金川水电站导流洞碳质千枚岩洞段施工技术

刘 钊，张金龙

（中国安能集团第一工程局有限公司，广西 南宁 530028）

0 引言

金川水电站位于四川省阿坝州金川县境内的大渡河上游河段，电站总装机容量为900 MW。该水电站导流洞布置在右岸，断面型式为城门洞型，按有压洞设计，断面尺寸为12.5 m×14.5 m（宽×高），洞身长1 035.75 m，底坡4.92‰。该水电站工程区位于青藏高原隆起的东部边缘，夹持于多个地震构造带之间，近代历史中周边松藩、炉霍、汶川、芦山等地多次发生特大地震。地形隆起、河谷深切、构造挤压、岩层变质、地震振动造成岩层产状倾斜、结构破坏、裂隙发育，导流洞围岩稳定性较差。

1 导流洞围岩地质条件

1.1 导流洞围岩地质条件

金川水电站导流洞最大埋深380 m，洞身大部分洞段处于地下水位以下。围岩主要为中厚层夹薄层状变质细砂岩夹碳质千枚岩，岩层陡倾，产状 NW320°～ 330°SW ∠ 60°～ 89°，与导流洞近于正交，以Ⅳ1类和Ⅲ1类为主；导流洞0+053桩号往下游方向出现厚约10 m、沿导流洞长约40 m的碳质千枚岩，薄层砂板岩软弱岩层带，属于Ⅳ2类围岩。

围岩体内发现的断裂主要为顺层断层和层面裂隙，并发育少量缓倾角断裂，其与陡倾的层面裂隙组合易形成不稳定块体，对顶拱不利，易引起局部掉块、塌方。

1.2 碳质千枚岩的工程地质特性

碳质千枚岩呈灰黑色，细粒鳞片变晶结构，千枚状构造，岩性松软，三轴干抗压强度5～8 MPa，软化系数约为0.35，有膨胀性，遇水极易软化，抗风化能力差，易形成岩屑，产生碎落现象[1]。

在导流洞洞室开挖过程中，围岩应力重新分布，松动圈和塑性圈快速扩展，且碳质千枚岩自稳能力极差，变形发生后极易产生坍塌，甚至产生较大的塌方[2]。

2 施工方案选择

地质勘察资料显示，导流洞0+053桩号往下游方向的碳质千枚岩、薄层砂板岩互层带厚度约10 m、沿导流洞分布长度约40 m，主要出现在导流洞上半洞。考虑到碳质千枚岩岩性松软和遇水易软化等特点，为了保证施工安全，在开挖的过程中必须配以适当的支护方法，包括超前支护、临时支护和系统支护。结合实际条件，对该类软弱围岩，选择“短进尺、弱（不）爆破、快封闭、强支护、勤测量”的施工原则，从而确保永久性支护及时封闭成环。全断面法不利于掌子面稳定，极易造成塌方，长台阶法因不能使支护结构及时封闭致使围岩暴露时间过长，在本工程中均不具有可行性。

根据碳质千枚岩的工程特性，综合考虑施工安全、工程安全及施工工期的要求，为了预防在导流洞碳质千枚岩分布洞段变形加大和坍塌问题发生，上半洞开挖施工研究采用台阶分部开挖法即环形开挖保留核心土法[3]。该方法结合喷射混凝土及时封闭开挖面，用超前小导管、钢拱架、挂网、系统锚喷支护等方法加固围岩，限制围岩松动圈和塑性圈的发展，改善围岩应力条件，实施短进尺、快循环，以减小对岩体的扰动。

开挖的原则是先加固已开挖的洞段，待强支护完成后，以安全稳固的已支护洞体为依托稳妥向前推进。开挖支护钻孔，应尽量避免水钻法施工，防止施工用水对碳质千枚岩岩体结构的破坏。

