寧朗水電站引水隧洞流沙層開挖施工技術

侯彥君，謝劍波，王 黎

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 工程概述

寧朗水電站位于四川省涼山州木里縣境內，為金沙江左岸支流——水洛河干流、額斯～捷可河段“一庫十一級”中的第九個梯級電站，額定水頭81 m，裝機容量114 MW。工程以發電為主，采用引水式開發。該工程由取水大壩、引水系統、發電廠房、尾水渠段等組成。其中引水隧洞為有壓隧洞，斷面為平底馬蹄形，開挖尺寸:Ⅱ～Ⅳ類圍巖為7.45 m×8.87 m、Ⅴ類圍巖為 7.74 m ×9.27 m;襯砌后凈斷面尺寸為6.95 m ×8.07 m(寬 ×高)。

2 工程地質特征

樁號(隧)4+835～5+005為區域斷裂拐少踢斷裂破碎帶及其下盤影響帶，產狀為N60°～70°W/SW∠80°～90°，該斷裂發源于奧陶系燈影組大理巖中，破碎帶巖石成碎塊狀結構，塊石之間多為砂土充填。巖石層理構造難辨，基本無地下水活動，巖石成干燥或潮濕狀。破碎帶巖溶發育，隧洞開挖過程中多處揭露直徑為1～2 m之巖溶洞穴，其深度目不能及，洞內存在大量溶蝕碎屑，成分為白云母含量極高的砂土。當掌子面揭穿溶蝕洞穴時，大量砂土從溶洞流出(俗稱流砂)涌向洞內，在掌子面附近形成長約10 m的扇形堆積體，穩定性極差，需采取特別的封堵措施后方可掘進，不宜強行掏挖。

3 現場情況

在開挖過程中，樁號(隧)4+878頂拱處出現了一較大溶隙，經現場勘察，溶隙橫向寬約4～5m，縱向及高度不詳，其走向與隧洞中心線成30°夾角靠右側方向向上延伸，且拌有大量流塑性粉質細砂及淺黃色泥土從溶隙間涌出形成堆積體。

4 施工程序

4.1 總體原則

遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、不爆破、強支護、快封閉、勤量測、速反饋”的施工原則。

4.2 施工總體方案

采用全封閉超前鋼管棚，在管棚上方實施“超前小導管固結灌漿”以固結周圍不穩定粉質砂土層，增強整體性并減少流沙滲漏量，待強后用人工開挖管棚下方的流沙土并及時進行鋼拱架縱橫向加強支撐，然后遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、不爆破、強支護、快封閉、勤量測、速反饋”的施工原則進行開挖。必要時，按設計圖紙要求進行永久支護，以保證施工的質量和施工期的安全(圖1)。

5 開挖及支護施工技術

5.1 施工準備

根據現場實際情況，備足相應的管材(花管)、鋼筋、木板、水泥、注漿機、噴漿機、型鋼拱架及造孔設備，并配置有經驗的施工人員和管理人員。

施工前搭設簡易工作平臺，具體布設位置根據現場施工需要確定，通道采用木板或竹夾板鋪設，用鐵絲綁扎牢固。施工材料均采用機械設備轉入備用。

施工過程中的用風、用水、用電均利用隧洞開挖期間布置好的線路及管道，視現場實際情況及施工需求從相應位置接入。

5.2 上半部開挖

圖1 流沙段施工示意圖

5.2.1 超前管棚及橫向鋼支撐加固

超前管棚工藝原理:超前管棚鋼管安裝完成后的固結灌漿能將管棚施作范圍內的松散圍巖有效地固結;固結灌漿完成后，在鋼管內進行水泥砂漿充填，以提高鋼管的抗彎曲能力，承擔不穩定段的塌落壓力;固結灌漿所形成的穩定區域與鋼管共同形成棚狀連續支撐，其前端固定于尚未開挖的洞段直到穩定洞段，后端連接于已完成支護的開挖完成區域，從而保證了施工安全及成型穩定。

鋼拱架工藝原理:利用鋼拱架的高強度、結構簡單等特征，將加工好的鋼拱架固定在破碎的巖石層面上，起到支撐和控制變形的作用。采用噴護和加固相結合的施工辦法，將鋼拱架很好的與巖石有機地結合在一起，利用鋼拱架的穩定性，改變了巖石整體的穩定情況;同時，由于采用鋼拱架支護形式，大大改變了巖石受力情況，提高了圍巖自穩能力，從而確保了圍巖的穩定。

