固增水電站引水隧洞特大突水突泥處理采用的施工技術(shù)

郭 益， 戚 紹 禮， 王 軍 紅

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

固增水電站引水隧洞在開(kāi)挖階段，其2號(hào)支洞上游主洞(T)2+696～(T)2+699右拱肩(靠山側(cè)，下同)出現(xiàn)塌方，鑒于該段圍巖為硅質(zhì)板巖夾炭質(zhì)板巖、薄層狀結(jié)構(gòu)，巖層扭曲、揉皺發(fā)育，最終將其巖性判定為Ⅳ類圍巖。所采取的治理措施為：對(duì)塌方區(qū)初噴C25納米混凝土[1]，安裝I16工字鋼，施工Φ42 mm超前小導(dǎo)管，內(nèi)插Φ25 mm鋼筋實(shí)施超前支護(hù)。開(kāi)挖進(jìn)尺1 m后其右側(cè)頂拱出現(xiàn)崩塌并有滲水，導(dǎo)致前期施工的超前支護(hù)全部被破壞，頂部形成較大(約為3.5 m3)的空腔，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，遂將現(xiàn)場(chǎng)掌子面回填洞渣后暫停施工進(jìn)行觀察；次日，該段突發(fā)大量的涌水夾雜石渣混合流出，流速較快，產(chǎn)生了大量水霧。突水流量約為900 m3/h，突泥量約為1 500 m3。突水突泥對(duì)施工造成的難題主要有：①對(duì)所發(fā)生的安全隱患不確定，很難分析其成因，處理不當(dāng)會(huì)誘發(fā)二次塌方；②現(xiàn)場(chǎng)處理地質(zhì)缺陷的施工人員不專業(yè)、經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致處理時(shí)間較長(zhǎng)。而該工作面為關(guān)鍵線路，直接影響到工程總工期；③地質(zhì)條件復(fù)雜多變，斷層走向、長(zhǎng)度等未知因素較多，導(dǎo)致選擇正確的處理方案難度較大；④如何提前準(zhǔn)確判定不良地質(zhì)條件以指導(dǎo)后期的施工至關(guān)重要。

2 地質(zhì)問(wèn)題產(chǎn)生的原因分析

2.1 開(kāi)挖支護(hù)參數(shù)

引水隧洞Ⅲ類圍巖的開(kāi)挖斷面為6.67 m×8.45 m，采用Φ25 mm,L=4.5 m的隨機(jī)錨桿，隨機(jī)掛φ6.5 mm網(wǎng)片、噴C25混凝土5 cm厚進(jìn)行處理。開(kāi)挖進(jìn)尺為3 m；Ⅳ類圍巖的開(kāi)挖斷面為6.97 m×8.72 m，采用Φ25 mm,L=4.5 m@1.5 m×1.5 m的錨桿梅花形布置，掛φ6.5 mm@0.15 m×0.15 m網(wǎng)片，噴C25混凝土12 cm厚進(jìn)行處理。開(kāi)挖進(jìn)尺為2～3 m，每循環(huán)支護(hù)；Ⅴ類圍巖的開(kāi)挖斷面為為7.35 m×9.15 m，采用Φ25 mm,L=4.5 m@1.2 m×1.2 m的錨桿梅花形布置，掛φ6.5 mm@0.15 m×0.15 m網(wǎng)片，噴C25混凝土0.15 m厚進(jìn)行處理，開(kāi)挖進(jìn)尺為0.8～1.5 m，每循環(huán)支護(hù)。

結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：開(kāi)挖進(jìn)尺和支護(hù)參數(shù)均滿足施工要求，故其不是造成本次突水突泥事件的主要原因。

2.2 地理位置及降雨條件分析

引水隧洞樁號(hào)(T)2+693位于2號(hào)施工支洞控制段上游，地處木里河左岸，埋深約為180～300 m，距2號(hào)施工支洞三岔口約197 m。地貌范圍內(nèi)的洼開(kāi)溝和無(wú)名溝常年有小股流水，年流量變化幅度不大，兩側(cè)溝壁陡峭，植被茂盛，地表無(wú)水庫(kù)，僅有供農(nóng)田噴灌的小型泉水。2019年7月累計(jì)降雨量為225.75 mm，日最大降雨量為47.25 mm(發(fā)生在7月3日)。該洞段塌方時(shí)段(7月22～28日)的最大降雨量為16.25 mm，發(fā)生在7月24日。

根據(jù)監(jiān)測(cè)到的突水量，得出近期的降雨很難成為本次事件直接原因的結(jié)論，但其地理位置處于兩溝壑之間，可能存在地表水的補(bǔ)給。

