猴子巖水電站淺埋偏壓泥洛堆積體隧洞施工技術

柳瑩全

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 概述

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣孔玉鄉，是大渡河干流水電規劃“三庫22級”中的第9級電站。壩址控制流域面積約54036 km2，多年平均流量774 m3/s。水庫正常蓄水位高程1842 m，電站裝機容量1700 MW，單獨運行時年發電量為69.964億kW·h。

猴子巖水電站樞紐建筑物由面板堆石壩、泄洪洞、放空洞、發電廠房、引水及尾水建筑物等組成。大壩為面板堆石壩，壩頂高程1848.5 m，河床趾板建基面高程1625 m，最大壩高223.5 m。引水發電建筑物由進水口、壓力管道、主廠房、副廠房、主變室、開關站、尾水調壓室、尾水洞及尾水塔等組成，采用“單機單管供水”及“兩機一室一洞”的布置方式。

猴子巖水電站工程初期導流采用斷流圍堰擋水、隧洞導流的導流方式。兩條導流洞斷面尺寸均為13 m×15 m(城門洞型，寬×高)，同高程布置在左岸，進口底板高程1698 m，出口底板高程1693 m。1#導流洞與2#泄洪洞結合布置(1#導流洞后期改建為2#泄洪洞)，出口布置在下游圍堰和泥洛堆積體之間。2#導流洞為避免大量開挖泥洛堆積體，將出口布置在泥洛堆積體中部(船頭小學對岸)基巖出露處。

2 淺埋偏壓泥洛堆積體段的工程地質條件

猴子巖水電站2#導流洞出口為淺埋偏壓泥洛堆積體地段。該堆積體地段長229.238 m(K1+750～K1+979.238)，洞內由S10°29'42″W 轉為S42°0'0″W。此段巖性為志留系上統的泥質結晶白云巖、絹云母石英白云片巖夾變質灰巖，V 類圍巖弱風化～強風化、強卸荷巖體，巖層產狀以N50°～60°E/NW∠30°～50°為主，局部褶曲明顯，產狀變化較大，段內發育數條小規模的層間擠壓帶，帶寬為0.3～0.5 m，由碎裂巖、白云片巖等組成，以層面裂隙發育為主，其它隨機裂隙亦發育。受志留系地層巖性較軟控制以及風化、卸荷和裂隙發育影響，圍巖呈碎裂結構，地下水不發育，以干燥為主，局部潮濕～滲、滴水。

3 施工特點及難點

(1)開挖斷面大:此段開挖斷面為15.5 m×17.25 m，城門洞型。

(2)地質條件復雜:此段穿越泥洛堆積體，隧洞圍巖節理、裂隙發育、松散且右側淺埋偏壓，隧洞拱肩至拱頂易傾倒、折斷、坍塌。采用新奧法與預留核心土法進行隧洞施工成為施工控制的難點。

(3)成洞條件差:開洞時，必須平衡洞口段的側壓力并解決偏壓問題。采用大管棚固結進洞成為施工控制的難點。

4 采用的主要施工方法與對策

4.1 新奧法與預留核心土法進行隧洞施工

4.1.1 分層施工

該段圍巖洞段采用新奧法與預留核心土法分三層施工(圖1)。

第Ⅰ層。首先進行中部頂拱的開挖支護，隨后進行兩側邊拱的擴挖及支護。頂拱及兩側邊拱采用YT28手風鉆鉆孔開挖，中部核心土采用水平鉆孔開挖，部分洞段根據實際地質情況采取核心土法垂直鉆孔兩次梯段開挖完成，以減少開挖爆破的擾動。

第Ⅱ、Ⅲ層采用手風鉆配合液壓鉆打豎直孔小梯段開挖，中部拉槽，側墻保護層采用100B 潛孔鉆打豎直孔小梯段爆破，以減少每次的開挖作業時間，盡快形成邊墻支護體系，確保邊墻開挖穩定。

