葉巴灘水電站尾水隧洞塌方段處理技術(shù)研究

李卓

(中國(guó)安能集團(tuán)第三工程局有限公司，成都，611130)

0 引言

隧洞塌方是指施工中因不可控的、突發(fā)的應(yīng)力釋放造成的隧洞圍巖或掌子面塌落，是隧洞建設(shè)中常見(jiàn)災(zāi)害事故之一。尾水隧洞屬于水電站關(guān)鍵工程，其安全性能直接影響水電站服役壽命及正常效益的發(fā)揮[1]。采用邊挖邊襯的工程措施進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，這樣可預(yù)防發(fā)生塌方[2]。因尾水隧洞作業(yè)條件惡劣、工作面狹窄、干擾大、工序多，經(jīng)常會(huì)有塌方發(fā)生[3-5]。尾水隧洞所處地質(zhì)條件復(fù)雜多變，很難做到詳盡勘察，在施工過(guò)程中，會(huì)揭示很多工程地質(zhì)缺陷[6]。在當(dāng)前的工程建設(shè)方式、施工技術(shù)要求下，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地貌條件、水文地質(zhì)條件等因素變動(dòng)很大、工程設(shè)計(jì)參數(shù)不合理、尾水隧洞的單頭施工方式不正確、掘進(jìn)時(shí)間較長(zhǎng)等因素，在施工過(guò)程中尾水隧洞發(fā)生不可避免的坍塌現(xiàn)象[7]。尾水隧洞主要設(shè)在高地應(yīng)力區(qū)，涌流、巖爆等不良地質(zhì)現(xiàn)象會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)[8]。塌方問(wèn)題研究應(yīng)重視，并針對(duì)性地采取防治措施，降低塌方問(wèn)題[9]?；诖?，本文以葉巴灘水電站尾水隧洞為研究對(duì)象，對(duì)其塌方段的處理技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

葉巴灘水電站坐落于四川與西藏界河金沙江上游河段，金沙江上游共有13個(gè)梯級(jí)水電站，葉巴灘水電站為第七級(jí)，處于上游的是波羅水電站，并與處于下游的拉哇水電站相銜接。壩址位置地處金沙江支流降曲河口下游約600m，左岸屬四川省甘孜藏族自治州白玉縣，右岸則為西藏自治區(qū)昌都地區(qū)貢覺(jué)縣。電站采取引水壩式開(kāi)發(fā)，正常水庫(kù)蓄水位2889.00m，相應(yīng)的蓄水庫(kù)容為10.80億m3，水庫(kù)死水位2855.00m，死庫(kù)容5.43億m3，可調(diào)節(jié)蓄庫(kù)容5.37億m3，并具備季節(jié)性調(diào)節(jié)蓄水能力。電廠(chǎng)的樞紐建筑主要由鋼筋混凝土雙曲拱壩、泄洪消能系統(tǒng)建筑、引水發(fā)電系統(tǒng)建筑等三個(gè)主要部分構(gòu)成。河床上部布置擋水建筑采用混凝土雙曲拱壩；泄洪引水消能系統(tǒng)采取全壩身集中泄洪、壩后水墊塘和第二道壩集中泄洪消能；在右岸壩上布設(shè)起引水式的發(fā)電系統(tǒng)、尾水發(fā)電建筑物，左右岸布置導(dǎo)流洞等。右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)采用首部式廠(chǎng)房、長(zhǎng)尾水布置方案。尾水建筑物包括尾水洞和尾水調(diào)壓室等。尾水洞為大機(jī)組尾水洞，平行布置，軸線(xiàn)間距65m，采用圓形斷面，內(nèi)徑14.4m，開(kāi)挖洞徑為16.00m，采用噴錨支護(hù)+鋼筋混凝土襯砌，尾水主洞長(zhǎng)3099.22m，高程為2777.19m～2683.5m。

