四川岷江紫坪鋪水利樞紐工程隧洞群施工綜述

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

1 工程概況

四川紫坪鋪水利樞紐工程位于成都市西北60余km的岷江上游，樞紐距都江堰市9km，工程壩址以上控制流域面積22662km2，占岷江上游面積的98%；工程是以灌溉和供水為主，兼有發(fā)電、防洪、環(huán)境保護(hù)、旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程。樞紐主要建筑物包括壩高156m的鋼筋混凝土面板堆石壩、1#、2#泄洪排砂洞、溢洪道、引水發(fā)電系統(tǒng)、沖砂放空洞等。工程等別為Ⅰ等，主要建筑物為1級。水庫校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為可能最大洪水，流量12700m3/s；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，流量為8300m3/s；正常蓄水位877.00m，水庫總庫容11.12億m3，正常水位庫容9.98億m3，電站裝機(jī)4×190MW。

工程建設(shè)主要作用是提高枯水期都江堰灌區(qū)灌溉供水保證率，增加枯水期向成都市工業(yè)及生活用水的供水量，提高下游金馬河兩岸的防洪標(biāo)準(zhǔn)，為川西電網(wǎng)提供較為經(jīng)濟(jì)的調(diào)峰調(diào)頻電源，枯水期向成都市提供環(huán)境保護(hù)用水。

2 隧洞工程布置及地質(zhì)條件

岷江在壩址區(qū)沙金壩河段形成180°轉(zhuǎn)彎的河曲，使右岸形成一長約1000m，底寬400m～650m的條形山脊。河谷呈不對稱“Ⅴ”形谷，左岸以基巖斜坡為主，自然坡度40°～50°，右岸條形山脊地表多為覆蓋層，自然坡度20°～25°，谷寬約640m(正常蓄水位877.00m)。工程區(qū)位于龍門山斷裂構(gòu)造帶南段，北川～映秀與灌縣～安縣斷裂之間，屬構(gòu)造相對穩(wěn)定區(qū)，地震基本烈度為Ⅶ度。

紫坪鋪水利樞紐布置在河道彎段，左岸處于凹岸，且受強(qiáng)烈擠壓和F2-1斷層破壞，結(jié)合地形條件，左岸不宜布置建筑物。為此，各建筑物集中布置在右岸條形山脊，在長約1000m，底寬400m～650m的右岸條形山脊布置了2條導(dǎo)流泄洪隧洞、4條引水隧洞和1條沖砂放空隧洞，共9條隧洞(含導(dǎo)流洞非結(jié)合段)，隧洞總長度達(dá)4.139km(未包括永久排水洞及施工支洞長度)。1#～4#引水隧洞洞徑8m；1#、2#泄洪排沙隧洞布置在引水隧洞上游側(cè)，利用1#、2#導(dǎo)流洞改造成“龍?zhí)ь^”型式，導(dǎo)泄結(jié)合段洞徑10.7m×10.7m，洞身斷面為馬蹄型，襯砌厚度80cm～150cm，導(dǎo)流堵頭段最大開挖斷面為16.2m×15.1m；沖沙放空隧洞布置在引水隧洞2#、3#進(jìn)水塔下方，洞徑4.4m。隧洞群通過的地層有三疊系上統(tǒng)須家河組、以及層間剪切破碎帶L11～L7、Lc和F3斷層帶，其巖性以中～厚層狀含煤屑中細(xì)粒砂巖為主，夾粉砂巖及煤質(zhì)頁巖。右岸條形山脊主要工程地質(zhì)問題如下。

(1)層間剪切破碎帶

各條隧洞在不同洞段和不同高程都會遇見層間剪切破碎帶。層間剪切破碎帶順層展布，延伸很遠(yuǎn)，一般厚度2m～25m，由煤質(zhì)頁巖后期受構(gòu)造擠壓而成，組成物質(zhì)多為片狀頁巖、角礫巖、斷層泥等。結(jié)構(gòu)松散，巖性軟弱，屬Ⅴ類圍巖范疇，成洞條件極差。

(2)穿越向斜軸部

各條隧洞在穿越沙金壩向斜軸部時(shí)，由于巖層產(chǎn)狀平緩(傾角最大35°)，向山外(北東向)傾伏，巖層走向與隧洞軸線小角度相交，裂隙也較發(fā)育，特別是軟弱的層間剪切破碎帶時(shí)，出露寬度變大，圍巖穩(wěn)定條件較差。