施工方法:采用人工方式清理松動巖石并在腰線處形成可靠平臺，在兩端拱腳基巖部位設鎖定錨桿，錨桿為φ25，L=3.5 m。利用I16型鋼拱架沿橫向略大于設計開挖線(10～15 cm為宜)腰線以上設立第一榀支撐拱架，并與鎖定錨桿焊接牢固。人工手持式YT－28手風鉆沿已形成的拱架上部與水平成15°傾角緊密貫入φ48、長4～6 m的鋼管，作用在鋼拱架和未開挖巖層的兩個支座點上形成全封閉管棚狀。鋼管貫入時應在橫向保持同一截面，縱向應達到“平、順、直”的要求。待鋼管布置完好后，用注漿機向其管內注入水泥砂漿形成實體柱，增強鋼管的剛度，使其具有更好的支撐能力承載流沙土的垂直壓力。

5.2.2 超前小導管固結灌漿支護

工藝原理:在破碎松散巖體中超前鉆孔，打入小導管并灌注具有膠凝性質的漿液，漿液在壓力的作用下呈脈狀快速滲入破碎松散巖體中，并將其中的空氣、水分排出，使松散破碎體膠結、膠化，形成具有一定強度和抗滲阻水能力的、以漿膠為骨架的固結體，從而提高圍巖的整體性、抗滲性;使超前小管棚與固結體形成一個具有一定強度的殼體，在殼體的保護下進行開挖支護施工。

花管制作:采用φ48熱軋鋼管，長4～6 m，每根管壁上每隔15 cm交錯鉆直徑為6～8 mm的孔眼，即形成花管。

漿液選型:本工程選用穩定漿液，即在水泥漿液中摻有少量穩定劑，析水率不大于5%。

花管布設:沿管棚上方縱向與水平成15°傾角打入φ48自制有孔花管，可與管棚鋼管間隔布置。

灌漿要求:采用專用注漿泵經花管向砂層內注入穩定漿液，注漿壓力為0.6～1 MPa。當注漿進漿量小于5 L/min時即可結束注漿。根據現場情況及時調整漿液的配合比，一般在注漿量較大、注漿壓力較低時，漿液的濃度應調高，膠凝時間縮短，控制漿液的擴散范圍和注漿量;在注漿量較小、注漿壓力高的場合，漿液的濃度應適當降低，膠凝時間也應適當延長，從而使漿液得到充分地擴散，保證注漿質量。發生漏漿時，通過調整漿液配合比使其濃度加大，膠凝時間縮短，并采取間隔注入的方法，可有效地將其控制住。

5.2.3 人工開挖及縱向支撐加固

待固結漿液達到一定強度后，采用人工刨或由人持風鎬將拱架下方的粉質砂土(小范圍進行清理，不宜大于0.5 m，以滿足下一步施工需要即可)開挖掉，頂拱出露后直接掛φ8@10 cm并與管棚焊接牢固，噴10～15 cm厚C20混凝土進行上半部封閉。待噴混凝土達到一定強度后按此方法進行下榀拱架施工，并及時與相鄰拱架沿縱向設φ25鋼筋連接并焊接牢固形成整體，將排距控制在0.3～0.5 m之間。以此方法向前掘進至3～5 m后再進行下步開挖處理。按此方法支撐加固在管棚出露至三分之二(根據實際情況可增長搭接長度)時，用同樣的方法貫入下排管棚，以確保管棚的連續性，有效搭接形成整體，截斷流沙土。

5.3 下半部開挖及強支護

待上半部的超前管棚及橫向、縱向加強支護及其頂部噴錨支護完全封閉后，方可進行下半部的開挖。在掘進出露第一榀拱架時停止出渣工序，將拱架與上部拱腳焊接牢固并延伸至設計開挖底板高程，及時與鎖腳錨桿焊接牢固，并按5.2.3節中所選的縱向支撐加固方法進行施工，必要時，可結合永久襯砌先澆筑2 m高的邊墻混凝土穩定拱架，防止流沙土垂直壓力擠壓產生沉降位移變形，確保支撐效果.

6 變形觀測

在開挖支護過程中，對每榀承重拱架共布設了7個變形觀測點，具體分布在腰線兩側、頂拱部位(圖1)。通過勤觀測、勤分析、勤比較，確保施工安全。

7 結語

總體來說，在流沙土的開挖支護過程中，嚴格按照科學合理的施工方案，分上下臺階施工，并遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、不爆破、強支護、快封閉、勤量測、速反饋”的施工原則進行開挖掘進。特別需要注意的是加強鋼支撐的穩定性，增強其承載能力，不斷收集變形觀測數據，通過固結灌漿，及時跟進網噴混凝土聯合進行封閉等強力技術手段，為施工安全提供有力保障。實踐證明，在寧朗水電站引水隧洞特殊地質流沙層開挖過程中，僅用了不足3個月時間，取得了完成112 m且無一安全事故發生的可喜成績。