木坡水電站引水隧洞塌方及涌水處理措施

湯向華，龔銳

（貴州西能電力建設(shè)有限公司，貴陽(yáng) 550004）

木坡水電站引水隧洞塌方及涌水處理措施

湯向華，龔銳

（貴州西能電力建設(shè)有限公司，貴陽(yáng) 550004）

針對(duì)木坡水電站隧洞開挖過程中出現(xiàn)的塌方、涌水等現(xiàn)象，通過分析其圍巖地質(zhì)及地下水特征，采取了超前小導(dǎo)管注漿、超前錨桿支護(hù)、鋼支撐等方案，有效提高了開挖施工進(jìn)度，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

水電站；引水隧洞；塌方；涌水；超前小導(dǎo)管注漿；超前錨桿支護(hù)

1 水電站概況

木坡水電站位于四川省阿壩州小金縣境內(nèi)的撫邊河干流上，為撫邊河干流自下而上規(guī)劃的第3級(jí)電站；上游與美臥電站銜接，下游與楊家灣電站銜接；電站樞紐建筑物主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐等組成。電站正常蓄水位為2 709.00m，死水位為2 705.00m，引水隧洞長(zhǎng)10 074.028m，主要任務(wù)為發(fā)電，開發(fā)目的單一。電站位于夾金山、巴郎山山脈處，地殼運(yùn)動(dòng)頻繁，常有地震發(fā)生，2008年汶川大地震對(duì)圍巖的破壞極大；地下水由雪山融雪補(bǔ)給，地下水豐富。

2 塌方原因分析

木坡水電站引水隧洞工程自開工以來，累計(jì)發(fā)生28次隧洞垮塌，其中有5次較大規(guī)?？逅＝?jīng)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)生垮塌的洞段均位于小斷層或破碎帶，圍巖以Ⅴ類圍巖為主，主要由變質(zhì)細(xì)粒石英砂巖、灰黑色炭質(zhì)板巖等組成，受構(gòu)造作用影響，巖層揉皺劇烈，巖層產(chǎn)狀變化大，巖體完整性差，多呈碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)。由于該洞段巖層裂隙傾角較緩、巖層走向與洞軸線夾角較小，受局部結(jié)構(gòu)面不利組合及緩傾角結(jié)構(gòu)面切割的影響，圍巖穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生頂拱掉塊、楔型失穩(wěn)體及局部小規(guī)模塌方等。由于發(fā)生垮塌洞段均不同程度出現(xiàn)滲水，部分洞段涌水量達(dá)到300m3／h，巖石經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間浸泡，風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度極低，部分石塊手捏即碎，導(dǎo)致施工時(shí)出現(xiàn)垮塌。

3 開挖支護(hù)施工措施

3.1 已垮塌段開挖支護(hù)措施

對(duì)于已經(jīng)發(fā)生的垮塌段，采取塌方堆積體加固+鋼拱架支護(hù)+超前小導(dǎo)管注漿的方式進(jìn)行支護(hù)處理后，再進(jìn)行開挖施工，施工流程為：塌方堆積體加固→已支護(hù)段鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)→塌方段空腔回填→塌方段超前小導(dǎo)管注漿→塌方段開挖→塌方段鋼拱架支護(hù)→下一循環(huán)。

（1）塌方堆積體加固。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生的塌方段，如塌方方量較小，可直接采用鋼拱架對(duì)塌方段之前已支護(hù)部位進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，以避免塌方繼續(xù)擴(kuò)大，保證施工安全。如塌方方量過大，則在塌方堆積體停止滑動(dòng)后，采用回填石渣和噴射C20混凝土的方式加固塌方堆積體，防止塌方堆積體繼續(xù)滑動(dòng)而對(duì)已支護(hù)洞段造成損害。