3 支护措施

根据导流洞围岩地质条件，结合碳质千枚岩的工程特性，金川水电站导流洞碳质千枚岩分布洞段采用“C25钢纤维喷混凝土（基岩面封闭）+I20a钢拱架（部分脱空部位采用I20a副拱与岩面楔紧）+挂网钢筋（型号φ6.0@15 cm×15 cm）+系统锚喷支护+超前小导管”的加强支护措施进行施工。

1）钢拱架。在碳质千枚岩洞段，增设I20a钢拱架加强支护，对部分塌腔高度＞50 cm的部位采用副拱楔紧。钢拱架间距0.5 m，纵向连接筋采用φ25 mm螺纹钢，环向间距1.0 m。对钢拱架锁脚进行加固处理，每榀拱架拱肩及拱脚各设1组φ25 mm、L=4.5 m的锁脚锚杆，其余部位采用系统锚杆配合锁定。

2）系统锚喷支护。为了有效发挥钢拱架的作用，各榀拱架之间及拱架与岩壁之间采用C25混凝土喷平填实，挂网钢筋（型号φ6.0@15 cm×15 cm）。 顶 拱 锚 杆φ32 mm、L=9 m入岩8.5 m，锚杆φ25 mm、L=4.5 m入岩4 m，间排距为1.5 m×1.5 m，按梅花型布置。边墙φ32 mm系统锚杆，L=9.0 m入岩8.5 m，间排距为1.5 m×1.5 m。

3）超前支护。超前小导管布置参数为：φ42 mm，L＝4.0 m，环向间距30 cm，纵向间距3 m，仰角、外插角为5°～10°，灌浆压力0.2～ 0.5 MPa。

4 施工技术

根据碳质千枚岩的工程特性，上半洞采用台阶分部开挖法即环形开挖保留核心土法，一开挖一支护循环稳步推进[4]。环形开挖进尺等于钢拱架间距0.5 m，开挖完成后立即喷射C25钢纤维混凝土进行封闭，而后进行钢拱架施工，安装锁脚锚杆，挂钢筋网，每榀拱架之间及拱架与岩壁之间采用喷C25混凝土喷平填实。施工超前小导管，每3 m一个循环，小导管焊接固定在钢拱架上，进入下一个循环。

4.1 洞挖施工

导流洞共分为上中下三层开挖，本文主要介绍碳质千枚岩洞段上层开挖。上层洞室分为3部分：第1部分顶拱环形部位约2 m，第2部分预留核心土，第3部分上层剩余部分。

首先进行第一部分顶拱环形部位开挖，釆用1 m3挖掘机将掌子面清理干净，以预留核心土为施工平台，以已施工的钢拱架支护洞段为安全依托，采用人工撬挖或手风钻浅孔小药量爆破的方法，挖出上层顶拱结构线内约2 m范围的岩体，留下中间核心土部分，待形成完整的开挖结构面后进行强支护。当核心土长度超过6～7 m时，将多余部分挖出，以方便施工[5]。上层第三部分及中、下层开挖采用常规分部分层开挖法施工，即首先进行拉槽，两层保护层采用小药量光面爆破，支护及时跟进。中槽和边墙开挖工作面间隔6 m以上，同时左右边墙开挖支护交替进行，每循环进尺3～4 m。开挖分区及开挖层序如图1、图2所示。

图1 碳质千枚岩洞段开挖分区图（横向）

图2 碳质千枚岩洞段开挖秩序示意图（纵向）

以上施工程序循环进行，直至通过碳质千枚岩分布上层洞段。

4.2 挂网喷射混凝土

碳质千枚岩极破碎，开挖扰动后容易掉块坍塌，分区开挖完成后立即采用C25钢纤维喷混凝土：先对基岩面进行封闭防止掉块，形成较安全的作业环境；然后立拱架、打锁脚锚杆、挂网，再喷混凝土至设计厚度。

