大断面水工隧洞衬砌工程快速施工技术研究与应用——以巴拉水电站引水隧洞工程为例

摘要：本文以巴拉水电站引水隧洞工程为背景，针对其大断面、复杂地质条件及紧迫工期等一系列挑战，系统研究并实践了一套高效的快速施工技术体系。该体系创新性地采用了“分阶段衬砌”的总体思路，即在开挖阶段提前进行250°边顶拱衬砌，后期采用自主研发的“液压针梁底拱滑模台车”进行110°底拱的连续浇筑。同时，针对Fx1特大断层等不良地质段，采用了“上部214°衬砌+中部扩挖衬砌+底拱衬砌”的特殊渐进式支护衬砌工艺。工程实践表明，这些技术有效解决了大断面衬砌效率低、不良地质段施工安全风险高、工期紧张等难题，实现了底板月衬砌强度500米的突破，确保了工程按期履约，为类似大断面水工隧洞工程的快速、安全施工提供了宝贵的实践经验和技术参考。

关键词：大断面隧洞；快速施工；分阶段衬砌；液压针梁滑模；断层处理；施工技术

引言：

随着我国水利水电工程建设的不断推进，大断面水工隧洞工程日益增多。这类工程往往面临着复杂的地质条件、巨大的施工难度以及紧张的工期要求等诸多挑战。在传统的施工模式下，全断面开挖完成后再进行衬砌的方式，不仅导致施工周期冗长，而且在面对不良地质段时，施工安全风险难以有效控制[1]。例如，在一些大断面隧洞工程中，由于围岩稳定性差，长时间的暴露可能引发塌方等事故，严重影响工程进度和人员安全。同时，传统施工工艺下衬砌效率低下，难以满足现代工程对快速施工的需求[2]。因此，研究一套适用于大断面水工隧洞衬砌工程的快速施工技术体系迫在眉睫。本文以巴拉水电站引水隧洞工程为例，深入探讨了针对其大断面、复杂地质条件及紧迫工期等一系列问题所采用的快速施工技术，旨在为类似工程提供有益的参考与借鉴。

1. 工程概况与重难点分析

1.1 工程概况

巴拉水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州马尔康市脚木足河上，其引水隧洞断面宏大，地质条件复杂。隧洞主洞根据不同围岩类别设计有不同的支护与衬砌形式：Ⅲ类围岩洞段采用“270°挂网喷砼+90°底拱衬砌”；Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段则采用全断面混凝土衬砌，衬砌内径为11米，其中V类围岩衬砌厚度达100cm（底拱120cm）。全断面衬砌总长度2576米，底板混凝土衬砌总长度达5050米，工程规模巨大。

1.2 工程重难点分析

1.工期异常紧张：工程受新冠疫情、地震、断层处理等多重因素影响，工期滞后约7.5个月，但首台机组发电目标不变，对施工效率提出极致要求。

2.衬砌结构复杂：采用“250°边顶拱+110°底拱”的分序衬砌工艺，对二者之间的施工缝处理质量要求极高。同时，不同围岩洞段衔接处存在断面渐变，对模板系统的灵活性提出挑战。

3.不良地质段施工安全风险高：隧洞横穿宽约30米的Fx1特大断层，在施工期间多次发生塌方、涌水，安全穿越该断层及影响段是本工程成败的关键。

4.衬砌施工强度要求高：底拱衬砌需在2个月内完成约1000米的任务，月施工强度需达到500米，传统施工工艺难以满足。

2. 快速施工技术体系的核心与创新

本工程的核心思路是 “空间换时间，创新提效率” ，通过工艺创新与设备改造，形成了一套完整的快速施工技术体系。

2.1 “边挖边衬”的分阶段衬砌工艺

为压缩关键路径工期，项目打破了“全断面开挖完成后再进行衬砌”的传统模式，创新性地采用了下半洞开挖与上半洞边顶拱衬砌同步跟进的方案。采用穿行式边顶拱钢模台车，其下部预留了足够的通行空间，允许运输车辆、挖掘机等设备正常通行，实现了“开挖”与“衬砌”两大工序在空间上的并行作业。此举不仅提前了衬砌工序，节约了后期直线工期，更通过及时衬砌增强了已开挖洞室的稳定性，保障了施工安全。

