猴子巖水電站導(dǎo)流洞泥洛堆積體段的施工方法及體會(huì)

謝亮，張巖

(國(guó)電大渡河猴子巖水電建設(shè)有限公司，四川康定 626005)

1 工程概況及地質(zhì)條件

猴子巖水電站1#、2#導(dǎo)流洞同高程布置在大渡河左岸，由進(jìn)水口、洞身段和出口明渠段組成。導(dǎo)流洞工程區(qū)巖體為志留系上統(tǒng)(S3)～泥盆系下統(tǒng)(D1)變質(zhì)灰?guī)r、絹云母石英白云片巖、泥質(zhì)結(jié)晶白云巖等，其中以泥盆系下統(tǒng)(D1)變質(zhì)灰?guī)r為主。地質(zhì)構(gòu)造以次級(jí)小斷層、擠壓破碎帶、節(jié)理裂隙為特征，無(wú)區(qū)域性斷裂通過(guò)。

導(dǎo)流洞出口位于大型泥洛堆積體下部，巖性為泥盆系下統(tǒng)薄～中厚層變質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及志留系上統(tǒng)泥質(zhì)結(jié)晶白云巖夾絹云母石英白云片巖，為強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體，層面裂隙發(fā)育，以碎裂結(jié)構(gòu)為主，總體為Ⅴ類巖體。

軟巖一般是軟弱、破碎、膨脹、流變、強(qiáng)風(fēng)化及高應(yīng)力巖體的總稱，軟巖單體飽和抗壓強(qiáng)度較低，一般小于30 MPa。根據(jù)軟巖定義的描述，綜合考慮區(qū)域巖體及地質(zhì)環(huán)境因素，導(dǎo)流洞出口穿越泥洛堆積體洞段具有突出的軟巖特性。

2 隧洞開(kāi)挖

軟巖地質(zhì)條件下開(kāi)挖隧洞，特別是大斷面、長(zhǎng)隧洞，施工難度大，容易造成塌方，而且工程造價(jià)高，工期長(zhǎng)，一直是隧洞工程施工中的一個(gè)難點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，軟巖地層中已建的地下工程幾乎都發(fā)生過(guò)不同程度的塌方事故，造成人員傷亡、設(shè)備損壞、工期延長(zhǎng)、投資增加。既使在堅(jiān)硬巖石地層中開(kāi)挖隧洞，如果遇到斷層破碎帶等局部軟弱地層，再加上施工方法不當(dāng)，同樣會(huì)造成較大塌方。

2.1 施工方法

該工程導(dǎo)流洞出口位于泥洛堆積體下部，開(kāi)挖斷面大、距離長(zhǎng)(共約400 m)，采用新奧法施工。新奧法施工的基本理念為“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”。由于圍巖自穩(wěn)能力差，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺宜用短進(jìn)尺，支護(hù)緊跟掌子面，以縮短圍巖應(yīng)力松弛時(shí)間及開(kāi)挖面暴露時(shí)間;隧洞開(kāi)挖時(shí)，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，使隧洞成型盡量符合設(shè)計(jì)要求;對(duì)于不良地質(zhì)洞段，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，使圍巖變形得到有效控制而不會(huì)因變形過(guò)大出現(xiàn)塌方;在隧洞施工全過(guò)程中，對(duì)圍巖周邊位移進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)臨近量測(cè)并及時(shí)反饋用以修正設(shè)計(jì)參數(shù)，指導(dǎo)施工或改變施工方法。

導(dǎo)流洞出口開(kāi)挖時(shí)采取分層、分區(qū)開(kāi)挖的方法(圖1)。第Ⅰ層開(kāi)挖采用核心土法施工，即先進(jìn)行中部頂拱開(kāi)挖支護(hù)，后進(jìn)行兩側(cè)邊拱擴(kuò)挖及支護(hù)。頂拱及兩側(cè)邊拱采用液壓鉆鉆孔開(kāi)挖，中部核心土采取水平鉆孔開(kāi)挖。第Ⅱ?qū)又胁坎捎美巯刃小蓚?cè)保護(hù)層光爆擴(kuò)挖跟進(jìn)的方式。第Ⅲ層保護(hù)層開(kāi)挖采用手風(fēng)鉆，難點(diǎn)是周邊孔造孔角度的控制。

2.2 爆破設(shè)計(jì)

第Ⅰ層開(kāi)挖爆破設(shè)計(jì):Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段開(kāi)挖采用液壓鉆鉆孔，設(shè)計(jì)鉆爆循環(huán)進(jìn)尺1.5 m，鉆孔深度1.8 m。中部頂拱開(kāi)挖面積為22 m2，共布置80個(gè)炮孔，其中光爆孔18個(gè)，崩落孔12個(gè)，楔形掏槽孔6個(gè);兩側(cè)開(kāi)挖面積40 m2，共布置64個(gè)炮孔，其中光爆孔36個(gè)，崩落孔16個(gè)，掏槽孔12個(gè);核心土區(qū)部分開(kāi)挖面積27 m2，共布置55個(gè)炮孔，全部為崩落孔。

