老挝南俄3水电站引水隧洞淤泥流沙段综合治理

魏兴存 刘汉斌 高富文

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概况

1.1 工程背景

老挝南俄3水电站位于老挝中部山区，是湄公河一级支流南俄河干流梯级开发的第3级(自下游向上游)年调节水电站，水库正常蓄水位723.00m，相应库容为14.11亿m3，电站装机容量480MW。老挝南俄3水电站属Ⅰ等大(1)型工程，引水隧洞主要建筑物级别为2级，全长10635.263m，设计引用流量180m3/s，洞内流速3.97m/s，设计开挖断面为圆形和马蹄形，开挖洞径为9.2m、8.7m，标准过水断面直径为7.7m。引水隧洞沿线共跨越三条较大冲沟，其中3号冲沟位于引水隧洞中部区域桩号约T6+400位置处，影响洞段桩号为T6+640～T6+770，共计130m，埋深120～160m，冲沟沟底高程较水库正常蓄水位低53m。

1.2 工程地质

1.2.1 地质调查

a.可行性研究阶段。由于3号沟地段为裸露型喀斯特地貌，原始森林、植被茂密，人迹罕至，交通生活条件很差，勘测阶段只完成了1个钻孔勘探，钻孔深度100m，仅探明为灰岩覆盖在花岗岩岩体上，观测点处岩石呈厚层状或块状，坚硬，表现出不规则侵蚀表面，地下有落水洞、溶洞等。

b.洞挖初期。桩号T6+763掌子面打爆破钻孔时遇到严重地下水，地下水喷出8～10m远，并伴随有泥沙；复工开挖至桩号T6+713时，T6+713～T6+763段内出现多起涌水、塌方及淤泥流沙现象，由于塌方流沙量大，加之时值雨季，3号冲沟地表水多沿沟床下落水洞源源不断汇入地下，在掌子面堆积大量泥沙，工作面淹没，水流通过支洞流出洞外，最大流量约2000m3/h。期间补充勘探钻孔10个，钻孔主要沿引水隧洞轴线两侧及隧洞轴线布置，距离隧洞轴线垂直方向12～122.9m，钻孔垂直深度55.5～161.2m，最深穿过隧洞底板23.6m。

c.强制通过期。在强制通过期实施地质雷达超前预报，对掌子面前方地质情况及成灾可能性作出预报，以便制定准确、高效的开挖、支护、灌浆加固方案。

隧洞贯通后，为进一步查明该段围岩岩体情况，确定3号冲沟段永久衬砌支护方案，补充了7个钻孔的勘探和物探检测，由勘察单位指定钻孔位置，孔径75cm，深度15～30m，终孔24h后开展单孔波速测试、孔内摄像、垂直钻孔间波速穿透。

1.2.2 地质评价

根据建设各阶段的地表调查、钻孔、物探资料，淤泥流沙段地质综合评价如下：3号冲沟段位于二叠系灰岩与三叠系花岗岩的断层岩性接触带部位，宽1.5～3.5m，为黑色断层泥充填，花岗岩区岩体风化强烈，最大风化深度160m，多属Ⅴ类围岩。断层下盘灰岩风化程度相对较弱，地下水丰富，受区内降雨量丰沛影响，灰岩地层喀斯特发育，3号冲沟河床落水洞遍布，沟内地表水通过落水洞与地下水具有较好的连通性，地下水靠基岩裂隙水和地表水下渗补给，但在雨季冲沟地表水入渗占主导地位。

T6+651～T6+765处于不规则岩性接触带，T6+651～T6+713隧洞段位于花岗岩与灰岩的侵入接触蚀变带内，上覆全风化岩体松散，T6+660～T6+678揭露存在有地下空腔，空腔顶板与隧洞底板之间的岩墙厚度约1.8m，局部隧洞底板以下岩体条件差，3号冲沟段隧洞轴线地质剖面见图1。

2 强制通过措施

2.1基本思路

结合工程地质、水文条件，3号冲沟洞段淤泥流沙控制及贯通方案的基本思路为：地下水强排、清淤、封闭掌子面→治水→附近已开挖洞段外、内层支护→超前地质预报及管棚施工→分区分块开挖、支护→系统预固结灌浆→全过程收敛监测。

2.2 处理措施

a.地下水强排、清淤、封闭掌子面。由于支洞设计纵坡为倒坡，雨季洞内渗水补给量显著增大，因此选择在雨季过后一个月左右开始，随着水位下降开始洞内清淤工作，清淤至距掌子面20m位置，确定洞内流沙不出现明显流动发展。铺设木板形成施工通道，对裸露的工作面采用挂网喷混凝土方式进行封闭，喷射混凝土厚度不小于10cm。

b.治水。采用堵、排、截、引结合的治理措施：设置钢筋石笼挡坎，拦截流沙的同时保证流沙内渗水排除。排查掌子面附近已开挖洞段渗水点，钻孔埋设φ100、φ50钢管作为深层排水孔。化学灌浆堵漏。堵漏材料采用SL-669-Ⅰ型聚氨酯，单孔孔径16mm，孔距5cm，孔深50cm，使用SDB-6.3型手动试压泵清洗钻孔，冲洗压力为灌浆压力的80%，采用止水针塞住孔口，灌浆孔兼做排气回浆孔。使用DH-512微型高压电动注浆机按照自下而上次序进行间歇性灌浆，开灌压力为0.1MPa，当吸浆率小于5mL/min时，逐渐加压至0.3MPa，二次灌浆孔压力为0.3MPa；当注入量大于20mL/min时，采取低压、待凝措施，一次注入量不大于500mL；根据吸浆量情况逐步升至设计压力，当吸浆率小于1mL/min时，保持压力延续灌注30min后扎管待凝，4～5h后检查注浆效果，对管口不饱满的注浆管进行第二次注浆直至饱满。

