金家坝水电站引水隧洞地质塌方处理方案分析

王 娟 李远征 王 立

（中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710016）

金家坝水电站位于重庆市酉阳县双河镇官清乡、小河乡境内，为甘龙河流域水电规划梯级电站的第三级。坝址位于乌江的支流甘龙河下游，引水隧洞由官清乡至小河乡，电站厂房位于小河乡下游的甘龙河左岸。工程规模为大（2）型，由拦河坝、岸坡溢洪道、引水隧洞和发电厂房组成，总库容1.58×104m³，正常蓄水位445m，电站装机容量为3×22MW，多年平均发电量 2.12×104kW·h，引水隧洞全长7.142km，埋深35～600m，工程任务以发电为主，兼有旅游、水产养殖等综合效益。

1 概 况

1.1 塌方过程

2011年9月27日晚，水轮发电机组在运行过程中水压及负荷突降，立即作停机处理后发现厂房尾水渠水流发黑，同时关闭了进水口闸室段钢闸门、关闭水轮机进水主阀。随后两次组织检查人员从进水口及3#洞检修门分别进洞探查，引水隧洞发生两段地质塌方，分别为：隧洞桩号引3+880m～引3+887m段洞顶局部掉块，塌方长度约7m，塌方高度约3m；隧洞桩号引5+077.6m～引5+109.6m段洞顶塌方，塌方长度约32m，塌方宽度约23m，最大塌方高度约30m。

1.2 塌方段地质条件

隧洞桩号引5+077.6m～引5+109.6m段洞顶塌方，围岩岩性为厚层状灰岩、含沥青质结核灰岩夹泥质灰岩，泥质灰岩中夹3～5层黑色页岩，灰岩、含沥青质结核灰岩为硬质岩，岩石呈微风化状态，单轴饱和抗压强度50MPa～60MPa，围岩自稳能力强，其单位弹性抗力系数K0=6.0～8.0GPa/m，围岩类别为Ⅱ类；泥质灰岩夹3～5层黑色页岩，泥质隐晶结构，页理发育，为软质岩，层厚度2.5～4.0m，黑色页岩单层厚度约为5cm，软化系数小，饱水后呈泥状，围岩自稳能力极差。综合单轴饱和抗压强度小于15MPa，其单位弹性抗力系数K0=1.5～2.0GPa/m，围岩类别为Ⅳ类。隧洞上覆岩体厚度大于3倍洞径。

2 塌方处理方案

经过多方论证，项目部决定采用管棚方案进行塌方事故处理。

2.1 方案设计

管棚方案实施前首先对下游K5+104处变形岩体进行处理，采用锚喷支护形式加固，并浇筑锁口混凝土，通过铺设固结灌浆管对堆渣体进行固结灌浆固化。在混凝土回填施工过程中预留一个φ80cm 通往堆渣体顶部的观察孔（兼具后期混凝土通道），方便后期人员进入塌腔内部观察围岩变化情况。

施工程序为：变形段作业面清理→变形段素喷混凝土（10cm）→变形段锚杆施工→锁口混凝土浇筑→堆渣体固结灌浆。

管棚施工根据现场情况分全长管棚法和分段管棚法。全长管棚法在管棚管造孔前根据需要完成导向墙C25混凝土浇筑，在洞顶180°范围内布置单排管棚，中心线为R≥4.3m的圆弧上，管间中心距约40～50cm，管体倾角3°～10°，单根长度约23m；当采用分段管棚法施工时，单根长度约6～9m，洞轴线方向排距4.5m，每排管棚搭接距离为1.5m。管棚以φ108mm无缝钢管加工而成，壁厚6～10mm，管体四周钻φ16mm 出浆孔，每断面2孔，造孔断面间距50cm，梅花型布置，管内设内径φ25mm灌浆钢管和内径φ20mm回浆钢管，灌浆管距离孔底1.5m，回浆管距离孔底0.5～1.0m，浆液使用M30水泥砂浆或水泥净浆。

