金元水電站引水隧洞F25斷層變形原因及控制技術

【摘 要】通過介紹金元水電站引水隧洞高地應力軟弱千枚巖地層的圍巖特性、變形規律、開挖、支護施工過程中采用的抑制千枚巖變形技術措施，為今后類似工程的施工提供可借鑒經驗。

【關鍵詞】斷層、千枚巖、變形、措施

1 工程簡介

金元水電站位于四川省甘孜藏族自治州的康定縣境內、大渡河左岸支流金湯河干流中游，為金湯河干流梯級開發的第二水電站，引水式開發。壩址位于康定縣捧塔鄉的下關門石，距金湯河河口沿河公路里程約40Km。

金元水電站為Ⅲ等中型工程，以發電為主，兼顧生態環境用水。總庫容11.3萬立方米，裝機容量12萬千瓦。樞紐建筑物由混凝土閘壩、岸塔式進水口、左岸引水隧洞、左岸地面廠房、鐘鼓樓溝調水建筑物及公地溝調水建筑物等組成。

引水隧洞位于金湯河左岸，全長11KM，穿越段為泥盆系中統上段，上部為灰白色~灰色厚層含生物骨屑細晶灰巖，夾深灰色千枚巖；中下部為灰色~淺灰色中厚層含生物粒屑微~細晶灰巖、含粒屑白云巖、微~細晶白云巖與薄層泥質灰巖、泥灰巖夾千枚巖不等厚互層，巖層于洞軸線夾角50度左右。引水隧洞埋深90~880米，穿越的圍巖局部穩定性差。

為加快施工進度，采用長隧短打，全洞共增設7個支洞，F25斷層位于3 #支洞上游引5+769~5+899段。斷層寬度約130米，圍巖主要以千枚巖為主，根據開挖揭露情況看，圍巖為薄~中層灰黑色碳質灰巖、泥質炭質千枚巖不等厚互層，層理極其發育。受構造影響，巖層扭曲變形嚴重，擦痕、磨光鏡面極其發育，局部層間方解石條帶及團塊發育，層間結合力差。F25斷層為擠壓性斷層，由于斷層內物質擠壓緊密，屬于阻水斷層，施工中未見滲水。掌子面可見千枚巖呈薄片狀、散土狀，走向與洞軸線夾角50~80度左右，巖石極其軟弱，手撥出現掉塊，手捏呈粉末狀，經風鉆用水浸泡后變為黑色淤泥，極易坍塌變形。經分析認定本段屬于高地應力、軟弱圍巖地段。

設計洞室斷面為馬蹄形結構，開挖底寬4.2米，開挖高度5.3米。初期支護采用I18工字鋼拱架、∮8鋼筋網片、∮25砂漿錨桿（L=3米）結合噴射混凝土支護，鋼拱架間距1.2米。設計初期未對洞室底部采取任何加固措施，這是造成下沉變形嚴重的一個重要原因。設計開挖支護圖如下：

2 施工期間圍巖變形情況及原因

2.1 圍巖變形情況

引水隧洞采用全斷面一次成型光面爆破技術，使用電雷管引爆，毫秒微差雷管起爆， 2 #巖石乳化炸藥，每循環裝藥70kg左右，每炮進尺2.0~2.4米。初期支護鋼支撐及掛網錨噴及時跟進。

開挖進入斷層帶后，掌子面圍巖極不穩定，拱頂、左邊墻掉塊、坍塌現象逐漸增多。2010年5月12日，開挖至引5+782時，發現引5+778~5+858段出現初期支護變形，噴射混凝土嚴重開裂、破損，初期支護型鋼鋼架扭曲變形，局部出現彎折。主要表現在左側拱腳和拱頂部位，拱頂表現為初期支護噴混凝土開裂、脫皮、掉塊，拱腳、拱腰主要表現為噴混凝土開裂壓潰，部分地方鋼架內鼓，鋼架發生扭曲，其中引5+779~5+799段尤其嚴重。

從監控量測資料看，本段初期支護完成后，水平收斂值為5~24mm/d，且變形每天都在繼續，沒有趨于穩定的跡象。在5月初為抑制變形，對引5+779~5+799段進行了底板換填處理，換填施工期間由于鋼支撐拱腳懸空，造成變形急劇增大，水平收斂值增大到120~170mm/d，最大處累計水平收斂達950mm，拱頂下沉達350mm。

2.2 圍巖變形原因分析

隧洞圍巖發生大變形的原因很復雜，它與地質構造及地層特征、圍巖特性、初始應力及開挖后圍巖二次應力、開挖方式、斷面形狀、設計支護參數等因素有關。綜合分析本隧洞的特點，造成大變形的主要原因有以下幾點：

（1）F25斷層埋深400米左右，圍巖以千枚巖為主，屬于深埋高應力條件下的軟弱圍巖擠壓變形。變形速度初期較小，隨著世間的推移會逐漸增大。當變形達到15mm時噴射混凝土開始出現開裂。

（2）設計初期支護強度和剛度不足也是F25斷層發生大變形的重要原因，尤其是設計鋼拱架沒有閉合成環，大大削弱了鋼拱架的抵抗能力。F25斷層以千枚巖為主，擠壓緊密，且處于無水狀況下，具有短期的自穩能力，開挖后掌子面在一定時期內處于穩定狀態。完成初期支護后，隨著時間推移圍巖將會持續不斷的發生變形，擠壓直至破壞初期支護體系。

（3）開挖方式不當也是造成F25斷層發生大變形的一個原因。引水隧洞采用鉆爆法施工，全斷面一次成型，由于開挖后掌子面