圖1 導(dǎo)流洞分層、分區(qū)開(kāi)挖示意圖

第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖爆破設(shè)計(jì):中部拉槽采用垂直布設(shè)炮孔，梯段爆破，孔徑100 mm，梯段高度7.15 m，孔間距1.8～2 m，孔排距1.6～1.8 m，預(yù)留保護(hù)層邊界處加密孔距至1～1.2 m。邊墻保護(hù)層開(kāi)挖采用垂直布孔，QJZ-100B 型地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，孔徑100 mm 和76 mm，鉆孔深度7.45 m。光爆孔間距80～100 cm，主爆孔間距170～190 cm。

第Ⅲ層開(kāi)挖爆破設(shè)計(jì):第Ⅲ層開(kāi)挖采用水平布孔，孔徑45 mm，YT28氣腿鉆鉆孔，鉆孔深度3.3 m。光爆孔間距40～50 cm，主爆孔間距80～100 cm。

3 隧洞支護(hù)

3.1 系統(tǒng)支護(hù)

泥洛堆積體下部軟巖洞段斷層裂隙發(fā)育、自穩(wěn)能力極差且地下水發(fā)育，大部分為Ⅴ類圍巖。支護(hù)體系由系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、鋼支撐組成，見(jiàn)圖2。

圖2 導(dǎo)流洞支護(hù)系統(tǒng)布置圖

3.2 超前小導(dǎo)管注漿

小導(dǎo)管采用鋼管，管徑42 mm，管長(zhǎng)為4 m，其注漿孔用鉆床成孔，尾部加焊φ6管箍;導(dǎo)管孔鉆打前進(jìn)行孔位測(cè)量放樣，孔位測(cè)量做到位置準(zhǔn)確，鉆孔按放樣進(jìn)行并設(shè)方向架控制鉆孔方位，使孔位外插角度符合設(shè)計(jì)要求。鉆孔完成后，用高壓風(fēng)、水清洗，吹干凈孔內(nèi)砂塵、積水，所有鉆孔完成后均要進(jìn)行檢驗(yàn)。

主洞頂拱縱向開(kāi)挖輪廓線向外以10°的外插角鉆孔，將小導(dǎo)管打入巖層，小導(dǎo)管環(huán)向間距宜為30 cm。縱向前后相鄰排導(dǎo)管搭接水平投影長(zhǎng)度為2 m。主洞需要打超前小導(dǎo)管洞段則根據(jù)所開(kāi)挖的圍巖類型以及地質(zhì)情況而定。

注漿前，先噴混凝土封閉掌子面以防漏漿，對(duì)于強(qiáng)行打入的鋼管先沖洗管內(nèi)的積物，然后再注漿。注漿順序由下向上進(jìn)行，漿液用拌和機(jī)攪拌。

超前小導(dǎo)管施工工藝見(jiàn)圖3。

圖3 小導(dǎo)管施工工藝框圖

4 大管棚施工

4.1 管棚施工方案

由于導(dǎo)流洞出口段位于泥洛堆積體下部，巖體松散破碎，為薄層、強(qiáng)風(fēng)化狀，層理發(fā)育并充填有大量粘土。從開(kāi)挖出露狀況看，巖石傾角較緩，巖體松散破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，自穩(wěn)能力極差。針對(duì)出口段地質(zhì)情況，在出口段20 m 長(zhǎng)洞段頂拱范圍采用大管棚超前支護(hù)，洞內(nèi)開(kāi)挖及時(shí)采用工字鋼支撐加強(qiáng)支護(hù)。

在導(dǎo)流洞出口開(kāi)挖輪廓線采用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(jié)的一種超前支護(hù)形式，管棚采用φ108無(wú)縫鋼管，壁厚6 mm，沿拱頂范圍內(nèi)布置，外插角為1°;采用φ146偏心鉆具帶動(dòng)導(dǎo)管鉆進(jìn)，導(dǎo)管前端戴管靴導(dǎo)住偏心鉆具，導(dǎo)管隨鉆具直接跟進(jìn)。鋼管前端焊接鋼箍止?jié){環(huán)，以防孔口漏漿。管棚長(zhǎng)20 m，環(huán)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，管棚布置情況見(jiàn)圖4。

圖4 管棚布置示意圖

4.2 邊墻邁式錨桿施工

由于出口段巖體松散破碎，為了進(jìn)洞安全，沿邊墻采用φ28邁式錨桿超前支護(hù)，L=6 m，入巖5.5 m，間排距1.5 m。上半洞開(kāi)挖及時(shí)采用20#工字鋼支撐，間距為0.5 m，上半洞左右邊墻各設(shè)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(huán)距1 m。

5 信息化施工技術(shù)

5.1 施工期的監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)是軟巖隧洞新奧法施工的靈魂，是確保工程安全、減少塌方、避免各種安全事故的關(guān)鍵措施，體現(xiàn)了現(xiàn)代隧洞信息化施工的理念。猴子巖水電站導(dǎo)流洞是把監(jiān)控量測(cè)貫穿于施工的全過(guò)程，并加強(qiáng)了信息化處理和傳輸，從而保證了施工安全。

