木星土水电站引水隧洞断层破碎带形成机制与处理对策

李士明,殷建军,周习军

(1.长江岩土工程总公司地质公司,湖北武汉 430010;2.浙江瓯能集团,浙江丽水 674400 3.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430010)

木星土水电站引水隧洞断层破碎带形成机制与处理对策

李士明1,殷建军2,周习军3

(1.长江岩土工程总公司地质公司,湖北武汉 430010;2.浙江瓯能集团,浙江丽水 674400 3.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430010)

对木星土水电站引水隧洞施工过程中遇到的断层破碎带进行地质分析,通过处理方案的比较,选用“台阶法”施工,开挖后采用相应的初期支护,以缩短围岩应力松弛时间,使围岩变形得到有效控制而不坍塌失稳,较好地解决了隧洞开挖支护问题。

水电站;隧洞;断层破碎带;地质分析;台阶法;处理对策

0 引言

木星土水电站是尼汝河梯级开发中的第四级电站,是云南省香格里拉县境内的尼汝河最下游梯级,是以发电为主的日调节电站。

坝址控制流域面积为1 099.5 km2,坝址多年平均流量为25.2 m3/s,水库正常蓄水位为1 910.30 m,死水位为1 905 m。主要建筑物由混凝土溢流坝、右岸引水隧洞、岸边地面式厂房等组成。其中引水隧洞线路总长10.542 km,隧洞开挖断面根据不同围岩类别而定,Ⅱ、Ⅲ类围岩开挖采用圆形,洞径为2.4 m,Ⅳ、Ⅴ类围岩采挖断面5.8 m×5.6 m,城门洞型,设计引用流量为35.5 m3/s,坡降2.5‰～3.6‰。电站装机容量为120MW。

电站引水隧洞桩号Y0-021.08—Y2+298段隧洞分布板岩、玄武岩、灰板岩、板灰岩等,岩石软弱,受区域性大断裂F48断层影响(逆冲断层),大部分岩体挤压变形,局部发育数条逆冲断层,节理、裂隙发育,风化较深,大部分隧洞段成洞条件差,开挖过程中出现塌方、岩体变形现象。引水隧洞其余段为灰岩,岩石坚硬,成洞条件好,开挖过程中仅出现轻微岩爆现象。

1 地质概况

电站引水隧洞位于尼汝河右岸,沿河冲沟较发育,隧洞埋深130～305 m[1],为深埋隧洞,洞轴线距河边50～580 m。隧洞围岩地层为二叠系下统中村组(P1z)千枚状板岩、砂质板岩、炭质板岩、致密坚硬块状玄武岩夹碎斑灰岩、变质不等粒长石石英砂岩。岩石轻微变质,产状268°～300°∠28°～42°,走向与隧洞夹角小,影响围岩稳定。根据勘察和试验[2],千枚状板岩饱和单轴抗压强度10～15 MPa,炭质板岩7～10 MPa,岩石强度属较软岩,弹性模量4～17 GPa,泊松比0.25,软化系数0.50～0.55,岩石坚固系数1～5,围岩的单位弹性抗力系数:强风化板岩k0=1～3 MPa/cm;弱—微风化板岩k0=8～12 MPa/cm。

根据施工的引水隧洞地质资料,岩体多呈弱风化—微新岩体,节理、裂隙两组:①170°∠35°,短小、平直,充填板理化板岩岩屑或钙膜,局部充填石英,线密度5～8条/m;②100°～130°∠30°,延伸长,弯曲,面粗糙,见擦痕。虽节理、裂隙倾角较缓,但呈微张开—张开状,且内充填板理化岩屑,胶结差—中等,不利于洞室围岩稳定。按照控制围岩稳定的五项因素之和评分为基本依据,桩号Y1+580—Y1+642段隧洞围岩总评分,T=19,属Ⅴ类围岩。

前期勘察对围岩类别的判断和评价是:一般洞身段岩石弱—微新,洞室围岩大多数为Ⅲ类(局部稳定性差)-Ⅳ类(不稳定),围岩不稳定,自稳时间很短,拱顶常有塌落或塌方,边拱时有失稳现象,时间效应明显,软岩流变产生较大的塑性变形。断层破碎带及其影响带,岩体风化深、破碎,地下水活跃,水文地质条件差—极差,多属Ⅴ类(极不稳定)围岩,洞室稳定性差,需及时采取有效的支护措施。