2.3 地質(zhì)條件分析

2號(hào)支洞附近發(fā)育有F4斷層(基洼斷層)，位于支洞下游，延伸約4 km，破碎帶寬約10～20 m，其走向與引水隧洞的夾角約為35°。經(jīng)地表查看，該區(qū)域地貌無(wú)明顯凹陷，無(wú)法確定該斷層的準(zhǔn)確位置及產(chǎn)狀，且洞室接觸面與該斷層產(chǎn)狀及分布位置均差異較大。因此，無(wú)法判斷隧洞上游掌子面的擠壓破碎帶是否為F4斷層帶或其影響帶。在樁號(hào)(T)2+695處內(nèi)側(cè)壁拱肩至頂拱一線出露薄～極薄層硅質(zhì)板巖、局部夾少量炭質(zhì)板巖和炭質(zhì)頁(yè)巖，石英脈條帶富集，揉皺強(qiáng)烈，受其影響巖體破碎，石英脈手搓易碎，呈碎礫～碎屑狀，巖體呈碎裂～散體結(jié)構(gòu)，自穩(wěn)性極差。掌子面其他部位巖體以薄層狀、薄～中層狀硅質(zhì)板巖為主，總體產(chǎn)狀為N75°W /NE∠70°～80°，巖性堅(jiān)硬致密，完整性較好。二者接觸面產(chǎn)狀為N30°W /NE∠50°～80°，有多處小股流水。

地勘資料表明：該范圍斷層裂隙較多且發(fā)育，巖性變化頻繁，易形成腔體積水，是造成本次事件發(fā)生的直接原因。

2.4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)及掌子面揭露，圍巖巖體較破碎，屬于較軟巖～較硬巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水較發(fā)育、但分布不均，存在滲水或含水的情況，局部可能會(huì)出現(xiàn)涌水，隧洞底部巖體破碎程度高；隧道周邊巖體完整性一般，節(jié)理裂隙較發(fā)育、密集，巖體破碎程度較高。

根據(jù)上述4點(diǎn)原因分析得知：引水隧洞上游段4 000 m屬于地下水位線以下，該范圍硅質(zhì)板巖較硬，發(fā)育裂隙較多，易形成滲徑，炭質(zhì)板巖較軟且密實(shí)，無(wú)滲水通道，洞軸線方向硅質(zhì)板巖和炭質(zhì)板巖交替存在，形成向斜和背斜。鑒于巖體內(nèi)斷層裂隙較多，常年降雨易滲入、匯集在向斜形成大量?jī)?chǔ)水。而儲(chǔ)水不易外排，隨雨季與旱季變化，常年累月的儲(chǔ)水浸泡導(dǎo)致巖體軟化，造成對(duì)地質(zhì)條件難以準(zhǔn)確判定和施工預(yù)防措施準(zhǔn)備不足，是造成本次事件發(fā)生的直接原因。

3 制定適宜的施工措施并實(shí)施

3.1 選定處理方案

(1)改線：根據(jù)EPC總包模式，設(shè)計(jì)方與施工方配合緊密，可以選擇改線繞過(guò)坍塌區(qū)。但改線會(huì)影響到引水流態(tài)，且因同樣隱蔽的不良地質(zhì)范圍無(wú)法準(zhǔn)確判定，會(huì)導(dǎo)致改后的洞軸線仍可能無(wú)法避開(kāi)該富水和軟弱地層。

(2)預(yù)制鋼拱架：待塌方穩(wěn)定、不發(fā)生掉塊時(shí)，先出渣，提前預(yù)制型鋼拱架并用裝載機(jī)推裝到位。但根據(jù)塌方的時(shí)間和下部渣體推測(cè)上部塌方空腔的高度可達(dá)20 m以上，很難判定其穩(wěn)定，出渣后下部施工的安全隱患較大。

(3)大管棚：利用已塌方的堆渣采取大管棚注漿的方式施工，雖然其施工的要求和成本高，但不影響隧洞后期運(yùn)行的引水流態(tài)，結(jié)合固結(jié)灌漿，可以極大程度地減小安全風(fēng)險(xiǎn)。