圖1 開挖分層圖

4.1.2 爆破設計

(1)第Ⅰ層開挖鉆爆設計。

第Ⅰ層洞段開挖采用Y28手風鉆鉆孔，設計鉆爆循環進尺1.5 m，鉆孔深度1.8 m。中部頂拱開挖面積22 m2，共布置80個炮孔，其中光爆孔18個，崩落孔12個，楔形掏槽孔6個;兩側開挖面積40 m2，共布置64個炮孔，其中光爆孔36個，崩落孔16個，掏槽孔12個;核心土區部分開挖面積為27 m2，共布置55個炮孔，全部為崩落孔。

(2)第Ⅱ層開挖鉆爆設計。

第Ⅱ層中部拉槽采用垂直布設炮孔，梯段爆破，孔徑為φ100，梯段高度7.15 m，孔間距1.8～2 m，孔排距1.6～1.8 m，預留保護層邊界處加密孔距至1～1.2 m;第Ⅱ層邊墻保護層開挖采用垂直布孔，QJZ-100B 型地質鉆機鉆孔，孔徑φ100和φ76，鉆孔深度為7.45 m。光爆孔間距80～100 cm，主爆孔間距170～190 cm。

(3)第Ⅲ層開挖爆破設計。

第Ⅲ層開挖采用水平布孔，孔徑45 mm，YT28氣腿鉆鉆孔，鉆孔深3.3 m。光爆孔間距40～50 cm，主爆孔間距80～100 cm。

4.2 大管棚固結進洞施工方案

出口段20 m 長洞段頂拱范圍采用大管棚超前支護，具體管棚施工方式如下:

采用在2#導流洞出口開挖輪廓線以一定的外插角鉆孔，打入帶花孔的管棚，然后注入水泥漿充分填充空隙并使之固結的超前支護形式，管棚采用φ108無縫鋼管，壁厚6 mm，沿拱頂范圍內布置，外插角為1°;跟管:采用φ146偏心鉆具帶動導管鉆進，導管前端戴管靴以導住偏心鉆具，導管隨鉆具直接跟進。在鋼管前端焊接鋼箍止漿環，以防孔口漏漿。管棚長20 m，環向間距50 cm;管棚壁鉆φ20注漿孔，注漿孔縱向間距為30 cm，梅花型布置。

在已測好管棚孔位控制點的基礎上進行施工平臺的搭設，平臺搭設采用φ48鋼管搭設滿堂架，加斜撐支撐;水平間距1.5 m，層距1.5 m，寬度不小于4 m。搭設的管架平臺必須穩定牢固，滿足施工承載要求，確保施工安全。

4.2.1 管棚施工方法

采用地質鉆機，按設計開挖線沿拱頂范圍內以1°向外傾斜鉆孔，由人工在綜合加工廠制作預制成型的φ108無縫鋼管，采用KBY-80/70注漿機注漿(水泥采用525普通硅酸鹽水泥)，其中水泥漿水灰比為1.5∶1、1∶1、0.8∶1三個等級，水泥漿由稀到濃逐級變換，即先注入稀漿，然后逐級變濃至0.8∶1的水灰比為止，注漿壓力為0.5～1 MPa，噴混凝土厚10 cm，封掌子面。