1.1 尾水隧洞工程地質(zhì)條件

尾水隧洞處于圍巖巖性致密堅(jiān)硬的閃長(zhǎng)巖之中，巖體中斷層較發(fā)育。前半段多呈次塊狀結(jié)構(gòu)，后半段以鑲嵌狀結(jié)構(gòu)為主。由于隧洞埋深大，處于高地應(yīng)力區(qū)，初步分類(lèi)為Ⅱ和Ⅲ1類(lèi)的圍巖，隧洞前半段以Ⅲ1類(lèi)圍巖為主，部分為Ⅲ2類(lèi)；隧洞后半段以Ⅲ1、Ⅲ2類(lèi)圍巖為主；局部發(fā)育的斷層及影響帶為Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖。受高地應(yīng)力影響，降類(lèi)后劃分的Ⅲ1類(lèi)圍巖，0+090～0+130洞段發(fā)育f97、F3斷層，F(xiàn)3為Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面，破碎帶主帶寬0.8m～1.4m，f97為F3分支斷層，破碎帶主帶寬度0.2m～0.5m，斷層附近巖體破碎，為Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖，巖體完整性較好，可能產(chǎn)生的破壞模式主要是高地應(yīng)力引起的破壞為主[10]，開(kāi)挖支護(hù)時(shí)應(yīng)考慮高地應(yīng)力的影響，需有防護(hù)措施。

1.2 隧洞變形形式及分析

引水發(fā)電隧洞開(kāi)挖后，在尾水洞上游段，樁號(hào)0+090～0+130和樁號(hào)0+000～0+140段將通過(guò)F3斷層，斷層為Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面，破碎帶主帶寬0.8m～1.4m，屆時(shí)圍巖將趨于極不穩(wěn)定的Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖。樁號(hào)0+430～0+600段穿越常年流水的董俄措溝，鉆孔揭示溝內(nèi)崩坡積覆蓋層厚度8.3m～9.85m，上覆基巖厚度約320m，地下水可能較豐富，抽排水壓力較大。Ⅲ～Ⅳ類(lèi)圍巖在本標(biāo)洞室開(kāi)挖中占相對(duì)多的比例，是產(chǎn)生塑性變形和位移的主要區(qū)域，此外，在洞室拐角、交匯處等部位，易產(chǎn)生塑性變形和位移，施工極其困難。圍巖中隨機(jī)分布較多的緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶，當(dāng)其埋深較大或受節(jié)理裂隙切割時(shí)，極易產(chǎn)生局部的掉塊。

1.3 圍巖穩(wěn)定性

引水發(fā)電隧洞圍巖主要為軟巖，圍巖多屬Ⅲ、IV類(lèi)，根據(jù)隧洞結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、巖性、地下水狀態(tài)、喀斯特發(fā)育程度，隧洞沿線(xiàn)大部分圍巖為石英閃長(zhǎng)巖，巖石致密堅(jiān)硬，巖體完整性差，總體呈鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖初步分類(lèi)以Ⅲ1類(lèi)為主，斷層附近巖體破碎，為Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖，圍巖不穩(wěn)定～極不穩(wěn)定，須加強(qiáng)支護(hù)措施。隧洞前半段以Ⅲ1類(lèi)圍巖為主，部分為Ⅲ2類(lèi)；隧洞后半段以Ⅲ1、Ⅲ2類(lèi)圍巖為主；局部發(fā)育的斷層及影響帶為Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖。受高地應(yīng)力影響，降類(lèi)后劃分的Ⅲ1類(lèi)圍巖，巖體完整性較好，可能產(chǎn)生的破壞模式主要是高地應(yīng)力引起的破壞為主，開(kāi)挖支護(hù)時(shí)應(yīng)考慮高地應(yīng)力的影響，需有防護(hù)措施。

2 隧洞整體支護(hù)施工及尾水隧洞塌方段處理方案

2.1 圍巖失穩(wěn)方式分析

尾水洞圍巖巖性為華力西期石英閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖，巖石致密堅(jiān)硬，巖體中斷層較發(fā)育。前半段多呈次塊狀～塊狀結(jié)構(gòu)，后半段以鑲嵌～次塊狀結(jié)構(gòu)為主。由于隧洞埋深大，處于高地應(yīng)力區(qū)，初步分類(lèi)為Ⅱ和Ⅲ1類(lèi)的圍巖，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小于4和2，均應(yīng)降類(lèi)。開(kāi)挖支護(hù)時(shí)應(yīng)考慮高地應(yīng)力的影響，需有防護(hù)措施。Ⅲ1、Ⅲ2類(lèi)圍巖在本標(biāo)洞室開(kāi)挖中占相對(duì)多的比例，是產(chǎn)生塑性變形和位移的主要區(qū)域，此外，在洞室拐角、交匯處等部位，也易產(chǎn)生塑性變形和位移，施工極其困難。圍巖中隨機(jī)分布較多的緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶，當(dāng)其埋深較大或受節(jié)理裂隙切割時(shí)，極易產(chǎn)生局部的掉塊。