綜上分析：最終選用大管棚工法[2]處理塌方。

3.2 解除安全隱患，確保后續(xù)處理施工安全

仔細(xì)觀察掌子面塌方區(qū)發(fā)現(xiàn)，其上部渣體含水量較低，基本穩(wěn)定，下部渣體含水飽和成泥漿且無(wú)法承受上部荷載，所存在的潛在安全隱患是：隨著上部垮塌荷載的增加，當(dāng)其超過(guò)下部承受荷載時(shí)易形成泥石流突發(fā)。故需對(duì)下部進(jìn)行排水以降低渣體的含水量，提高其穩(wěn)定性。樁號(hào)(T)2+720～(T)2+140洞段為Ⅲ類硅質(zhì)板巖，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，在樁號(hào)(T)2+720兩側(cè)邊墻1.5 m向頂拱以傾角10°～15°采用地質(zhì)鉆施工多個(gè)φ108 mm的泄水孔，孔深42 m，穿越塌方區(qū)實(shí)施排水，靠山側(cè)泄水效果較好，成射流狀。通過(guò)2 d時(shí)間的排水，塌方堆渣體底部含水量降低，整體穩(wěn)定，解除了安全隱患，確保了后續(xù)處理施工的安全。

3.3 選擇專業(yè)隊(duì)伍，保證施工效果

在樁號(hào)(T)2+720處施工Φ108 mm大管棚穿過(guò)塌方區(qū)進(jìn)入掌子面，管棚長(zhǎng)度為33～36 m，管棚內(nèi)插錨筋束、注漿形成拱圈并與周?chē)鷰r體共同受力以增強(qiáng)突水突泥段的洞壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因施工要求管棚不侵占設(shè)計(jì)永久結(jié)構(gòu)，對(duì)施工技術(shù)要求高。而現(xiàn)場(chǎng)班組的施工任務(wù)僅為開(kāi)挖支護(hù)，施工器具僅為氣腿鉆，不具備大管棚開(kāi)挖所需的地質(zhì)鉆機(jī)。因此，必需選專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)場(chǎng)，以保證施工效果。

3.4 大管棚施工

施工工藝流程：導(dǎo)向管→管棚制作→造孔→插筋注漿。

3.4.1 導(dǎo)向管的選型

選擇巖石條件較好的樁號(hào)(T)2+720斷面處，從起拱部位到頂拱外擴(kuò)形成60～100 cm的錯(cuò)臺(tái)，在錯(cuò)臺(tái)距外輪廓線大于40 cm處，以外傾角8°～10°開(kāi)鉆。利用樁號(hào)(T)2+720～(T)2+710堅(jiān)硬的巖體造孔做導(dǎo)向孔，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，操作簡(jiǎn)便，施工進(jìn)度快。

3.4.2 管棚的制作

跟管為R780，Φ108 mm，壁厚為4.5 mm的鋼管，之間采用Φ108 mm絲扣接頭連接，跟管單根長(zhǎng)1.5 m，相鄰兩根跟管接頭部位錯(cuò)開(kāi)，跟管管壁鉆孔增設(shè)出漿孔，孔徑為16 mm，孔間距為30 cm，梅花形布置，以便于后期注漿。錨筋束[3]采用3根Φ28 mm鋼筋品字形焊接，錨筋束在桿體方向每隔3 m用φ6.5 mm圓鋼焊接形成環(huán)，將錨筋束與管壁分離以確保錨筋束與管壁有足夠的空間，保證管棚注漿時(shí)漿液能充分包裹錨筋束。在錨筋束桿體上綁扎φ20 mm PVC管作為排氣管，排氣管距孔底50 cm，孔口外露0.5 m。錨筋束距管棚口縮短20 cm以便于封孔注漿。

3.4.3 造孔

采用錨索鉆機(jī)合金偏心鉆頭造孔，以壓縮空氣作為造孔動(dòng)力。為保證管棚的鉆進(jìn)精度，開(kāi)孔應(yīng)嚴(yán)格控制鉆具的傾角及方位角，當(dāng)鉆進(jìn)20～30 cm時(shí)應(yīng)校核角度。鉆孔過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行分段測(cè)斜，每鉆進(jìn)6～10 m需校正鉆桿的角度。鉆進(jìn)結(jié)束或需要更換鉆具時(shí)應(yīng)先進(jìn)行清孔，將孔底殘?jiān)当M，再低速反轉(zhuǎn)鉆具收攏偏心鉆頭。造孔過(guò)程中，通過(guò)復(fù)雜地層時(shí)須輕壓、慢鉆、反復(fù)吹掃，緩慢通過(guò)。發(fā)現(xiàn)有突進(jìn)和卡鉆現(xiàn)象時(shí)，一定要查明原因，排除故障后再進(jìn)行施工。

