雜谷腦河古城水電站壓力管道斜井塌腔處理方法

毛 進， 趙 凱

(四川華電雜谷腦水電開發有限責任公司，四川成都 610091)

1 工程概述

古城水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣及汶川縣境內的雜谷腦河上，屬雜谷腦流域水電規劃“一庫七級”開發規劃方案中的第七級梯級電站。古城水電站采用引水式開發，工程主要建筑物由首部樞紐、引水隧洞、調壓井、壓力管道和廠區樞紐組成。壓力管道主要由上平段、斜井段、下平段、支管段組成，主管總長257.3 m，支管總長121.8 m。其中斜井段長100.8 m(樁號為管0+035.9 ～管0+136.7)，角度為 60°，開挖斷面為8.2 m，鋼管內徑為6.2 m。古城水電站壓力管道大規模開挖主要于5.12汶川特大地震后進行，由于工程地處汶川縣境內，受地震影響較大，加之工程地質情況較差，斜井段受斷層帶影響，因而工程施工期的安全及運行期的穩定是古城壓力管道施工的一大難題。

2 壓力管道工程地質情況

古城水電站壓力管道斜井段出露基巖為志留系茂縣群第三組(Smx3)絹云母千枚巖、絹云母石英千枚巖。(管)0+75.6～(管)0+110段為斷層及其影響帶，斷層產狀為 N70°W/NE∠10°～15°，起伏。斷層及其影響帶內基巖軟化、泥化。

上平段及斜井段具體的圍巖分段及分類如下:(管)0+0～(管)0+75.6為絹云母千枚巖巖體，圍巖 類 別 為 Ⅳ 類;(管)0+75.6～(管)0+94.4為斷層上盤影響帶，圍巖類別為V類;(管)0+94.4～(管)0+95為斷層帶，圍巖類別為V類;(管)0+95～(管)0+110為斷層下盤影響帶，圍巖類別為V類;(管)0+110～(管)0+115為石英千枚巖巖體，圍巖類別為IV類。(管)0+115～(管)0+136.749為石英千枚巖夾薄～中厚層變質砂巖，巖石中硬～堅硬，圍巖穩定性好，圍巖類別為Ⅲ類。

下平段巖石為志留系茂縣群第三組(Smx3)絹云千枚巖、灰色石英千枚巖、薄～中厚層變質砂巖。其中:下平段(管)0+157m～(管)0+198巖體新鮮、較完整，巖石中硬～堅硬，為Ⅲ類圍巖，局部圍巖穩定性差;(管)0+198～(管)0+251巖體較完整，圍巖弱卸荷、弱風化，上覆新鮮基巖較薄，圍巖類別為Ⅳ類。1#、2#、3#支管均處于斷層下盤影響帶中，巖石軟化、泥化，巖體呈碎裂～散體結構，為V類圍巖。

3 塌腔形成經過

3.1 震前導井施工情況

震前，壓力管道斜井段開挖采取反井鉆機施工方法，于下平段及下彎管段開挖完成后進行。反井鉆機安裝在上彎管位置，鉆進時，先導孔φ216曾兩次穿越斜井并鉆進至下管段，但均在反提鉆擴孔φ1 400時于斷層處發生卡鉆，且第二次卡鉆時鉆桿扭斷，鉆頭卡于斷層帶管0+108處，不久鉆頭附近發生泥、石、水混合物塌方約300 m(圖1)。施工方最初沿第1次反井鉆機φ216先導孔進行反向人工擴挖，計劃從側面與第2次反井鉆反提的φ1 400擴孔相接后將鉆頭取出。當人工反向擴挖完成38 m至管0+115處，由于偏心較大，未能從側面與卡鉆位置相接。

隨后，施工方在反井鉆下部導井鉆頭下方進行了爆破作業，擬利用爆破產生的沖擊波疏通被堵塞的導井，但未達到預期效果。由于爆破震動，于反井鉆頭附近發生泥、石、水混合物塌方約800 m3。此后，反井鉆頭一直位于斷層帶0+108處，直至震后人工正向開挖至該處才將鉆頭解體取出。

