木坡水电站引水隧洞塌方及涌水处理措施

2015-06-05汤向华龚锐

综合智慧能源 2015年4期

关键词：洞段塌方隧洞

汤向华，龚锐

（贵州西能电力建设有限公司，贵阳 550004）

木坡水电站引水隧洞塌方及涌水处理措施

汤向华，龚锐

（贵州西能电力建设有限公司，贵阳 550004）

针对木坡水电站隧洞开挖过程中出现的塌方、涌水等现象，通过分析其围岩地质及地下水特征，采取了超前小导管注浆、超前锚杆支护、钢支撑等方案，有效提高了开挖施工进度，取得了良好的社会效益和经济效益。

水电站；引水隧洞；塌方；涌水；超前小导管注浆；超前锚杆支护

1 水电站概况

木坡水电站位于四川省阿坝州小金县境内的抚边河干流上，为抚边河干流自下而上规划的第3级电站；上游与美卧电站衔接，下游与杨家湾电站衔接；电站枢纽建筑物主要由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽等组成。电站正常蓄水位为2 709.00m，死水位为2 705.00m，引水隧洞长10 074.028m，主要任务为发电，开发目的单一。电站位于夹金山、巴郎山山脉处，地壳运动频繁，常有地震发生，2008年汶川大地震对围岩的破坏极大；地下水由雪山融雪补给，地下水丰富。

2 塌方原因分析

木坡水电站引水隧洞工程自开工以来，累计发生28次隧洞垮塌，其中有5次较大规模垮塌。经统计分析，发生垮塌的洞段均位于小断层或破碎带，围岩以Ⅴ类围岩为主，主要由变质细粒石英砂岩、灰黑色炭质板岩等组成，受构造作用影响，岩层揉皱剧烈，岩层产状变化大，岩体完整性差，多呈碎裂结构和散体结构。由于该洞段岩层裂隙倾角较缓、岩层走向与洞轴线夹角较小，受局部结构面不利组合及缓倾角结构面切割的影响，围岩稳定性差，易产生顶拱掉块、楔型失稳体及局部小规模塌方等。由于发生垮塌洞段均不同程度出现渗水，部分洞段涌水量达到300m3／h，岩石经长时间浸泡，风化严重，强度极低，部分石块手捏即碎，导致施工时出现垮塌。

3 开挖支护施工措施

3.1 已垮塌段开挖支护措施

对于已经发生的垮塌段，采取塌方堆积体加固+钢拱架支护+超前小导管注浆的方式进行支护处理后，再进行开挖施工，施工流程为：塌方堆积体加固→已支护段钢拱架加强支护→塌方段空腔回填→塌方段超前小导管注浆→塌方段开挖→塌方段钢拱架支护→下一循环。

（1）塌方堆积体加固。对于已经发生的塌方段，如塌方方量较小，可直接采用钢拱架对塌方段之前已支护部位进行加强支护，以避免塌方继续扩大，保证施工安全。如塌方方量过大，则在塌方堆积体停止滑动后，采用回填石渣和喷射C20混凝土的方式加固塌方堆积体，防止塌方堆积体继续滑动而对已支护洞段造成损害。

回垫石渣利用各洞口附近渣场内的弃渣料，采用100 kN自卸汽车运至洞内，然后用装载机从坡脚线的位置自下而上堆垫，坡度不大于45°。垫渣完毕后对垫渣面喷10～20 cm厚的C20混凝土封闭堆渣坡面，确保坡面稳定。

（2）塌方段附近已支护段加强支护。由于塌方往往会对附近已支护洞段产生破坏，为保证施工安全，必须对塌方段附近已支护洞段进行加强支护，防止垮塌和变形进一步扩大。加强支护采用I18工字钢拱架和挂网喷砼的方式，支护范围一般为距塌方处5～10m。如已支护洞段破坏或变形范围较大，则应对所有被破坏或变形的洞段进行加强支护。钢拱架紧贴岩面安装，间距为0.5～1.0m，钢拱架之间采用ø22mm的钢筋纵向连接，连接筋间距为0.5 m，采用直径为22mm、长3m的锁脚锚杆焊接固定，锁脚锚杆间距为1.5m，沿钢拱架布置。当锁脚锚杆与系统锚杆冲突时，取消锁脚锚杆，用系统锚杆焊接钢拱架。挂直径为8mm、间距为20 cm×20 cm的钢筋网，喷10 cm厚的C20混凝土。