(3)F3斷層破碎帶

1#、2#導(dǎo)流泄洪洞分別在樁號0+543.00m～0+660.00m、0+640.00m～0+712.00m通過F3斷層，斷層寬度大，分別達(dá)117m、72m，隧洞最大開挖斷面尺寸達(dá)14.2m×14.2m。F3斷層主要由糜棱巖、角礫巖、斷層泥和片狀煤質(zhì)頁巖等組成，巖體十分軟弱破碎，但擠壓較為緊密。斷層帶內(nèi)較干燥，系一相對隔水層，上盤匯聚較豐富的地下水。1#導(dǎo)流泄洪洞上覆巖體厚117m～145m，2#導(dǎo)流泄洪隧洞上覆巖體厚63m～85m。F3斷層帶土體主要為細(xì)粒物質(zhì)，滲透性微弱，抗剪強(qiáng)度很低，遇水后強(qiáng)度迅速降低，屬Ⅴ類圍巖，穩(wěn)定條件極差。

(4)舊煤洞采空區(qū)及瓦斯

前期勘探及工程施工過程中，都發(fā)現(xiàn)在F3斷層帶和層間剪切破碎帶內(nèi)多處舊煤洞、采空區(qū)，極易引起邊坡巖體局部失穩(wěn)，隧洞底板局部塌陷、頂拱塌落，甚至產(chǎn)生冒頂?shù)炔涣嫉刭|(zhì)現(xiàn)象。另外，這些煤洞和采空區(qū)往往又是瓦斯聚集區(qū)，瓦斯?jié)舛群艽蟆?/p>

(5)地下水

3 安全可靠的工程布置和優(yōu)化

3.1 引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水口布置型式優(yōu)化

本工程引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水口的型式，在1994年原初設(shè)中通過豎井式和岸塔式的方案比較，推薦了投資較少的豎井式方案。2000年補(bǔ)充初設(shè)時(shí)，對兩種方案再次進(jìn)行了全方位的深入比較。其中，施工的安全可靠性對最終方案的選定起到關(guān)鍵性的作用。原初設(shè)豎井式進(jìn)水口的豎井高49m～60m，開挖斷面14.4m×18.5m，豎井之間巖柱厚僅4.6m，不足豎井寬的0.5倍，圍巖為Ⅳ類，豎井施工難度極大。因此，施工程序必須按照先開挖、支護(hù)和襯砌完成1#、3#豎井后，再施工2#、4#豎井；開挖必須采取極其嚴(yán)格的控制爆破技術(shù)以減輕對圍巖的擾動，并及時(shí)跟進(jìn)強(qiáng)支護(hù)措施。豎井上游側(cè)的四條喇叭口最大洞挖尺寸16m×26m(寬×高)，圍巖為Ⅳ～Ⅴ類，埋深8m～22m，隧洞之間巖體厚6m～14m，施工程序也必須是先完成1#、3#后，再施工2#、4#，喇叭口掛口困難，施工風(fēng)險(xiǎn)大，施工安全性和工期可靠性難以保證。而岸塔式進(jìn)水口施工主要為土石方明挖，施工難度小，工期容易保證。鑒于2000年補(bǔ)充初設(shè)時(shí)，國內(nèi)采用通倉岸塔式方案的幾座大型水電站均已經(jīng)成功運(yùn)行，綜合施工、長遠(yuǎn)效益和方便運(yùn)行管理等方面，補(bǔ)充初設(shè)最終采用岸塔式進(jìn)水口方案。

3.2 引水隧洞洞線布置優(yōu)化

在2000年的補(bǔ)充初設(shè)階段，四條引水隧洞在平面上平行布置，立面上也采用常規(guī)的同一布置型式，由上平段、上彎段、斜直段、下彎段、下平段和埋管段組成。原方案四條隧洞中心線間距22m，相鄰兩隧洞間巖體的最小厚度不足12m，且四條隧洞都在上平段和斜直段兩次通過L11層間剪切破碎帶(寬15m～25m)。為保證施工安全，施工程序也必須是先完成1#、3#隧洞的開挖、支護(hù)和襯砌后，再施工2#、4#隧洞；為滿足施工進(jìn)度要求，還專門布置了一條施工支洞聯(lián)通四條隧洞的上彎段，支洞斷面尺寸按照運(yùn)輸鋼管要求設(shè)計(jì)。