2.2 尾水隧洞整體支護(hù)施工方案

尾水洞上游段：0+090～0+130和0+000～0+140將通過(guò)F3斷層，斷層為Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面，破碎帶主帶寬0.8m～1.4m，斷層破碎帶及影響帶為Ⅳ～Ⅴ類(lèi)，屆時(shí)圍巖將趨于極不穩(wěn)定的Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖。結(jié)合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和地質(zhì)資料，在施工過(guò)程中嚴(yán)密觀(guān)察圍巖變化情況，若出現(xiàn)F3斷層的破碎帶，將采取及時(shí)支護(hù)等方式。尾水洞開(kāi)挖全工序?yàn)殛P(guān)鍵線(xiàn)路，施工周期長(zhǎng)，施工工期要求緊張，施工質(zhì)量要求嚴(yán)格、施工強(qiáng)度高、通風(fēng)散煙困難，進(jìn)度壓力大。施工前充分規(guī)劃好施工通道和排水、通風(fēng)散煙路徑；施工中合理安排施工程序，減少工序間干擾，保證各工序銜接順暢。本工程尾水洞施工為關(guān)鍵線(xiàn)路，采用分層開(kāi)挖支護(hù)，層內(nèi)多工序平行流水作業(yè)的程序施工，以確保施工進(jìn)度。Ⅲ1、Ⅲ2類(lèi)圍巖在本標(biāo)洞室開(kāi)挖中占相對(duì)多的比例，是產(chǎn)生塑性變形和位移的主要區(qū)域，此外，在洞室拐角、交匯處等部位，也易產(chǎn)生塑性變形和位移，施工極其困難。圍巖中隨機(jī)分布較多的緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶，當(dāng)其埋深較大或受節(jié)理裂隙切割時(shí)，極易產(chǎn)生局部的掉塊。開(kāi)挖完成后按“新奧法”原理，適時(shí)支護(hù)，避免發(fā)生坍塌。對(duì)開(kāi)挖出露的地質(zhì)缺陷，及時(shí)按設(shè)計(jì)要求處理加固，完成后再繼續(xù)主洞的開(kāi)挖。對(duì)各洞室交叉口1.5倍洞徑范圍在開(kāi)挖后及時(shí)施作強(qiáng)支護(hù)或視情況進(jìn)行混凝土襯砌鎖口，尾水洞主洞開(kāi)挖時(shí)相鄰兩洞間工作面相錯(cuò)30m～50m平行推進(jìn)，以確保洞室穩(wěn)定。

2.3 尾水隧洞塌方段處理方案

根據(jù)實(shí)際情況，采用強(qiáng)剛性或柔性支護(hù)進(jìn)行處理。2#尾水隧洞0+853～0+880受結(jié)構(gòu)面陡傾角相交的影響，頂拱約150°范圍內(nèi)出現(xiàn)冒頂塌方現(xiàn)象，塌方高度最大8.5m，塌方長(zhǎng)度沿洞軸線(xiàn)長(zhǎng)約15m，塌方體積約800m3，塌方體影響自0+853至0+880。

圖1 塌方加強(qiáng)支護(hù)

經(jīng)監(jiān)理、業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工單位四方現(xiàn)場(chǎng)查勘，明確處理該塌方段方案如下：從掌子面0+863至0+930用石渣反壓回填，剩余空腔采用人工裝填砂袋進(jìn)行封堵；結(jié)束反壓回填后，初擬沿開(kāi)挖面0+880鉆五排φ165回填混凝土孔至塌方頂部，每排鉆孔3個(gè)，第一至五排角度分別為11°、18°、24°、28°、31°，鉆孔沿洞軸線(xiàn)縱向平均深度為12.5m，第一排孔控制回填混凝土高度為2m，第二排孔距第一排孔孔底高度為1.8m，第三排孔距第二排孔孔底高度為1.8m，根據(jù)實(shí)際情況增加鉆孔排數(shù)，并依據(jù)此布置方案鉆至塌方頂部，見(jiàn)圖2所示。

