关于压力管道上平洞施工支洞设计及施工方案

四川省阿坝州黑水河柳坪水电站厂区枢纽工程

压力管道上平洞施工支洞设计及施工方案

中国水利水电第七工程局柳坪电站项目经理部

合同编号：LPQ/CIV

二00五年九月九日

编制:

年月日

校核：

年月日

批准：

年月日

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压力管道上平洞施工支洞设计及施工方案

1、工程概况

1.1支洞工程特性

本标段共设计2条施工支洞，其中1#施工支洞（压力管道上平洞施工支洞）

主要作为引水遂洞扩散段、压力管道上平洞、斜管以及调压井开挖、碎运输和压

力钢管运输的主要通道。1#支洞与压力管道3条平洞轴线桩号分别为K0+114.21,

K0+130.91,K0+147.61洞长为160.68m,进口高程1735.221m,与压力管道（2#）

交点高程1743.98m,纵向坡度6.80%；其洞身为城门洞形，断面尺寸为6.5*6.5m

（宽*高）,开挖总量为6320.046m3。

1#支洞的工程项目具体要求如下：

完成施工支洞的石方洞挖、支护、封堵混凝土浇筑和施工期间的抽排水等。

1.2工程地质

围岩主要以IV类为主，岩性主要为中厚层砂岩夹少量砂质千枚岩，岩石中等

坚硬，微风化较完整岩体，节理裂隙不发育，层间结合力较强，具块状~次块状

结构，地层产状与洞线交角较大，地下水活动轻微，局部有小断层、挤压破碎带

等出露，围岩稳定性局部较差。隧道开挖过程中，可能出现一定规模的掉块或塌

落，施工中需采取适当的支护处理措施。

2、施工布置

2.1供风系统

施工供风主要包括洞挖及锚喷支护。

采用工程前期5#支洞已有的两台20m的固定式空压机供风，另外在增加一台

40m3空压机房设置于支洞口下游，以满足施工需要，供风管采用“159钢管。

2.2供水系统

利用工程前期5#支洞现有的抽水系统和水池满足施工生产。即在施工现场

采用水泵直接从黑水河中抽水至支洞进口上部布置的水池，水池容量30m：水池

位置高于洞口30米,给洞内施工供水，采用680钢管将水引至各工作面。

2.3供电系统

利用5#支洞现有的电源点接线至各个工作面。

2.4施工排水

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隧洞路面设置单向排水沟，在支洞两侧，设置30*30cm的排水沟，自动流到

5#支洞排水沟，经公路排水沟排至河内。

2.5施工通风

在支洞进U布置一台28KW轴流通风机配①100风筒压入式通风。布置示意

见下图：

2.6喷碎拌和站

在5#支洞洞口布置一台JZC3500强制拌合机，进行拌料。

2.7弃硝场

开挖的洞磴运至3#磴场进行堆放和平整。

3、支洞布置

3.1压力管道上平洞施工支洞（1#施工支洞）的设计与布置

（1）布置要求

厂区枢纽的施工项目包括引水隧洞至调压室上游和压力管道，洞挖

173127m二洞内支护、以及压力钢管安装、碎衬砌和固结灌浆等。工程项目多，

工程量大，根据施工总进度的安排，2007年1月24日完成引水隧洞渐变段和压

力管道的开挖和临时支护任务，具备压力钢管运输轨道安装和引水隧洞混凝土施

工条件。因此施工工期紧，开挖强度较高。

（2）布置原则

1）满足施工工期的要求及施工出磴运输的要求；

2）新设施工支洞使压力管道和调压室通风良好;

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（3）施工支洞布置方案

根据前期施工布置坐标（调压室与5#支洞的相对位置），该支洞拟布置在5#

支洞下游0+89.473位置。施工支洞平面布置见图LP/CV-2005T#支洞-01。施工

支洞全长160.848m,设计纵向坡度为7.7%»