在招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)四條隧洞的地質(zhì)特點(diǎn)，為簡化施工程序，降低施工難度，確保施工安全及施工工期，對四條引水隧洞洞線的立面布置進(jìn)一步優(yōu)化，即取消1#、3#隧洞的上平段，1#、3#隧洞在進(jìn)口16m長的漸變段之后，緊接上彎段和斜直段與下平段相連，而2#和4#隧洞立面布置保持不變。

為此，1#、3#隧洞成功避開原方案的兩次穿越L11層間剪切破碎帶，隧洞大部分在Ⅲ類圍巖中通過，通過Ⅴ類圍巖的長度大大減少；四條隧洞僅在進(jìn)口16m長的漸變段(方變圓)和約45m長的下平段(0+269.876m～0+308.633m)中心距為22m外，四條隧洞其余大部分地段相鄰兩隧洞的中心距變?yōu)?4m，隧洞間巖體的最小厚度由原方案大約1倍洞徑變?yōu)槌^3倍洞徑，施工期初期支護(hù)減少，施工難度降低；施工程序大為簡化，僅進(jìn)出口段須間隔施工，其余大部分洞段可以同時(shí)施工，在取消施工支洞的情況下工期反而縮短。

本工程引水系統(tǒng)基于補(bǔ)充初設(shè)階段對進(jìn)水口型式的優(yōu)化和招標(biāo)設(shè)計(jì)階段對四條引水隧洞立面布置前瞻性的修改和完善，加之施工承包商通過1#、2#導(dǎo)流隧洞的施工實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)積累，引水系統(tǒng)工程在整個(gè)工程的施工中進(jìn)展順利、安全可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)和效果。

4 合理的施工開挖程序

根據(jù)地下工程不同的地質(zhì)條件，選擇合理的開挖程序，可最大限度地利用圍巖的自身承載能力。特別是對于開挖斷面較大，地質(zhì)條件較差的淺埋、軟巖隧洞工程，確定與之相適應(yīng)的開挖程序至關(guān)重要，以便在圍巖極其有限的自穩(wěn)時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行必須的初期加固措施，而不至于產(chǎn)生垮塌現(xiàn)象。因此，合理開挖程序的選擇需同時(shí)考慮圍巖地質(zhì)特性及自穩(wěn)時(shí)間、支護(hù)方式及支護(hù)工作量、隧洞斷面大小和使用機(jī)械設(shè)備狀況等綜合因素。1#、2#導(dǎo)流隧洞洞身斷面為馬蹄型，開挖斷面尺寸為12.4m×12.4m～14.1m×14.1m，堵頭段最大開挖斷面為16.2m×15.1m，采用從上向下分兩層開挖的施工程序，頂部分層高度為6m～7m，上部開挖貫通后，再進(jìn)行下部擴(kuò)挖。

4.1 上部開挖程序

為充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)能力，Ⅲ、Ⅳ類圍巖上部采用全斷面一次開挖成形。Ⅴ類圍巖上層開挖需充分考慮其極差的自穩(wěn)能力，合理比選開挖方案：

(1)中導(dǎo)洞法：中導(dǎo)洞貫通后，再進(jìn)行頂部兩側(cè)擴(kuò)挖；

(2)邊導(dǎo)洞法：導(dǎo)洞位于頂層的邊側(cè)，導(dǎo)洞貫通后，只須進(jìn)行頂層另一側(cè)的擴(kuò)挖；

(3)環(huán)形開挖法：開挖沿上層拱圈周邊進(jìn)行，中心留核部。

無論是中導(dǎo)洞法還是邊導(dǎo)洞法，均存在上部二次擴(kuò)挖前，先將導(dǎo)洞周邊已經(jīng)實(shí)施的部分初期支護(hù)拆除，對圍巖不可避免地會產(chǎn)生二次擾動，既影響圍巖穩(wěn)定，同時(shí)又增加初期支護(hù)工作量。因此，Ⅴ類圍巖上部開挖程序以環(huán)形開挖法更為合理和經(jīng)濟(jì)。