（3）超前小导管施工。对于塌方段，先采用超前小导管进行预支护，然后再进行分层开挖。

1）开挖前，对堆积体面喷5 cm厚的C20素混凝土进行封闭，并适量灌浆固结，灌浆管采用直径为48mm、长3.0m的小导管（小导管端部加工成锥形并封焊严实，便于插入岩体，管身设溢浆孔，按梅花形排列，后端0.5m范围不设溢浆孔），灌浆孔间距为1.0m，梅花形布置，灌浆压力控制在0.2～0.3 MPa，浆液的水灰比为0.5∶1～1∶1，每孔注浆量控制在500～800 L（根据现场实际情况，经监理工程师同意后可调整注浆压力及注浆量），灌浆循环间距为1.5～2.0m。

2）在隧洞顶拱120°范围设置超前支护，超前支护采用直径为48mm、长3.0m的小导管，间距为20～25 cm，仰角、外插角为8°～12°，循环间距为0.5～1.5m。小导管端部加工成锥形并封焊严实，便于插入岩体，管身设溢浆孔，按梅花形排列，后端1m范围不设溢浆孔，管尾设一个加固环。小导管适量灌浆固结，使松散的围岩形成一层水泥胶结体拱圈，灌浆压力控制在0.2～0.3MPa，浆液的水灰比为0.5∶1～1∶1，每孔注浆量控制在300～500 L（根据现场实际情况，经监理工程师同意后可调整注浆压力及注浆量），浆液应填实整个钢管，以增加钢管刚度，抵抗周边围岩应力和爆破影响而引起的变形。

小导管施工工艺流程如图1所示。

图1 小导管施工工艺流程

（4）超前小导管灌浆完毕达到一定强度后，对塌方段分上、下半洞进行分层开挖施工。开挖采用挖掘机配合风镐修边的方式施工，施工中尽量减少对周边围岩的扰动，每循环进尺控制在0.5～0.6m。开挖后，采用装载机配合100 kN自卸汽车将洞渣运送到弃渣场。

（5）开挖完毕后，及时在掌子面及周边围岩素喷5 cm厚的C20混凝土，然后采用I16工字钢拱架进行支护。钢拱架紧贴岩面安装，间距为0.5～0.6 m，钢拱架之间采用ø22mm的钢筋纵向连接，连接筋间距为0.5m，采用直径为22mm、长3.0m的锁脚锚杆焊接固定，锁脚锚杆间距为1.5m，沿钢拱架布置。当锁脚锚杆与系统锚杆冲突时，取消锁脚锚杆，用系统锚杆焊接钢拱架。挂直径为8mm、间距为20 cm×20 cm的钢筋网，继续喷C20混凝土至20 cm厚。

（6）由于塌方段上部空腔深度不确定，在拱架支护完成后，对顶拱及周边围岩采用回填灌浆的方式进行加固，形成一层水泥胶结体拱圈，以提高围岩整体稳定性。灌浆管采用直径为48mm、长3.0m小导管（管身设溢浆孔，按梅花形排列，后端0.5m范围不设溢浆孔），间排距为1.0m，梅花形交错布置，采用自下而上的方式施工。灌浆压力控制在0.2～0.3MPa，浆液的水灰比为0.5∶1～1∶1，每孔注浆量控制在800～1 000 L（根据现场实际情况经监理工程师同意后可调整注浆压力及注浆量）。