圖2 塌方段普通砂漿錨桿

塌方體空腔回填料選擇C25一級(jí)配泵送混凝土，分層進(jìn)行回填，每次回填高度約1.8m，直至將頂部脫空段填滿(mǎn)；在回填段拱頂150°范圍內(nèi)設(shè)3φ28、L=12m錨筋束，孔徑110mm，間排2.5m×2.5m，矩形布置；鋼拱架安裝前用CF30鋼纖維混凝土閉掌子面，從0+880開(kāi)始立鋼拱架，間距1m，拱架頂部設(shè)φ22、L=1.5m連接筋，環(huán)向間距1m，距單元接頭70cm位置設(shè)置鋼拱鋼筋網(wǎng)，掛網(wǎng)采取盤(pán)圓鋼筋現(xiàn)場(chǎng)編網(wǎng)，也可采取預(yù)制網(wǎng)片，噴C25混凝土使鋼拱架表面齊平；開(kāi)挖面整體布置超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距30cm，長(zhǎng)度6.0m，搭接長(zhǎng)度不小于2m，沿鋼拱架開(kāi)孔布設(shè)1環(huán)，角度上揚(yáng)15°，并與拱架焊接，局部較為破碎區(qū)域增設(shè)一環(huán)小導(dǎo)管，角度上揚(yáng)25°～30°。管線(xiàn)預(yù)埋如圖3所示。

圖3 隧洞塌方段處理時(shí)的管線(xiàn)預(yù)埋示意

通過(guò)高壓注漿泵對(duì)小導(dǎo)管注漿，注漿壓力在0.5MPa～0.8MPa范圍內(nèi)，漿液水灰比1∶1，注漿結(jié)束后3h開(kāi)始開(kāi)挖，單次開(kāi)挖進(jìn)尺控制在1.5m，開(kāi)挖后及時(shí)組立下一循環(huán)鋼拱架施工；鋼拱架立至0+874樁號(hào)時(shí)，拱架間距變?yōu)?.6m，其余不變，直至通過(guò)塌方區(qū)；0+880～0+853段在系統(tǒng)支護(hù)基礎(chǔ)上，使用φ28、L=6m，間排距1.2×1.2m的砂漿錨桿配合3φ28、L=6m錨筋束進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，如圖4所示。

圖4 隧洞塌方段處理方案

3 塌方問(wèn)題防治措施

3.1 尾水隧洞塌方防治措施

樁號(hào)0+430～0+600段穿越常年流水的董俄措溝，地下水可能較豐富，屆時(shí)抽排水壓力較大。因此，設(shè)置共計(jì)600m3/h的集中泵站用以洞室排水，并設(shè)置總存儲(chǔ)量為350m3的集水坑存水，保證施工期工作面和交通通道滿(mǎn)足施工條件。工程地廠(chǎng)埋深較大，主要洞室通道為反坡開(kāi)挖，排水工作量較大，需要統(tǒng)籌規(guī)劃洞室施工排水布置。施工期間按照高水高排、低水低排的原則進(jìn)行排水布置，各高程洞室分別結(jié)合自身的開(kāi)挖出渣通道布置排水泵站管線(xiàn)，各走各的通道。上部洞室的水從上部排，下部洞室的水從下部排。順坡開(kāi)挖洞室主要采用自然排水，兩側(cè)設(shè)排水溝導(dǎo)流。反坡開(kāi)挖洞室采用工作面潛水泵結(jié)合洞內(nèi)集中排水泵站進(jìn)行抽排。負(fù)責(zé)多條洞室的施工支洞或交通洞，通常在施工支洞或交通洞低處靠近主洞部位設(shè)置集水坑或水箱，作為洞內(nèi)集中抽排的泵站。進(jìn)入的各洞室施工面的集水，采用潛水泵抽排至集中泵站統(tǒng)一抽排。洞內(nèi)集中排水泵站布置采用擴(kuò)挖側(cè)墻或設(shè)鋼水箱，交通洞采用鋼水箱，施工支洞采用擴(kuò)挖，擴(kuò)挖段避開(kāi)混凝土封堵段并距離永久洞室邊墻不小于15m。泵站集水坑布置2個(gè)，包括沉淀池和清水池，單個(gè)容積一般不小于30min的排水量。