回墊石渣利用各洞口附近渣場(chǎng)內(nèi)的棄渣料，采用100 kN自卸汽車運(yùn)至洞內(nèi)，然后用裝載機(jī)從坡腳線的位置自下而上堆墊，坡度不大于45°。墊渣完畢后對(duì)墊渣面噴10～20 cm厚的C20混凝土封閉堆渣坡面，確保坡面穩(wěn)定。

（2）塌方段附近已支護(hù)段加強(qiáng)支護(hù)。由于塌方往往會(huì)對(duì)附近已支護(hù)洞段產(chǎn)生破壞，為保證施工安全，必須對(duì)塌方段附近已支護(hù)洞段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，防止垮塌和變形進(jìn)一步擴(kuò)大。加強(qiáng)支護(hù)采用I18工字鋼拱架和掛網(wǎng)噴砼的方式，支護(hù)范圍一般為距塌方處5～10m。如已支護(hù)洞段破壞或變形范圍較大，則應(yīng)對(duì)所有被破壞或變形的洞段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。鋼拱架緊貼巖面安裝，間距為0.5～1.0m，鋼拱架之間采用?22mm的鋼筋縱向連接，連接筋間距為0.5 m，采用直徑為22mm、長(zhǎng)3m的鎖腳錨桿焊接固定，鎖腳錨桿間距為1.5m，沿鋼拱架布置。當(dāng)鎖腳錨桿與系統(tǒng)錨桿沖突時(shí)，取消鎖腳錨桿，用系統(tǒng)錨桿焊接鋼拱架。掛直徑為8mm、間距為20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)，噴10 cm厚的C20混凝土。

（3）超前小導(dǎo)管施工。對(duì)于塌方段，先采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)支護(hù)，然后再進(jìn)行分層開挖。

1）開挖前，對(duì)堆積體面噴5 cm厚的C20素混凝土進(jìn)行封閉，并適量灌漿固結(jié)，灌漿管采用直徑為48mm、長(zhǎng)3.0m的小導(dǎo)管（小導(dǎo)管端部加工成錐形并封焊嚴(yán)實(shí)，便于插入巖體，管身設(shè)溢漿孔，按梅花形排列，后端0.5m范圍不設(shè)溢漿孔），灌漿孔間距為1.0m，梅花形布置，灌漿壓力控制在0.2～0.3 MPa，漿液的水灰比為0.5∶1～1∶1，每孔注漿量控制在500～800 L（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)監(jiān)理工程師同意后可調(diào)整注漿壓力及注漿量），灌漿循環(huán)間距為1.5～2.0m。

2）在隧洞頂拱120°范圍設(shè)置超前支護(hù)，超前支護(hù)采用直徑為48mm、長(zhǎng)3.0m的小導(dǎo)管，間距為20～25 cm，仰角、外插角為8°～12°，循環(huán)間距為0.5～1.5m。小導(dǎo)管端部加工成錐形并封焊嚴(yán)實(shí)，便于插入巖體，管身設(shè)溢漿孔，按梅花形排列，后端1m范圍不設(shè)溢漿孔，管尾設(shè)一個(gè)加固環(huán)。小導(dǎo)管適量灌漿固結(jié)，使松散的圍巖形成一層水泥膠結(jié)體拱圈，灌漿壓力控制在0.2～0.3MPa，漿液的水灰比為0.5∶1～1∶1，每孔注漿量控制在300～500 L（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)監(jiān)理工程師同意后可調(diào)整注漿壓力及注漿量），漿液應(yīng)填實(shí)整個(gè)鋼管，以增加鋼管剛度，抵抗周邊圍巖應(yīng)力和爆破影響而引起的變形。

小導(dǎo)管施工工藝流程如圖1所示。

圖1 小導(dǎo)管施工工藝流程

（4）超前小導(dǎo)管灌漿完畢達(dá)到一定強(qiáng)度后，對(duì)塌方段分上、下半洞進(jìn)行分層開挖施工。開挖采用挖掘機(jī)配合風(fēng)鎬修邊的方式施工，施工中盡量減少對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)，每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～0.6m。開挖后，采用裝載機(jī)配合100 kN自卸汽車將洞渣運(yùn)送到棄渣場(chǎng)。

