娘擁水電站引水隧洞高地溫洞段施工處理措施淺談

何國勤

(大唐四川發(fā)電有限公司,成都,610091)

1 工程概況

娘擁水電站位于四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣境內(nèi),是碩曲河流域第二梯級電站,電站采用引水式開發(fā)。電站閘址位于沙貢鄉(xiāng)不忍溝下游約200m的河段上,由右岸有壓隧洞引水至日韻溝對岸碩曲河高漫灘建地面廠房發(fā)電,閘、廠址相距約18km。

娘擁水電站引水系統(tǒng)沿線河谷狹窄,山體陡峻,海拔4500m～4800m,為高山峽谷地貌。引水系統(tǒng)主要穿越黑云母花崗巖、厚～中厚層砂巖夾板巖及板巖、砂巖互層。引水系統(tǒng)隧洞沿線支溝較發(fā)育,主要分布兵達溝、熱仁溝兩條較大的支溝及熱玉溝、1號溝～6號溝等7條小支溝,引水隧洞洞線布置主要受深切沖溝控制。從閘址區(qū)取水口至調(diào)壓室,隧洞全長15406.313m,底坡i=2.9248‰,水平埋深約170m～1600m,垂直埋深一般150m～500m,最大埋深640m。

2 引水隧洞地?zé)岈F(xiàn)象

引水隧洞共布置7條施工支洞,除1#支洞外,其他支洞和主洞均未出現(xiàn)地?zé)岈F(xiàn)象。

1#支洞開挖過程中,在支0+120m左右出現(xiàn)地?zé)崆闆r。根據(jù)測試資料顯示,支0+100m～0+230m段地溫值為25.8℃～38.8℃,總體趨勢為每10m增加1℃;在支0+240m處右壁下近底板處有一股熱泉涌出,水量約10ml/s,水質(zhì)透明,無味,導(dǎo)致該位置地溫值為49.8℃;251m處地溫溫度為39.8℃;在支0+290m附近爆破后巖面溫度為48℃～50℃。

主洞與支洞相交樁號為K0+873.97m,支洞總長295m,上游面已開挖至K0+786m,洞壁干燥,未見地下水活動痕跡。根據(jù)地溫測試資料顯示,在K0+873.97m～0+844m段,爆破后巖面溫度51℃～53℃;K0+835m～0+805m段,爆破后巖面溫度42℃～43℃;K0+805m～0+785m段,爆破后巖面溫度41℃～42℃。隨著向上游面的開挖,溫度有下降趨勢。

下游面主洞開挖至K1+017.4m,隨著開挖的推進,洞內(nèi)溫度呈逐漸上升趨勢。在K0+905m處出現(xiàn)有一水量約20ml/s,溫度59℃出水點,水質(zhì)透明無味;在隧洞右壁K0+970m及左壁K0+985m附近,存在一條產(chǎn)狀走向NE20°,傾向NW傾角85°左旋逆沖斷層,即熱水?dāng)鄬?該斷層為花崗巖與砂板巖分界線;在K1+015m左右底板部位有水量較小的溫泉出露;在K1+017m處掌子面中下部,出現(xiàn)一流量約33ml/s、水質(zhì)透明無味的出水點,出水點周圍沉積有較多鈣質(zhì)物,水溫高達80℃。

3 地?zé)岈F(xiàn)象成因

3.1 熱水?dāng)鄬蛹捌湔共继卣?/h3>

娘擁水電站1#支洞及主洞出現(xiàn)地?zé)岙惓Ｇ闆r,主要與工程區(qū)順碩曲河分布的一條熱水?dāng)鄬佑嘘P(guān)。該斷層走向近NE20°,傾向NW,傾角70°左右,斷層帶寬度30m左右,斷裂帶由強烈構(gòu)造作用形成的構(gòu)造巖(片狀巖、破裂巖、碎裂巖)及少量的斷層泥構(gòu)成,總體擠壓緊密,斷層面平直,可見明顯的擦痕及階步,顯示左旋走滑斷層特征,擦痕側(cè)伏角約25°,水平錯距約300m,長度大于20km[1]。斷層性質(zhì)早期為壓扭性逆沖斷層,后期主壓應(yīng)力場轉(zhuǎn)為近SN向,斷裂帶表現(xiàn)為張性特征。

3.2 熱水?dāng)鄬拥幕顒有约皽厝?/h3>

從地表出露的幾個溫泉點來看,泉水基本呈微承壓狀態(tài),說明上游補給地帶的位置略高于泉口位置,可能是斷層穿過上游河床或溝床,地表水順張開的裂隙補給地下水,地下水順斷層深循環(huán)致深部巖漿囊升溫。

該斷層為中更新世活動斷層,熱源的來源不是斷層活動引起,因斷層的北段切入巖漿巖中,可能深達巖漿巖體下部的巖漿囊,地下水循環(huán)致此水溫升高。

因該斷層北段和南段(在鄉(xiāng)城電站庫區(qū)左岸延伸上山)出露位置均較高,只有在1#支洞～熱俄段出露位置低,在水頭壓力的作用下于相對低洼處溢出。

4 施工處理措施

4.1 降溫措施

針對1#支洞附近高地溫洞段(出露溫泉達70℃、洞壁巖石溫度達50℃、洞內(nèi)環(huán)境溫度超過30℃)的實際情況,為改善施工條件和確保勞動安全,在施工中主要采取以下措施。