从实际开挖情况来看:0#支洞上游隧洞地质条件相对较好;0#至1#支洞之间的隧洞地质条件差—极差,多属Ⅳ、Ⅴ类围岩,不稳定—极不稳定,基本不能开挖成“城门洞”型,洞顶、边墙极易坍塌变形,边挖边塌,拱顶甚至出现大范围塌方或临时支护的工字钢发生较大变形,需及时超前支护,全断面衬砌。本文针对桩号Y1+580—Y1+642段断层破碎带塌方机制及处理对策进行分析。

2 断层破碎带性状

区域性大断裂F48是桩号Y1+580—Y1+642段破碎带发育的主导因素之一。该断层是一条规模较大的区域性断层,走向北北西—北东向,为逆冲断层,使二叠系下统中村组地层逆推于三叠系中统(T21-b)地层之上,断层面倾向W-NW,断层地貌特征明显。断层使二叠系中统和三叠系下统地层缺失,两盘岩性明显不同。该断层破碎带位于F48断层上盘,属上升盘。

桩号Y1+580—Y1+642段断层破碎带发育于二叠系下统中村组第二段(P1z2)地层,为逆冲断层,产状258°～270°∠42°～56°。由断层面、断层破碎带及影响带组成,其中以下断层面为主要断层面,呈不规则状。

断层破碎带岩体呈散体结构,由碎块岩、松散砂粒、断层泥及纤光滑石等组成,沿隧洞宽62 m,斜穿引水隧洞。碎块岩成分为玄武岩、板岩,灰黑色或灰绿色,粒径最大0.6 m,一般0.2 m左右,呈棱角状—次棱角状,含量65%～70%,无定向排列;砂粒呈灰绿色,以中粗砂为主,松散,无胶结,含量30%～40%;断层泥呈灰白色或灰绿色,局部黑色,软塑—可塑状。断层上、下盘影响带岩体破碎,影响带宽6.9～12.8 m,节理、裂隙发育,呈不规则的网格分布,延伸长,线密度5～8条/m,内充填玄武岩岩屑或石英,钙质胶结,胶结差—中等。岩体潮湿,局部有滴水现象,无地下水活动或地下水活动轻微。泥质胶结差或无胶结,属强风化岩体,围岩类别为Ⅴ类。

针对断层破碎带的工程与水文地质条件,合理选择施工方案,是水电站早日并网发电关键性的一步。

3 断层破碎带处理对策

3.1 断层破碎带处理方案选择

隧洞施工贯彻“保护围岩、内实外美、重视环境和动态施工”的理念,断层破碎带施工方案的选择,主要根据工程地质条件和水文地质条件、施工条件、围岩类别、隧洞埋置深度、隧洞断面尺寸大小和长度、衬砌类型。以施工安全为前提,以工程质量为核心,并结合隧洞的使用功能、施工技术水平、施工机械装备、工期要求和经济可行性等因素综合考虑研究选用[3]。

目前,国内处理断层破碎带塌方或变形的方案通常有三种:①盾构法;②管棚法;③台阶法。

由于引水隧洞仅剩余约380 m未开挖,若采用“盾构法”施工,虽可一次性成洞,不存在塌方或变形问题,但需调配一套完备的机械设备,周期长、成本高,影响工期;采用“管棚法”施工,成本低(与盾构法施工相比),但施钻困难(开挖断面小,钻机难于摆放)、成孔性差(局部存在松散砂粒)、容易卡钻、下管难度大,因而工期长,影响发电的总体目标;采用“台阶法”施工,虽单循环进尺控制在1 m以内,但可降低掌子面高度,减小掌子面面积,也相应降低塌方的机率。

结合本工程的特点,综合分析研究上述三种施工方案,最终采用“台阶法”施工。

3.2 断层破碎带处理对策

在软弱围岩中,提供围岩自支护能力的基本方法是控制围岩的松弛、坍塌,其原则是稳定掌子面,及时封闭和加固地层。施工过程中采用“超前地质预报、动态反馈设计、信息化施工”,要求在开挖、支护前对隧洞围岩的岩体基本质量有一个及时、准确的判断[4]。

施作超前小导管:在拱部150°范围开挖轮廓线外20 cm处,设置42×3.5 mm无缝超前小导管(如图1),管长3.0 m,环向间距20 cm,纵向排间距0.6 m,采用水泥—水玻璃双液浆(体积比1∶0.8～1)进行注浆,注浆终压为0.6 MPa。

图1 隧洞断层破碎带处理支护设计图Fig.1 Design map of how to support the crushing belt of tunnel fault