本工程導(dǎo)流隧洞、泄洪洞非結(jié)合段以及引水隧洞的施工中，根據(jù)不同的開挖斷面、地質(zhì)條件、承包商的施工習(xí)慣和進(jìn)出口的現(xiàn)場實(shí)際情況，盡管上述三種方法都有一定的實(shí)踐，但Ⅴ類圍巖的上部開挖程序基本上都以環(huán)形開挖法最為成功和高效，施工中采用得最普遍，特別是在通過自穩(wěn)能力極差的L剪切破碎帶和區(qū)域性大斷層F3地層，幾乎都采用環(huán)形開挖法。

4.2 下部開挖程序

Ⅲ、Ⅳ類圍巖下部采用全斷面開挖，開挖前先沿周邊進(jìn)行預(yù)裂爆破，Ⅴ類圍巖采用先拉中槽(根據(jù)需要)，再錯(cuò)馬口方法開挖兩邊側(cè)墻。

5 恰當(dāng)?shù)拈_挖循環(huán)進(jìn)尺

在地質(zhì)條件較差的情況下，圍巖的自承能力隨開挖循環(huán)進(jìn)尺、循環(huán)時(shí)間及開挖斷面的增大而劇減。因此，要把圍巖看成是主要承載結(jié)構(gòu)，并充分發(fā)揮圍巖的承載能力，就必須重視對開挖循環(huán)進(jìn)尺的合理選擇。上部開挖，Ⅲ類圍巖具有較長時(shí)間的自穩(wěn)能力，可采用深鉆孔、較大循環(huán)進(jìn)尺以減小輔助作業(yè)時(shí)間，加速掘進(jìn)；Ⅳ類、Ⅴ類圍巖應(yīng)遵循短進(jìn)尺、多循環(huán)的原則，下部開挖循環(huán)進(jìn)尺視圍巖條件而定。本工程Ⅲ類圍巖的循環(huán)進(jìn)尺以充分發(fā)揮鉆孔設(shè)備的性能，精確控制隧洞開挖輪廓為主要目標(biāo)，Ⅲ類圍巖的循環(huán)進(jìn)尺一般為3.0m～3.2m，Ⅳ類循環(huán)進(jìn)尺一般為1.5m～2.0m，Ⅴ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺一般為0.5m～1.2m。

6 優(yōu)良的控制爆破技術(shù)

從理論上講，新奧法可以歸納為一句話——“充分利用隧洞自身抗力形成承載主體”。為達(dá)此目的，除采用薄壁柔性支護(hù)將圍巖聯(lián)成整體外，在隧洞開挖時(shí)盡量減少對圍巖的擾動，縮小隧洞圍巖的初始松動圈是至關(guān)重要的。因此，根據(jù)客觀條件選擇最適宜的爆破參數(shù)，取得該條件的最佳控制爆破效果，對圍巖穩(wěn)定非常有利。

6.1 選擇合適的炸藥品種

炸藥爆速越高，爆破產(chǎn)生的震動越大。因此，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)恼ㄋ幤贩N。掏槽眼和掘進(jìn)眼宜選用抗水性較好的乳化類炸藥，而周邊眼要求小直徑、低爆速的光爆炸藥。本工程煤洞和采空區(qū)往往又是瓦斯聚集區(qū)，還必須同時(shí)考慮瓦斯影響因素，符合煤礦許用炸藥的要求。

6.2 選擇合理的掏槽形式和起爆時(shí)差

隧洞爆破的掏槽是爆破成敗的關(guān)鍵，掏槽也是產(chǎn)生最大震速的部位。因此，必須選擇減震效果較好的掏槽形式。實(shí)測資料表明：爆破震速的大小只與同時(shí)起爆的炸藥量有關(guān)。只要使每段雷管的起爆時(shí)差足夠大，使爆破震動波形不疊加，則爆破震動速度只與最大段裝藥量有關(guān)，而與總裝藥量無關(guān)，但起爆時(shí)差過大會影響爆破效果。因此，應(yīng)選擇合理的雷管起爆時(shí)差。本工程還必須考慮瓦斯影響因素，選用煤礦許用雷管，起爆網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間還應(yīng)遵循瓦斯隧洞施工爆破的規(guī)定和要求。

6.3 選擇合理的鉆爆參數(shù)

