大斷面洞室不良地質(zhì)段開挖施工技術(shù)
——烏江彭水水電站導(dǎo)流洞工程f1斷層帶的穿越

李建文

（中國水利水電第十一工程局有限公司）

1 工程概況

烏江彭水水電站位于重慶市彭水縣境內(nèi)的烏江上，是烏江干流水電開發(fā)的第10個梯級電站，距彭水縣11km。本工程為I等工程，以發(fā)電為主，兼顧航運、防洪及其它綜合利用，電站裝機1750MW，裝有5臺水輪發(fā)電機組，多年平均發(fā)電量61.24億kWh，是烏江上最大的電站之一。彭水水電站初期施工導(dǎo)流采用河床一次斷流、枯水期隧洞導(dǎo)流、汛期圍堰過水基坑淹沒的導(dǎo)流方案，導(dǎo)流隧洞布置在河床左岸，共2條，軸線相距45m，洞身段根據(jù)圍巖類別不同開挖斷面大小不一，其中Ⅴ類圍巖開挖斷面最大，為16.4×19.5m（寬×高）的平底馬蹄形，襯砌后的斷面均為14.6×16.6m的平底馬蹄形，凈斷面積207.45m2。進出口高程均為208m，1#、2#導(dǎo)流洞軸線長度分別為1338.988m和1230.701m。

1# 導(dǎo)流洞 0+370～0+515、2# 導(dǎo)流洞 0+370～0+510m 段為 f1、f5、f36等斷層的交匯帶，C0風(fēng)化溶蝕填泥帶在f1斷層上下盤重復(fù)出現(xiàn)，并有規(guī)模較大的kW65巖溶系統(tǒng)通過。特別是2#導(dǎo)流洞0+402～0+417m段地質(zhì)認定為f1斷層帶，其頂拱及內(nèi)側(cè)邊墻均為風(fēng)化溶蝕填泥，呈軟塑狀，成洞條件極差，f36斷層于拱頂部位順導(dǎo)流洞方向發(fā)育，為順扭斷層，平面上錯斷f1斷層，以f36斷層為界，下盤為C3m1-1強風(fēng)化～弱風(fēng)化白云體，局部順斷層全風(fēng)化，見少量較堅硬巖體，上盤為f1斷層帶風(fēng)化溶蝕填泥，呈黃灰色，軟塑狀，該段是導(dǎo)流洞地質(zhì)條件最復(fù)雜、地質(zhì)缺陷最嚴重的地段，也是導(dǎo)流洞能否按期完工的關(guān)鍵所在，本文也以2#導(dǎo)流洞f1斷層帶為例進行說明。

2 穿越方案的確定

根據(jù)導(dǎo)流洞工程整體施工進度計劃安排，2#導(dǎo)流洞f1斷層帶的開挖，分別通過施工支洞自上下游兩個掘進面先后開挖至0+402m（上游面）、0+417m（下游面）處。由于圍巖地質(zhì)條件突變以及前期勘探地質(zhì)資料潰乏，經(jīng)我部建議，業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計及施工單位四方共同研究決定：采用“先探明f1斷層帶風(fēng)化層的分布范圍和深度，再以‘短進尺、弱爆破、強支護、少擾動、早封閉、勤觀測’的原則進行分層開挖施工”，具體是將導(dǎo)流洞全斷面分為上、中、下三層，上層（即上半洞）先沿2#導(dǎo)流洞左右側(cè)邊墻外緣各開挖一2m×3m（寬×高）的小導(dǎo)洞（即耳洞）以探明圍巖地質(zhì)情況，（下半洞）中層、下層先中部拉槽、兩側(cè)保護層開挖錯次跟進，對于揭示巖層較差地段要快速接續(xù)鋼拱架進行強支護，若圍巖穩(wěn)定性較好可以不立鋼拱架，在下半洞開挖結(jié)束后立即進行鋼筋混凝土襯砌。

3 施工方法

3.1 上半洞

3.1.1 耳洞

沿2#導(dǎo)流洞左右側(cè)邊墻外緣各開挖一小導(dǎo)洞（耳洞），耳洞斷面尺寸為2m×3m（寬×高），底高程為EL216m，耳洞軸線與2#導(dǎo)流洞軸線距離為9.1m。由于f1斷層帶主要由全強風(fēng)化的白云巖及風(fēng)化溶蝕填泥組成，圍巖整體穩(wěn)定性差，在施工時應(yīng)嚴格遵循“短進尺、弱爆破、強支護、少擾動、早封閉、勤觀測”的原則，其工序為：超前錨桿支護→開挖→出碴→初噴混凝土封閉巖面→鋼支撐強支護→復(fù)噴混凝土→下一循環(huán)。