（5）開挖完畢后，及時(shí)在掌子面及周邊圍巖素噴5 cm厚的C20混凝土，然后采用I16工字鋼拱架進(jìn)行支護(hù)。鋼拱架緊貼巖面安裝，間距為0.5～0.6 m，鋼拱架之間采用?22mm的鋼筋縱向連接，連接筋間距為0.5m，采用直徑為22mm、長(zhǎng)3.0m的鎖腳錨桿焊接固定，鎖腳錨桿間距為1.5m，沿鋼拱架布置。當(dāng)鎖腳錨桿與系統(tǒng)錨桿沖突時(shí)，取消鎖腳錨桿，用系統(tǒng)錨桿焊接鋼拱架。掛直徑為8mm、間距為20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)，繼續(xù)噴C20混凝土至20 cm厚。

（6）由于塌方段上部空腔深度不確定，在拱架支護(hù)完成后，對(duì)頂拱及周邊圍巖采用回填灌漿的方式進(jìn)行加固，形成一層水泥膠結(jié)體拱圈，以提高圍巖整體穩(wěn)定性。灌漿管采用直徑為48mm、長(zhǎng)3.0m小導(dǎo)管（管身設(shè)溢漿孔，按梅花形排列，后端0.5m范圍不設(shè)溢漿孔），間排距為1.0m，梅花形交錯(cuò)布置，采用自下而上的方式施工。灌漿壓力控制在0.2～0.3MPa，漿液的水灰比為0.5∶1～1∶1，每孔注漿量控制在800～1 000 L（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況經(jīng)監(jiān)理工程師同意后可調(diào)整注漿壓力及注漿量）。

（7）對(duì)于滲水部位，設(shè)置?42mm的排水孔進(jìn)行引排，排水孔長(zhǎng)3.0m，內(nèi)插PVC管，間排距為1.5m。

（8）塌方段后5.0m范圍內(nèi)，繼續(xù)采用I18鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)，之后再按一般施工方法進(jìn)行開挖支護(hù)施工。鋼拱架緊貼巖面安裝，間距為0.5～1.0m，鋼拱架之間采用?22mm的鋼筋縱向連接，連接筋間距為0.5m，采用直徑為22mm、長(zhǎng)3.0m的鎖腳錨桿焊接固定，鎖腳錨桿間距為1.5m，沿鋼拱架布置。當(dāng)鎖腳錨桿與系統(tǒng)錨桿沖突時(shí)，取消鎖腳錨桿，用系統(tǒng)錨桿焊接鋼拱架。掛直徑為8mm、間距為20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)，噴C20混凝土至15 cm厚。

3.2 不良地質(zhì)洞段開挖支護(hù)措施

對(duì)于圍巖破碎帶、斷層帶、軟弱夾層等不良地質(zhì)洞段，主要依靠地質(zhì)素描、超前勘測(cè)等方式，提前掌握圍巖地質(zhì)情況，采取超前小導(dǎo)管、超前錨桿等預(yù)支護(hù)方式進(jìn)行加固，開挖則采用“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的方式，控制開挖對(duì)周邊圍巖的震動(dòng)，避免出現(xiàn)塌方。開挖后即時(shí)采用鋼拱架對(duì)巖面進(jìn)行支撐，每完成一循環(huán)進(jìn)尺后，立即在開挖面上初噴3 cm厚的C20混凝土，然后將鋼拱架靠上，用徑向錨桿固定，鋼拱架榀間用?22mm的鋼筋焊接，并在榀間掛鋼筋網(wǎng)，最后補(bǔ)噴C20混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