鉆爆參數(shù)不合理，如鉆孔間距過大、裝藥量過小等，既達(dá)不到設(shè)計(jì)的循環(huán)進(jìn)尺、也會因炮眼底部炸藥夾制作用過大而產(chǎn)生較大震動。因此，應(yīng)根據(jù)工程類比及通過試驗(yàn)選擇合理的鉆爆參數(shù)。本工程Ⅲ類圍巖地段巖性以中～厚層狀含煤屑中細(xì)粒砂巖為主，在本工程地下隧洞群實(shí)際施工中，承包商通過鉆爆試驗(yàn)，及時(shí)調(diào)整并獲得了合理的參數(shù)鉆爆，在較好的Ⅲ類圍巖地段，現(xiàn)場周邊孔半孔率實(shí)際可以達(dá)到95%～98%，爆破對圍巖的擾動可減輕到很低的程度，圍巖變形在短時(shí)間內(nèi)即收斂，少數(shù)洞段僅需局部噴錨支護(hù)。

7 適時(shí)實(shí)施合理的支護(hù)

新奧法提出之初，錨噴支護(hù)就被譽(yù)為新奧法的三大支柱之一。近30多年來，新奧法支護(hù)體系的具體內(nèi)容與形式、支護(hù)時(shí)機(jī)、支護(hù)程序及支護(hù)理論不僅在地質(zhì)條件較好的隧洞有了更進(jìn)一步的發(fā)展，同時(shí)，在地質(zhì)條件特差的斷層破碎帶、地下涌水、地下碎屑流以及膨脹巖等軟巖隧洞的研究與應(yīng)用中，也取得了較大的突破和發(fā)展。本工程合理應(yīng)用這些理論和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合各隧洞的地質(zhì)特點(diǎn)，初步選定各隧洞不同圍巖條件的初期支護(hù)參數(shù)，并根據(jù)施工現(xiàn)場監(jiān)測反饋對原支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行及時(shí)和必要的修正。

(1)對于隧洞進(jìn)出口及向斜軸部的Ⅴ類圍巖：支護(hù)范圍為邊墻及頂拱，錨桿直徑φ25mm，長L=5.0m，@1.0m×1.0m；噴C30鋼纖維混凝土厚度14cm～16cm。鋼支撐間距0.8m～1.2m。

(2)對于F3斷層及L剪切破碎帶的Ⅴ類圍巖：頂拱120°～150°范圍布置超前預(yù)注漿管棚(管棚直徑φ42mm，壁厚δ=5mm～6mm，L=5.0m～6.0m，間距25cm～40cm，外插角α=15°～18°)；邊墻及頂拱噴C30鋼纖維混凝土厚度14cm～16cm；鋼支撐間距0.6m～1.0m；鎖腳錨桿直徑φ25mm，長L=5.0m～8m。

鋼支撐優(yōu)先選用正方形截面、由主筋和加強(qiáng)筋按適當(dāng)形式構(gòu)造的二向剛度的格柵拱，要求噴鋼纖維混凝土填滿格柵拱。在上部環(huán)形開挖后，快速噴射第一次鋼纖維混凝土封閉暴露的圍巖，并及時(shí)架設(shè)鋼支撐，再通過噴射第二、三次鋼纖維混凝土填滿格柵拱肋后，與圍巖聯(lián)成整體共同承載。

實(shí)際施工中也有承包商習(xí)慣使用傳統(tǒng)的剛度較大的18號工字鋼加工而成的鋼支撐。格柵拱與工字鋼相比，格柵拱對跨度具有更好的適應(yīng)性，易于安裝，更能緊貼圍巖并緊靠掌子面，與噴鋼纖維混凝土結(jié)合較好，先柔后剛、性能好，與圍巖較好地共同工作。也能在格柵構(gòu)架中穿插各種尺寸鋼管，組成噴混凝土鋼筋桁架管棚復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，在適應(yīng)圍巖變形調(diào)整過程中，其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性能夠較好的匹配。多年來，在鐵路和公路等行業(yè)，該復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)在未膠結(jié)的松散地層、斷層破碎帶、膨脹性巖體、有嚴(yán)重濕陷性黃土等松軟淺埋的特殊地層中被廣泛采用，且發(fā)揮了積極和有效的作用。且在富水的情況，采用單液或雙液超前預(yù)注漿管棚順利穿越地下碎屑流。

