Ⅳ類偏好圍巖采用加強(qiáng)型噴錨支護(hù)的實(shí)踐應(yīng)用

張志慧，黎昌有，陳汶志

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 前 言

獅子坪電站為雜谷腦河流域水電開(kāi)發(fā)的龍頭水庫(kù)工程，壩高136m，壩前正常蓄水位2 540m，死水位2 460m，正常蓄水位以下庫(kù)容1.327億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為1.189億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)性能。電站最大水頭451.7m，最小水頭344m，額定水頭390m，額定流量3×19m3/s。最大引用流量61.41m3/s。

引水系統(tǒng)由進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓室和壓力管道等建筑物組成。引水隧洞采用普通鉆爆法，全斷面開(kāi)挖，洞室斷面型式為馬蹄形和圓形，馬蹄形為Ⅲ類圍巖開(kāi)挖支護(hù)形式，其斷面底寬4.42m，高6.00～5.95m;圓形為Ⅳ、Ⅴ類圍巖開(kāi)挖支護(hù)形式，其斷面內(nèi)徑5.50m。引水遂洞縱坡降i=3.36‰。

2 工程地質(zhì)概況

獅子坪水電站位于青藏高原向四川盆地的過(guò)渡地帶，地勢(shì)西北高、南東低。區(qū)內(nèi)山嶺海拔高程一般3 500～4 000m，相對(duì)高差1 000～2 000m，屬深切的高山區(qū)。區(qū)內(nèi)南北向的邛崍山脈是兩大水系的分水嶺，其西為大渡河水系，東為岷江水系。雜谷腦河為岷江右岸的一級(jí)支流，發(fā)源于鷓鴣山南麓，從西北向南流，河道平均坡降18.4‰，谷底寬度一般40～120m。

工程區(qū)位于北西向鮮水河斷裂帶和北東向龍門山斷裂帶所圍限的川青斷塊的小金～較場(chǎng)弧形構(gòu)造帶之西翼近頂端的次級(jí)構(gòu)造族郎帚狀構(gòu)造帶上，在大地構(gòu)造部位上隸屬于松潘～甘孜地槽褶皺帶范疇，西側(cè)毗連巴顏喀拉冒地槽褶皺帶，東鄰揚(yáng)子地臺(tái)西緣龍門山～大巴山臺(tái)緣拗陷帶，區(qū)域控制性主干斷裂為NE向龍門山斷裂帶，小金—較場(chǎng)弧形構(gòu)造帶(西翼)構(gòu)成了區(qū)域次一級(jí)斷裂構(gòu)造格架。

引水隧洞區(qū)出露地層由老到新為三疊系雜谷腦組厚～巨厚層狀變質(zhì)砂巖夾砂質(zhì)板巖，侏倭組中厚層狀變質(zhì)砂巖與砂質(zhì)板巖互層，新都橋組千枚狀砂質(zhì)板巖夾薄層細(xì)粉砂巖。第四系覆蓋層主要分布于河床、沖溝溝底和沿河谷坡坡腳。穿越加拉溝復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜和古爾溝倒轉(zhuǎn)背斜，區(qū)內(nèi)兩翼地層同傾。隧洞沿線未見(jiàn)較大斷層出露，結(jié)構(gòu)面主要為小斷層、層間擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙，層間擠壓破碎帶一般順層發(fā)育，其延伸較長(zhǎng)。物理地質(zhì)作用顯著，主要表現(xiàn)為風(fēng)化卸荷和崩塌作用。據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查和鉆孔、平洞資料揭示，邊坡巖體風(fēng)化較弱，但卸荷松馳明顯，巖體強(qiáng)卸荷水平深度一般40～60m，弱風(fēng)化、弱卸荷深度大于70m。

引水隧洞區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水和覆蓋層孔隙水，由大氣降雨和沖溝溝水補(bǔ)給，向河谷排泄。巖體含水性及透水性受構(gòu)造發(fā)育程度控制，并與風(fēng)化卸荷有關(guān)。斷層破碎帶、擠壓破碎帶、節(jié)理密集帶含水相對(duì)豐富。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

獅子坪水電站引水隧洞全長(zhǎng)約18.7km，其中Ⅲ類圍巖段長(zhǎng)9 225.923m，約占49.32%;Ⅳ類圍巖段長(zhǎng)8 211m，約占43.89%;Ⅴ類圍巖段長(zhǎng)1 271m，約占6.79%。