c.掌子面附近已开挖洞段外、内层支护。外层支护措施如下：ⓐ钢支撑采用I20a工字钢进行钢拱架和顶拱下对撑，拱脚用锁脚锚杆焊接固定，钢支撑间排距0.5～0.7m，使用φ25@40cm钢筋将所有钢拱架连接成整体；ⓑ系统锚杆φ25长6m，入岩5.8m，间排距2m；ⓒ系统挂钢筋网喷10cm厚混凝土，局部流沙口采用钢筋或工字钢回填混凝土。

内层支护措施为低压固结回填灌浆，间排距2m，梅花形布置，喷锚区域固结灌浆压力0.1～0.3MPa，无盖重区域灌浆压力0.3～0.5MPa,当注入率不大于1L/min时，继续灌注30min，结束灌浆，待凝12h。

d.掌子面超前预报。按每15m洞长左右在开挖掌子面上进行地质雷达超前预报，对掌子面前方15m洞长的地质情况及成灾可能性作出预报，共计超前预报14次，单个(桩号T6+763为例)开挖掌子面的地质雷达测线布置及各测线成像例图见图2～图4。

图2 掌子面地质雷达预报测线位置示意

图3 各纵向测线雷达影像图

图4 各横向测线雷达影像图

e.分区分块开挖、支护。分层开挖、支护三维立视示意见图5。先采用10cm间距的φ80无缝钢管内插3φ25钢筋注浆大管棚进行封口，然后采用φ40+φ25钢筋小导管上扬5°满铺支护，最后分层分区开挖并钢支撑跟进支护，并及时挂网喷混封闭后继续进尺，每开挖一段及时用30cm厚混凝土对底板进行硬化。

图5 分层开挖、支护示意

对于钢拱架沉降变形严重段底板及时采用焊接水平对撑I20a工字钢进行加固。

f.贯通后进行系统预固结灌浆。6m@1.5m×1.5m梅花形布置，灌浆压力0.5～0.1MPa。

g.全过程收敛监测。3号冲沟段共计设置了12个监测断面，每个断面安装3个收敛测头(反射贴片)，断面安装见图6，采用TM50，全站仪(精度0.5″)自由架站对收敛测头进行免棱镜观测，盘左右各观测2次取平均值得到各测点的相对坐标，换算成相应边长最后整编、比较、分析。

图6 收敛点布设断面示意

通过累计收敛观测，累计变形最大在T6+752断面的右侧(A-C线路)处，达到48.6mm，该断面各线路变化过程趋势见图7。在隧洞贯通后第一个雨季初期T6+752、T6+731.5、T6+717、T6+668四个断面变形速率加快，出现钢支撑变形现象，及时采取钢桁架支撑加强措施，钢支撑加强钢桁架断面见图8，后续监测呈现收敛趋势。最终各测点允许位移值满足Ⅴ类围岩120～160m埋深相对值0.60%～1.60%的要求，贯通后未出现塌方。

图7 T6+752断面变化曲线

3 永久衬砌支护方案

研究确定T6+640～T6+770范围采用防渗钢板回填混凝土的永久衬砌支护方案：ⓐ防渗钢板设置于隧洞内表面，内径6.5m，材质Q345C，厚20mm，加劲环间距800mm；ⓑ主要渗水点开孔，设置φ100不锈钢法兰逆止阀与原排水孔钢管连接，用于平衡充水前和放空期内外水压，以及减少内水外渗；ⓒ钢板外回填C25混凝土，回填体厚度不小于70cm；ⓓ采用系统锚杆，φ25，长4.5m，入岩4.35m；ⓔ接触、固结灌浆孔,入岩20m，每排18个，顶拱120°范围回填灌浆，接触灌浆压力0.2MPa，回填固结灌浆压力0.3MPa。

按照钢板运输、安装以及构造要求，对钢板进行抗内压计算和隧洞放空期防渗钢板抗外压稳定计算，防渗钢板计算结果见表1、表2。

表1 计算结果

表2 单位长度钢材量

图8 钢支撑加强钢桁架标准断面(单位：m)

4 结 语

老挝南俄3水电站引水隧洞过3号冲沟段是一个裸露型喀斯特与埋藏型喀斯特地貌并存、不同岩层深层强风化接触带、淤泥流沙及地下水活动剧烈的典型地下工程，洞挖期出现多次严重涌水、塌方、淤泥流沙现象。准确判定地质条件并制定科学合理的处理措施至关重要，工程利用地质钻探、物探等手段准确判定工程地质条件，应用地质雷达超前预报系统对施工掌子面前方岩体情况及成灾可能性作出预报，采取基于新奥法理念的外、内层支护以及分区分块开挖支护方式，最终该流沙洞段安全通过，为隧洞提前实现全线贯通奠定了条件，避免了地质误判、措施不合理导致的资源浪费、工期延误以及安全威胁。贯通后又创新性地制定防渗钢板、止逆阀方案，达到工程运行要求。老挝南3水电站淤泥流沙段综合治理是淤泥流沙等不良地质地下工程处理措施的较系统、科学的典型案例，对于类似工程具有一定的借鉴意义。