耳洞開挖主要采用人工撬挖，局部較堅硬巖石輔以手風(fēng)鉆鉆孔小藥量松動爆破。為了施工安全和便于安全監(jiān)測，每開挖1m后立即對已開挖成型的兩側(cè)壁、頂拱及掌子面素噴C20混凝土5cm進行封閉，然后再全斷面安裝鋼拱架進行強支護。鋼拱架采用Ⅰ20a型工字鋼，沿耳洞軸線間距為50cm，鋼拱架在加工廠分節(jié)制作（節(jié)間焊接10mm厚的連接鋼板）編號后運至施工現(xiàn)場由人工拼裝，節(jié)間由螺栓連接并焊接牢固；固定錨桿采用φ25mm螺紋鋼，長度為2.0m，環(huán)向間距1.5m，緊貼鋼拱架兩側(cè)對稱布置；縱向連接筋為φ25mm螺紋鋼，環(huán)向間距50cm，與鋼拱架間滿焊，如遇固定錨桿與其點焊，使整段鋼拱架形成一個整體，以增強抗沖擊能力；縱向連接筋外掛φ6.5mm、網(wǎng)格尺寸為20cm×20cm的鋼筋網(wǎng)后，噴C20混凝土20cm保證與鋼拱架內(nèi)側(cè)平齊，若局部塌方或超挖大于30cm，則采用“側(cè)進法”分層回填塊石并噴C20混凝土確?；靥蠲軐?；超前錨桿為φ25mm螺紋鋼，長度為4.5m，環(huán)向間距50cm，排距1.0m，仰傾角15°。

耳洞上下游開挖貫通后，根據(jù)揭示的地質(zhì)情況不同，在初期的鋼拱架等強支護的基礎(chǔ)上，在耳洞內(nèi)部回填C25鋼筋混凝土或素混凝土，并保證鋼筋混凝土梁座落于上下游堅硬巖石上至少5m以上，以給上半洞鋼拱架提供可靠的支撐。

3.1.2 洞身段

上半洞洞身段開挖采用反鏟直接挖除，周邊輪廓線處預(yù)留20cm厚保護層由人工修整至設(shè)計開挖線，局部較堅硬巖石輔以手風(fēng)鉆鉆孔小藥量松動爆破，每循環(huán)進尺控制在1.5m左右，其余的超前支護、初噴混凝土封閉、強支護、復(fù)噴混凝土等的施工方法以及施工原則均與耳洞施工相同，需要說明的是，洞身段鋼拱架強支護底板不增加水平連接段，但鋼拱架柱腳必須座落在耳洞回填的鋼筋混凝土梁上，且增加1m長的Ⅰ20a工字鋼與之綁焊，以確保與耳洞鋼拱架焊接牢固，其技術(shù)參數(shù)詳見圖1所示。

圖1

3.2 下半洞

下半洞開挖分為中層開挖和下層開挖，中層開挖高度為7.5m，中部拉槽、兩側(cè)擴幫，兩側(cè)預(yù)留保護層厚度為3m，下層主要為底部保護層開挖，高度為3.8m，總體概括為：拉槽-擴幫-清底。

在下半洞的開挖施工中，根據(jù)揭示的圍巖情況，局部地段圍巖穩(wěn)定性較好，采用“先由阿特拉斯液壓鉆機垂直造孔爆破進行中部拉槽、兩側(cè)保護層同時進行擴挖”的施工方法，鋼拱架未繼續(xù)向下半洞接續(xù)。對于圍巖穩(wěn)定性仍較差的一側(cè)或兩側(cè)，采用反鏟直接挖為主、輔以手風(fēng)鉆造孔小藥量松動爆破進行中部拉槽，兩側(cè)保護層錯次進行開挖，并將鋼拱架快速向下接續(xù)的施工方法。另外，對于鋼拱架外側(cè)和底板部位因地質(zhì)原因或塌方造成的超挖量較大，采用C25混凝土進行回填。在下半洞的施工過程中，兩側(cè)預(yù)留保護層的開挖，應(yīng)做到開挖一段支護一段，嚴禁超前開挖、滯后支護，特別是鋼拱架強支護段，還應(yīng)嚴格控制每一循環(huán)進尺不得超過2m，以便及時快速地接續(xù)鋼拱架，確保圍巖的穩(wěn)定。

