寶興水電站引水隧洞糜棱巖段塌方處理

尹 坤，王兆明，劉本銀

（1.華能西藏發(fā)電有限公司，西藏 拉薩 850000；

2.四川華能寶興河水電有限責(zé)任公司，四川 雅安 625000）

1 問題的提出

1.1 工程概況

寶興水電站位于四川省寶興縣境內(nèi)寶興河主流東河上，為長隧洞、高水頭、引水式電站，總裝機(jī)容量3×65MW。引水隧洞全長18.05km，開挖直徑6.6m，襯砌后內(nèi)徑5.4 m。

1.2 糜棱巖洞段塌方過程

圖1 寶興水電站引水隧洞改線及斷層平面示意圖

根據(jù)設(shè)計地勘情況，1＃洞下游2＃洞上游之間存在T5、T64～T66等多條斷層帶，地質(zhì)條件復(fù)雜。2006年8月5日開挖至2＃洞上游K4＋237.000m時，遭遇T66糜棱巖斷層，在采用常規(guī)大管棚施工工藝穿越斷層過程中，發(fā)生突泥突水塌方阻塞已開挖并完成臨時支護(hù)的主洞超過40m，為避開該大塌方斷層位置，采取改線方案，對塌方段K4＋237.000－K4＋350.000m 段進(jìn)行了永久封堵，在 K4＋378.867m外側(cè)進(jìn)行了改線開挖 （見圖1），于2007年3月利用常規(guī)大管棚超前支護(hù)順利通過了T66斷層。2007年6月3日，改線段開挖至改0＋304.000m時頂拱出露T65斷層，8月3日，在采用常規(guī)大管棚 （管棚間距40cm）超前支護(hù)開挖至改0＋310.500m時，糜棱巖滲水嚴(yán)重，掌子面前方頂拱軟化后的巖體呈塊狀沿管棚空隙掉落，導(dǎo)致管棚上方出現(xiàn)較大空腔，管棚基本失去支護(hù)效果，左邊墻滲水變混并呈泥漿狀，隨后頂拱開始出現(xiàn)小規(guī)模塌方及伴隨較大響聲，施工人員全部撤離現(xiàn)場。8月6—7日出現(xiàn)了2次大量涌水，并夾帶斷層帶物質(zhì)形成泥石流涌出支洞 （支洞口距離塌方掌子面1083m），觀測到支洞口最大流量6m3／s（后洞內(nèi)清理塌方渣體約2.3萬m3，全斷面堵塞已開挖洞段約90m）。

2 塌方原因分析

2.1 水文、地質(zhì)原因

2.1.1 地下水豐富

該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，降雨頻繁，且主要集中在7—8月。2＃洞上游塌方段隧洞埋深大于450m，地表山頂發(fā)育一大型滑坡，滑坡后緣圈椅狀地形明顯，滑坡體及后緣降雨匯集形成溪流，溝內(nèi)常年有水。由于山體雄厚，降雨補(bǔ)給充分，地下水豐富且水位高，賦存于斷層、裂隙帶中。

2.1.2 地質(zhì)構(gòu)造及巖性

2＃洞上游受區(qū)域斷裂影響，地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，以T65、T66斷層為代表，均為高陡傾角結(jié)構(gòu)面，規(guī)模大，延伸長。斷層破碎帶主要為灰綠色糜棱巖，局部夾有塊狀巖、碎裂巖等。

糜棱巖巖性軟弱，物理力學(xué)性質(zhì)差，遇水易軟化呈泥狀。經(jīng)現(xiàn)場取樣進(jìn)行顆分試驗發(fā)現(xiàn)糜棱巖中細(xì)顆粒含量高，1.00mm過篩率82.5%，0.15mm過篩率28.8%。細(xì)顆粒含量較大，可灌性差，管棚注漿擴(kuò)散范圍小，無法抵御滲水對糜棱巖的剝蝕，導(dǎo)致管棚超前注漿未能起到固結(jié)加固效果。