3.2施工支洞断面及支护设计

（1）设计依据及原则

①.主要依据招标文件、投标文件、压力管道和调压室的布置情况和地形、

地质条件等技术资料进行设计；

②.施工支洞的布置及断面尺寸满足本标施工项目的运输要求特别是上平段

压力钢管的运输，还满足不同部位、不同高程洞室施工需要和施工高峰期开挖出

硝运输的需要；

③.施工支洞的断面尺寸、纵坡与施工机械设备的外形尺寸、工作范围相适；

④.施工支洞布置综合考虑施工通风、散烟、排水的需要；

⑤.1#施工支洞综合考虑施工交通、施工安全、开挖爆破等影响，均衡施工

强度、施工进度等因素，合理安排施工程序，以确保各施工时段通道通畅。

（2）施工支洞平面设计

结合业主提供的枢纽平面布置和压力管道平面布置图，根据施工程序和施工

支洞布置原则进行压力管道上平洞施工支洞（1#施工支洞）的布置，总共布置了

2条施工支洞，其中一条（1#支洞）主要作为引水系统及压力管道的施工通道。

另一条主要作为调压室井筒EL1811〜EL1800的开挖、支护和混凝土浇筑的施工

通道。

（3）1#施工支洞断面设计

根据施工机械设备的外形尺寸、钢管尺寸、工作范围和施工高峰期交通运输

行车密度，确定施工支洞的断面型式和断面尺寸。施工支洞断面设计为城门洞形、

双车道，按15t自卸汽车车体宽度2.5m,错车安全距离1.0m,确定施工支洞底

宽为5m,高度确定为6.5m。按地质条件及通风管路布置状况，施工支洞圆弧高

度取3.25m,其开挖净断面尺寸为6.5mX6.5m。

4、施工方案

4.1开挖施工方案

支洞洞身为城门洞形,断面约37.72m）采用YT-28气腿式手风钻造孔。钻

孔时利用可移动式双层钢架钻架台车。洞身开挖为全断面光面爆破，楔形掏槽方

式。炸药采用2#岩石销钱炸药、雷管采用非电毫秒微差雷管。周边孔采用竹片

绑扎e25药卷间隔装药，爆破孔采用柱状连续装药，堵塞采用砂和粘土的混合

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物。

支洞开挖施工中始终以“新奥法”理论指导施工，及时总结经验，改进临时

支护设计与施工。

隧洞将采取边开挖边支护的方式进行；并针对不同围岩类型采取相应的临时

支护措施，以确保工程顺利进行和安全施工。

4.施工方法及技术措施

4.1支洞开挖施工程序

4.1.2测量

洞身开挖前,测量人员放出洞轴线，开挖轮廓线及高程线,并在洞挖过程中加

强断面控制,防止超欠挖发生。洞挖结束后,及时准确地提供竣工验收资料。

支洞洞挖及支护施工程序

4.1.3洞口施工

开挖之前，采用钻架平台进行锁口锚杆施工。在支洞周边施设2排锁口，

排距0.5m。第1排离洞口周边0.5m,孔距0.5m;第2排，孔距1m。锚杆采用“

25螺纹钢，锚入岩石内4.5mo在安装锚杆的基础上进行挂网喷碎，喷射C20碎。

支护完成后，进行洞口的开挖，前10米采用“短进尺、弱爆破、周边孔加密布

置、隔孔装药爆破”的方式进行爆破，爆破开挖后，采用常规的施工方法，先喷

3cm〜5cm厚碎，再进行锚杆施工和挂网作业，喷碎至设计厚度。

4.1.4洞身爆破开挖施工

支洞身为城门洞形，断面约为37.72m:采用YT-28气腿式手风钻。洞身开挖

采用楔形掏槽，全断面光面爆破开挖，人工装药，ZL50D装载15T自卸汽车出磴。

开挖方法见下图：

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压力管道施工支洞施工方法示意图

.2.1.4循环工序

测量放线一钻孔一装药爆破一通风散烟一危岩清理一出渣一安全支护一其它

作业时间

序循环作业时间（）条件

项目（min）工程量h

号

H、HI类24681012

开挖断面：6.0x6.5m（宽*高），

1测量放线201

2钻孔18087个孔I35.14m'城门洞形.'

3装药连线60L

I岩石：f-10-U.

4人员退场20h

设备：台手风钻，

5爆破通风散烟20h7YT-28

6清理危石301台WA-380装载机,

7出喳15087.85m3

4台15T自卸汽车.

8临时支护60

9其它30L

10循环时间570

注：1.循环作业主要参数：循环进尺2,5m（孔深3.0m）.

2.施工进度指标：日循环数2.3循环/d（3班制）；日进尺6.25m/日.