鋼拱架采用I18工字鋼，緊貼巖面安裝，間距為0.5～1.0m，鋼拱架之間采用?22mm的鋼筋縱向連接，連接筋間距為0.5m，采用直徑為22mm、長(zhǎng)3.0 m的鎖腳錨桿焊接固定，鎖腳錨桿間距為1.5m，沿鋼拱架布置。當(dāng)鎖腳錨桿與系統(tǒng)錨桿沖突時(shí)，取消鎖腳錨桿，用系統(tǒng)錨桿焊接鋼拱架。掛直徑為8mm、間距為20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)，噴C20混凝土至15～20 cm厚。

3.3 涌水處理措施

由于引水隧洞沿線圍巖以Ⅳ，Ⅴ類圍巖為主，地下水含量豐富且施工區(qū)雨量較多，開挖施工時(shí)極易發(fā)生涌水，導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性極差，極易發(fā)生垮塌。為此，必須對(duì)涌水采取相應(yīng)的處理措施，避免隧洞發(fā)生垮塌。涌水的處理方法主要包括超前預(yù)報(bào)、超前小導(dǎo)管灌漿及滲水引排等。

（1）超前預(yù)報(bào)是預(yù)防大規(guī)模涌水發(fā)生的關(guān)鍵。施工中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，采取地質(zhì)素描、超前鉆孔勘探等方式，對(duì)圍巖含水情況進(jìn)行判斷，對(duì)于確定會(huì)存在大量涌水的部位，采用超前小導(dǎo)管灌漿的方式對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)，加強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，減小透水率，避免出現(xiàn)大規(guī)模涌水而影響施工安全。

超前小導(dǎo)管沿隧洞邊墻及頂拱布置，采用直徑為48mm、長(zhǎng)3.0m小導(dǎo)管，間距為20～25 cm，仰角、外插角為8°～12°，循環(huán)間距為1.0～2.0m。小導(dǎo)管端部加工成錐形并封焊嚴(yán)實(shí)，便于插入巖體，管身設(shè)溢漿孔，按梅花形排列，后端1m范圍不設(shè)溢漿孔，管尾設(shè)一個(gè)加固環(huán)。小導(dǎo)管適量灌漿固結(jié)，使松散的圍巖形成一層水泥膠結(jié)體拱圈，灌漿壓力控制在0.2～0.3 MPa，漿液采用水灰比為 1∶1～0.5∶1的純水泥漿或水泥漿與水玻璃的混合漿液（水玻璃濃度為38～40°Bé，水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.3～1∶0.8）。

（2）對(duì)于已經(jīng)發(fā)生的涌水，主要采用預(yù)埋排水管引排的處理方式，并對(duì)涌水段用鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)，確保施工安全。鋼拱架采用I16工字鋼，緊貼巖面安裝，間距為0.5～1.0m，鋼拱架之間采用?22mm的鋼筋縱向連接，連接筋間距為0.5m，采用直徑為22mm、長(zhǎng)3.0m的鎖腳錨桿焊接固定，鎖腳錨桿間距為1.5m，沿鋼拱架布置。當(dāng)鎖腳錨桿與系統(tǒng)錨桿沖突時(shí)，取消鎖腳錨桿，用系統(tǒng)錨桿焊接鋼拱架。掛直徑為8mm、間距為20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)，噴C20混凝土至15～20 cm厚。

4 質(zhì)量保證措施

（1）開工前，工程技術(shù)部按照施工措施對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底，質(zhì)量安全部有關(guān)人員及全體作業(yè)人員參加。

（2）施工過程中的質(zhì)量檢查制度為“三檢制”：施工班組初檢，施工隊(duì)復(fù)檢，項(xiàng)目部工程部終檢后再進(jìn)行下一道工序施工。

（3）加強(qiáng)圍巖超前鉆孔勘測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地判斷圍巖的地質(zhì)情況，為施工提供參考。