2.2 突泥、突水成因

造成洞內(nèi)突泥突水，斷層是主要控制因素，地下水是關(guān)鍵因素。一方面隧洞位于地下水位以下，地下水極其豐富，斷層帶基本處于飽和狀態(tài)，開挖進(jìn)入斷層后，產(chǎn)生臨空面，處于飽和狀態(tài)的糜棱巖產(chǎn)生蠕變及坍塌破壞；另一方面，斷層帶本身巖體松散，透水性強(qiáng)，在斷層及其構(gòu)造帶的交會區(qū)域匯集有大量地下水，形成不規(guī)則的多個儲水構(gòu)造；由于山體雄厚，地下水補(bǔ)給充足，地下水位高，水壓力大，當(dāng)相對隔水層因開挖遭到破壞后，儲存于其中的地下水開始釋放，隨著水量的增大，處于飽和狀態(tài)的糜棱巖細(xì)顆粒首先被帶走，在斷層中形成 “管涌”式破壞，最終形成了洞內(nèi)第一次突泥、突水。

斷層帶經(jīng)過第1次塌方后泄水通道被上部塌方體封閉，斷層暫時處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，涌水隨之減小，但由于儲水構(gòu)造中水快速釋放，產(chǎn)生了動水壓力，在水的軟化和動水壓力共同作用下，塌方體頂部斷層帶進(jìn)一步變形破壞，再次產(chǎn)生塌方造成大量突泥、突水。

T65斷層在2007年8月6—7日2次大規(guī)模突泥、突水后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，主要原因為第2次突泥、突水過程中塌方體全斷面堵塞已開挖洞段超過90m，形成了“堵頭”。

3 塌方洞段處理措施的選擇

根據(jù)以上對塌方成因的分析，穿越該塌方體需要解決以下主要問題：一是了解塌方體的規(guī)模，二是應(yīng)對地下水，三是采取針對性措施應(yīng)對糜棱巖巖性軟弱、遇水泥化、可灌性差的特點(diǎn)。

3.1 洞內(nèi)清理及施工地質(zhì)超前預(yù)報

2＃洞上游塌方后于11月上旬開始進(jìn)行洞內(nèi)清理，在距離塌方段掌子面改0＋310.000m約50m位置向前進(jìn)行半斷面清理，為避免降低 “堵頭”效果，產(chǎn)生臨空面帶來第3次突泥、突水，在清盯至距塌方掌子面7m時對掌子面、頂拱及底板進(jìn)行了混凝土封閉，并在拱頂預(yù)留排水孔。

為了解塌方規(guī)模、性質(zhì)及延伸情況，探測掌子面前方可能存在的巖性分界，為制定具體施工措施提供邊界條件，采用HSP聲波反射法進(jìn)行了施工地質(zhì)超前預(yù)報。檢測結(jié)果顯示：①掌子面前方2～10m范圍內(nèi)為坍方堆積體，巖性主要為糜棱巖、破碎的強(qiáng)風(fēng)化閃長巖，飽水，堆積物呈流塑狀，根據(jù)坍塌體在隧洞內(nèi)堆積的長度和高度，分析認(rèn)為坍塌體高度大于20m，拱頂以上主要為松散堆積，且地下水豐富、具有一定壓力。圍巖類別為Ⅵ類；②掌子面前方10～37m為巖體強(qiáng)烈破碎帶，地下水發(fā)育，極易發(fā)生涌水、突泥災(zāi)害，該段建議圍巖類別為Ⅵ類；③掌子面前方37～50m為斷層影響帶，地下水較發(fā)育，巖體較破碎，圍巖類別為Ⅴ類。

3.2 超前排水減壓

針對地下水豐富、水位高的特點(diǎn)，為有利于下一步大管棚施工，采取了超前排水減壓的措施。在封堵墻后約5 m位置大角度向前鉆排水孔4個，孔深約40m深入塌方位置，孔內(nèi)出水。

3.3 塌方段處理措施

在處理軟弱富水圍巖塌方過程中，通常采取超前預(yù)注漿堵水、加固巖體，改善圍巖性質(zhì)，防止產(chǎn)生較大變形的措施。預(yù)加固技術(shù)有2種，一是采用超前小管棚，二是超前大管棚深孔高壓預(yù)注漿措施。前者的優(yōu)點(diǎn)是施工簡單、靈活方便，但加固范圍小，抵抗地下水滲透能力弱。后者擴(kuò)大了加固范圍，且能形成承受很大荷載的整體結(jié)構(gòu)，抵抗地下滲水的能力強(qiáng)，但施工困難，靈活性小。在該塌方體處理過程中，2種方法單獨(dú)使用均很難起到阻水、預(yù)加固圍巖的效果，經(jīng)過反復(fù)對比，最終選擇把2種方法結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，達(dá)到了順利通過塌方體的目的。