4.1.1 注入洞外冷水混合降溫

在隧洞內(nèi)溫泉出露點開挖集水坑,采用水泵從洞段河流上游處抽取雪山融水,通過鋼管將冷河水注入洞內(nèi)集水坑內(nèi),并使其充分混合,以充分減少熱水散發(fā)空氣熱量,便于作業(yè)面環(huán)境溫度的降低。現(xiàn)場主要配置一臺1.1kW清水泵,同時備用一臺0.75kW水泵。

4.1.2 及時抽排洞內(nèi)熱水

為縮短洞內(nèi)熱水與周圍空氣進行熱交換的時間,降低洞內(nèi)環(huán)境溫度,現(xiàn)場安裝了一套功率3kW左右的排水設(shè)備,及時將集水坑內(nèi)混合水抽排出洞外。

4.1.3 加強通風(fēng)設(shè)施配置

在娘擁水電站1#支洞附近洞內(nèi)高溫環(huán)境下,在距離支洞口1km以上,隨著掌子面向前推進,通風(fēng)距離越長,通風(fēng)難度越大,采用常規(guī)的壓入式單管通風(fēng)已經(jīng)無法及時有效改善作業(yè)面環(huán)境溫度,因此必須采取進一步的措施來加強洞內(nèi)通風(fēng)。根據(jù)洞內(nèi)高溫情況,現(xiàn)場增設(shè)了一臺119kW、1800m3/min通風(fēng)機,通過φ1300mm的風(fēng)管向工作面送風(fēng),采用雙管壓入式的通風(fēng)方式。為避免洞內(nèi)排出的熱空氣循環(huán)進入通風(fēng)機,降低通風(fēng)降溫的效果,1#支洞口外的通風(fēng)機應(yīng)布置在遠離洞口上風(fēng)向,且離支洞口距離應(yīng)大于30m。

4.1.4 噴霧降溫

自1#支洞洞外冷水水池接水管至洞內(nèi),輸水鋼管沿洞頂兩側(cè)各布設(shè)一根,并在鋼管上每隔3m～5m安設(shè)一個噴霧器,沿洞縱軸線進行不間斷噴霧,通過噴水霧可有效降低洞內(nèi)溫度。同時高壓水霧還可以有效吸附洞內(nèi)粉塵,改善洞內(nèi)作業(yè)面施工條件,保證作業(yè)工人正常呼吸用氧。

4.2 超前支護及臨時支護措施

洞內(nèi)高溫是因隧洞穿越斷層、地下高溫溫泉涌出所致。隧洞掘進僅進入斷層影響帶內(nèi),尚未通過該斷層,掘進時需在掌子面安排超前勘探(需要鉆超前勘探孔120m),通過超前鉆孔了解掌子面原來的地質(zhì)條件,以便對開挖過程中可能出現(xiàn)的塌方、集中涌水等情況進行預(yù)防。

根據(jù)超前勘探鉆孔揭示的地質(zhì)情況,采取適合本段隧洞圍巖地質(zhì)條件,包括水文地質(zhì)條件的一些超前支護措施及臨時支護措施:

(1)對地下水豐富、集中洞段可采取超前灌漿封閉地下水;

(2)圍巖破碎自穩(wěn)能力差,采取超前錨桿、超前管棚、導(dǎo)管注漿等措施,保證開挖期間圍巖穩(wěn)定;根據(jù)對隧洞斷層帶和斷層影響帶洞段的圍巖類別分析,對預(yù)測斷層帶和斷層影響帶K0+900m～K1+100m段隧洞采取如下臨時支護措施:Ⅲ類圍巖洞段結(jié)合永久支護措施主要采用掛網(wǎng)噴錨;IV類圍巖洞段采用鋼支撐加掛網(wǎng)噴錨。為確保安全施工,臨時噴錨支護緊隨開挖工作面及時跟進。

針對高地溫洞段,進行噴錨支護施工時應(yīng)開展以下試驗研究工作:

(1)通過拉拔試驗驗證高地溫對砂漿錨桿的影響,如砂漿錨桿不能滿足抗拉拔要求,采用水泥藥卷錨桿或者樹脂錨桿;

(2)高地溫洞段噴射混凝土施工環(huán)境與常規(guī)施工環(huán)境存在很大差異,應(yīng)通過試驗研究噴射混凝土的配合比及施噴工藝和養(yǎng)護措施等。

4.3 爆破作業(yè)

針對娘擁水電站1#支洞高地溫段爆破控制的經(jīng)驗,在高地溫洞段爆破施工中應(yīng)高度重視以下問題:

(1)在爆破藥包選擇時必須選用確保高溫環(huán)境安全的防自爆藥包,且藥包無損傷、變形;

(2)裝藥前必須測定裝藥孔孔內(nèi)溫度,孔溫需低于防自爆藥包規(guī)定的安全使用溫度;