本工程在施工前期，右岸國道213公路改道在馬鞍山隧道段施工中，通過破碎且富水的Ⅴ類圍巖煤層地段，采用管棚+環(huán)形開挖+格柵拱+噴錨掛網(wǎng)支護(hù)，非常成功和順利地通過該不利地層。

8 特種噴混凝土的應(yīng)用

特種噴混凝土的種類很多，如硅粉噴混凝土、鋼纖維噴混凝土、鋼纖維硅粉噴混凝土等。在軟巖隧洞(Ⅳ類、Ⅴ類圍巖)施工中，當(dāng)爆破或人工開挖后，掌子面及洞頂圍巖的自穩(wěn)條件極差，自穩(wěn)時(shí)間短，而高空掛網(wǎng)作業(yè)難度大、時(shí)間長，安全威脅極為突出，采用鋼纖維噴混凝土代替掛網(wǎng)噴混凝土，在0.5h～1.0h左右一般可完成一次噴層支護(hù)，并逐漸使洞室圍巖提高支護(hù)強(qiáng)度。由于鋼纖維噴混凝土與素噴混凝土及掛網(wǎng)噴混凝土相比，有較好的延展性和韌性，以及較高的抗折強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗沖擊能力等重要特性，不僅技術(shù)安全可靠，還可減薄噴層厚度，比掛網(wǎng)噴混凝土更經(jīng)濟(jì)，因此，鋼纖維噴混凝土在軟巖隧洞新奧法支護(hù)中起著重要的作用。

本工程參照國內(nèi)外鋼纖維噴混凝土規(guī)范，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，各隧洞在Ⅳ類、Ⅴ類圍巖的初期支護(hù)體系中普遍采用鋼纖維噴混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)的掛網(wǎng)噴混凝土，鋼纖維噴混凝土的標(biāo)號為C30，韌度指標(biāo)Re3=65～80，鋼纖維采用冷拉型碳素鋼，型號RC-65/35-BN，其主要性能指標(biāo)：單根抗拉強(qiáng)度1100MPa，長度35mm，直徑0.55mm，摻量40kg/m3。實(shí)際施工中，只要拌和均勻，不出現(xiàn)鋼纖維成團(tuán)，一般不會出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，且混凝土回彈率顯著降低。

9 地層預(yù)加固技術(shù)

新奧法與傳統(tǒng)的施工方法根本區(qū)別在于它把圍巖看成是主要的承載結(jié)構(gòu)，一切措施都是圍繞著改善圍巖，充分發(fā)揮圍巖的承載能力來擬定和實(shí)施，軟巖隧洞地層預(yù)加固技術(shù)正是基于上述出發(fā)點(diǎn)。30多年來，我國鐵路、公路及水工隧洞的這種預(yù)加固技術(shù)發(fā)展非常迅速，對不良地質(zhì)條件下隧洞施工中防止塌方、涌水災(zāi)害獲得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，目前已經(jīng)達(dá)到比較成熟的階段。

根據(jù)本工程地下隧洞群的水文地質(zhì)特點(diǎn)，在地下水較少區(qū)域(F3斷層下盤及L剪切破碎帶)，采用不注漿或單液注漿管棚；在富水區(qū)域采用單液或CS(水泥-水玻璃)雙液預(yù)注漿管棚。F3斷層上盤富水，要求開挖盡量從出口向進(jìn)口方向(即F3下盤)推進(jìn)，并避開雨季施工。實(shí)際施工中，由于出口工作面受到滑坡治理的影響，考慮到工期等因素，F(xiàn)3斷層的開挖被迫在雨季從上游方向推進(jìn)。在隧洞開挖之前，根據(jù)圍巖地下水情況，對軟弱圍巖進(jìn)行預(yù)注漿，在隧洞頂拱120°～150°范圍布置超前預(yù)注漿管棚(鋼花管)。通過預(yù)注漿超前加固圍巖，以截?cái)酀B水通道，使裂隙、空洞封閉，使原來松散軟弱結(jié)構(gòu)的圍巖得到膠結(jié)硬化，變得相對密實(shí)，獲得較好的整體性，達(dá)到防止施工中涌水、塌方的目的。

本工程在F3斷層施工初期，承包商希望加大循環(huán)進(jìn)尺，加快施工進(jìn)度，還進(jìn)行了大管棚的艱難探索和實(shí)踐，超前大管棚采用鋼管直徑φ140mm，壁厚δ=7mm，長L=12m～21m，外插角α=2°～5°，但嘗試的效果不理想，最終放棄大管棚方案。