4.2.2 管棚施工工藝流程

施工準備(場地平整、施工平臺架設)→鉆孔就位(校正角度)→上鉆具和套管→鉆進→退鉆桿和鉆具→安裝鋼筋拱架→封閉管尾→注漿施工。

(1)管棚注漿施工工藝框圖見圖2。

(2)管棚施工工藝說明。

①施工準備。

首先，在洞口開挖時預留管棚鉆機工作平臺，在管棚起始端設防護墻，防止漿液溢出。防護墻要有足夠的抵抗注漿壓力的厚度，采用噴混凝土防護。

②管棚定位。

上抬量:在實際施工中，水平鉆孔的彎曲變形是難以避免的，為此，給以適當的上抬量(25～30 cm)和上抬角度以防止其侵入設計斷面。

上抬角度:上抬角度的設置除考慮防止管棚侵入設計斷面外，還應考慮到管棚鉆機工作所需的空間。因此，上抬角度的設置與鉆入深度有關。

放線定位:在充分考慮到上抬量和上抬角度后，正確算出各鉆孔孔口的位置，利用測量儀器定出鉆孔的位置和傾角。

圖2 大管棚施工工藝流程圖

③管棚施工。

鉆孔:利用管棚鉆機液壓旋轉推進鉆孔到設計深度，每鉆入一節，續接下一節鉆桿。

鉆進方法:開孔時，用釬頭緊貼巖面低壓沖擊，平穩緩慢推進;正常鉆進時，Pf=1～2 kN。

轉速:正常鉆進:n ≯90 r/min;風量為11～13 m3/min。

跟管、拔管施工:

跟管:采用φ146偏心鉆具帶動導管鉆進，導管前端戴管靴以導住偏心鉆具，導管跟鉆具直接跟進。

拔管:拔管采用專用拔管千斤頂及油泵，先將千斤頂的底板置于巖面，用卡瓦卡住導管及千斤頂頂板再升動油泵、千斤頂，導管隨著千斤頂的升降一節一節的拔出。

清孔:利用高壓水、風將孔內余渣清理干凈，以防塞管時卡管。

裝入鋼管:鋼管采用套管連接，相鄰鋼管接頭錯開1 m 以上。

④堵孔止漿。

堵孔質量的好壞直接關系到注漿效果。堵孔包括鋼管自身的封堵和鋼管與孔壁之間空隙的封堵。

在鋼管最外端1.5 m 范圍內不設置注漿孔，孔口用厚3～5 mm 鋼板封堵，在鋼板上鑿孔并焊接與注漿管等直徑的小導管進行封堵。鋼管與孔壁間空隙的封堵利用自制工具將早強水泥砂漿塞入孔口進行封堵，封堵材料裝入孔內的長度不小于1 m，確保封堵質量(圖3)。

圖3 管棚注漿封堵示意圖

高壓注漿:用注漿泵將漿液壓入孔內，通過注漿孔加固圍巖。

4.2.3 邊墻自進式錨桿施工

由于出口段巖體松散破碎，為保證進洞安全，我部沿邊墻采用φ28自進式錨桿進行超前支護，L=6 m，入巖5.5 m，間排距1.5 m。其余支護按設計藍圖系統支護，即:頂拱系統錨桿φ32，L=9 m，邊墻系統錨桿φ28，L=6 m，間排距1.5 m(拱肩加密間排距1 m)。

上半洞開挖及時采用20#工字鋼支撐，間距為0.5 m，上半洞左右邊墻各設6根φ28鎖腳錨桿(L=6 m，入巖5.5 m)，鋼支撐采用φ25螺紋鋼筋連接，環距1 m。

4.2.4 管棚段開挖

在進洞口6 m 采用先頂拱開挖，然后及時安裝頂拱鋼支撐的方法;后下層開挖及時下接鋼支撐的方法;進洞6 m 以后采用上半洞全斷面開挖;每循環開挖，進尺控制在3 m 以內。

5 施工質量保證措施

5.1 現場爆破試驗是保證開挖質量的前提

進行現場爆破試驗的目的:調整和優化爆破參數，確定在開挖區段內不同地質條件下的各項爆破參數，為開挖爆破設計提供最佳設計依據，以提高爆破效果，保證開挖質量。調整與爆破有關的參數，不斷優化爆破設計，改進施工方法和安全措施，通過試驗不斷收集、整理試驗所得的各項數據資料，以最優的爆破參數指導后續爆破設計，提高爆破開挖的施工進度、經濟指標和安全指數。