圖2 主洞下半洞開挖支護橫剖面

3.3 鋼筋混凝土襯砌

在開挖及初期支護完成后，應(yīng)立即組織人員、機械設(shè)備按照設(shè)計圖紙進行鋼筋混凝土永久襯砌支護施工，確保隧洞的整體穩(wěn)定性。

在2004年6月上旬，也就是2#導(dǎo)流洞f1斷層帶永久性鋼筋混凝土澆筑前夕，由于連續(xù)暴雨的影響，經(jīng)我部變形觀測發(fā)現(xiàn)f1斷層帶的其中18榀鋼拱架左側(cè)拱腳失穩(wěn)（該段下半洞因開挖后揭示的圍巖較穩(wěn)定，鋼拱架未向下接續(xù)，其上部的開挖及鋼拱架由其他施工單位承建。），整體變形達30～50cm，經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計、施工四方討論分析后認為，主要原因是這部分鋼拱架左側(cè)拱腳未支撐在設(shè)計的過梁上（即耳洞內(nèi)部回填的鋼筋混凝土梁）。針對這一突發(fā)的、意外危急情況，我部建議并經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計、施工四方研究討論通過采取：“對導(dǎo)流洞底板襯砌混凝土盡快完成澆筑施工，并在底板澆筑過程中預(yù)埋同型號的鋼拱架自下而上與上半洞的鋼拱架進行對接的支撐處理方案，隨后立即進行邊頂?shù)匿摻罨炷烈r砌施工”。支撐處理方案我部在2d內(nèi)迅速實施完成，但由于隨后連續(xù)降雨，導(dǎo)流洞內(nèi)積水深達1.5m左右，施工被迫中斷8d，6月25日，我部變形觀測發(fā)現(xiàn)2#導(dǎo)流洞0+410～0+412m段已支撐的18榀鋼拱架中的5榀鋼拱架拱腳出現(xiàn)朝導(dǎo)流洞軸線的水平變形幅度達80cm左右，除侵占設(shè)計厚度為80cm的混凝土襯砌斷面外，還凸入導(dǎo)流洞過水?dāng)嗝?～5cm，影響范圍3×2m（長×高）。由于情況比較危急，導(dǎo)流洞隨時存在頂拱失穩(wěn)的可能性，經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計及施工四方緊急協(xié)商后決定盡快完成襯砌混凝土的澆筑施工，以保證施工期的安全和穩(wěn)定。隨后由設(shè)計單位出處理方案，設(shè)計單位認為混凝土搶澆已在進行，后續(xù)處理工作應(yīng)混凝土澆筑完成并具備一定強度后，將切斷結(jié)構(gòu)鋼筋部位的混凝土鑿除，并露出鋼筋長度不小于30cm、深度大于15cm，對被切斷的鋼筋采用搭接焊的形式進行焊接并回填同標號的混凝土。至此，完成2#導(dǎo)流洞f1斷層的開挖、支護及襯砌工作。

3.4 灌漿加固處理

3.4.1 與f1斷層帶相臨段的加固處理

2#導(dǎo)流洞0+390～0+402、0+417～0+427m兩段緊臨f1斷層帶上下游兩側(cè)，圍巖穩(wěn)定性較差，在上半洞施工中我部采用鋼拱架進行初期強支護，考慮到下半洞的開挖施工安全，我部對上述兩段上半洞進行灌漿做進一步加固處理。灌漿處理主要是針對鋼拱架后面的塊石回填及塊石與原基巖間的空隙部位，采用手風(fēng)鉆按3m×3m梅花型布孔，入巖10cm，回填M25號水泥砂漿，灌漿壓力為0.2～0.3MPa，灌漿時自下而上分層分序施灌。

3.4.2 f1斷層帶的加固處理

在2#導(dǎo)流洞f1斷層帶永久性鋼筋混凝土襯砌完成并具備一定的強度后，立即按照設(shè)計圖紙對其進行灌漿加固處理。設(shè)計圖紙要求對頂拱120°范圍內(nèi)進行回填灌漿，回填灌漿壓力3～5kg/cm2，灌漿孔徑為90mm，間排距為3m×3m，深入圍巖10cm；其中0+360～0+427m段進行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔深入圍巖8m，灌漿壓力為5～8kg/cm2，孔徑為90mm，間排距為3m×3m。在施工過程中，頂拱范圍內(nèi)的回填與固結(jié)灌漿孔采用“一孔兩用”的原則進行施工，先作回填灌漿孔，后作為固結(jié)灌漿孔，并要嚴格控制施工質(zhì)量，確實起到對不良地質(zhì)段進一步加固的作用。至此，2#導(dǎo)流洞f1斷層帶施工全部結(jié)束。

4 結(jié)語

在隧洞施工中穿越不良地質(zhì)段，由于其地質(zhì)條件復(fù)雜多變、施工外圍環(huán)境也不盡相同，對于工程建設(shè)者來說是一個永遠的課題，我們中國水利水電第十一工程局彭水項目部在重慶烏江彭水水電站導(dǎo)流洞工程中f1斷層帶的成功穿越，確保了大江如期截流，為主體工程建設(shè)創(chuàng)造了有利條件，在施工處理過程中也只是積累了一點點經(jīng)驗，同時也付出了相當(dāng)大的代價，如由其他施工單位承建的鋼拱架僅因為部分未按設(shè)計坐落在過梁，連續(xù)導(dǎo)致了兩次險情的發(fā)生，還有因初期施工處理進度緩慢，差點葬送了整個f1斷層處理的最佳時機。這就要求我們在類似的工程施工中，應(yīng)抓住時機、快速處理，確保每一道施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量，同時，應(yīng)加強安全監(jiān)測，確保安全施工。