
（2)洞身第ⅱ層開挖施工程序：邊墻用手風鉆預裂4.5m，初期支護滯后3~5米進行，與后循環(huán)開挖平行作業(yè)，ⅲ類圍巖視危巖情況及時進行隨機支護。
（3)洞身第ⅲ層開挖施工程序：兩側邊墻手風鉆預裂到底，ⅲ層采用手風鉆及鑿巖臺車分半開挖，底部光爆，初期支護滯后30米進行，與后循環(huán)開挖平行作業(yè)，ⅲ類圍巖視危巖情況進行隨機支護。
本工程圍巖主要是Ⅴ類圍巖，巖性軟弱，裂隙發(fā)育，風化程度嚴重，穩(wěn)定性差，給施工帶來一定難度。施工中根據(jù)地質條件和現(xiàn)場實際情況，施工采取了洞口大管棚技術、超前支護、穩(wěn)步推進的方法，增加了鎖腳、隨機錨桿等支護方式，加強測量觀測工作。采取有效垂直加固措施，防止洞頂塌落，隧洞開挖嚴格按“新奧法”工藝施工，開挖鉆爆按照“先支護（強支護）、短進尺、弱爆破、少擾動，快封閉，勤量測”的原則施工，本隧洞工程施工技術具有其特點和先進性,消除安全隱患，保證施工進度和施工質量，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驗。
6質量控制
（1）鉆孔前，精確測定孔的平面位置、傾角和外傾角，并對每個孔進行編號。
（2）嚴格控制鉆孔平面位置，管棚不得侵入隧洞開挖線內，相鄰的鋼管不得相撞和立交。
（3）鉆孔需經常量測孔向，發(fā)現(xiàn)誤差超限及時糾正，至終孔仍超限者應封孔，原位重鉆。
（4）掌握好開鉆及正常鉆進的壓力和速度，防止斷桿。
（5）在遇到松散的堆積層和破碎地層時，鉆進中可以考慮增加套管護壁，確保鉆機順利鉆進和鋼管順利頂進。
（6）管棚注漿時隨時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）施工時現(xiàn)場派專職安全員，隨時觀察洞頂及洞內圍巖穩(wěn)定情況及時組織人員撤離。
（2）嚴格執(zhí)行機械操作規(guī)程，非作業(yè)人員不得靠近作業(yè)現(xiàn)場。
8結語
白川水電站引水隧洞施工從2008年4月30日開始進行大管棚施工，完成洞口開挖支護施工后，隨后進入隧洞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，利用管棚套拱支護和超前支護技術在不良地質條件下進洞的隧洞施工中的應用，確保安全、順利的完成隧道掛口進洞，并安全、快速的通過不良地質段，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，導流隧洞施工期觀測結果表明：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；錨桿應力受力較好，觀測結果穩(wěn)定；隧洞開挖時，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方案是科學的。為隧洞施工創(chuàng)造了良好的開端、積累了豐富的施工經驗。