5.2 超前地質勘探工作的重要性

為查清地下洞室中尚未開挖巖體的地質情況，在監理工程師指定或批準的掌子面鉆設勘探孔或勘探洞。根據鉆探獲得的地質資料，及時調整爆破參數，以保證開挖質量，確保安全。

5.3 “新奧法”理論的應用

按“新奧法”理論進行隧洞施工，觀測和掌握圍巖的變形發展情況，選擇合理的支護時機并判斷支護的實際效果，充分利用巖石自身的承載能力。

5.4 精確測量放樣，保證設計開挖輪廓

使用質量優良的測量設備，確保各施工控制點布控準確無誤。鉆孔孔位應依據測量定出的中線、腰線及開挖輪廓線確定;周邊孔應在斷面輪廓線上開孔，沿輪廓線的調整范圍和掏槽孔的孔位偏差不應大于5 cm，其它炮孔孔位的偏差不得大于10 cm;炮孔的孔底應落在爆破圖規定的平面上。

5.5 優化技術措施，提高作業人員的技能

優化技術措施，提高作業人員的技能:嚴格按爆破設計進行鉆孔、裝藥;將孔深、孔斜控制在允許的范圍之內，炮孔經檢查合格后方可裝藥爆破。炮孔的裝藥、堵塞和引爆線路的聯結應由經考核合格的炮工負責，并嚴格按爆破圖的規定進行。

6 安全保證措施

6.1 強化安全意識、制定全面合理的安全措施

建立健全隧洞施工安全管理制度、強化安全意識、制定全面合理的安全措施。加強施工安全管理，合理安排工序進度和關鍵工序的作業環節，組織均衡生產，及時解決生產中進度與安全的矛盾，統一指揮，避免忙亂中出差錯，或因搶工程進度忽視安全而發生事故;洞挖施工必須遵守有關施工規范、安全技術規范、安全規程等。

6.2 加強圍巖變形監測，發現險情，及時處理

加強圍巖變形監測，發現險情，及時處理:隧洞開挖前的地質調查工作很難提供很準確的地質資料，隧洞施工過程中，應通過目測與量測相結合的手段監視圍巖和支護的穩定性。監測內容包括:圍巖的巖質和分布、節理裂隙發育程度和方向，接觸面填充物的性質、狀態，涌水量和涌水壓力，隧洞頂部、側部的穩定狀態等;對于開挖后已支護的洞段，監測內容應包括:錨桿是否被拉斷、噴射混凝土層是否有裂隙、剝離和剪切破壞、鋼架有無壓屈變形等。監測過程中，特別注意圍巖危險較大的破壞狀態和可能引起塌方事故的破壞狀態。當圍巖變形無明顯減緩，或噴混凝土層產生較大剪切破壞時，立即停止開挖施工，及時采取輔助施工方法加固圍巖。

6.3 洞口段施工應采取的安全措施

洞口施工前，必須根據洞口附近的地形、工程地質、水文地質、環境條件等情況，預估可能發生的各種危險及對環境的影響，制定保障洞口段施工安全的技術措施。洞口段開挖之前，一般應采用加設錨桿、鋼筋網、護坡和噴射混凝土等措施進行加固。當有坍塌可能時，應先安設長錨桿或管棚等預支護，在輔助施工設施防護下開挖，以確保隧洞洞口加固段施工的安全。

7 結語

2#導流洞出口泥洛堆積體段采取核心土法進行施工，垂直鉆孔、兩次梯段開挖完成，成功地減少了開挖爆破擾動。第Ⅱ、Ⅲ層根據現場地質情況采用了手風鉆配合液壓鉆打豎直孔小梯段開挖，中部拉槽的施工方法;側墻保護層采用100B潛孔鉆打豎直孔小梯段爆破，減少了每次開挖作業的時間，及時形成了邊墻支護體系，確保了邊墻開挖穩定。洞口段采用大管棚固結進洞方案，成功平衡了洞口段的側壓力，解決了偏壓問題。