金家壩水電站引水隧洞地質(zhì)塌方處理方案分析

王 娟 李遠征 王 立

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016）

金家壩水電站位于重慶市酉陽縣雙河鎮(zhèn)官清鄉(xiāng)、小河鄉(xiāng)境內(nèi)，為甘龍河流域水電規(guī)劃梯級電站的第三級。壩址位于烏江的支流甘龍河下游，引水隧洞由官清鄉(xiāng)至小河鄉(xiāng)，電站廠房位于小河鄉(xiāng)下游的甘龍河左岸。工程規(guī)模為大（2）型，由攔河壩、岸坡溢洪道、引水隧洞和發(fā)電廠房組成，總庫容1.58×104m3，正常蓄水位445m，電站裝機容量為3×22MW，多年平均發(fā)電量 2.12×104kW·h，引水隧洞全長7.142km，埋深35～600m，工程任務以發(fā)電為主，兼有旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益。

1 概 況

1.1 塌方過程

2011年9月27日晚，水輪發(fā)電機組在運行過程中水壓及負荷突降，立即作停機處理后發(fā)現(xiàn)廠房尾水渠水流發(fā)黑，同時關(guān)閉了進水口閘室段鋼閘門、關(guān)閉水輪機進水主閥。隨后兩次組織檢查人員從進水口及3#洞檢修門分別進洞探查，引水隧洞發(fā)生兩段地質(zhì)塌方，分別為：隧洞樁號引3+880m～引3+887m段洞頂局部掉塊，塌方長度約7m，塌方高度約3m；隧洞樁號引5+077.6m～引5+109.6m段洞頂塌方，塌方長度約32m，塌方寬度約23m，最大塌方高度約30m。

1.2 塌方段地質(zhì)條件

隧洞樁號引5+077.6m～引5+109.6m段洞頂塌方，圍巖巖性為厚層狀灰?guī)r、含瀝青質(zhì)結(jié)核灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，泥質(zhì)灰?guī)r中夾3～5層黑色頁巖，灰?guī)r、含瀝青質(zhì)結(jié)核灰?guī)r為硬質(zhì)巖，巖石呈微風化狀態(tài)，單軸飽和抗壓強度50MPa～60MPa，圍巖自穩(wěn)能力強，其單位彈性抗力系數(shù)K0=6.0～8.0GPa/m，圍巖類別為Ⅱ類；泥質(zhì)灰?guī)r夾3～5層黑色頁巖，泥質(zhì)隱晶結(jié)構(gòu)，頁理發(fā)育，為軟質(zhì)巖，層厚度2.5～4.0m，黑色頁巖單層厚度約為5cm，軟化系數(shù)小，飽水后呈泥狀，圍巖自穩(wěn)能力極差。綜合單軸飽和抗壓強度小于15MPa，其單位彈性抗力系數(shù)K0=1.5～2.0GPa/m，圍巖類別為Ⅳ類。隧洞上覆巖體厚度大于3倍洞徑。

2 塌方處理方案

經(jīng)過多方論證，項目部決定采用管棚方案進行塌方事故處理。

2.1 方案設計

管棚方案實施前首先對下游K5+104處變形巖體進行處理，采用錨噴支護形式加固，并澆筑鎖口混凝土，通過鋪設固結(jié)灌漿管對堆渣體進行固結(jié)灌漿固化。在混凝土回填施工過程中預留一個φ80cm 通往堆渣體頂部的觀察孔（兼具后期混凝土通道），方便后期人員進入塌腔內(nèi)部觀察圍巖變化情況。

施工程序為：變形段作業(yè)面清理→變形段素噴混凝土（10cm）→變形段錨桿施工→鎖口混凝土澆筑→堆渣體固結(jié)灌漿。

管棚施工根據(jù)現(xiàn)場情況分全長管棚法和分段管棚法。全長管棚法在管棚管造孔前根據(jù)需要完成導向墻C25混凝土澆筑，在洞頂180°范圍內(nèi)布置單排管棚，中心線為R≥4.3m的圓弧上，管間中心距約40～50cm，管體傾角3°～10°，單根長度約23m；當采用分段管棚法施工時，單根長度約6～9m，洞軸線方向排距4.5m，每排管棚搭接距離為1.5m。管棚以φ108mm無縫鋼管加工而成，壁厚6～10mm，管體四周鉆φ16mm 出漿孔，每斷面2孔，造孔斷面間距50cm，梅花型布置，管內(nèi)設內(nèi)徑φ25mm灌漿鋼管和內(nèi)徑φ20mm回漿鋼管，灌漿管距離孔底1.5m，回漿管距離孔底0.5～1.0m，漿液使用M30水泥砂漿或水泥凈漿。