(3)在爆破作業(yè)前后,加強通風(fēng)和噴霧灑水、用冷水清洗炮孔等措施進行作業(yè)降溫;

(4)在采用導(dǎo)爆索起爆時,安全員對裝藥工序要進行嚴格檢查,不得將導(dǎo)爆索直接插入藥包內(nèi),必須將導(dǎo)爆索捆在藥包外;

(5)裝藥順序必須按從低溫孔到高溫孔依次裝藥;

(6)炮孔填塞應(yīng)在所有炮孔裝藥完畢后,以最短的時間填塞完成,嚴防采用含硫化物的巖粉填塞;

(7)裝藥工序進行時,應(yīng)設(shè)專職安全員進行全程監(jiān)督,發(fā)現(xiàn)炮孔有棕色濃煙逸出等異常現(xiàn)象時,應(yīng)立即通知爆破管理人員并立即組織撤離,在排除安全風(fēng)險后才能繼續(xù)施工;

(8)在爆破裝藥前,應(yīng)對高溫爆破作業(yè)影響范圍內(nèi)的所有非爆破作業(yè)人員進行撤離清場;

(9)當(dāng)裝藥炮孔內(nèi)溫度超過60℃時,為防止藥包與孔壁摩擦,應(yīng)選用防摩擦的紙(常用瀝青牛皮紙)將藥包包裹完好,且裝藥至起爆時長應(yīng)控制在1h以內(nèi)為宜;

(10)當(dāng)裝藥炮孔內(nèi)溫度超過80℃時,應(yīng)用絕熱材料(如石棉織物等)將藥包嚴密包裹完好,炮孔內(nèi)嚴禁安裝起爆雷管,經(jīng)試驗后可選用防熱處理后的黑索金導(dǎo)爆索作為起爆器材。

4.4 高溫環(huán)境下的安全文明施工

為保證隧道施工人員進行正常的安全生產(chǎn),我國有關(guān)部門對隧道施工作業(yè)環(huán)境的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)都有規(guī)定。如鐵道部規(guī)定,隧道內(nèi)氣溫不得超過28℃;交通運輸部規(guī)定,隧道內(nèi)氣溫不宜高于30℃。國外的資料介紹,日本規(guī)定隧道內(nèi)溫度應(yīng)低于37℃[2]。

在娘擁水電站隧洞高溫下施工應(yīng)對施工作業(yè)人員做好中暑防護。應(yīng)根據(jù)隧洞內(nèi)的高溫程度、施工勞動強度及勞動效率情況,合理確定勞動工時及高溫作業(yè)時間,確保施工作業(yè)人員的職業(yè)健康安全。另外因高溫作業(yè)易誘發(fā)中暑等,現(xiàn)場應(yīng)加強高溫作業(yè)人員健康管理和體檢,對患有高血壓、心臟病的作業(yè)人員,應(yīng)禁止進行高溫洞段作業(yè)。

為進一步做好現(xiàn)場作業(yè)人員的職業(yè)健康安全管理,建議采用如下措施:

(1)在工作面和洞內(nèi)安裝固定式氣體傳感器,當(dāng)洞內(nèi)氧氣濃度低于人類正常呼吸要求時(具體濃度可根據(jù)實際高程設(shè)定,一般氧含量不得低于18%)自動報警,以便洞內(nèi)人員及時疏散和禁止進入等,爆破作業(yè)工人須隨身佩戴氣體測定儀,及時掌握作業(yè)面環(huán)境氧含量,以保證爆破作業(yè)安全可控;

(2)嚴格做好班前“三講一落實”安全教育,加強安全專業(yè)培訓(xùn),并組織實施疏散應(yīng)急演練,做好應(yīng)急演練的總結(jié)和應(yīng)急預(yù)案的改進工作。

4.5 其他

為減少高地溫對娘擁水電站鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的影響,施工時主要采取了如下措施:

(1)采用河道雪山融水進行混凝土拌制,嚴格控制混凝土拌制溫度;

(2)調(diào)整襯砌混凝土施工時段,盡量在夜間環(huán)境溫度較低時進行永久混凝土澆筑,以有效降低混凝土澆筑入倉溫度和對混凝土絕熱溫升的影響;

(3)嚴格控制高溫洞段內(nèi)混凝土澆筑長度,澆筑分段長度宜控制在6m～8m內(nèi)。

5 結(jié)語

在娘擁水電站高地溫洞段施工中,現(xiàn)場通過“注冷、抽熱、噴霧、雙通風(fēng)”等技術(shù)手段,有效降低了洞內(nèi)作業(yè)面溫度。加強業(yè)主安全帶班管理,強化班前“三講一落實”安全教育,提升作業(yè)工人安全意識,做好安全應(yīng)急演練。同時通過采取洞內(nèi)作業(yè)限時換班,洞外淋浴沖洗,洞口設(shè)置生命救助站,配置清涼食品等人文關(guān)懷措施,在電站參建各方高度重視下,在確保作業(yè)人員職業(yè)健康安全情況下,娘擁水電站地?zé)岫撮_挖、支護及襯砌等工作順利推進,為后續(xù)類似工程施工提供了可借鑒的經(jīng)驗。