（4）嚴(yán)格控制超前小導(dǎo)管施工質(zhì)量。

1）導(dǎo)管制作。導(dǎo)管采用?48mm的鋼管加工而成，尾部焊套箍，鋼管頂部加工成錐形，便于插入孔內(nèi)；管壁按梅花形布鉆小孔，孔眼直徑為6～8 mm，間距為20～30 cm。

2）安插導(dǎo)管。人工配合鉆機(jī)將加工好的鋼管插入孔內(nèi)，外露20 cm，尾部與鋼拱架焊接成一體。

3）注漿。用灌漿泵灌注水泥液漿，注漿前對(duì)開挖面及距掌子面5m范圍內(nèi)的圍巖噴混凝土，噴厚5～10 cm，注漿壓力為0.2～0.3MPa，灌漿漿液的水灰比按1∶1～0.5∶1由稀至濃逐級(jí)變換，孔口設(shè)置止?jié){塞。注漿時(shí)先注無水孔，再注有水孔，從拱頂向下跳孔注漿，如遇冒漿或竄漿，則間隔一孔或幾孔分序注漿。

（5）嚴(yán)格控制錨桿鉆孔的孔位、孔深，孔位偏差應(yīng)小于100mm，孔深偏差不大于50mm。鎖腳錨桿應(yīng)與鋼支撐焊接牢固、可靠。錨桿水泥砂漿應(yīng)飽滿、密實(shí)，強(qiáng)度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

（6）鋼支撐安裝時(shí)應(yīng)進(jìn)行放線測(cè)量，鋼支撐結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足隧洞襯砌要求，鋼支撐的制作焊接、拼裝焊接、節(jié)間的連接與鎖腳錨桿的焊接都應(yīng)牢固、可靠，避免鋼支撐因受力而發(fā)生變形。

5 安全措施

（1）成立以項(xiàng)目經(jīng)理為負(fù)責(zé)人、各部門及施工隊(duì)參與的施工安全管理機(jī)構(gòu)，加強(qiáng)職工的安全教育，提高全體職工安全意識(shí)，增強(qiáng)工作責(zé)任心。

（2）開展特殊工種作業(yè)人員的技術(shù)培訓(xùn)和崗位培訓(xùn)，提高全體施工人員的技術(shù)水平，嚴(yán)格執(zhí)行特種作業(yè)操作規(guī)程和相關(guān)安全規(guī)章制度，嚴(yán)禁無證上崗。

（3）實(shí)行各級(jí)安全生產(chǎn)責(zé)任制，堅(jiān)持開展安全教育討論會(huì)，定期舉行安全大檢查，將檢查結(jié)果以整改通知單的方式下發(fā)并監(jiān)督執(zhí)行。

（4）所有人員進(jìn)入施工區(qū)必須按規(guī)范佩戴安全帽，工作面派專人負(fù)責(zé)施工安全。

（5）加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)，操作時(shí)定人定崗，嚴(yán)禁違章操作。

6 結(jié)束語(yǔ)

隧洞開挖遇上小斷層或破碎圍巖時(shí)，支護(hù)方案就顯得非常重要。根據(jù)木坡水電站的地質(zhì)特點(diǎn)，施工采用多開支洞等方案，采取精細(xì)化管理，既保證了引水隧洞的開挖質(zhì)量，也為引水隧洞開挖節(jié)約了寶貴的時(shí)間。不但節(jié)約了施工成本，也為今后在不良地質(zhì)開挖隧洞積累了經(jīng)驗(yàn)。

（本文責(zé)編：劉芳）

TV 554

：B

：1674-1951（2015）04-0001-03

湯向華（1976—），男，貴州貴陽(yáng)人，工程師，從事水利水電工程建設(shè)施工和管理等方面的工作（E-mail：txh2088＠163.com）。

2014-10-20；

2015-02-03

龔銳（1987—），男，四川廣元人，助理工程師，從事水利水電工程建設(shè)施工和管理等方面的工作。