圖1 壓力管道及廠房后邊坡地質剖面圖

圖2 壓力管道塌腔剖面圖

3.2 震后斜井大井擴挖揭示出的塌腔情況

2009年8月9日凌晨5時，壓力管道斜井掌子面放炮爆破，施工人員下井扒渣時發現掌子面管0+075.6正前方底部出露一條環向裂縫(約時鐘10點半至13點半弧長段)，從裂縫往里查看為一大坍腔(圖2)，根據導井下部出渣量及導井并未受到擠壓破壞的情況，判定該坍腔為震前導井施工時已形成，其塌方量應為震前兩次坍塌過的泥化物質約1 100 m3。2009年8月11日，承包人對坍腔內進行了初噴，封閉巖面，并初步測量了坍腔尺寸:深11 m，外口寬6 m，內口寬8 m，最深處寬度為12～15 m，坍腔底部為松渣，穹頂約至管0+070樁號水平高程處。經討論的普遍認為，在導井開挖期，管0+075～0+115影響帶內四周均有松散垮塌，附近圍巖已形成一松弛圈，伴隨下部垮塌，上部也相繼失穩，從而形成了目前的塌腔。塌腔詳細情況及相對位置見圖3。

圖3 壓力管道塌腔橫斷面示意圖

4 塌腔處理方案

在后續擴挖過程中，由于壓力管道斜井塌腔一直位于頂部正上方，給施工造成極大的安全隱患，對此，業主、監理、設計、施工召開了多次會議，并針對處理方案進行了若干次討論，最終確定了按以下步驟予以處理。

(1)為保證運行期安全，對壓力管道斜井塌腔必須進行回填。鑒于斜井擴挖已經進入斷層影響帶，圍巖類別為V類，自穩性差，且塌腔位于頂部位置。在后續開挖中，為防止回填物自重給井圈造成擠壓變形，因此，將回填分為兩期實施。第一期只對管0+075樁號以下的坍腔進行回填施工，回填至與開挖面相同水平高程為止。

同時，為防止塌腔內穹頂受爆破松動影響繼續失穩，需對開挖掌子面上部進行加固支護，方法為:從管0+067樁號處開始增加環向鋼支撐(I22工字鋼)，凈間距50 cm;10#槽鋼做縱向連接，連接槽鋼間距100 cm，連接位置錯開50 cm;以C20鋼纖維噴混凝土對加固支護型鋼進行噴護，噴護厚度為25 cm;環向鋼支撐支護范圍為樁號管0+067至管0+075樁號。

(2)一期回填施工完畢，再于塌腔內架立工字鋼支撐住塌腔穹頂，在工字鋼腰部、靠近頂部位置分別以10#槽鋼水平連接，并對工字鋼底部再澆筑50 cm厚混凝土將豎向工字鋼支撐連接成為整體，同時預埋2趟混凝土管路及4根灌漿管，一直延伸至上平段，為后續回填混凝土及灌漿做準備。為防止穹頂松散塊體從井圈裂縫落出，于裂縫處澆筑1 m厚混凝土封口將塌腔與井圈分割開。

(3)對于后續斷層影響帶擴挖施工，采取弱爆破、短進尺、初期支護緊跟作業面的方式:以超前大管棚(沿開挖方向)結合環向鋼支撐、掛網噴C20鋼纖維混凝土對新開挖井圈進行固壁。

超前大管棚范圍設置于井圈頂部135°范圍內，環向間距30 cm;長12 m，搭接長3 m。控制裝藥量，采取光面爆破，盡量減少對井圈圍巖的擾動，每循環爆破溜渣完成后，立即掛φ8鋼筋網@20 cm×20 cm，并對周圍新開挖井圈進行初噴C20混凝土封閉。環向鋼支撐每循環及時跟進，鋼支撐凈間距為50 cm，并根據開挖情況進行適當加密，鋼支撐之間豎向連接采用10#槽鋼;再噴C20鋼纖維噴混凝土，厚25 cm。

對于塌腔回填物質的選擇，起初存在兩種意見:第一種意見是直接采取混凝土回填，混凝土澆筑串漿也可對塌腔下部松散渣體起一定的固結作用;第二種意見是考慮混凝土自重較大，容易加大對下部井圈的壓應力，建議采用塊石并結合灌漿進行回填。在實際施工過程中，施工方從回填物質的整體性考慮，認為回填混凝土相對較好，故選擇了用混凝土進行回填，同時對管0+075以下的環向鋼支撐間距進行了再度加密，防止了回填混凝土自重對井圈的擠壓破壞。

(4)在壓力鋼管安裝完成后，壓力管道回填混凝土施工至樁號管0+075時，利用前期預埋的管路對塌腔的穹頂分別進行了混凝土回填和回填灌漿，確保了塌腔的密實。

5 結語

古城水電站壓力管道斜井段塌腔經過采取以上工程措施進行處理，在壓力管道充水、機組動態調試中，內部監測數據反映整體穩定，未發生任何異常，處理效果良好。對于斜井施工中的頂拱塌方和塌腔處理，采用加強支護、分期回填的方法是行之有效的，具有一定的借鑒意義。