娘拥水电站引水隧洞高地温洞段施工处理措施浅谈

何国勤

(大唐四川发电有限公司,成都,610091)

1 工程概况

娘拥水电站位于四川省甘孜州乡城县境内,是硕曲河流域第二梯级电站,电站采用引水式开发。电站闸址位于沙贡乡不忍沟下游约200m的河段上,由右岸有压隧洞引水至日韵沟对岸硕曲河高漫滩建地面厂房发电,闸、厂址相距约18km。

娘拥水电站引水系统沿线河谷狭窄,山体陡峻,海拔4500m～4800m,为高山峡谷地貌。引水系统主要穿越黑云母花岗岩、厚～中厚层砂岩夹板岩及板岩、砂岩互层。引水系统隧洞沿线支沟较发育,主要分布兵达沟、热仁沟两条较大的支沟及热玉沟、1号沟～6号沟等7条小支沟,引水隧洞洞线布置主要受深切冲沟控制。从闸址区取水口至调压室,隧洞全长15406.313m,底坡i=2.9248‰,水平埋深约170m～1600m,垂直埋深一般150m～500m,最大埋深640m。

2 引水隧洞地热现象

引水隧洞共布置7条施工支洞,除1#支洞外,其他支洞和主洞均未出现地热现象。

1#支洞开挖过程中,在支0+120m左右出现地热情况。根据测试资料显示,支0+100m～0+230m段地温值为25.8℃～38.8℃,总体趋势为每10m增加1℃;在支0+240m处右壁下近底板处有一股热泉涌出,水量约10ml/s,水质透明,无味,导致该位置地温值为49.8℃;251m处地温温度为39.8℃;在支0+290m附近爆破后岩面温度为48℃～50℃。

主洞与支洞相交桩号为K0+873.97m,支洞总长295m,上游面已开挖至K0+786m,洞壁干燥,未见地下水活动痕迹。根据地温测试资料显示,在K0+873.97m～0+844m段,爆破后岩面温度51℃～53℃;K0+835m～0+805m段,爆破后岩面温度42℃～43℃;K0+805m～0+785m段,爆破后岩面温度41℃～42℃。随着向上游面的开挖,温度有下降趋势。

下游面主洞开挖至K1+017.4m,随着开挖的推进,洞内温度呈逐渐上升趋势。在K0+905m处出现有一水量约20ml/s,温度59℃出水点,水质透明无味;在隧洞右壁K0+970m及左壁K0+985m附近,存在一条产状走向NE20°,倾向NW倾角85°左旋逆冲断层,即热水断层,该断层为花岗岩与砂板岩分界线;在K1+015m左右底板部位有水量较小的温泉出露;在K1+017m处掌子面中下部,出现一流量约33ml/s、水质透明无味的出水点,出水点周围沉积有较多钙质物,水温高达80℃。

3 地热现象成因

3.1 热水断层及其展布特征

娘拥水电站1#支洞及主洞出现地热异常情况,主要与工程区顺硕曲河分布的一条热水断层有关。该断层走向近NE20°,倾向NW,倾角70°左右,断层带宽度30m左右,断裂带由强烈构造作用形成的构造岩(片状岩、破裂岩、碎裂岩)及少量的断层泥构成,总体挤压紧密,断层面平直,可见明显的擦痕及阶步,显示左旋走滑断层特征,擦痕侧伏角约25°,水平错距约300m,长度大于20km[1]。断层性质早期为压扭性逆冲断层,后期主压应力场转为近SN向,断裂带表现为张性特征。

3.2 热水断层的活动性及温泉

从地表出露的几个温泉点来看,泉水基本呈微承压状态,说明上游补给地带的位置略高于泉口位置,可能是断层穿过上游河床或沟床,地表水顺张开的裂隙补给地下水,地下水顺断层深循环致深部岩浆囊升温。

