甲米河一级水电站引水隧洞围岩灾害处置方案比较

祁向明，唐平康

(四川盐源甲米河水电开发有限公司，四川盐源，615700)

1 工程概况

甲米河一级水电站取水枢纽位于盐源县盐塘河(甲米河段)甲米村上游5.3km的手爬岩，距县城约54.7km，为盐塘河干流甲米河段梯级开发中的第一梯级，其下游为甲米河二级水电站。工程开发的主要任务是发电，兼顾下游减水河段生态环境用水要求。

甲米河一级水电站系具日调节功能的引水式电站，装机3×12MW，多年平均发电量15509万kW·h。电站工程为Ⅳ等小(一)型工程，由首部枢纽、引水系统、厂区枢纽三部分组成。

引水隧洞布置于河道右岸，隧洞全长11059m(至调压井中心)，首端底板高程2146.65m，末端底板高程2127.57m，隧洞设计纵坡为1.725‰;隧洞断面为马蹄形，开挖直径上半圆为6.2m，下半部分侧拱半径为6.2m，圆心角30°，底部为平底，底宽4.36m。引水隧洞设置5个施工支洞，施工支洞单工作面控制长度为1.0km～1.5km。

工程区位于横断山脉北西侧雅砻江右岸盐塘河甲米河段，属川西南山地褶皱高山、峡谷地貌。区内出露地层有二叠系上统峨眉山玄武岩和二叠系乐平组，三叠系下统青天堡组、中统盐塘组、白山组、下博大组和上中博大并组，第四系残坡积层。

与本工程密切相关的较大断裂有查瓦甲米断裂和麦架坪断裂。其中，甲米断裂为南北向构造，出露长32km，倾向E，倾角60°～70°。该断层轴线与本工程近于平行，与引水隧洞、坝址相距3km～7km，与厂区相距约7km;麦架坪断裂为南东向，出露长 42km，走向 N40°～50°E，倾角 60°～70°，断层的伴生成分以南北、东西两组扭节理常见。该断层轴线距本工程坝址区约12km，距厂区约1.3km。

引水隧洞位于盐塘河甲米段右岸，引水隧洞Ⅲ类围岩占12.1%，Ⅳ类围岩占50.6%，Ⅴ类围岩占37.2%。

2 灾害情况及原因分析

2.1 涌水和塌方情况

引水隧洞桩号1+597m～1+590m在开挖时出现多处点状和线状渗水，现场技术人员查看后决定打排水孔引排，对已变形钢筋格栅拱架进行加强锚杆加固。由于当时未完全了解掌子面情况，加固措施仅为常规支护，因此加固后不久发生流量约为600m3/h的涌水(后在清理石碴过程中发现下游1+553m桩号右侧顶拱塌陷形成一孔洞)，同时涌出大量直径小于5cm的小颗粒石碴，从掌子面开始逐渐向上游堆积，涌水很快将引水隧洞1#支洞及其上、下游工作面淹没。

涌水出现后立即暂停了洞挖施工，增加排水泵和排水管线全力抽排，3周后涌水逐渐减小至150m3/h。洞内施工通道恢复后，开始下游塌方石碴的清理，当清理至桩号1+553m部位，右侧顶拱出露直径约1.8m孔洞，从孔洞内滑落的石碴在40min内堆积约300m3。塌方石碴粒径小于10cm，多为破碎状灰岩。

2.2 原因分析

涌水、塌方洞段围岩为三迭系中统盐塘组(T2y)，岩性以长石岩屑砂岩为主，夹泥质灰岩。砂岩具细粒结构，岩屑成份为石英、长石、岩屑、云母等，少量有机质碎片。灰岩具细晶结构，岩石成份以方解石为主，含有白云石及少量黄铁矿，自生石英，自生长石和泥质，岩层产状为115°∠58°。凡波拉达沟为常年流水冲沟，位于本次涌水、塌方洞段东北侧，受构造影响，裂隙发育，岩体完整性差。塌方段虽已穿过冲沟，但离沟底不远，仍在冲沟汇集地表水及地下水的范围，裂隙水的补给源是分水岭地段的地下水及冲沟汇集两侧地表水的入渗。经组织省内知名水工、地质和施工等专业的专家组认真调查与分析，认为本次涌水、塌方事故发生的主要原因为恶劣的水文地质环境。

