木星土水電站引水隧洞斷層破碎帶形成機制與處理對策

李士明,殷建軍,周習(xí)軍

(1.長江巖土工程總公司地質(zhì)公司,湖北武漢 430010;2.浙江甌能集團,浙江麗水 674400 3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司,湖北武漢 430010)

木星土水電站引水隧洞斷層破碎帶形成機制與處理對策

李士明1,殷建軍2,周習(xí)軍3

(1.長江巖土工程總公司地質(zhì)公司,湖北武漢 430010;2.浙江甌能集團,浙江麗水 674400 3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司,湖北武漢 430010)

對木星土水電站引水隧洞施工過程中遇到的斷層破碎帶進(jìn)行地質(zhì)分析,通過處理方案的比較,選用“臺階法”施工,開挖后采用相應(yīng)的初期支護(hù),以縮短圍巖應(yīng)力松弛時間,使圍巖變形得到有效控制而不坍塌失穩(wěn),較好地解決了隧洞開挖支護(hù)問題。

水電站;隧洞;斷層破碎帶;地質(zhì)分析;臺階法;處理對策

0 引言

木星土水電站是尼汝河梯級開發(fā)中的第四級電站,是云南省香格里拉縣境內(nèi)的尼汝河最下游梯級,是以發(fā)電為主的日調(diào)節(jié)電站。

壩址控制流域面積為1 099.5 km2,壩址多年平均流量為25.2 m3/s,水庫正常蓄水位為1 910.30 m,死水位為1 905 m。主要建筑物由混凝土溢流壩、右岸引水隧洞、岸邊地面式廠房等組成。其中引水隧洞線路總長10.542 km,隧洞開挖斷面根據(jù)不同圍巖類別而定,Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖采用圓形,洞徑為2.4 m,Ⅳ、Ⅴ類圍巖采挖斷面5.8 m×5.6 m,城門洞型,設(shè)計引用流量為35.5 m3/s,坡降2.5‰～3.6‰。電站裝機容量為120MW。

電站引水隧洞樁號Y0-021.08—Y2+298段隧洞分布板巖、玄武巖、灰板巖、板灰?guī)r等,巖石軟弱,受區(qū)域性大斷裂F48斷層影響(逆沖斷層),大部分巖體擠壓變形,局部發(fā)育數(shù)條逆沖斷層,節(jié)理、裂隙發(fā)育,風(fēng)化較深,大部分隧洞段成洞條件差,開挖過程中出現(xiàn)塌方、巖體變形現(xiàn)象。引水隧洞其余段為灰?guī)r,巖石堅硬,成洞條件好,開挖過程中僅出現(xiàn)輕微巖爆現(xiàn)象。

1 地質(zhì)概況

電站引水隧洞位于尼汝河右岸,沿河沖溝較發(fā)育,隧洞埋深130～305 m[1],為深埋隧洞,洞軸線距河邊50～580 m。隧洞圍巖地層為二疊系下統(tǒng)中村組(P1z)千枚狀板巖、砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖、致密堅硬塊狀玄武巖夾碎斑灰?guī)r、變質(zhì)不等粒長石石英砂巖。巖石輕微變質(zhì),產(chǎn)狀268°～300°∠28°～42°,走向與隧洞夾角小,影響圍巖穩(wěn)定。根據(jù)勘察和試驗[2],千枚狀板巖飽和單軸抗壓強度10～15 MPa,炭質(zhì)板巖7～10 MPa,巖石強度屬較軟巖,彈性模量4～17 GPa,泊松比0.25,軟化系數(shù)0.50～0.55,巖石堅固系數(shù)1～5,圍巖的單位彈性抗力系數(shù):強風(fēng)化板巖k0=1～3 MPa/cm;弱—微風(fēng)化板巖k0=8～12 MPa/cm。