由于顶拱采用保留核心土法开挖，工作面受限，喷射混凝土宜采用小型湿喷机分层喷护。后续核心土挖除后，利用大型喷混凝土台车采用湿喷法进行喷护作业，并及时进行洒水养护。

钢筋网在场外按块进行编焊。运至工作面后，人工在核心土平台上铺设，利用锚杆头点焊固定，架立筋采用φ12 mm钢筋，中间用膨胀螺栓加密固定，网间用铅丝扎牢。

4.3 钢拱架安装

钢拱架在加工场内加工制作，按设计半径尺寸分段釆用冷弯机弯曲成型，副拱各节也按洞内拱架设计图分别截取编号标识，运输车运至现场进行安装。

安装前进行测量定位，钢拱架先安装两侧下部拱架，锁脚牢固。然后利用核心土施工平台，人工将上部拱架放至架立位置，与下部预先安装的拱架连接牢固。榀与榀之间采用φ25 mm螺纹钢筋间距1.0 m连接筋焊接成整体。钢拱架所有连接点均釆用高强度螺栓连接牢固，对钢拱架锁脚进行加固处理，每榀钢拱架拱肩及拱脚各设1组φ25 mm、L=4.5 m的锁脚锚杆，其余部位采用系统锚杆配合锁定。部分脱空大于50 cm部位采用I20a工字钢副拱支撑，分层进行施工，楔紧岩面。较小脱空部位采用C25喷射混凝土直接回填密实。为了有效发挥钢拱架的支撑作用，各榀钢拱架之间及钢拱架与岩壁之间应采用C25混凝土喷平填实。

4.4 锚杆施工

锁脚锚杆在钢拱架安装完成后立即施工，因工作面有限，以核心土为施工平台，人工持手风钻造孔，人工安插锚杆，注浆机注浆。系统锚杆在保留核心土施工期间，不具备施工条件，到核心土挖出，洞室上层开挖完成后组织施工。

根据锚杆长度、钻孔孔径及快速施工要求，采用三臂钻造孔。根据碳质千枚岩岩性松软和遇水易软化的特点，钻孔采用干钻法施工，并通过雾化喷水及粉尘收集降低扬尘，采用人工配合随车吊安插锚杆，锚杆注浆机注浆。

4.5 超前小导管施工

为了增强碳质千枚岩分布洞段岩体的自稳能力，开挖前采用超前小导管进行环向灌浆，形成周围固结灌浆层，并与钢拱架及喷射混凝土层构成支撑拱圈。

超前小导管采用φ42 mm无缝钢管，布置于导流洞起拱线以上范围内。小导管前段做成约10 cm长的圆锥状，并封焊严实，管身按梅花形布设溢浆孔，孔径6～8 mm，间距20～30 cm，后端1 m范围不设溢浆孔，在尾端焊接直径6～8 mm的钢筋箍加固。小导管在掌子面用手风钻钻孔，人工或钻机顶入，尾部焊接在钢拱架上固定，孔口安装止浆阀作密封处理，采用高压注浆泵注浆，注浆压力为0.2～0.5 MPa，注浆结束后将管口封堵，以防浆液倒流管外。

5 施工期安全监测

通过对碳质千枚岩洞段施工期的围岩应力和变形进行观测，及时预警预报。一旦发生异常情况，立即报告相关各方，必要时撤离工作面，采取各种措施以确保施工人员和施工机械安全。

在碳质千枚岩洞段的施工过程中，使用的安全监测手段有：埋设多点位移计、锚杆应力计及隧洞收敛变形监测。碳质千枚岩洞段开挖施工至衬砌完成期间的安全监测数据正常，表明围岩稳定，未发现异常变形情况。

6 结语

对于金川水电站导流洞碳质千枚岩分布洞段施工，上半洞采用环形开挖保留核心土法，分层分部开挖，并通过超前小导管、钢拱架及挂网、系统锚喷支护等支护措施，钻孔采用干钻法施工，稳步有序地完成了开挖支护工作。该施工技术既保证了碳质千枚岩洞段的施工工期，也有效保证了施工质量和施工期的安全。