在本工程的1#、2#導(dǎo)流隧洞出口、1#、2#泄洪隧洞進(jìn)口、1#～4#引水隧洞的進(jìn)出口段，地質(zhì)條件較差，圍巖多數(shù)為Ⅴ類，且開挖斷面大，1#、2#泄洪隧洞進(jìn)口漸變段最大開挖斷面尺寸達(dá)14.6m×22.1m(寬×高)。在隧洞開挖前均對圍巖進(jìn)行了水平向或垂直向的超前加固，即在隧洞頂拱及邊墻開挖線外布置兩排平行于洞軸線的水平注漿孔，孔深10m，間排距@1.0m×1.0m，第一排(內(nèi)側(cè)孔)距離開挖輪廓線0.8m，注漿完成后，插入超前錨桿φ28mm，L=9m～10m。

在1#、2#導(dǎo)流隧洞進(jìn)口800m高程有5#公路通過，圍巖厚度僅約1倍洞徑，巖體破碎，裂隙發(fā)育，為Ⅴ類圍巖。隧洞開挖前，在洞頂?shù)?#公路平臺上，布置垂直灌漿孔并加豎向錨筋對洞頂及邊墻圍巖進(jìn)行超前預(yù)加固處理。

上述地層預(yù)加固技術(shù)和指導(dǎo)思想，就是把圍巖看成是主要的承載結(jié)構(gòu)，一切措施都是圍繞著改善圍巖，充分發(fā)揮圍巖的承載能力來擬定和實(shí)施，在本工程的施工中取得了較好的實(shí)踐和成功，確保了工程的施工進(jìn)度和安全。

10 不可缺少的圍巖監(jiān)測反饋

圍巖變形監(jiān)測是新奧法施工的重要內(nèi)容，是新奧法“三大支柱”之一。采用工程類比、理論分析、現(xiàn)場監(jiān)控相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，更適合地下工程的特點(diǎn)，更符合新奧法現(xiàn)代支護(hù)理論。根據(jù)本工程實(shí)際情況和特點(diǎn)，在施工期，我院聘請西安理工大學(xué)共同制定了詳細(xì)的圍巖變形監(jiān)測及反饋分析系統(tǒng)。對“圍巖-支護(hù)”力學(xué)動態(tài)進(jìn)行必要的、有效的現(xiàn)場監(jiān)控量測，反饋設(shè)計(jì)和施工，再修改、調(diào)整原設(shè)計(jì)和施工，使之更適合現(xiàn)場實(shí)際。

現(xiàn)場監(jiān)測組根據(jù)1#、2#導(dǎo)流隧洞的地質(zhì)條件和現(xiàn)場實(shí)際施工進(jìn)展情況，在不同的洞段和不同類別的圍巖段分散布置測點(diǎn)，并在圍巖破碎地段加密布置和加強(qiáng)監(jiān)測。采用多種監(jiān)測儀器和監(jiān)測手段進(jìn)行及時(shí)和綜合的監(jiān)測，包括洞周收斂變形監(jiān)測、噴層應(yīng)力、錨桿應(yīng)力、鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測，在1#導(dǎo)流隧洞出口公路平臺、樁號0+814.5m處和2#導(dǎo)流隧洞的進(jìn)口公路平臺、樁號0+083.0m處埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)(每孔8個(gè)測點(diǎn))；在F3斷層埋設(shè)滲壓應(yīng)力計(jì)監(jiān)測地下水情況。通過施工全過程監(jiān)測數(shù)據(jù)收集、處理和分析，獲得各斷面的變形收斂時(shí)程曲線、鋼支撐內(nèi)力時(shí)程曲線、錨桿軸力時(shí)程曲線、混凝土噴層應(yīng)力時(shí)程曲線、多點(diǎn)位移計(jì)各測點(diǎn)位移時(shí)程曲線、多點(diǎn)位移計(jì)各測點(diǎn)位移隨掌子面推進(jìn)過程的變化曲線等等。監(jiān)測組根據(jù)監(jiān)測資料及時(shí)對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，并在此基礎(chǔ)上開展模擬實(shí)際施工開挖和支護(hù)過程的反演分析，得到宏觀力學(xué)參數(shù)，針對已經(jīng)實(shí)施的支護(hù)方案，校核、驗(yàn)證支護(hù)強(qiáng)度，并及時(shí)預(yù)測當(dāng)前圍巖和支護(hù)體系的變形和穩(wěn)定性，反饋設(shè)計(jì)和施工。