根據(jù)施工的引水隧洞地質(zhì)資料,巖體多呈弱風(fēng)化—微新巖體,節(jié)理、裂隙兩組:①170°∠35°,短小、平直,充填板理化板巖巖屑或鈣膜,局部充填石英,線密度5～8條/m;②100°～130°∠30°,延伸長,彎曲,面粗糙,見擦痕。雖節(jié)理、裂隙傾角較緩,但呈微張開—張開狀,且內(nèi)充填板理化巖屑,膠結(jié)差—中等,不利于洞室圍巖穩(wěn)定。按照控制圍巖穩(wěn)定的五項因素之和評分為基本依據(jù),樁號Y1+580—Y1+642段隧洞圍巖總評分,T=19,屬Ⅴ類圍巖。

前期勘察對圍巖類別的判斷和評價是:一般洞身段巖石弱—微新,洞室圍巖大多數(shù)為Ⅲ類(局部穩(wěn)定性差)-Ⅳ類(不穩(wěn)定),圍巖不穩(wěn)定,自穩(wěn)時間很短,拱頂常有塌落或塌方,邊拱時有失穩(wěn)現(xiàn)象,時間效應(yīng)明顯,軟巖流變產(chǎn)生較大的塑性變形。斷層破碎帶及其影響帶,巖體風(fēng)化深、破碎,地下水活躍,水文地質(zhì)條件差—極差,多屬Ⅴ類(極不穩(wěn)定)圍巖,洞室穩(wěn)定性差,需及時采取有效的支護(hù)措施。

從實際開挖情況來看:0#支洞上游隧洞地質(zhì)條件相對較好;0#至1#支洞之間的隧洞地質(zhì)條件差—極差,多屬Ⅳ、Ⅴ類圍巖,不穩(wěn)定—極不穩(wěn)定,基本不能開挖成“城門洞”型,洞頂、邊墻極易坍塌變形,邊挖邊塌,拱頂甚至出現(xiàn)大范圍塌方或臨時支護(hù)的工字鋼發(fā)生較大變形,需及時超前支護(hù),全斷面襯砌。本文針對樁號Y1+580—Y1+642段斷層破碎帶塌方機制及處理對策進(jìn)行分析。

2 斷層破碎帶性狀

區(qū)域性大斷裂F48是樁號Y1+580—Y1+642段破碎帶發(fā)育的主導(dǎo)因素之一。該斷層是一條規(guī)模較大的區(qū)域性斷層,走向北北西—北東向,為逆沖斷層,使二疊系下統(tǒng)中村組地層逆推于三疊系中統(tǒng)(T21-b)地層之上,斷層面傾向W-NW,斷層地貌特征明顯。斷層使二疊系中統(tǒng)和三疊系下統(tǒng)地層缺失,兩盤巖性明顯不同。該斷層破碎帶位于F48斷層上盤,屬上升盤。

樁號Y1+580—Y1+642段斷層破碎帶發(fā)育于二疊系下統(tǒng)中村組第二段(P1z2)地層,為逆沖斷層,產(chǎn)狀258°～270°∠42°～56°。由斷層面、斷層破碎帶及影響帶組成,其中以下斷層面為主要斷層面,呈不規(guī)則狀。

斷層破碎帶巖體呈散體結(jié)構(gòu),由碎塊巖、松散砂粒、斷層泥及纖光滑石等組成,沿隧洞寬62 m,斜穿引水隧洞。碎塊巖成分為玄武巖、板巖,灰黑色或灰綠色,粒徑最大0.6 m,一般0.2 m左右,呈棱角狀—次棱角狀,含量65%～70%,無定向排列;砂粒呈灰綠色,以中粗砂為主,松散,無膠結(jié),含量30%～40%;斷層泥呈灰白色或灰綠色,局部黑色,軟塑—可塑狀。斷層上、下盤影響帶巖體破碎,影響帶寬6.9～12.8 m,節(jié)理、裂隙發(fā)育,呈不規(guī)則的網(wǎng)格分布,延伸長,線密度5～8條/m,內(nèi)充填玄武巖巖屑或石英,鈣質(zhì)膠結(jié),膠結(jié)差—中等。巖體潮濕,局部有滴水現(xiàn)象,無地下水活動或地下水活動輕微。泥質(zhì)膠結(jié)差或無膠結(jié),屬強風(fēng)化巖體,圍巖類別為Ⅴ類。