隧洞开挖:采用新奥法开挖,基本原则“少扰动、早喷护、勤量测、紧封闭”。在隧洞开挖时,尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动持续时间和扰动范围,以使开挖出的隧洞符合成洞要求,对开挖暴露面应及时进行地质素描和初期素喷。设计开挖采用台阶法,即将设计断面分成上半断面和下半断面两次开挖成型,先上部后下部的分层开挖方法。断层破碎带断面按30 cm的预留变形量进行考虑,初支完成后待衬砌前至少保证衬砌厚度0.6 m。

工字钢架安装:上断面开挖完成后,采用I18城门洞型工字钢架,安装间距30～50 cm(视破碎带岩体强度而定),每榀中部及底部设工字钢横撑,且钢架直墙底部设纵向连接工字钢梁,起连接及防沉降作用;钢架间设双层25连接筋,间距20 cm设置。

施作锁脚锚管:每榀钢架两边钢架接头及底脚每侧各施做4组(2根/每组)长4.5 m的42×3.5 mm斜下锁脚锚管,并采用双液浆进行注浆。

喷射混凝土:沿钢架范围喷射标号为C20混凝土,厚度30 cm。

底板混凝土加固:前方边开挖边对后方底部进行清渣和开挖,验收合格后施作底板I18工字钢横撑和混凝土施工。采用C25混凝土(与衬砌混凝土标号相同)全铺,厚度1 m;工字钢横撑为类似梯形,与已支护的边墙钢架连接,工字钢保护层厚度不少于10 cm。

断层破碎带处极易塌方,拱顶与边墙往往出现空腔(空洞)。对于空腔(空洞)段,根据塌腔高度,回填砂浆或混凝土。

施工方案可简单概括为“管超前、预注浆、多循环、短开挖、强支护、勤量测、早封闭”。

3.3 断层破碎带支护后的围岩变形监测

监测变形是在开挖后开展施工期的监测和巡查,掌握围岩变形的动态资料,这是预防隧洞塌方或变形,特别是已完成初期支护洞段围岩,防治再度垮塌的重要措施。本工程的重点放在不良地质洞段,如断层破碎带及其影响带、挤压破碎带、极软岩洞段及工程地质条件尚不清楚以及临时支护已存在隐患的地段,监测的项目力求简单实用,可主要集中在拱顶下沉、净空收敛等方面的监控量测。要求每天观测并进行数据分析,出现异常需及时预报,并采取措施加固处理。

4 结语

木星土水电站引水隧洞工程,隧洞洞线较长,特别是桩号Y0-021.08-Y2+298段的不良地质缺陷较多,施工风险大,开挖后应及时进行初期(临时)支护,其支护方案的选择和支护时机关系到工程的成败。本文对断层破碎带形成机制的分析,通过支护方案的选择,采用安全有效的隧洞断层破碎带处理对策,按计划工期保质保量地完成了破碎带施工任务,为水电站按期并网发电创造了先决条件。

[1] 徐泽民,等.隧洞的埋深划分[J].中国地质灾害与防治学报,2000,11(4):7-10.

[2] 柯玉义,等.云南省香格里拉县尼汝河流域木星土水电站工程地质勘察报告(初步设计阶段)[R].武汉:长江勘测规划设计研究院,2004.

[3] 张立德,等.软岩隧洞设计与施工技术[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[4] 陈汉宝,等.软岩大跨度长引水隧洞施工支护与地质预报[J].资源环境与工程,2009,23(5):674-678.

(责任编辑:于继红)

The Form Mechanism and Treatment on the Crushing Belt of Tunnel Fault in Muxingtu Hydropower Station

LI Shiming1,YIN Jianjun2,ZHOU Xijun3
(1.Changjiang head office of geotechnical engineering,Wuhan,Hubei430010;2.Zhejiang Ouneng group,L ishui,Zhejiang674400;3.Changjiang Institute of Survey,Planning,Design and Research,Wuhan,Hubei430010)

This paper analyzes the fault crushing belt which finds in the working progress of Muxingtu hydropower tunnel.The bench cut method is chosen.After dugging,the first relevant support is adopted in order to shorten the relaxation t ime ofwall rock stress.It is benefit for controlling deformation of the wall rock and is good forworking out the support problem of dugging tunnel.

hydropower station;tunnel;fault crushing belt;geological analysis;bench cutmethod;treatment

TV732.3;TV554

A

1671-1211(2010)05-0513-03

2010-07-10;改回日期:2010-08-10

李士明(1971-),男,工程师,工程地质与水文地质专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:lishiming1971@sina.com