4 大管棚深孔超前高壓預(yù)注漿

4.1 注漿方式選擇

根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)測，止?jié){墻前塌方體為富水松散結(jié)構(gòu)，地下水對塌方體自穩(wěn)能力影響最為突出，注漿固結(jié)塌方體并封閉地下水，是管棚注漿需要達(dá)到的目標(biāo)。

由于該塌方段地下水位高，塌方體內(nèi)物質(zhì)呈流塑狀并有一定的壓力，常規(guī)大管棚固結(jié)加固采用的滲透注漿或雙液注漿明顯不適用于該塌方體，故管棚注漿以純壓式劈裂注漿為主，水灰比為0.5∶1，通過高壓注漿劈裂壓密塌方體內(nèi)松散體，利用強(qiáng)度較好的漿液脈絡(luò)約束松散體變形，同時置換松散體中的含水空間，形成開挖邊線外圍一定范圍的相對密實(shí)層，為開挖創(chuàng)造條件。根據(jù)前期地質(zhì)超前預(yù)測對塌方體高度的預(yù)測預(yù)報，估算該隧道最不利靜水壓力為4MPa，按照注漿壓力為靜水壓3～4倍的要求，確定預(yù)注漿終壓力為16MPa。

4.2 管棚參數(shù)設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)預(yù)報對塌方體寬度的預(yù)報，并結(jié)合注漿方式及鉆孔難度，選擇管棚長度25m?？紤]到管棚內(nèi)漿液壓力隨管棚深度的增加而減小，漿液劈裂擠壓密實(shí)塌方堆渣體的效果也隨之減弱，為確保注漿效果，管棚末端應(yīng)設(shè)置搭接段，長度根據(jù)開挖出露的固結(jié)體效果進(jìn)行確定，最短不小于5m。

管棚孔位布置：孔位布置主要考慮永久襯砌及臨時支護(hù)的預(yù)留位置，在臨時支護(hù)設(shè)計輪廓線以上按環(huán)向間距30～40cm布置單層管棚。同時在掌子面均勻布置3～5孔，以避免開挖過程中掌子面前方失穩(wěn)。

材料選擇：鋼管選熱軋無縫鋼管，直徑為108mm，壁厚6mm。

管棚加工：鋼管分3段進(jìn)行加工，端頭段長2.0m，前端加工成筆尖狀，后端車絲，便于套筒連接；中間段長1.5 m，前后均車絲；末段長2.0m，僅一端車絲，另一端用于焊接孔口連接段，所有套絲長度不小于150mm，端頭端及中間段鋼管壁開孔，孔徑15mm，排距50cm。

孔口連接段加工：直徑108mm熱軋無縫鋼管長50 cm，一端封閉并與直徑60mm不銹鋼鋼管進(jìn)行焊接，不銹鋼鋼管與高壓球閥連接，另一端與安裝完成的管棚最后一節(jié)末端進(jìn)行焊接。

4.3 施工機(jī)具及配套設(shè)備的選擇

為達(dá)到成孔、孔深20m以上的鉆孔效果，選用的鉆孔設(shè)備為YG80A跟管鉆機(jī)。注漿設(shè)備選用無級高壓注漿泵HGB50／90（最大壓力可達(dá)50MPa，可支持多孔同時注漿）。

4.4 施工工序

大管棚高壓注漿主要施工工序如下：

（1）止?jié){封堵并待強(qiáng)：包括掌子面止?jié){墻澆筑，底板蓋重混凝土封閉，邊墻及頂拱小導(dǎo)管固結(jié)注漿加固。

（2）鉆孔及管棚安裝：搭設(shè)鉆孔平臺，安裝鉆孔導(dǎo)向架確保鉆孔精度，完成鉆孔后插入管棚及鋼筋束 （采用3根Φ25螺紋鋼并排插入），焊接孔口管及高壓球閥；