（7）对于渗水部位，设置ø42mm的排水孔进行引排，排水孔长3.0m，内插PVC管，间排距为1.5m。

（8）塌方段后5.0m范围内，继续采用I18钢拱架加强支护，之后再按一般施工方法进行开挖支护施工。钢拱架紧贴岩面安装，间距为0.5～1.0m，钢拱架之间采用ø22mm的钢筋纵向连接，连接筋间距为0.5m，采用直径为22mm、长3.0m的锁脚锚杆焊接固定，锁脚锚杆间距为1.5m，沿钢拱架布置。当锁脚锚杆与系统锚杆冲突时，取消锁脚锚杆，用系统锚杆焊接钢拱架。挂直径为8mm、间距为20 cm×20 cm的钢筋网，喷C20混凝土至15 cm厚。

3.2 不良地质洞段开挖支护措施

对于围岩破碎带、断层带、软弱夹层等不良地质洞段，主要依靠地质素描、超前勘测等方式，提前掌握围岩地质情况，采取超前小导管、超前锚杆等预支护方式进行加固，开挖则采用“短进尺、弱爆破、强支护”的方式，控制开挖对周边围岩的震动，避免出现塌方。开挖后即时采用钢拱架对岩面进行支撑，每完成一循环进尺后，立即在开挖面上初喷3 cm厚的C20混凝土，然后将钢拱架靠上，用径向锚杆固定，钢拱架榀间用ø22mm的钢筋焊接，并在榀间挂钢筋网，最后补喷C20混凝土至设计厚度。

钢拱架采用I18工字钢，紧贴岩面安装，间距为0.5～1.0m，钢拱架之间采用ø22mm的钢筋纵向连接，连接筋间距为0.5m，采用直径为22mm、长3.0 m的锁脚锚杆焊接固定，锁脚锚杆间距为1.5m，沿钢拱架布置。当锁脚锚杆与系统锚杆冲突时，取消锁脚锚杆，用系统锚杆焊接钢拱架。挂直径为8mm、间距为20 cm×20 cm的钢筋网，喷C20混凝土至15～20 cm厚。

3.3 涌水处理措施

由于引水隧洞沿线围岩以Ⅳ，Ⅴ类围岩为主，地下水含量丰富且施工区雨量较多，开挖施工时极易发生涌水，导致围岩稳定性极差，极易发生垮塌。为此，必须对涌水采取相应的处理措施，避免隧洞发生垮塌。涌水的处理方法主要包括超前预报、超前小导管灌浆及渗水引排等。

（1）超前预报是预防大规模涌水发生的关键。施工中，应根据地质勘测资料，采取地质素描、超前钻孔勘探等方式，对围岩含水情况进行判断，对于确定会存在大量涌水的部位，采用超前小导管灌浆的方式对围岩进行固结，加强围岩的稳定性，减小透水率，避免出现大规模涌水而影响施工安全。

超前小导管沿隧洞边墙及顶拱布置，采用直径为48mm、长3.0m小导管，间距为20～25 cm，仰角、外插角为8°～12°，循环间距为1.0～2.0m。小导管端部加工成锥形并封焊严实，便于插入岩体，管身设溢浆孔，按梅花形排列，后端1m范围不设溢浆孔，管尾设一个加固环。小导管适量灌浆固结，使松散的围岩形成一层水泥胶结体拱圈，灌浆压力控制在0.2～0.3 MPa，浆液采用水灰比为 1∶1～0.5∶1的纯水泥浆或水泥浆与水玻璃的混合浆液（水玻璃浓度为38～40°Bé，水泥浆与水玻璃的体积比为1∶0.3～1∶0.8）。

（2）对于已经发生的涌水，主要采用预埋排水管引排的处理方式，并对涌水段用钢拱架加强支护，确保施工安全。钢拱架采用I16工字钢，紧贴岩面安装，间距为0.5～1.0m，钢拱架之间采用ø22mm的钢筋纵向连接，连接筋间距为0.5m，采用直径为22mm、长3.0m的锁脚锚杆焊接固定，锁脚锚杆间距为1.5m，沿钢拱架布置。当锁脚锚杆与系统锚杆冲突时，取消锁脚锚杆，用系统锚杆焊接钢拱架。挂直径为8mm、间距为20 cm×20 cm的钢筋网，喷C20混凝土至15～20 cm厚。