该断层为中更新世活动断层,热源的来源不是断层活动引起,因断层的北段切入岩浆岩中,可能深达岩浆岩体下部的岩浆囊,地下水循环致此水温升高。

因该断层北段和南段(在乡城电站库区左岸延伸上山)出露位置均较高,只有在1#支洞～热俄段出露位置低,在水头压力的作用下于相对低洼处溢出。

4 施工处理措施

4.1 降温措施

针对1#支洞附近高地温洞段(出露温泉达70℃、洞壁岩石温度达50℃、洞内环境温度超过30℃)的实际情况,为改善施工条件和确保劳动安全,在施工中主要采取以下措施。

4.1.1 注入洞外冷水混合降温

在隧洞内温泉出露点开挖集水坑,采用水泵从洞段河流上游处抽取雪山融水,通过钢管将冷河水注入洞内集水坑内,并使其充分混合,以充分减少热水散发空气热量,便于作业面环境温度的降低。现场主要配置一台1.1kW清水泵,同时备用一台0.75kW水泵。

4.1.2 及时抽排洞内热水

为缩短洞内热水与周围空气进行热交换的时间,降低洞内环境温度,现场安装了一套功率3kW左右的排水设备,及时将集水坑内混合水抽排出洞外。

4.1.3 加强通风设施配置

在娘拥水电站1#支洞附近洞内高温环境下,在距离支洞口1km以上,随着掌子面向前推进,通风距离越长,通风难度越大,采用常规的压入式单管通风已经无法及时有效改善作业面环境温度,因此必须采取进一步的措施来加强洞内通风。根据洞内高温情况,现场增设了一台119kW、1800m3/min通风机,通过φ1300mm的风管向工作面送风,采用双管压入式的通风方式。为避免洞内排出的热空气循环进入通风机,降低通风降温的效果,1#支洞口外的通风机应布置在远离洞口上风向,且离支洞口距离应大于30m。

4.1.4 喷雾降温

自1#支洞洞外冷水水池接水管至洞内,输水钢管沿洞顶两侧各布设一根,并在钢管上每隔3m～5m安设一个喷雾器,沿洞纵轴线进行不间断喷雾,通过喷水雾可有效降低洞内温度。同时高压水雾还可以有效吸附洞内粉尘,改善洞内作业面施工条件,保证作业工人正常呼吸用氧。

4.2 超前支护及临时支护措施

洞内高温是因隧洞穿越断层、地下高温温泉涌出所致。隧洞掘进仅进入断层影响带内,尚未通过该断层,掘进时需在掌子面安排超前勘探(需要钻超前勘探孔120m),通过超前钻孔了解掌子面原来的地质条件,以便对开挖过程中可能出现的塌方、集中涌水等情况进行预防。

根据超前勘探钻孔揭示的地质情况,采取适合本段隧洞围岩地质条件,包括水文地质条件的一些超前支护措施及临时支护措施:

(1)对地下水丰富、集中洞段可采取超前灌浆封闭地下水;

(2)围岩破碎自稳能力差,采取超前锚杆、超前管棚、导管注浆等措施,保证开挖期间围岩稳定;根据对隧洞断层带和断层影响带洞段的围岩类别分析,对预测断层带和断层影响带K0+900m～K1+100m段隧洞采取如下临时支护措施:Ⅲ类围岩洞段结合永久支护措施主要采用挂网喷锚;IV类围岩洞段采用钢支撑加挂网喷锚。为确保安全施工,临时喷锚支护紧随开挖工作面及时跟进。

针对高地温洞段,进行喷锚支护施工时应开展以下试验研究工作:

(1)通过拉拔试验验证高地温对砂浆锚杆的影响,如砂浆锚杆不能满足抗拉拔要求,采用水泥药卷锚杆或者树脂锚杆;

(2)高地温洞段喷射混凝土施工环境与常规施工环境存在很大差异,应通过试验研究喷射混凝土的配合比及施喷工艺和养护措施等。

4.3 爆破作业

针对娘拥水电站1#支洞高地温段爆破控制的经验,在高地温洞段爆破施工中应高度重视以下问题:

(1)在爆破药包选择时必须选用确保高温环境安全的防自爆药包,且药包无损伤、变形;

(2)装药前必须测定装药孔孔内温度,孔温需低于防自爆药包规定的安全使用温度;

(3)在爆破作业前后,加强通风和喷雾洒水、用冷水清洗炮孔等措施进行作业降温;

(4)在采用导爆索起爆时,安全员对装药工序要进行严格检查,不得将导爆索直接插入药包内,必须将导爆索捆在药包外;

(5)装药顺序必须按从低温孔到高温孔依次装药;

(6)炮孔填塞应在所有炮孔装药完毕后,以最短的时间填塞完成,严防采用含硫化物的岩粉填塞;

(7)装药工序进行时,应设专职安全员进行全程监督,发现炮孔有棕色浓烟逸出等异常现象时,应立即通知爆破管理人员并立即组织撤离,在排除安全风险后才能继续施工;

(8)在爆破装药前,应对高温爆破作业影响范围内的所有非爆破作业人员进行撤离清场;

(9)当装药炮孔内温度超过60℃时,为防止药包与孔壁摩擦,应选用防摩擦的纸(常用沥青牛皮纸)将药包包裹完好,且装药至起爆时长应控制在1h以内为宜;

(10)当装药炮孔内温度超过80℃时,应用绝热材料(如石棉织物等)将药包严密包裹完好,炮孔内严禁安装起爆雷管,经试验后可选用防热处理后的黑索金导爆索作为起爆器材。

4.4 高温环境下的安全文明施工

为保证隧道施工人员进行正常的安全生产,我国有关部门对隧道施工作业环境的卫生标准都有规定。如铁道部规定,隧道内气温不得超过28℃;交通运输部规定,隧道内气温不宜高于30℃。国外的资料介绍,日本规定隧道内温度应低于37℃[2]。

在娘拥水电站隧洞高温下施工应对施工作业人员做好中暑防护。应根据隧洞内的高温程度、施工劳动强度及劳动效率情况,合理确定劳动工时及高温作业时间,确保施工作业人员的职业健康安全。另外因高温作业易诱发中暑等,现场应加强高温作业人员健康管理和体检,对患有高血压、心脏病的作业人员,应禁止进行高温洞段作业。

为进一步做好现场作业人员的职业健康安全管理,建议采用如下措施:

(1)在工作面和洞内安装固定式气体传感器,当洞内氧气浓度低于人类正常呼吸要求时(具体浓度可根据实际高程设定,一般氧含量不得低于18%)自动报警,以便洞内人员及时疏散和禁止进入等,爆破作业工人须随身佩戴气体测定仪,及时掌握作业面环境氧含量,以保证爆破作业安全可控;

(2)严格做好班前“三讲一落实”安全教育,加强安全专业培训,并组织实施疏散应急演练,做好应急演练的总结和应急预案的改进工作。

4.5 其他

为减少高地温对娘拥水电站钢筋混凝土衬砌结构的影响,施工时主要采取了如下措施:

(1)采用河道雪山融水进行混凝土拌制,严格控制混凝土拌制温度;

(2)调整衬砌混凝土施工时段,尽量在夜间环境温度较低时进行永久混凝土浇筑,以有效降低混凝土浇筑入仓温度和对混凝土绝热温升的影响;

(3)严格控制高温洞段内混凝土浇筑长度,浇筑分段长度宜控制在6m～8m内。

5 结语

在娘拥水电站高地温洞段施工中,现场通过“注冷、抽热、喷雾、双通风”等技术手段,有效降低了洞内作业面温度。加强业主安全带班管理,强化班前“三讲一落实”安全教育,提升作业工人安全意识,做好安全应急演练。同时通过采取洞内作业限时换班,洞外淋浴冲洗,洞口设置生命救助站,配置清凉食品等人文关怀措施,在电站参建各方高度重视下,在确保作业人员职业健康安全情况下,娘拥水电站地热洞开挖、支护及衬砌等工作顺利推进,为后续类似工程施工提供了可借鉴的经验。