图1 管棚布置及管体结构设计图

开挖半径R=4.2m，保证后期衬砌混凝土厚度为1.0m。型钢拱架采用20a工字钢，中心线半径R=4.1m，单榀长度依据实际开挖情况确定，间距50cm/榀，型钢拱架之间设置φ25 纵向钢筋连接，焊接固定，钢筋网采用φ6.5 钢筋加工，网格10cm×10cm，喷射混凝土采用C25，厚度20cm。根据实际情况型钢拱架锁脚锚杆可采用直径φ32mm，长度L=3.0m 的自钻式锚杆。

考虑到管棚受现场施工条件有可能不能全部实施，作为补充措施，开挖支护过程中可在侧壁增设φ42 小导管注浆，注浆孔每30cm 两孔，直径10mm，梅花型布置，采用无缝钢管加工。

2.2 施工程序

对于全长管棚施工，先以锚固钻机采用跟管法进行管棚造孔同时跟入管体，一次性达到上游侧塌腔壁，成孔后安装φ108mm 管棚管，然后注入M30水泥净浆或水泥砂浆对渣体进行固结。当全长管棚无法成功实施，不能一次到达上游侧塌腔内壁时，选用分段管棚法施工，分段管棚每段长度不小于6m。为保证管棚刚度，管体安插后在管内插入3φ 25 钢筋束加强，然后灌注M30 砂浆，对渣体进行固结。为保证塌腔内渣体固结效果，减少工作循环，加快抢险速度，塌腔内管棚尽量一次施工到达上游侧塌腔内壁上，以便尽早在塌腔内形成长约23m 的管棚支撑体，并展开后续工作。管棚注浆到达等强期后，开始在管棚的保护下进行下部渣体挖除。开挖采取“短进尺、环形槽、紧支护、多循环”的原则进行，直至通过塌方体。

图2 开挖支护结构设计图

图3 全长管棚法处理施工程序图

图4 分段管棚法处理施工程序图

2.3 施工方法

（1）管棚造孔。管棚管造孔施工前，需先完成导向墙混凝土浇筑。管棚造孔使用锚固钻机，施工时套管同时跟进。若造孔时发生塌孔、卡钻等现象，则退出钻杆，在孔内进行砂浆固壁，扫孔后重新钻进。

（2）管棚注浆。单根管棚管体安装到位后，及时组织进行管体灌浆。灌浆采用M30 水泥砂浆或水泥净浆。施工时若发现吃浆量过大、浆液扩散半径过大，则可调整调整灌浆压力、浆液浓度、间歇式灌浆等方法进行处理。

（3）渣体清理及支护。根据管棚施工特点，由于塌腔内渣体灌浆后，要对渣体产生固化作用，为保证施工安全，渣体开挖时采用人工辅助风镐进行施工，必要时严格控制装药量，爆破开挖。按照0.5～1m 的进尺谨慎自下游侧开始进行塌方段渣体清理，机械配合人工自管棚下部渣体开挖约1m高的环形槽，然后以0.5m/榀的间距完成型钢拱架架设，拱架按照每架设一榀、同时完成挂网后，立即喷C25 混凝土封闭拱架间空隙，最后反铲进行中部渣体挖除，进入下一循环工序。依次向前推进，循环进行，直至通过塌方段。

3 塌方处理的重点难点

（1）型钢拱架采用Ⅰ20a 工字钢制作，要求工字钢必须是国标产品。

（2）为保证施工安全，同时为施工方案调整提供依据。在塌方段处理时，用徕卡全站仪对全过程进行监测，防止洞身、拱顶下沉、周边位移等变化威胁施工安全，造成二次塌方。

（3）塌方下游锁口加固时应设置临时立撑，以确保施工安全。

（4）如在对堆渣体钢拱架支护施工过程中，遇到因堆渣体固结灌浆不密实而导致的局部岩体不稳定的情况，在钢拱架施工之前及时采用随机自钻式锚杆对其进行加固。

（5）在对上部堆渣体固结灌浆过程中要随时观察通过堆渣体渗漏水的流量，防止因对堆渣体上部灌浆导致堆渣体下部渗水通道堵塞。

（6）为确保施工安全，在管棚方案实施长度达到3m时，立即采用挂网喷护结合型钢拱架及时进行封闭和临时支护施工。

（7）型钢拱架在进行下部接腿施工时，不宜同时进行，要求左右两个交错进行，以减小安全隐患。

（8）由于塌方处理存在多种不可预见因素，且塌方断面形式不规则，因此方案在实施过程中需根据现场情况予以调整。

4 安全、质量、进度保障措施

4.1 安全保障措施

（1）本着“安全第一、预防为主”的原则，成立安全生产监督管理委员会，建立以项目经理为第一责任人、主管安全副经理为主要责任人、安全生产部门主任为次要责任人的安全生产管理体系。