作业循环时间表

①炮孔装药量

炮孔类型炮孔直径药卷直径孔深炮孔间距抵抗线装药量

光爆孔42nini25mm3.0m45~50cm60~70cm250~350g/m

崩落孔42mm32mm3.0m80~90cm60~80cm1.7~2.2kg/孔

掏槽孔42nim32mm3.3m80~90cm80~100cmL9~2.2kg/孔

备注：1.炸药采用2#岩石乳化炸药；

2.周边孔采用巾2511m直径药卷，其余采用632nlm直径药卷；

3.爆破参数在施工过程中根据现场试验进行优化调整。

②装药爆破

当孔钻完后，用高压风管进行吹孔，清出孔内残磴及石粉，然后装药，孔底先放

入一卷药包，加强孔底部爆破，协管反向入放置。周边孔采用竹片绑巾25药卷

间隔装药。

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③安全撬挖

爆破散烟后，由值班技术员带领炮工班长及专职安全员进洞，检查有无瞎炮（如

有应及时处理）和危岩清除。

④出硝

采用WA-380装载机装15T自卸汽车运往指定硝场。

压力管道上平洞支洞出楂示意图

5、洞身安全支护

支护型式主要根据IV类围岩和V类围岩进行支护。

m类围岩：布置随机锚杆，锚杆型式为①20,L=3.0m的砂浆锚杆，并且素

喷5cm厚C20碎；W类围岩:布置系统锚杆①20@1500XI500L=3.0m砂浆锚杆,

并且网喷10cm厚C20碎钢筋网为“6@200X200。V类围岩，除采用IV类围岩支

护形式外，增设格栅拱架并网喷15cm厚碎。钢格栅采用①22mm钢筋格栅，间距

100cm,钢筋网为4）6@200X200。

为确保施工支洞洞口的稳定及安全，与5#支洞相交的三叉口增设两排①

20@1500L=4.5m锁口锚杆，锚杆向围岩侧外倾10°,并且洞口5m范围内模喷

20cm厚C20碎。对于压力管道上平洞与支洞交叉的部位，为确保洞室的稳定及

安全，在洞室交叉段衬砌50cm厚C20素碎。

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支护施工方法

①喷碎

采用5T自卸汽车将拌制好的喷浆料运至洞内工作面，人工上料，利用移动式

钢架进行喷射碎施工。

②锚杆施工

采用移动式钢架进行手风钻钻孔，打孔结束后,进行吹孔清洗注浆,锚杆人工

安装，拌合站制浆。

③钢筋网安装

将剪切好的盘圆运至现场，人工绑扎，贴近岩面布置,并与锚杆焊接.钢筋网

安装时要留保护层,并保证钢筋搭接长度。

④钢支撑施工

洞口段及V类围岩,采用短进尺，弱爆破开挖，出硝后，先喷3cm素碎进行封

闭,再打锚杆和挂网，然后再架立钢支撑及加固焊接；最后分2~3次喷碎达到设计

厚度。钢支撑分节在加工厂制作成型后运至现场进行组装,钢支撑排距1米,根与

根之间焊接纵向连筋，钢支撑脚部用锁脚锚杆固定柱脚。

钢支撑施工方法图

6、支洞封堵施工

6.1施工支洞封堵设计

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根据本工程施工需要，1#施工支洞需作施工支洞封堵设计。

(1)设计原则

堵头属永久建筑物，设计标准与其它永久建筑物相同，按照正常水位设计、

校核洪水位校核；

堵头长度与围岩的物理力学指标有密切的关系，了解围岩地质状况，正确选

择计算参数是堵头设计安全与经济的重要因素；

一般情况下，认为堵头的抗压强度是安全的，只作抗滑稳定计算。

选择具有膨胀性，抗渗性和强度高的封堵材料，抵抗混凝土温度收缩且减少

围岩间的缝隙值，在此基础上，通过灌浆改善周边围岩的抗渗性，增加封面间混

凝土和围岩的接触，堵住渗水通道。

堵头形体设计：堵头实心段体形做成锲形体，一方面围岩的反力抵抗一部分

水推力，另一方面使混凝土与围岩有压紧的趋势，减少渗水。

(2)设计条件假定

堵头和围岩均视为刚体，水头推力均匀的作用在堵头的横截面上。

(3)堵头长度的计算

①.计算过程

堵头的长度指实心段+空心段(带灌浆管段)的长度。

A.计算公式

堵头长度计算有经验公式和力学公式。

a.力学公式

L=K丫水XH3X[『3(y混凝土-丫水)+c'Sa]-1

式中：L一堵头设计长度(m)；

K一安全系数，(设计K=3)；

Y水一水的容重(1.0X10-2MN/m3)；

H一作用水头(m)；

3一堵头截面积(m2)；

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f'一抗剪断摩擦系数；

Y混凝土一混凝土容重(2.4X10-2MN/m3)；

S一堵头周长(m)；

a—粘结力有效面积系数。

b.经验公式

L=HD/50

式中：L一堵头设计长度(m)；

H一作用水头(m)；

D—混凝土堵头的等效直径(m),D=(43/n)0.5。

c.计算参数取值

K-安全系数，设计K=3；

H一作用水头,取76.3(m)；

f'一抗剪段摩擦系数，取『=1.1;