圖1 管棚布置及管體結(jié)構(gòu)設計圖

開挖半徑R=4.2m，保證后期襯砌混凝土厚度為1.0m。型鋼拱架采用20a工字鋼，中心線半徑R=4.1m，單榀長度依據(jù)實際開挖情況確定，間距50cm/榀，型鋼拱架之間設置φ25 縱向鋼筋連接，焊接固定，鋼筋網(wǎng)采用φ6.5 鋼筋加工，網(wǎng)格10cm×10cm，噴射混凝土采用C25，厚度20cm。根據(jù)實際情況型鋼拱架鎖腳錨桿可采用直徑φ32mm，長度L=3.0m 的自鉆式錨桿。

考慮到管棚受現(xiàn)場施工條件有可能不能全部實施，作為補充措施，開挖支護過程中可在側(cè)壁增設φ42 小導管注漿，注漿孔每30cm 兩孔，直徑10mm，梅花型布置，采用無縫鋼管加工。

2.2 施工程序

對于全長管棚施工，先以錨固鉆機采用跟管法進行管棚造孔同時跟入管體，一次性達到上游側(cè)塌腔壁，成孔后安裝φ108mm 管棚管，然后注入M30水泥凈漿或水泥砂漿對渣體進行固結(jié)。當全長管棚無法成功實施，不能一次到達上游側(cè)塌腔內(nèi)壁時，選用分段管棚法施工，分段管棚每段長度不小于6m。為保證管棚剛度，管體安插后在管內(nèi)插入3φ 25 鋼筋束加強，然后灌注M30 砂漿，對渣體進行固結(jié)。為保證塌腔內(nèi)渣體固結(jié)效果，減少工作循環(huán)，加快搶險速度，塌腔內(nèi)管棚盡量一次施工到達上游側(cè)塌腔內(nèi)壁上，以便盡早在塌腔內(nèi)形成長約23m 的管棚支撐體，并展開后續(xù)工作。管棚注漿到達等強期后，開始在管棚的保護下進行下部渣體挖除。開挖采取“短進尺、環(huán)形槽、緊支護、多循環(huán)”的原則進行，直至通過塌方體。

圖2 開挖支護結(jié)構(gòu)設計圖

圖3 全長管棚法處理施工程序圖

圖4 分段管棚法處理施工程序圖

2.3 施工方法

（1）管棚造孔。管棚管造孔施工前，需先完成導向墻混凝土澆筑。管棚造孔使用錨固鉆機，施工時套管同時跟進。若造孔時發(fā)生塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，則退出鉆桿，在孔內(nèi)進行砂漿固壁，掃孔后重新鉆進。

（2）管棚注漿。單根管棚管體安裝到位后，及時組織進行管體灌漿。灌漿采用M30 水泥砂漿或水泥凈漿。施工時若發(fā)現(xiàn)吃漿量過大、漿液擴散半徑過大，則可調(diào)整調(diào)整灌漿壓力、漿液濃度、間歇式灌漿等方法進行處理。

（3）渣體清理及支護。根據(jù)管棚施工特點，由于塌腔內(nèi)渣體灌漿后，要對渣體產(chǎn)生固化作用，為保證施工安全，渣體開挖時采用人工輔助風鎬進行施工，必要時嚴格控制裝藥量，爆破開挖。按照0.5～1m 的進尺謹慎自下游側(cè)開始進行塌方段渣體清理，機械配合人工自管棚下部渣體開挖約1m高的環(huán)形槽，然后以0.5m/榀的間距完成型鋼拱架架設，拱架按照每架設一榀、同時完成掛網(wǎng)后，立即噴C25 混凝土封閉拱架間空隙，最后反鏟進行中部渣體挖除，進入下一循環(huán)工序。依次向前推進，循環(huán)進行，直至通過塌方段。

3 塌方處理的重點難點

（1）型鋼拱架采用Ⅰ20a 工字鋼制作，要求工字鋼必須是國標產(chǎn)品。

（2）為保證施工安全，同時為施工方案調(diào)整提供依據(jù)。在塌方段處理時，用徠卡全站儀對全過程進行監(jiān)測，防止洞身、拱頂下沉、周邊位移等變化威脅施工安全，造成二次塌方。

（3）塌方下游鎖口加固時應設置臨時立撐，以確保施工安全。

（4）如在對堆渣體鋼拱架支護施工過程中，遇到因堆渣體固結(jié)灌漿不密實而導致的局部巖體不穩(wěn)定的情況，在鋼拱架施工之前及時采用隨機自鉆式錨桿對其進行加固。

（5）在對上部堆渣體固結(jié)灌漿過程中要隨時觀察通過堆渣體滲漏水的流量，防止因?qū)Χ言w上部灌漿導致堆渣體下部滲水通道堵塞。

（6）為確保施工安全，在管棚方案實施長度達到3m時，立即采用掛網(wǎng)噴護結(jié)合型鋼拱架及時進行封閉和臨時支護施工。

（7）型鋼拱架在進行下部接腿施工時，不宜同時進行，要求左右兩個交錯進行，以減小安全隱患。

（8）由于塌方處理存在多種不可預見因素，且塌方斷面形式不規(guī)則，因此方案在實施過程中需根據(jù)現(xiàn)場情況予以調(diào)整。

4 安全、質(zhì)量、進度保障措施

4.1 安全保障措施

（1）本著“安全第一、預防為主”的原則，成立安全生產(chǎn)監(jiān)督管理委員會，建立以項目經(jīng)理為第一責任人、主管安全副經(jīng)理為主要責任人、安全生產(chǎn)部門主任為次要責任人的安全生產(chǎn)管理體系。