3 处置方案技术经济分析

根据现场情况，参建各方经讨论提出了三个处置方案:①采取管棚+钢支撑强行通过(简称“强行通过方案”);②隧洞向山体内侧改线;③隧洞向山体外侧改线(见图1)。

图1 三种方案平面布置示意

3.1 强行通过方案

采用φ108mm@400L=15m注浆管棚、I22工字钢间距400mm钢拱架支撑，开挖采用上下半洞分台阶中部留核心土的方法开挖。

3.1.1 支护措施

小导管(灌浆管)+开口断面扩挖+大管棚+压浆固结

首先在掌子面封闭压浆，固结松软的淤碴，使其成为整体，为管棚提供支撑，给超前措施提供必要的条件。

在此采用密排大管棚，形成棚状支撑体，同时注浆导管施工完后采用纯水泥浆液对围岩进行固结灌浆，局部地下水较大可注水泥——水玻璃浆液，在管内双液注浆可以达到管、岩体与水泥、水玻璃之间的相互咬合，从而使其融为一体，形成强有力的管棚超前支护，可以有效地防止突泥、突水甚至坍塌。具体措施如下(见图2):

(1)在1+545.0mⅣ类围岩处扩挖至Ⅴ类围岩断面并进行钢拱架加固;

(2)在淤碴表面上喷C20混凝土全面封闭加固，厚度为20cm;

(3)在拱顶采用注浆大管棚固结。管棚施工断面向外扩挖40cm，用Φ108mm大管棚注浆加固，管长15m，环向间距40cm，两排管棚之间搭接长度为2.5m，管棚呈5°～10°仰角打入;

(4)在拱顶大管棚间隙内采用注浆小导管加密固结。小导管布置在两根Φ108mm钢管之间，φ42mmL=6m，环向间距40cm，小导管呈45°仰角打入。注浆水灰比为1∶0.7，水玻璃∶水泥为1∶0.55;

(5)第一排管棚和加密小导管施工完毕后，施工管棚起始端I22工字钢拱架，间距40cm，与管棚起始端焊接成整体。后续施工的工字钢拱架之间采用［10槽钢连接，间距100cm。每榀工字钢拱架布置13Φ25mmL=4.5m锁脚锚杆;

(6)全断面布设Φ50mmL=3m花管排水管，间排距为2.5m×2.5m，涌水集中处适当加密。排水管需在灌浆完成后实施，并滞后灌浆工作面一个循环。

3.1.2 开挖措施

开挖采用上下半洞分台阶中部留核心土的方法开挖，每次进尺不超过1m，钢支撑紧跟开挖掌子面。上半洞开挖3m后下台阶及时跟进，下半洞工字钢拱架施工后跟进浇筑700×400C20混凝土地基梁。

3.1.3 工期分析

根据类似项目施工经验，管棚每段施工时间15天，第一段管棚施工准备7天，涌水(涌碴)段共计4段管棚，共需67天;开挖及支护每天完成1个循环(半洞1.0m)，完成1段管棚开挖支护需18天，累计施工时长139天。

3.1.4 投资分析

强行通过方案需要增加钢支撑及其附件、大管棚、小导管、管棚灌浆、锚杆、喷混凝土和塌方体开挖等工程量(详见表1)。按估算工程量计算，预计将增加投资383万元。

表1 强行通过方案主要工程量

3.2 向山体内侧改线方案

向山体内侧改线起点桩号为1+499.279m，末端桩号1+868.27m，长度为368.99m，与原设计线路相比增长42.9m。加上已开挖报废洞段97.72m，新线路与原线路交叉长度11.95m，需要全断面重新开挖长度为128.67m(见图1)。

3.2.1 支护措施

(1)新线路开口前，先对交叉口部位前后5m原洞段进行加固。加固措施为:钢筋格栅拱架@500+挂钢筋网(φ6.5@200×200)+锚杆 Φ25L=4.5m@1000×1000;

(2)新线路开口前，在开口轮廓线外0.5m布置两圈锁口锚杆Φ25L=3m@1000×1000;