原永久支護(hù)方案:Ⅲ類圍巖邊、頂拱除噴混凝土外，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)掛網(wǎng)+錨桿支護(hù)，底板素混凝土襯砌。Ⅳ、Ⅴ類圍巖則采用鋼筋混凝土襯砌，襯厚0.4～0.6m，頂拱回填灌漿，周邊固結(jié)灌漿，襯砌后為圓形斷面，內(nèi)徑5.5m。

由于引水遂洞部分洞段較施工進(jìn)度滯后較多，如果仍然按照以上支護(hù)方式，可能會(huì)影響預(yù)期發(fā)電的直線工期。借鑒金康電站及小天都電站等工程對(duì)Ⅳ類圍巖洞段采用固結(jié)灌漿加固圍巖后用錨噴支護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn)，若獅子坪水電站引水隧洞也能采用這種“圍巖固結(jié)灌漿+掛網(wǎng)錨噴”的支護(hù)方式，一方面可以節(jié)約工程投資，另一方面由于灌漿和錨噴施工可與遂洞開(kāi)挖平行作業(yè)，從而縮短隧洞施工的工期。這對(duì)于改善獅子坪水電站引水遂洞工期嚴(yán)重滯后的狀況、保證發(fā)電工期具有重大意義。

4 優(yōu)化洞段的選擇

在施工過(guò)程中，我們對(duì)Ⅳ類偏好段圍巖的選擇主要來(lái)自兩個(gè)方面的考慮:①選擇位于Ⅲ類圍巖附近的Ⅳ類圍巖(為方便施工、加快施工進(jìn)度);②圍巖工程地質(zhì)評(píng)分＞38分(GB 50287－2006)《水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》?；谝陨蟽牲c(diǎn)選出的Ⅳ類偏好段樁號(hào)及評(píng)分見(jiàn)表1。

表1 Ⅳ類偏好段樁號(hào)及評(píng)分

上述Ⅳ類偏好段的總體洞向S29°～85°E，洞室垂直埋深一般170～400m，最大埋深650m，該段洞室地層為三疊系雜谷腦組(T2z)厚～巨厚層變質(zhì)砂巖夾板巖，變質(zhì)砂巖巖性堅(jiān)硬，一般具厚～巨厚層狀結(jié)構(gòu);板巖巖性軟弱，具薄層狀結(jié)構(gòu)。巖層總體產(chǎn)狀N30°～60°E/SE(NW)∠70°～85°，與洞線呈較大角度相交。巖體內(nèi)無(wú)區(qū)域性斷層通過(guò)，但小斷層、順洞向擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙極為發(fā)育，受構(gòu)造作用影響，擠壓破碎帶寬一般0.05～0.3m，以碎裂巖、壓碎巖、糜棱巖為主。地下水以濕潤(rùn)～滴水為主，局部地方線狀流水～股狀滲水或涌水，巖體呈弱風(fēng)化～新鮮狀態(tài)。

5 固結(jié)灌漿試驗(yàn)

在對(duì)Ⅳ類偏好洞段進(jìn)行加強(qiáng)型噴錨支護(hù)之前，獅子坪電站委托武漢理工大學(xué)對(duì)引水隧洞進(jìn)行了固結(jié)灌漿試驗(yàn)研究，其中對(duì)優(yōu)化洞段所在的雜谷腦組灌漿試驗(yàn)成果如下:

(1)采用噴錨支護(hù)固結(jié)的方法，對(duì)引水隧洞圍巖的物理力學(xué)特性，特別是松動(dòng)圈范圍的巖體有明顯的改善。

(2)灌后壓水透水率有明顯降低，灌前的大面積漏水不存在了，僅有少數(shù)滴水現(xiàn)象。其中:

B1區(qū)檢查孔由灌前的11.6Lu減小到灌后的6.7Lu，降低了42%;

B2區(qū)檢查孔由灌前的11.2Lu減小到灌后的3.5Lu，降低了69%;

B3區(qū)檢查孔由灌前的12.4Lu減小到灌后的2.9Lu，降低了77%。

(3)聲波檢測(cè)孔在灌前，0～1.8m處普遍比較松散、破碎，通過(guò)固結(jié)灌漿，平均波速?gòu)? 500m/s提高到了4 000m/s左右。

(4)鉆孔彈模:B1區(qū)，灌漿孔的間排距2m×2m，灌漿壓力1MPa，灌前彈模平均值3.18GPa，灌后彈模平均值4.55GPa，彈模平均提高43.08%;