2.2 Fx1断层段渐进式支护与衬砌技术

针对Fx1断层破碎带极高的安全风险，项目发展了一套精细化的渐进式支护与衬砌技术：

•及时“带帽”：在断层段开挖支护后，立即采用12米穿行式台车进行214°边顶拱混凝土浇筑，快速形成强有力的支护拱圈，有效抑制围岩变形，防止塌方范围扩大。

•安全下挖与支撑：下半洞开挖采用分段、半幅或垂直下挖方式。为支撑上部已衬砌混凝土，在两侧预留钢筋沟槽，并在混凝土内预埋工字钢，下挖后接长钢支撑至稳固基岩，形成稳固的竖向支撑体系。

•中部衬砌闭合：紧随下挖支护，进行214°~250°的中部洞段衬砌。该部分衬砌采用定制模板，使其与上部214°衬砌形成有效连接，从而对上部衬砌形成可靠支撑，防止其下沉变形，最终形成一个完整的、稳定的支护壳体，为底拱施工创造安全条件。

2.3 液压针梁底拱滑模台车的研发与应用

为解决传统底拱台车工效低的问题，项目融合了针梁台车与轨道滑模的优点，自主研发了液压针梁底拱滑模台车。该设备主要由模板总成、针梁总成、液压系统、行走机构和抗浮装置等组成，其技术优势在于：

•连续浇筑，高效施工：台车以针梁为承重和行走轨道，一次定位可连续浇筑约20米混凝土，实现了底拱混凝土的连续滑模施工，将月施工强度提升至500米。

•成型质量好：滑模工艺使混凝土在初凝前即可完成抹面压光，有效消除了表面气泡，提升了混凝土的表观质量与过流面平整度。

•可靠性高：设置了专门的抗浮装置和水平支架，并采用前端锚固钢丝绳等措施，有效克服了台车上浮和偏位风险，确保了衬砌尺寸的准确性。

3. 关键工序质量控制

•施工缝处理：边顶拱与底拱之间的水平施工缝严格进行凿毛处理，并预埋止水设施，确保接缝处的强度和防渗性能。

•滑模过程控制：精确控制滑模速度（1.5-2.5米/小时），使之与混凝土的早期强度增长相匹配，防止混凝土坍落或拉裂。同时，定期校验模板的轴线与高程，保证衬砌线形精准。

•混凝土性能：优化混凝土配合比，确保其具有良好的工作性（流动性、粘聚性），以满足滑模工艺的连续浇筑和顺利脱模要求。

4. 应用效果

通过在巴拉水电站引水隧洞工程中的成功实践，本文所阐述的快速施工技术体系取得了显著成效：

1.工期保障：分阶段衬砌工艺大幅缩短了总体工期，液压针梁滑模技术确保了底拱衬砌的极限工期目标得以实现，为电站按期发电奠定了坚实基础。

2.安全可控：针对Fx1断层采取的渐进式支护衬砌技术，成功化解了不良地质条件下的施工安全风险，实现了安全、平稳穿越。

3.质量提升：滑模技术的应用不仅提高了效率，也显著改善了混凝土表观质量，实现了内实外光。

4.经济效益：该技术体系减少了设备投入和工序转换时间，产生了良好的经济效益。

结束语：

综上所述，通过对巴拉水电站引水隧洞工程的研究与实践，所形成的这套大断面水工隧洞衬砌工程快速施工技术体系展现出了显著的优势。从“边挖边衬”的分阶段衬砌工艺，到针对 Fx1 断层段的渐进式支护与衬砌技术，再到液压针梁底拱滑模台车的研发与应用，各个环节紧密配合，成功攻克了大断面衬砌效率低、不良地质段施工安全风险高、工期紧张等难题。在实际工程应用中，不仅保障了工期，实现了首台机组按期发电的目标，而且有效控制了施工安全风险，提升了混凝土衬砌质量，并带来了良好的经济效益。这一技术体系的成功实践，充分证明了创新施工技术和优化施工工艺在大断面水工隧洞工程中的重要性和可行性。它为今后类似大断面水工隧洞工程的快速、安全施工提供了宝贵的实践经验和技术范例，有望在更广泛的水利工程领域得到推广和应用，推动我国水利水电建设事业朝着更加高效、安全的方向发展。

参考文献：

[1]陈敏, 李泉, 王宏刚, 等. 长大引水隧洞灌浆施工措施的优化[J]. 西部探矿工程, 2023, 35 (09): 184-187.

[2]江维龙. 高地温特长隧道混凝土衬砌施工技术[J]. 工程机械与维修, 2021, (02): 124-125.