(3)新线路开口后，新洞按照Ⅴ类围岩加强支护，即采用钢筋格栅拱架@500+挂钢筋网(φ6.5@200×200)+锚杆Φ25L=4.5m@1000×1000+C20喷混凝土20cm厚。并在顶拱布置超前注浆小导管φ42L=4.5m，相邻两圈超前小导管之间搭接长度不小于1m;

(4)在顶拱打φ50mm排水孔，入岩深度3m，间排距为@2000mm×2000mm，对有渗水部位布置随机排水孔，所有排水孔内埋设0.5m长φ48mm排水管。

3.2.2 开挖措施

(1)进洞10m范围采用“先上半洞后下半洞、短进尺、弱爆破”的原则进行开挖，上半洞开挖每茬炮进尺控制在0.5m，支护紧跟到掌子面。上半洞3m完成开挖支护后及时对下半洞跟进开挖。下半洞每茬炮进尺控制在1m，支护紧跟到掌子面，并做好与上半洞支护的搭接;

(2)完成进洞口10m范围开挖后，采用全断面开挖，每茬炮进尺不大于1m。

3.2.3 工期分析

新老线路交叉段扩挖及支护工程量小，11.95m长度扩挖及支护工期按7天计算。每茬炮进尺不大于1m，每天一个循环计算，完成128.67m洞段开挖需要129天，故向内改线总工期为136天。

3.2.4 投资分析

向内改线增加的工程量主要包括:报废洞段改线重新开挖、支护和未利用洞段封堵，线路增长洞段开挖、支护、衬砌及灌浆，交叉洞段的扩挖及未利用断面混凝土回填等(详见表2)，根据向内改线增加的工程量估算，投资将增加210万元。

3.3 向山体外侧改线方案

向山体外侧改线起点桩号为1+499.279m，末端桩号1+827.398m，长度为328.12m，与原设计线路相比增加2.02m。加上已开挖报废洞段97.72m，新线路与原线路交叉长度17.41m，需要全断面重新开挖长度为82.33m(见图1)。

表2 向内改线方案增加投资分析

3.3.1 支护措施和开挖方案

(1)对开口段前后加固、锁口、进洞超前支护、系统支护和排水措施同3.2.1;

(2)开挖措施同3.2.3。

3.3.2 工期分析

新老线路交叉段扩挖及支护工程量小，17.41m长度扩挖及支护工期按10天计算。重新开挖段按照每茬炮进尺不大于1m，每天一个循环计算，工期为83天，故向外改线总工期为93天。

表3 向外改线方案增加投资分析

3.3.3 投资分析

向山体外侧改线增加的工程量主要包括:报废洞段改线重新开挖、支护和封堵，线路增长洞段开挖、支护、衬砌及灌浆，交叉洞段的扩挖及未利用断面混凝土回填等(详见表3)。根据向内改线增加的工程量估算，投资将增加145万元。

4 结论

表4 三种处置方案工期、投资对比

三种方案工期、投资对比见表4。

经过技术经济比较分析，引水隧洞1#支洞下游1+545m～1+597m涌水及塌方处置方案，采取隧洞向山体外侧改线的工期和投资最少;与强行通过相比技术难度较低，工期可控度高;与向山体内侧改线相比重新开挖洞段最短，增加的直线工期相对较短。而且根据已经开挖洞段揭露的地质条件、涌水点与洞轴线的关系和涌水来源等因素综合判断，采取向山体外侧改线的方案，报废洞段位于新的洞轴线和涌水补给源之间，可起到排水洞的作用，改线后开挖过程中地下水对隧洞正常施工的影响将有所降低，改线后再次遇到同等规模涌水的概率也会相应降低。

综上所述，最终确定选定了向山体外侧改线的方案。

向外改线后成功绕过了强涌水、易坍塌不良地质洞段，通过方案的实施验证，证明采取隧洞改线方案是技术上可行、投资增加较少、工期可控的技术方案。

〔1〕唐平康．新奥法施工在色尔古水电站破碎围岩开挖施工中的应用．四川水利，2010，(3):49～52．

〔2〕罗友兵．甲米一级水电站引水隧洞线路布置的关键技术浅析．四川水利，2010，(3):46 ～48．

〔3〕刘乃武 译．隧洞施工的分析方法．地下空间，1992，(2):167 ～174．

〔4〕朱维申等．复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学．北京:科学出版社，1995．7．