a—粘结力有效面积系数，取a=0.9。

②.计算结果

本标施工支洞长度计算采用了力学公式和经验公式两种方法，由于两种方式

计算结果比较接近，而在高水头时计算经验公式结果偏于安全，因此施工支洞长

度取值综合了两种计算结果，最后确定了堵头的封堵长度偏向于经验公式计算结

果。计算结果见表。

堵头长度亍卜算成果表

实际取值(考虑水力梯度

计算结果力学公式经验公式

不大于6)

1#施工支洞L=8.6mL=10.22mL=12.0m

(5)堵头细部结构与灌浆设计

①.堵头形体

堵头的外形设计为楔形，堵头采用钢筋混凝土封堵，为了增加封堵的安全性

将堵头做成楔形体，一方面靠围岩的反力抵抗一部分水推力，另一方面水推力使

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封堵混凝土与围岩有压紧的趋势，减少渗水。

②.止水和钢筋

堵头实体段与引水隧洞连接处配置分布筋与纵向筋，配筋段长度为6m,钢

筋直径为①20mm,间距为20cm,保护层厚度为10cm。钢筋接头全部采用绑扎，

绑扎长度为35do

③.灌浆设计

堵头混凝土浇筑完毕后需要进行回填灌浆，回填灌浆范围为堵头混凝土顶

部，在混凝土强度达到70%的设计强度后进行。

施工支洞碎堵头设计仅为初拟方案，工程实施过程中根据实际地质情况进行

详细的结构设计并报请监理工程师审批后实施。

(6)封堵材料

施工支洞堵头混凝土采用低热微膨胀水泥拌制，碎的标号为C20,混凝土采

用预冷混凝土。

在实际施工时在业主和监理人同意的情况下，在堵头混凝土中外掺轻烧MgO

与TMS复合高效抗渗防水剂，掺量(与水泥重量之比)分别为4%和3%的新技术，

MgO混凝土所需膨胀量按混凝土与围岩紧密接触，且接触压力为零进行设计。

6.2施工支洞封堵施工

(1)施工时段

根据施工进度的安排，施工支洞的封堵时段为：

2005年9月5日至2005年9月15日

(2)支洞封堵施工

①.混凝土浇筑

A.封堵施工程序

施工支洞堵头从3#平洞开始封堵，由里向外进行封堵施工，最后封堵1#平

洞。

B.封堵佐施工方法

a.模板、钢筋

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封堵混凝土采用普通组合钢模板，周边弧形采用木板补齐，钢模外侧用方木