施工期收斂監(jiān)測(cè)能及時(shí)有效的判斷洞室的安全與穩(wěn)定，提供洞內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，避免盲目開(kāi)挖給工程造成巨大損失，使洞挖安全處于受控狀態(tài)。

根據(jù)導(dǎo)流洞洞身的地質(zhì)條件，在斷層出露及典型斷面處布置監(jiān)控?cái)嗝妫?#、2#導(dǎo)流洞各布置12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)位布置情況見(jiàn)圖5。

圖5 監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)位布置圖

以2#導(dǎo)流洞(1+975)斷面為例(圖6)，2009年8月18日～2009年9月24日期間收斂變形觀測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有出現(xiàn)大的變化，表明圍巖收斂變形已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，不存在塌方的可能性，可以進(jìn)行永久襯砌施工。

圖6 收斂變形觀測(cè)曲線圖

5.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

隧洞施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在隧洞開(kāi)挖時(shí)對(duì)掌子面前方的圍巖與地質(zhì)情況做出超前預(yù)報(bào)，為下一步施工提供指導(dǎo)。本工程圍巖地質(zhì)條件極為復(fù)雜，采用地球物理法和地質(zhì)分析法結(jié)合的分析方法，獲得了準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

雖然隧洞圍巖基本為白云質(zhì)灰?guī)r及變質(zhì)灰?guī)r，但巖性及構(gòu)造條件不均一，隨著開(kāi)挖進(jìn)程的推進(jìn)，圍巖類別變化很大。地質(zhì)預(yù)報(bào)就是根據(jù)掌子面地質(zhì)情況推斷前方的圍巖類別，用以指導(dǎo)施工單位選用適宜的支護(hù)型式及參數(shù)。施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件及時(shí)調(diào)整施工方法及臨時(shí)支護(hù)措施，避免出現(xiàn)大面積塌方事故。

當(dāng)預(yù)報(bào)前方圍巖存在不良地質(zhì)現(xiàn)象:

(1)受大斷層、結(jié)構(gòu)面不利結(jié)構(gòu)組合影響，存在楔型失穩(wěn)體及掉塊地質(zhì)問(wèn)題;

(2)特別軟弱巖石，如煤層、泥化夾層;

(3)大規(guī)模松散堆積體;

(4)強(qiáng)卸荷、強(qiáng)風(fēng)化巖體;

(5)地下水特別發(fā)育，有涌水的可能性。

當(dāng)遇到上述特殊地質(zhì)條件時(shí)，施工單位應(yīng)及時(shí)反饋，由現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查圍巖地質(zhì)情況，必要時(shí)施工超前探孔或?qū)Ф矗M(jìn)一步揭露前方地質(zhì)情況，經(jīng)“四方”共同研究支護(hù)措施，采取系統(tǒng)或超前支護(hù)手段進(jìn)行處理。

6 結(jié)語(yǔ)

猴子巖水電站導(dǎo)流隧洞出口穿越大型泥洛堆積體軟巖洞段，地質(zhì)條件惡劣，施工難度極大。由于采用了科學(xué)、合理的施工方法，利用信息化技術(shù)手段，高效、安全地通過(guò)了這一不良地質(zhì)洞段，避免了重大地質(zhì)災(zāi)害事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了成功分流的目標(biāo)，并經(jīng)受住了汛期超標(biāo)準(zhǔn)洪水的考驗(yàn)。對(duì)于大斷面、長(zhǎng)隧洞穿越軟巖地質(zhì)洞段，通過(guò)本工程的實(shí)踐，積累了以下經(jīng)驗(yàn)體會(huì):

(1)大斷面軟巖隧洞開(kāi)挖采用分層分區(qū)、光面爆破技術(shù)，減小了對(duì)圍巖的擾動(dòng)和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的破壞，有效地控制了超挖及塌方的可能性，是科學(xué)、合理的施工方法。

(2)在巖體極為破碎、地下水發(fā)育的地質(zhì)條件下，采用超前小導(dǎo)管注漿，有效地阻截了滲水通道，同時(shí)保證了施工期間安全，避免了后期支護(hù)工效降低。

(3)大管棚進(jìn)洞方案有效地消除了洞室冒頂、塌方及圍巖變形，保證了進(jìn)口邊坡的穩(wěn)定。

(4)地下工程開(kāi)挖不確定因素眾多，加之巖體強(qiáng)度低，開(kāi)挖后因卸荷作用巖體很快失穩(wěn)，采用安全監(jiān)測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等信息化手段指導(dǎo)工程施工，可以避免圍巖條件的不確定性，并掌握其變化規(guī)律，是實(shí)用、有效的方法。

［1］楊玉銀，段建軍.周邊密空孔鉆爆法在軟質(zhì)圍巖隧洞開(kāi)挖中的應(yīng)用［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2000，17(2):60～62.

［2］周春國(guó)，字繼權(quán)，光恒.構(gòu)皮灘水電站尾水隧洞特大斷面軟巖開(kāi)挖支護(hù)［J］.貴州水力發(fā)電，2006，20(3):34～36.

［3］水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范，SL279-2002［S］.