（3）重復(fù) （2）直至完成所有管棚安裝；

（4）高壓注漿：注漿從一個方向逐孔進(jìn)行注漿，注漿過程中其余孔口閥門全打開用于排水。注漿壓力逐漸增加。如水泥漿串孔則關(guān)閉串孔孔口止?jié){閥。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為在16MPa注漿壓力下水泥漿液注入量接近零，該注漿孔停止注漿，更換孔位，重新開始注漿，直至最后一孔完成注漿。

（5）注漿待強(qiáng)：注漿完成后待強(qiáng)24h。

（6）開挖：爆破拆除掌子面止?jié){墻，觀察掌子面注漿效果及掌子面滲水情況。如注漿效果較好，則頂拱及掌子面糜棱巖呈擠壓密實(shí)狀無滲水，管棚周圍水泥結(jié)石呈柱形發(fā)散狀，直接用反鏟對糜棱巖進(jìn)行開挖，在反鏟無法開挖的地方進(jìn)行鉆孔小藥量爆破，開挖進(jìn)尺控制在50～100cm。

（7）支護(hù)：開挖后立即對邊頂拱進(jìn)行鋼拱架掛網(wǎng)、噴混凝土支護(hù)，支護(hù)需在開挖后15～20h完成，如暴露時間過長頂拱將出現(xiàn)滲水及掉塊，增加安全風(fēng)險。

（8）變形監(jiān)測：用精密水準(zhǔn)儀及銦鋼尺進(jìn)行水平收斂及頂拱位移觀測，10m一個斷面，觀測頻率2次／d。

4.5 大管棚高壓注漿施工過程中應(yīng)注意的問題

（1）增強(qiáng)止?jié){墻封閉效果：底板蓋重混凝土、頂拱小導(dǎo)管預(yù)注漿封閉、上一循環(huán)最后幾榀拱架噴混凝土一定要飽滿，不留空隙。

（2）由于注漿壓力大，注漿前應(yīng)嚴(yán)格檢查各個管路接口位置的牢固程度，避免注漿壓力升高后出現(xiàn)爆管現(xiàn)象；注漿開始后應(yīng)派人對止?jié){墻、頂拱、邊墻及底板進(jìn)行檢查，如出現(xiàn)裂縫應(yīng)及時停止或減小注漿壓力，對裂縫位置進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以確保高壓注漿效果。

（3）管棚頂進(jìn)方式：裝載機(jī)頂管 （前端段）；鉆機(jī)頂管（中間段及末端段）。

（4）在破碎帶鉆機(jī)鉆進(jìn)困難，卡鉆嚴(yán)重、鉆桿損失嚴(yán)重的情況下可考慮采取跟管鉆進(jìn)下套管最后拔管的方式，但鉆孔速度較慢。

（5）鉆孔過程中，成孔非直線，而是前端向下垂，鉆孔角度設(shè)計時需考慮上循環(huán)管棚下垂情況，以免后續(xù)開挖過程中造成較大超挖。

（6）由于大管棚高壓注漿工序多、止?jié){墻及注漿后需要待強(qiáng)、注漿過程歷時較長，每個施工循環(huán)耗時較長，應(yīng)做好工序之間的銜接，同時做好各項質(zhì)量監(jiān)控，避免返工。

5 結(jié) 語

在寶興水電站引水隧洞2＃洞上游改線段施工過程中，針對糜棱巖可灌性差、破碎帶富水容易發(fā)生洞內(nèi)突泥突水的特殊地質(zhì)條件，采用了“大管棚高壓注漿＋短進(jìn)尺開挖＋鋼拱架掛網(wǎng)噴混凝土強(qiáng)支護(hù)”的施工方法，有效地保證了巖體的穩(wěn)定性，防止了糜棱巖遇水軟化形成突泥突水，順利通過了150m的糜棱巖斷層及其破碎帶。

大管棚高壓注漿是一種針對性較強(qiáng)的施工技術(shù)，在一般的破碎帶穿越過程中，由于斷層帶裂隙發(fā)育，可灌性較好，如采用高壓注漿則會造成注漿成本增加；該方法對處理塌方體、糜棱巖等圍巖穩(wěn)定性極差、可灌性差、深埋富水的隧道或地下工程有一定的借鑒作用。