B2區(qū)，灌漿孔的間排距3m×3m，灌漿壓力1MPa，灌前彈模平均值4.5GPa，灌后彈模平均值6.64GPa，彈模平均提高47.56%;

B3區(qū)，灌漿孔的間排距2m×2m，灌漿壓力0.5MPa，灌前彈模平均值3.8GPa，灌后彈模平均值4.1GPa，彈模平均提高7.89%;

根據(jù)實(shí)際測(cè)試資料顯示，引水隧洞圍巖采用固結(jié)灌漿噴錨支護(hù)，對(duì)圍巖性質(zhì)有了一定的提高。特別是圍巖松動(dòng)范圍內(nèi)的巖體，處理后巖體聲波速度普遍都可以達(dá)到3 500m/s以上、平均彈模達(dá)到5.0GPa。因此，只要引水隧洞上覆巖體和側(cè)向巖體厚度滿足要求，并且無(wú)貫穿裂縫，對(duì)Ⅳ類(中等偏好)圍巖可以考慮固結(jié)灌漿+噴錨支護(hù)代替混凝土全斷面支護(hù)的方案，但要注意水流對(duì)噴射混凝土的沖刷侵蝕影響。

6 Ⅳ類偏好段的優(yōu)化方案

由于引水隧洞施工進(jìn)度較計(jì)劃滯后較多，致使按《引水隧洞典型斷面襯砌圖》施工將無(wú)法滿足目標(biāo)工期要求，根據(jù)業(yè)主施工進(jìn)度的要求以及相關(guān)的《引水隧洞固結(jié)灌漿試驗(yàn)研究報(bào)告》的結(jié)論，為加快施工進(jìn)度，將部分關(guān)鍵控制洞段Ⅳ類圍巖偏好段(圍巖地質(zhì)復(fù)核評(píng)分＞38分，見(jiàn)表1)洞段的襯砌方式由混凝土襯砌調(diào)整為加強(qiáng)型錨噴支護(hù)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為:臨時(shí)支護(hù)仍采用隨機(jī)錨桿、噴混凝土(局部掛網(wǎng)、鋼支撐)支護(hù)處理;永久支護(hù)則采用“固結(jié)灌漿+掛網(wǎng)錨噴”的支護(hù)方案:

(1)錨桿:全長(zhǎng)粘結(jié)式砂漿錨桿φ25，L=4.5m，間排距1.5m×1.5m;

(2)掛網(wǎng)噴混凝土:雙層φ8鋼筋網(wǎng)@10cm×10cm，噴C20混凝土，摻聚丙烯纖維(建議摻入量為0.9kg/m3，可適當(dāng)調(diào)整)，厚 18cm;

(3)圍巖固結(jié)灌漿:固結(jié)灌漿應(yīng)在錨噴支護(hù)完成并達(dá)到28天齡期后實(shí)施，灌漿孔布置見(jiàn)圖1。固結(jié)灌漿分兩序進(jìn)行，一序灌漿孔間、排距2.5m，孔深4m，灌漿壓力1～1.5MPa(以抬動(dòng)變形控制);二序灌漿孔間、排距2.5m，孔深3m，灌漿壓力0.4～0.5MPa(以抬動(dòng)變形控制)。

圖1 灌漿孔布置示意

7 優(yōu)化效果

目前獅子坪引水隧洞加強(qiáng)型噴錨支護(hù)已經(jīng)完成，施工比較順利，也為獅子坪電站按時(shí)發(fā)電爭(zhēng)取了時(shí)間(2010年3月3日首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，3月底3臺(tái)機(jī)組全部投入商業(yè)運(yùn)行)。

2010年5月20日，獅子坪開(kāi)始引水隧洞放空檢查，所有加強(qiáng)噴錨段無(wú)一處掉塊、塌方，隧洞整體質(zhì)量良好。

8 結(jié) 論

獅子坪水電站為壩高136m的高壓水頭引水式發(fā)電系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于類似工程，地下洞室Ⅳ類圍巖大都采用澆筑混凝土處理。但獅子坪水電站為加快施工進(jìn)度，對(duì)部分關(guān)鍵控制洞段Ⅳ類圍巖偏好段進(jìn)行了大膽優(yōu)化，支護(hù)形式由混凝土襯砌調(diào)整為加強(qiáng)型錨噴支護(hù)，并取得了較好的效果。本文對(duì)此次優(yōu)化從工程地質(zhì)條件、分類標(biāo)準(zhǔn)、固結(jié)灌漿試驗(yàn)、優(yōu)化方案及優(yōu)化效果各方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，希望能為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供一些參考。