（2）成立应急救援指挥中心，编制应急预案。

（3）工区、施工队配备专职的安全生产管理人员，每个工作面必须各配备1 名专职安全管理人员和巡视员。

（4）建立健全岗位安全职责、安全管理制度和各工种的安全操作规程。

（5）坚持特殊工种持证上岗和全员进场安全教育、三级安全教育及“班前五分钟”教育制度，坚持落实安全技术交底和安全告知制度。

（6）落实安全生产保护、防护用品购置和发放。

（7）严格规范安全费用的投入使用。

4.2 质量保障措施

（1）原材料采购提前做好市场调查，选择质量可靠的厂家，按规定取样，送建设方认可的具有相应资格的试验室进行检验或试验。试验结果得出后，进行质量比较，从中选择最优厂家，报监理工程师批准后作为合格供应商，建立供货关系。

（2）原材料进场保证“三检”齐全，进场后按指定地点整齐码放，并挂标牌标识，标明型号、进场日期、检验日期、经手人等，由专人保管，对水泥、钢材、防水材料、止水带等材料加盖或在室内保管，避免风吹日晒。

（3）在运输、搬运过程损坏或贮存时间过长、贮存方式不当引起的质量下降的原材料，不使用在永久工程结构中，对此种材料及时清理分类堆放并标识，以免混用。

（4）在本项工程的施工测量中，采取智能化自动采集数据的方法，提高观测效率、观测质量，取消用人工记录、观测和计算的方式，全部数据用计算机处理，最大限度地减轻作业人员的劳动强度、消除人工参与带来的错误和误差，以确保所获得的观测成果和记录成果的准确性和可靠性。所有测量设备必须检验合格后才能使用，控制测量采用全站仪、精密水准仪作导线控制网，施工测量主要采用全站仪，局部范围采用经纬仪配水准仪进行。

（5）建立完善的混凝土浇筑施工质量控制体系，提高定型模板的专用模板的使用率，尽可能不用散模。严格模板的质量控制与检查，对品质不佳的模板及时撤换。对各单元、各工序均制定详细的施工工艺，如仓面工艺设计和模板安装、维护、保管工艺规程等施工工艺。优选优质的原材料，优化混凝土配合比，严格控制出机口温度，加强混凝土浇筑施工组织，提高混凝土浇筑强度，完善混凝土运输设备的保温措施，认真做好仓面保温工作，做好冬季保温工作，严格控制层间间歇时间，做好混凝土温控防裂工作。对浇筑仓面实行严格的盯仓检查，模板、埋件必须有专人看守，模板在浇筑过程中必须挂线检查，严格按仓面工艺设计组织施工。

4.3 进度保障措施

（1）制定科学可行的施工方案，合理安排施工工期，每天检查进度落实情况并及时解决相关问题；对可能出现的情况制定详细的施工应急预案，并做好相应的人员、机械、物资准备。

（2）及时做好技术交底，避免因技术服务不到位出现返工，影响施工进度。

（3）做好施工设备的检修与保养工作，提高设备使用保证率。

（4）在允许的情况下尽可能的安排多个施工作业面同时施工，减少人员、机械设备的窝工；做好工序之间的衔接工作，充分做好每一道工序的准备工作，尽可能的避免施工准备占用直线工期。

（5）合理安排材料计划，做到适度超前；加快物资采购工作，保证施工现场的各种原材料储备与施工进度、强度相适应。

5 结 语

在业主、设计、监理等有关方面的大力支持和协助下，金家坝项目部采用的管棚方案已顺利清理了引水隧洞的塌方渣体，方案可行，安全可靠，取得了较为满意的效果，受到了业内单位的广泛好评。本文总结了金家坝水电站引水隧洞地质塌方处理方案设计及施工方法，指出了重点难点，并提出施工过程中安全、质量、进度的保障措施，旨在总结成功经验，为类似工程事故提供参考借鉴。