針對斷層破碎帶的工程與水文地質(zhì)條件,合理選擇施工方案,是水電站早日并網(wǎng)發(fā)電關(guān)鍵性的一步。

3 斷層破碎帶處理對策

3.1 斷層破碎帶處理方案選擇

隧洞施工貫徹“保護(hù)圍巖、內(nèi)實外美、重視環(huán)境和動態(tài)施工”的理念,斷層破碎帶施工方案的選擇,主要根據(jù)工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件、施工條件、圍巖類別、隧洞埋置深度、隧洞斷面尺寸大小和長度、襯砌類型。以施工安全為前提,以工程質(zhì)量為核心,并結(jié)合隧洞的使用功能、施工技術(shù)水平、施工機械裝備、工期要求和經(jīng)濟可行性等因素綜合考慮研究選用[3]。

目前,國內(nèi)處理斷層破碎帶塌方或變形的方案通常有三種:①盾構(gòu)法;②管棚法;③臺階法。

由于引水隧洞僅剩余約380 m未開挖,若采用“盾構(gòu)法”施工,雖可一次性成洞,不存在塌方或變形問題,但需調(diào)配一套完備的機械設(shè)備,周期長、成本高,影響工期;采用“管棚法”施工,成本低(與盾構(gòu)法施工相比),但施鉆困難(開挖斷面小,鉆機難于擺放)、成孔性差(局部存在松散砂粒)、容易卡鉆、下管難度大,因而工期長,影響發(fā)電的總體目標(biāo);采用“臺階法”施工,雖單循環(huán)進(jìn)尺控制在1 m以內(nèi),但可降低掌子面高度,減小掌子面面積,也相應(yīng)降低塌方的機率。

結(jié)合本工程的特點,綜合分析研究上述三種施工方案,最終采用“臺階法”施工。

3.2 斷層破碎帶處理對策

在軟弱圍巖中,提供圍巖自支護(hù)能力的基本方法是控制圍巖的松弛、坍塌,其原則是穩(wěn)定掌子面,及時封閉和加固地層。施工過程中采用“超前地質(zhì)預(yù)報、動態(tài)反饋設(shè)計、信息化施工”,要求在開挖、支護(hù)前對隧洞圍巖的巖體基本質(zhì)量有一個及時、準(zhǔn)確的判斷[4]。

施作超前小導(dǎo)管:在拱部150°范圍開挖輪廓線外20 cm處,設(shè)置42×3.5 mm無縫超前小導(dǎo)管(如圖1),管長3.0 m,環(huán)向間距20 cm,縱向排間距0.6 m,采用水泥—水玻璃雙液漿(體積比1∶0.8～1)進(jìn)行注漿,注漿終壓為0.6 MPa。

圖1 隧洞斷層破碎帶處理支護(hù)設(shè)計圖Fig.1 Design map of how to support the crushing belt of tunnel fault

隧洞開挖:采用新奧法開挖,基本原則“少擾動、早噴護(hù)、勤量測、緊封閉”。在隧洞開挖時,盡量減少對圍巖的擾動次數(shù)、擾動強度、擾動持續(xù)時間和擾動范圍,以使開挖出的隧洞符合成洞要求,對開挖暴露面應(yīng)及時進(jìn)行地質(zhì)素描和初期素噴。設(shè)計開挖采用臺階法,即將設(shè)計斷面分成上半斷面和下半斷面兩次開挖成型,先上部后下部的分層開挖方法。斷層破碎帶斷面按30 cm的預(yù)留變形量進(jìn)行考慮,初支完成后待襯砌前至少保證襯砌厚度0.6 m。

工字鋼架安裝:上斷面開挖完成后,采用I18城門洞型工字鋼架,安裝間距30～50 cm(視破碎帶巖體強度而定),每榀中部及底部設(shè)工字鋼橫撐,且鋼架直墻底部設(shè)縱向連接工字鋼梁,起連接及防沉降作用;鋼架間設(shè)雙層25連接筋,間距20 cm設(shè)置。