3.2 發(fā)生大突水防治措施

洞內(nèi)富水構(gòu)造被揭穿，發(fā)生大的突水時(shí)，待其水量減少或消退、水壓降低后再進(jìn)行注漿處理。若水流很大、水壓很高、人員無(wú)法靠近，且無(wú)減弱趨勢(shì)，在地下水補(bǔ)給區(qū)與涌水點(diǎn)之間布置泄流鉆孔分流泄壓，降低涌水點(diǎn)的涌水量和流速；或采用迂回導(dǎo)洞在出水的上游揭穿水道，排水減壓，為掌子面處理創(chuàng)造條件。發(fā)生有突水涌泥的洞段，待其減退后再行處理。水量減退后，淤泥充填洞內(nèi)，在清淤引起涌泥增加、掌子面不穩(wěn)時(shí)，封閉掌子面，采用全斷面注漿加固，超前小導(dǎo)管支護(hù)，短臺(tái)階開(kāi)挖方案。

3.3 尾水隧洞塌方防治措施

水電站尾水隧洞工程具有較高的塌方發(fā)生幾率，發(fā)生塌方影響工期和施工，造成人員傷害、經(jīng)濟(jì)損失。在防治塌方時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)工程、防滲水工程、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等工作。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧洞施工設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，利用鉆探和現(xiàn)代物探等手段對(duì)隧洞開(kāi)挖面地質(zhì)條件進(jìn)行分析，掌握地下水、圍巖等信息。水電站尾水隧洞工程發(fā)生塌方的原因之一是預(yù)測(cè)圍巖地質(zhì)條件存在不足，因此，應(yīng)對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作高度重視，通過(guò)先進(jìn)工具、技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)業(yè)人才，保證勘測(cè)數(shù)據(jù)可靠性、準(zhǔn)確性。從圍巖變形、失穩(wěn)到塌方，是一個(gè)逐漸積累的過(guò)程，在此過(guò)程中會(huì)有各種先兆表現(xiàn)出來(lái)。在洞身掘進(jìn)中，堅(jiān)持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、邊挖邊測(cè)原則。隨時(shí)觀(guān)測(cè)圍巖情況，根據(jù)前兆進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)，采取相應(yīng)措施，對(duì)支護(hù)工程及時(shí)作出調(diào)整，加強(qiáng)支護(hù)措施。實(shí)時(shí)進(jìn)行地下水位變化監(jiān)測(cè)，做好防滲體處理，避免滲水嚴(yán)重造成洞身塌方。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以葉巴灘水電站尾水隧洞為研究對(duì)象，對(duì)其塌方段的處理技術(shù)進(jìn)行了研究，在塌方區(qū)處理、初期支護(hù)施工完成后，結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，通過(guò)本次尾水隧洞塌方處理，總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論：

(1)通過(guò)分析工程地質(zhì)條件、隧洞變形形式、圍巖穩(wěn)定性及壩址區(qū)深部破裂形成巖性、巖體結(jié)構(gòu)物質(zhì)基礎(chǔ)，得出深部破裂是在地貌形成演化過(guò)程中，由于岸坡巖體應(yīng)力狀況持續(xù)改變，導(dǎo)致了巖體內(nèi)儲(chǔ)存應(yīng)力的強(qiáng)烈釋放，岸坡巖體向臨空方向形成巨大差異而回彈卸荷產(chǎn)生的。

(2)在處理隧洞坍塌問(wèn)題前，必須做好未坍塌部位的加固，以避免坍塌擴(kuò)大。導(dǎo)致坍塌的主要因素之一是水，及時(shí)清除已坍塌段積水，進(jìn)一步研究坍塌成因，并提出合理解決方法，是防止坍塌和維護(hù)圍巖穩(wěn)定性的最有效措施。

(3)進(jìn)行圍巖固結(jié)灌漿，以充分發(fā)揮圍巖承載力作用，并提出現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員應(yīng)充分考慮的各種不良水文、洞室支護(hù)圍巖特點(diǎn)、地貌因素及發(fā)展趨勢(shì)等，為可能發(fā)生的坍塌情況有足夠思想準(zhǔn)備以及適當(dāng)工程技術(shù)措施支持，有效預(yù)防塌方發(fā)生。