永宁河四级水电站#引水隧洞塌方段临时支护施工

2012-06-28谢和平王伟李鹏

四川水利 2012年4期

谢和平，王伟，李鹏

(中国水利水电第五工程局有限公司第一分局，四川双流，610225)

1 概述

永宁河四级水电站位于四川省西昌市盐源县长柏乡境内的永宁河河段上，主要永久建筑物包括拦河闸坝、进水闸、泄洪闸、引水隧洞、调压井、压力管道、电站厂房、升压站等。永久主要建筑物均按Ⅳ级建筑物设计，永久次要建筑物按Ⅴ级建筑物设计。取水枢纽采用闸坝取水方式，取水口为1#闸室，连接明渠采用混凝土衬砌长度150m，水流经过进水前室与引水隧洞相接，多余进水随溢流堰泻出。引水隧洞全长8007.8m，其中分4个支洞，过水断面为城门洞和圆形，过水断面宽度b=3.4～3.8m，采用钢筋混凝土砌筑。调压井井口至下平洞中心高程的距离为61m，钢筋混凝土衬砌后竖井直径为12m。压力管道主管长496m，钢管内径3.4m，设置镇墩6个。厂房布置在卧落河Ⅰ级阶地，电站为两台混流式机组，总装机容量4万kW。

1#支洞开挖断面为城门洞形，开挖断面底宽4.0m，直墙高3.4m，顶拱半径2.3m，成型过水断面为底宽3.4m，直墙3m，顶拱半径1.963m，采用全断面方式开挖，C25钢筋混凝土全断面衬砌。

工程区内地质基本烈度为Ⅶ度，区域内出露地层主要为四迭系上统杨家坪玄武岩和黑泥哨组砂岩、碳质泥岩、泥质灰岩。其中，进水口为“V”形河谷，河床左岸基岩裸露，右岸覆盖层为第四系崩坡积层。

1#支洞下游从主支交叉处往下游309m暨桩号1+147m处开始，围岩出现较大块破碎、节理裂隙发育，夹黄色泥岩伴有渗水，在开挖出的掌子面顶拱和边墙部位出现大面积涌水(约20m3/h)，属于不稳定Ⅴ类围岩。桩号1+147m之前围岩为玄武岩，围岩稳定性好，为Ⅲ类围岩，施工过程中未进行支护处理。

2 施工情况及原因分析

2.1 施工情况简介

永宁河四级电站于2008年3月10日复工后，在1#隧洞下游桩号1+147m处出现首次小规模塌方，随后采用“超前导管+钢支撑+顶拱铺钢模板”的支护措施。此处塌方长度1.0m(桩号1+147m～1+148m)，从设计开挖断面拱顶至塌腔顶部最高距离为1.0m。第一次隧洞塌方纵剖面如图1所示。

此处的塌方段支护处理完后，采用“弱爆破、短进尺、强支护”的施工方法，“超前管棚+钢支撑+顶拱铺板”的临时支护形式进行支护施工。结果刚放完炮，支护好的塌腔部位的2榀钢支撑、钢模板和管棚连同大量土石方一起垮塌，造成桩号1+147～1+151m部位4m长的塌腔;此塌腔顶部与原开挖断面拱顶最高处的高差为3.0m，造成二次塌方，塌方体把第一次塌方后支护好的钢支撑、超前管棚和钢模板全部压塌。第二次隧洞塌方纵剖面见图2。

图2 隧洞第二次塌方纵剖面示意

2.2 塌方原因分析

经过业主、监理工程师、设计代表和施工单位四方联合到现场进行调查分析，认为该段隧洞两次塌方均是由于地质原因不太明确所致。

地质原因:第一次塌方部位及其附近岩层就是玄武岩夹杂黄色泥岩，强风化，节理裂隙发育，呈块状，且全断面均有大量渗水，属于不稳定的Ⅴ类围岩。在钻爆洞挖施工过程中，由爆炸震动和冲击力作用下，不稳定泥岩在水的浸润作用下直接软化不能自稳，形成塌落小塌腔，其居于起拱线以上右侧，呈倒锥形。

第一次塌方处的整个洞顶塌腔大面积渗水，不易喷护C20混凝土，回弹太大，70%以上的C20混凝土不能粘在岩面及泥岩表面，这样就不能形成应力圈，对拱顶以至塌腔部位形成支撑加固的作用。

在桩号1+147m以后的岩层中，不明确的大量黄色泥岩在开挖断面起拱及拱顶部位，超前导管长为3m，间距30cm;超前锚杆打入岩层中，外露50cm，实际在未开挖洞段的岩石中起作用的增强结构面整体强度性的超前管棚部分仅2.5m。在此承载力薄弱、夹大量泥岩的岩层中洞挖，虽然采用弱爆破一循环进尺在1m左右，但实际爆破在此岩层中一循环进尺居然到达1.5m以上，导致此时在岩层中作用的超前管棚长度仅1.0m，不能自稳，随岩石塌方体一起将钢支撑压垮。

3 施工方案及措施

3.1 小塌方段处理方案

3.1.1 支护及开挖程序

临时支护方式:采用“素喷+超前管棚+钢支撑+钢模板”。

工艺流程:塌方段进行危石排除→素喷8cm厚的C20混凝土→进行塌渣清理→支钢支撑→打锁脚锚杆→铺钢模板→起拱部位加固焊接→打超前管棚→爆破洞挖。

3.1.2 支护技术参数

素喷采用标号C20的混凝土，喷护厚度8cm，钢支撑采用14号工字钢，间距1m;连接筋采用φ16mm的钢筋，锁脚锚杆采用φ25mm的钢筋，长度3m。起拱以上铺钢模板，预留孔洞;超前导管采用φ42mm的钢管，长度3m，间排距30cm。