3.4.4 插筋注漿

采用手拉葫蘆將錨筋束插入跟管中，在管口埋設(shè)1 m長(zhǎng)的進(jìn)漿管和距孔底50 cm的排氣管，封閉管口。通過(guò)預(yù)埋管，采用強(qiáng)度等級(jí)為R42.5的普通硅酸鹽水泥注漿，由JT-Ⅳ型多通道灌漿自動(dòng)儀計(jì)量，灌漿水灰比為1∶1、0.5∶1。開(kāi)灌水灰比為1∶1，以使?jié){液在松散的巖層中充分?jǐn)U散，將破碎的巖層固結(jié)，從而有利于相鄰鉆孔時(shí)減少掉塊、卡鉆或掉鉆等，促進(jìn)施工進(jìn)度。灌漿壓力為0.3～0.5 MPa，壓力視吸漿量情況調(diào)整，待孔口注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求且回漿比重與進(jìn)漿比重相近時(shí)開(kāi)始閉漿、灌漿結(jié)束。為避免注漿時(shí)發(fā)生串孔造成相鄰孔的堵塞，原則上先進(jìn)行單號(hào)孔的造孔、安裝、注漿，后施工雙號(hào)孔。灌漿出現(xiàn)漏漿、吸漿量大時(shí)，采取間歇灌漿法或反復(fù)注漿法加強(qiáng)灌漿質(zhì)量，確保套管灌漿飽滿。

3.5 預(yù)固結(jié)灌漿，半洞開(kāi)挖

鑒于大管棚注漿滲透效果較差，局部出現(xiàn)了溜渣現(xiàn)象，因此，必須對(duì)塌方段洞壁再次進(jìn)行預(yù)固結(jié)灌漿[4]，孔徑為50 mm,深入基巖10 cm(浮渣1.5 m),間排距3 m交替布置，灌漿的漿液水灰比為2、1、0.8、0.5四個(gè)比級(jí)，注漿壓力為0.2～0.5 MPa；掌子面頂拱超前固結(jié)灌漿5 m，孔徑為50 mm，傾角為13°～15°，孔間距為45 cm，灌漿后形成堅(jiān)硬的固結(jié)拱圈以保證開(kāi)挖過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；掘進(jìn)時(shí)，在I16工字鋼勁板鉆φ50 mm的孔，內(nèi)插L=4.5 m的超前小導(dǎo)管，在小導(dǎo)管管壁開(kāi)滲漿孔，內(nèi)插Φ25 mm，L=4.5 m的錨筋，采用上述水灰比和壓力注漿，注漿完成待強(qiáng)8 h后進(jìn)行上半幅的開(kāi)挖，開(kāi)挖支護(hù)循環(huán)進(jìn)尺為80～100 cm，上半幅開(kāi)挖10 m后進(jìn)行下半幅半邊開(kāi)挖，工字鋼及時(shí)下接。塌方段處理完成后，掌子面分臺(tái)階開(kāi)挖揭露巖性較好時(shí)改為全斷面施工。

3.6 加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，用于指導(dǎo)后續(xù)施工

該工程運(yùn)用美國(guó)TRT儀器進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[5]，預(yù)判隧洞掘進(jìn)前方的圍巖變化情況，經(jīng)詳細(xì)分析后編輯地質(zhì)超前簡(jiǎn)報(bào)用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工；使用100B鉆機(jī)在掌子面施工深度為30 m的超前勘探孔3個(gè)，分別布置在易垮塌區(qū)的上半幅，頂拱1個(gè)，兩側(cè)各1個(gè)，分別對(duì)鉆孔速度、聲音、出水顏色和鉆渣等情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，結(jié)合地質(zhì)勘探資料做出正確的判定；現(xiàn)場(chǎng)鉆工可根據(jù)鉆孔速度和掌子面揭露的情況分析、控制鉆孔的深度、間排距和裝藥量，以減少因爆破振動(dòng)對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)。及時(shí)跟蹤，確保超前地質(zhì)預(yù)報(bào)樁號(hào)每次搭接20 m，100B勘探孔樁號(hào)每次搭接5 m，以保證連續(xù)性地指導(dǎo)施工。

4 結(jié) 語(yǔ)

固增水電站通過(guò)上述施工技術(shù)的研究與實(shí)施，成功地處理了本次突泥突水事件。處理過(guò)程中未發(fā)生安全事故，處理完成后該部位未再發(fā)生塌方變形等事件?？偨Y(jié)、完善災(zāi)害處理經(jīng)驗(yàn)并將其用于指導(dǎo)后續(xù)未開(kāi)挖洞段的施工，減少不良地質(zhì)洞段的開(kāi)挖塌方，促進(jìn)了施工進(jìn)度，確保了該工程長(zhǎng)達(dá)11.06 km引水隧洞的開(kāi)挖未出現(xiàn)一般及以上安全事故，降低了施工成本。