特別是在穿越F3斷層洞段的監(jiān)測、預(yù)報(bào)、反演分析，及時(shí)加固初期支護(hù)體系，對預(yù)防災(zāi)難性的大塌方，起到重要的安全指導(dǎo)作用。F3斷層開挖過程中，曾多次出現(xiàn)不同程度的塌方，承包商根據(jù)圍巖變形監(jiān)測反饋，及時(shí)采取了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，這些加固措施嚴(yán)重侵占了二次襯砌設(shè)計(jì)斷面，部分洞段原來1.5m的頂拱襯砌厚度侵占到0.6m～0.8m。鑒于F3斷層破碎帶，圍巖穩(wěn)定性極差，在確保施工期洞身穩(wěn)定和工程永久運(yùn)行安全的前提下，盡量適應(yīng)實(shí)際施工狀況，減少施工難度，保證施工進(jìn)度，設(shè)計(jì)及時(shí)調(diào)整了永久支護(hù)型式，為改善受力，將底板做成反弧型，加大配筋量，提高混凝土標(biāo)號，全斷面采用C50硅粉混凝土，且加強(qiáng)襯砌后對圍巖的固結(jié)灌漿。

西安理工大學(xué)還根據(jù)F3斷層洞段的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展了模擬實(shí)際開挖和支護(hù)過程的反演分析，通過仿真反演分析得到的圍巖力學(xué)參數(shù)，對結(jié)構(gòu)較薄的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行期各種不利工況的強(qiáng)度和穩(wěn)定分析，對隧洞永久運(yùn)行的安全性作了必要的計(jì)算和驗(yàn)證。

11 結(jié)語

紫坪鋪水利樞紐工程的勘測設(shè)計(jì)工作始于20世紀(jì)50年代，并于1958年破土動工。當(dāng)時(shí)的開發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主，正常蓄水位814.00m，混凝土重力壩高93m，裝機(jī)290MW。由于種種原因，于1960年停建。至上世紀(jì)70年代末，成都勘測設(shè)計(jì)院、水電部第六工程局設(shè)計(jì)隊(duì)及四川省對岷江上游開發(fā)方案相繼做了很多研究工作。1980年水電總局領(lǐng)導(dǎo)重新查勘紫坪鋪現(xiàn)場，提出在原壩址上游興建高土石壩的設(shè)想。1984年4月水電建設(shè)總局以(84)水建計(jì)字第164號文進(jìn)一步明確紫坪鋪水庫的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作由四川院承擔(dān)，地勘工作由成勘院負(fù)責(zé)。四川院1994年4月完成初步設(shè)計(jì)，之后通過總院審查；于2000年6月完成了補(bǔ)充初設(shè)，同年通過總院審查；2001年3月29日，工程正式開工，2002年11月23日，實(shí)現(xiàn)了工程截流，2004年9日27日，1#導(dǎo)流隧洞順利下閘，2005年10月，首臺機(jī)組發(fā)電，2006年10月，完工投入正常運(yùn)行。整個(gè)設(shè)計(jì)建設(shè)跨越半個(gè)世紀(jì)，傾注了整整兩代水利人的心血。工程設(shè)計(jì)在大壩、廢舊煤洞群處理、超高速水流無壓隧洞、高邊坡處理、高水頭弧形閘門止水充壓等方面具有重要的技術(shù)突破和創(chuàng)新。

紫坪鋪水利樞紐工程已安全運(yùn)行十年多時(shí)間，期間經(jīng)歷了“5.12”大地震。2008年5月12日發(fā)生的汶川里氏8級大地震，壩址距震中僅約17km，整個(gè)工程震損程度較輕，大壩整體穩(wěn)定，基本蓄水功能沒有受到大的影響，高邊坡基本沒有發(fā)現(xiàn)震損，各泄水、引水發(fā)電建筑物在震后第二天便投入使用，大壩成為世界上“遭高烈度地震第一壩”。國際大壩委員會于2009年10月19日授予我院設(shè)計(jì)的紫坪鋪面板堆石壩特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。