3.1.3 施工方法

首先对塌方的空腔及开挖断面危石进行排除，对塌腔部位及整个断面进行素喷处理。素喷处理分两步进行:第一步先喷护C20混凝土3cm厚，待混凝土1h有一定的强度后再进行第二次素喷，素喷厚度为5cm，素喷总厚度为8cm。

其次支钢支撑，钢支撑采用14号工字钢，钢支撑的间距为1m，每榀钢支撑打锁脚锚杆20根，锁脚锚杆与钢支撑焊接牢固，锁脚锚杆采用φ25mm的钢筋，长度3m，钢支撑两边直墙部位对称打两组共8根锁脚锚杆，钢支撑起拱部位上下侧两组对称打8根锁脚锚杆，钢支撑顶拱两侧对称打一组拱，4根锁脚锚杆。在钢支撑上铺钢模板，预留孔洞便于安装焊接。

最后临时支护按照施工方案的要求，在起拱部位打超前导管，每根钢管长度3m，掌子面那榀钢支撑上打20个间距30cmφ42mm的孔洞，便于导管打入未洞挖的岩层中和形成均匀布置导管的作用。次段洞挖爆破采用弱爆破，周边孔进行减弱的间隔装药。第一次塌方支护如图3所示。

图3 第一次塌方支护方案示意

3.2 二次塌方处理方案

3.2.1 施工情况描述

第一次小塌方处理完成后，开挖按照“短进尺、弱爆破、强支护”的原则，打超前管棚、钢支撑的支护形式进行洞挖。由于围岩地质情况较差，渗水量大，全断面夹杂大面积黄色泥岩，进尺1.5m后出现了二次塌方。塌方部位覆盖了第一次塌方部位，并扩大塌方空腔，长度达到4m，高度为3m，将第一次塌方所处理好的钢支撑全被压塌，出现了二次塌方，主要为该段的强风化岩石与较大渗水相遇，造成再次塌方，且塌腔较大。

3.2.2 方案的制定和实施

由于此段岩层是玄武岩夹大面积黄色泥岩，泥岩遇到大面积渗水软化，超前管棚在未开挖洞段的岩层中，作用的长度只有2.5m，且放了一炮进尺1.5m后，实际作用的长度只有1.0m，致使超前管棚的超前导管不能在未开挖的岩石中自稳，而产生塌方。

(1)具体措施:待此塌方段停工24h后，等围岩稍稳定后对塌腔的塌渣进行清理，将压塌变形的钢支撑、钢模板及钢管全部清理，再运用“拱上拱”的强支护方式施工。

从桩号1+145～1+147m退后2m开始，向掌子面支钢支撑，用锁脚锚杆固定，再与连接筋焊接形成整体结构，后挂网喷护。

从桩号1+147～1+151m塌腔段支钢支撑，用锁脚锚杆固定，连接筋与其焊接为整体。塌腔部位挂网喷护，先垫底素喷C20混凝土5cm，用工字钢做成钢支撑上的拱圈紧贴塌腔的网片及岩面，形成支撑应力圈，用工字钢作为点支撑与塌腔拱圈和钢支撑拱圈焊接，再素喷C20混凝土10cm。支护完成后采用钢支撑打超前管棚，采用拱上拱的强支护形式进行施工。

(2)技术参数:从桩号1+151m处支钢支撑，钢支撑上打超前管棚。超前管棚采用φ42mm的钢管制作，钢管长度3m，间距30cm，仰角10°～15°，超前小导管的前端10～15cm左右制作成锥形。型钢采用14号工字钢制作，间距0.5m，锁脚锚杆采用φ25mm的钢筋，长度3m，钢支撑左右边墙对称打两组共8根锁脚锚杆，起拱部位上下侧对称打两组共8根锁脚锚杆，拱圈上左右对称打一组共4根锁脚锚杆。塌腔的顶部先素喷5cm厚的C20混凝土，再挂网喷护，网片采用φ6.5mm钢筋制作，间排距20cm，再喷护10cm厚的C20混凝土，以50cm的进尺距离为一个单元。

再次开挖采用4台YT－28手风钻钻孔，孔径φ42mm，爆破孔孔距0.3m，排距0.5m，孔深控制0.8m。2#岩石乳化炸药、非电毫秒雷管分段起爆，炸药单耗控制在0.3kg/m3左右。第二次塌方支护方案见图4。

图4 第二次塌方支护方案示意

为了使超前管棚的超前小导管尾部和型钢完全结合成一个整体，在加工型钢支撑时，其拱圈的工字钢梁按照间距要求，用气割加工成间距30cm的42mm直径的圆孔。打超前导管便于操作和控制超前导管之间的间距。这样即能与方案的均匀布置相吻和，又能与型钢更好地结合成一个整体。加工示意如图5、图6所示。

图5 拱上拱加工示意

图6 第二次塌方临时支护最后那榀钢支撑加工示意

4 施工效果分析

塌方段工程地质很差，成洞十分困难，采用超前管棚的施工方法施工，钢支撑、网喷、拱上拱构成了纵横交错的整体支护体系，防止和限制了塌方、掉块，使加固的围岩和钢支撑同时受力，提高围岩的自稳能力，且使以后的洞挖采用超前管棚的方法能顺利进行。在后期施工过程中，未发现钢支撑变形和围岩失稳垮塌现象，洞挖一切正常，且至2010年进行该段下游隧洞衬砌时未发生异常情况。