施作鎖腳錨管:每榀鋼架兩邊鋼架接頭及底腳每側(cè)各施做4組(2根/每組)長4.5 m的42×3.5 mm斜下鎖腳錨管,并采用雙液漿進(jìn)行注漿。

噴射混凝土:沿鋼架范圍噴射標(biāo)號為C20混凝土,厚度30 cm。

底板混凝土加固:前方邊開挖邊對后方底部進(jìn)行清渣和開挖,驗收合格后施作底板I18工字鋼橫撐和混凝土施工。采用C25混凝土(與襯砌混凝土標(biāo)號相同)全鋪,厚度1 m;工字鋼橫撐為類似梯形,與已支護(hù)的邊墻鋼架連接,工字鋼保護(hù)層厚度不少于10 cm。

斷層破碎帶處極易塌方,拱頂與邊墻往往出現(xiàn)空腔(空洞)。對于空腔(空洞)段,根據(jù)塌腔高度,回填砂漿或混凝土。

施工方案可簡單概括為“管超前、預(yù)注漿、多循環(huán)、短開挖、強支護(hù)、勤量測、早封閉”。

3.3 斷層破碎帶支護(hù)后的圍巖變形監(jiān)測

監(jiān)測變形是在開挖后開展施工期的監(jiān)測和巡查,掌握圍巖變形的動態(tài)資料,這是預(yù)防隧洞塌方或變形,特別是已完成初期支護(hù)洞段圍巖,防治再度垮塌的重要措施。本工程的重點放在不良地質(zhì)洞段,如斷層破碎帶及其影響帶、擠壓破碎帶、極軟巖洞段及工程地質(zhì)條件尚不清楚以及臨時支護(hù)已存在隱患的地段,監(jiān)測的項目力求簡單實用,可主要集中在拱頂下沉、凈空收斂等方面的監(jiān)控量測。要求每天觀測并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,出現(xiàn)異常需及時預(yù)報,并采取措施加固處理。

4 結(jié)語

木星土水電站引水隧洞工程,隧洞洞線較長,特別是樁號Y0-021.08-Y2+298段的不良地質(zhì)缺陷較多,施工風(fēng)險大,開挖后應(yīng)及時進(jìn)行初期(臨時)支護(hù),其支護(hù)方案的選擇和支護(hù)時機關(guān)系到工程的成敗。本文對斷層破碎帶形成機制的分析,通過支護(hù)方案的選擇,采用安全有效的隧洞斷層破碎帶處理對策,按計劃工期保質(zhì)保量地完成了破碎帶施工任務(wù),為水電站按期并網(wǎng)發(fā)電創(chuàng)造了先決條件。

[1] 徐澤民,等.隧洞的埋深劃分[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2000,11(4):7-10.

[2] 柯玉義,等.云南省香格里拉縣尼汝河流域木星土水電站工程地質(zhì)勘察報告(初步設(shè)計階段)[R].武漢:長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,2004.

[3] 張立德,等.軟巖隧洞設(shè)計與施工技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[4] 陳漢寶,等.軟巖大跨度長引水隧洞施工支護(hù)與地質(zhì)預(yù)報[J].資源環(huán)境與工程,2009,23(5):674-678.

(責(zé)任編輯:于繼紅)

The Form Mechanism and Treatment on the Crushing Belt of Tunnel Fault in Muxingtu Hydropower Station

LI Shiming1,YIN Jianjun2,ZHOU Xijun3
(1.Changjiang head office of geotechnical engineering,Wuhan,Hubei430010;2.Zhejiang Ouneng group,L ishui,Zhejiang674400;3.Changjiang Institute of Survey,Planning,Design and Research,Wuhan,Hubei430010)

This paper analyzes the fault crushing belt which finds in the working progress of Muxingtu hydropower tunnel.The bench cut method is chosen.After dugging,the first relevant support is adopted in order to shorten the relaxation t ime ofwall rock stress.It is benefit for controlling deformation of the wall rock and is good forworking out the support problem of dugging tunnel.

hydropower station;tunnel;fault crushing belt;geological analysis;bench cutmethod;treatment

TV732.3;TV554

A

1671-1211(2010)05-0513-03

2010-07-10;改回日期:2010-08-10

李士明(1971-),男,工程師,工程地質(zhì)與水文地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:lishiming1971@sina.com