和①48mm脚手架支撑固定。

b.施工方法

考虑到混凝土浇筑能力，分层高度1.5〜2nl左右。混凝土采用6.0m3搅拌运

输车运至施工现场，HB60混凝土泵入仓，水平运距约4.0km。仓面作业时搭设工

作跳板，人工用插入式振捣器振捣密实。浇筑方法除最后一层外均采用平仓浇筑。

最后一层浇筑先将堵头靠引水洞(尾水管等)侧浇满，盖住顶部止浆条，然后从两

侧后退，最后浇筑中顶部。当浇筑至顶部不能进行人工振捣时，封住下游侧端模，

利用泵送压力将顶拱尽量填满。

②.灌浆施工

灌浆施工方法

回填灌浆采取预埋花管灌浆管路系统。采用640mm钢管作为预埋进、回主

管，回填灌浆预埋管路系统由进、回浆主管、出浆管等组成，出浆管深入岩石内

0.Imo进回浆管管头引至堵头碎端部，回填灌浆采用填压式灌浆法，先对一套管

路进行灌浆，另一套灌浆管路兼做排水、排气的管路，当兼做排水、排气的管路

管口排出的水泥浆液与进浆浓度相同时、即可关闭其孔口闸阀，不再对其进行灌

浆，当兼做排水、排气的管路管口不出浆时应对其进行灌浆。

回填灌浆压力为0.2Mpa或按监理工程师指定的压力进行灌浆。

在规定压力下灌至不吸浆后再继续灌注5min即可结束，灌浆结束时先关闭

孔口闸阀再停泵，以防灌入的浆液流出，待凝8h后方可拆除孔I」闸阀。

③.施工支洞封堵时的注意事项

夏季施工，混凝土骨料采用加冷水和风冷骨料拌和，混凝土出机口温度控制

在允许的范围内；

采用低热微膨胀水泥拌制碎；必要时采用喷水雾降底仓面温度，浇筑仓面采

用流水养护，再有条件的情况下截取地下水进行仓面养护或通水冷却。

通过改善骨料级配，掺外加剂和减少用水量等措施优化碎配合比设计。堵头

碎外加轻烧MgO,补偿部分温度收缩和干缩。

7、施工进度计划

(1)2005年9月15日进行1#支洞锁口支护，2005年9月16日开始进行隧洞

开挖，2005年10月16日完成洞内石方开挖与支护，洞内封堵和灌浆安排在2007

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年9月5日开始，2007年9月15日完成所有施工任务。

(2)施工强度

支洞开挖月进尺寸150m/月

8、施工质量控制

质量控制主要采用以下方面的措施：

(1)进行现场爆破试验，调整和优化爆破参数。确定在开挖区段内不同地

质条件下的各项爆破参数，为开挖爆破设计提供最佳设计依据，以提高爆破效果，

保证开挖质量；调整爆破有关参数，不断优化爆破设计，改进施工方法和安全措

施；通过试验不断收集、整理试验所得的各项数据资料，以最优的爆破参数指导

后续爆破设计，提高爆破开挖的施工进度、经济指标和安全指数。

(2)地下洞室的爆破进行专门的钻孔爆破设计，其内容包括：掏槽方式；

炮眼布置；装药量和装药结构以及炮孔堵塞方式；起爆方法和顺序；绘制爆破图。

(3)为查清地下洞室中尚未开挖岩体的地质情况，在监理工程师指定或批

准掌子面钻设勘探孔或勘探洞。根据钻探获得的地质资料•，及时调整爆破参数，

以保证开挖质量和确保安全。

(4)按“新奥法”理论进行隧洞施工，观测和掌握围岩的变形发展情况，

选择合理的支护时机和判断支护的实际效果，充分利用岩石自身的承载能力。

(5)使用质量优良的测量设备，确保各施工控制点布控准确无误。钻孔孔

位依据测量定出的中线、腰线及开挖轮廓线确定；周边孔在断面轮廓线上开孔，

沿轮廓线的调整范围和掏槽孔的孔位偏差不大于5cm,其它炮孔孔位的偏差不得

大于10cm；炮孔的孔底落在爆破图规定的平面上。

(6)优化技术措施，提高作业人员的技能：严格按爆破设计进行钻孔、装

药；孔深、孔斜控制在允许范围之内，炮孔经检查合格后，方可装药爆破。炮孔

的装药、堵塞和引爆线路的联结，由经考核合格的炮工负责，并严格按爆破图的

规定进行。

(7)光面爆破和预裂爆破效果达到以下要求：残留炮孔痕迹在开挖轮廓面

上均匀分布；炮孔痕迹保存率：完整岩石在70%以上，较完整和完整性差的岩石

不少于50%,较破碎和破碎岩石不小于20%；相邻两孔间的岩面平整，孔壁不有

明显的爆震裂隙；相邻两茬炮之间的台阶或预裂爆破孔的最大外斜值，不大于

10cm；

(7)在开挖过程中，注意保护地下混凝土衬砌、灌浆和支护结构不受损坏。

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在已完成的衬砌、灌浆和支护结构附近进行爆破时，其爆破技术和爆破参数进行

专门的设计和试验，并经监理工程师批准。

10、施工安全措施

由于隧洞内施工条件较差，工人常在噪音、振动、地下水、有害气体等较恶

劣环境中从事繁重的体力劳动，安全生产直接关系到人身安全和重要设备的安

全，且与工程质量密切相关，在隧洞开挖施工全过程中把安全工作作为首要任务

来抓，正确处理好施工中安全、质量、进度间的关系，全面贯彻“安全第一、预

防为主”的方针。

(1)建立健全隧洞施工安全管理制度、强化安全意识、制定全面合理的安

全措施；

(2)加强施工安全管理，合理安排工序进度和关键工序的作业环节，组织

均衡生产，及时解决生产中进度与安全的矛盾，统一指挥，避免忙乱中出差错，

或因抢工程进度，忽视安全而发生事故；洞挖施工，遵守有关施工规范、安全技

术规范、安全规程等。

(3)机械设备的安全措施：机械设备的布局要合理，且要装设安全防护装

置，操作者要严格遵守安全操