（2）成立應急救援指揮中心，編制應急預案。

（3）工區(qū)、施工隊配備專職的安全生產(chǎn)管理人員，每個工作面必須各配備1 名專職安全管理人員和巡視員。

（4）建立健全崗位安全職責、安全管理制度和各工種的安全操作規(guī)程。

（5）堅持特殊工種持證上崗和全員進場安全教育、三級安全教育及“班前五分鐘”教育制度，堅持落實安全技術(shù)交底和安全告知制度。

（6）落實安全生產(chǎn)保護、防護用品購置和發(fā)放。

（7）嚴格規(guī)范安全費用的投入使用。

4.2 質(zhì)量保障措施

（1）原材料采購提前做好市場調(diào)查，選擇質(zhì)量可靠的廠家，按規(guī)定取樣，送建設方認可的具有相應資格的試驗室進行檢驗或試驗。試驗結(jié)果得出后，進行質(zhì)量比較，從中選擇最優(yōu)廠家，報監(jiān)理工程師批準后作為合格供應商，建立供貨關(guān)系。

（2）原材料進場保證“三檢”齊全，進場后按指定地點整齊碼放，并掛標牌標識，標明型號、進場日期、檢驗日期、經(jīng)手人等，由專人保管，對水泥、鋼材、防水材料、止水帶等材料加蓋或在室內(nèi)保管，避免風吹日曬。

（3）在運輸、搬運過程損壞或貯存時間過長、貯存方式不當引起的質(zhì)量下降的原材料，不使用在永久工程結(jié)構(gòu)中，對此種材料及時清理分類堆放并標識，以免混用。

（4）在本項工程的施工測量中，采取智能化自動采集數(shù)據(jù)的方法，提高觀測效率、觀測質(zhì)量，取消用人工記錄、觀測和計算的方式，全部數(shù)據(jù)用計算機處理，最大限度地減輕作業(yè)人員的勞動強度、消除人工參與帶來的錯誤和誤差，以確保所獲得的觀測成果和記錄成果的準確性和可靠性。所有測量設備必須檢驗合格后才能使用，控制測量采用全站儀、精密水準儀作導線控制網(wǎng)，施工測量主要采用全站儀，局部范圍采用經(jīng)緯儀配水準儀進行。

（5）建立完善的混凝土澆筑施工質(zhì)量控制體系，提高定型模板的專用模板的使用率，盡可能不用散模。嚴格模板的質(zhì)量控制與檢查，對品質(zhì)不佳的模板及時撤換。對各單元、各工序均制定詳細的施工工藝，如倉面工藝設計和模板安裝、維護、保管工藝規(guī)程等施工工藝。優(yōu)選優(yōu)質(zhì)的原材料，優(yōu)化混凝土配合比，嚴格控制出機口溫度，加強混凝土澆筑施工組織，提高混凝土澆筑強度，完善混凝土運輸設備的保溫措施，認真做好倉面保溫工作，做好冬季保溫工作，嚴格控制層間間歇時間，做好混凝土溫控防裂工作。對澆筑倉面實行嚴格的盯倉檢查，模板、埋件必須有專人看守，模板在澆筑過程中必須掛線檢查，嚴格按倉面工藝設計組織施工。

4.3 進度保障措施

（1）制定科學可行的施工方案，合理安排施工工期，每天檢查進度落實情況并及時解決相關(guān)問題；對可能出現(xiàn)的情況制定詳細的施工應急預案，并做好相應的人員、機械、物資準備。

（2）及時做好技術(shù)交底，避免因技術(shù)服務不到位出現(xiàn)返工，影響施工進度。

（3）做好施工設備的檢修與保養(yǎng)工作，提高設備使用保證率。

（4）在允許的情況下盡可能的安排多個施工作業(yè)面同時施工，減少人員、機械設備的窩工；做好工序之間的銜接工作，充分做好每一道工序的準備工作，盡可能的避免施工準備占用直線工期。

（5）合理安排材料計劃，做到適度超前；加快物資采購工作，保證施工現(xiàn)場的各種原材料儲備與施工進度、強度相適應。

5 結(jié) 語

在業(yè)主、設計、監(jiān)理等有關(guān)方面的大力支持和協(xié)助下，金家壩項目部采用的管棚方案已順利清理了引水隧洞的塌方渣體，方案可行，安全可靠，取得了較為滿意的效果，受到了業(yè)內(nèi)單位的廣泛好評。本文總結(jié)了金家壩水電站引水隧洞地質(zhì)塌方處理方案設計及施工方法，指出了重點難點，并提出施工過程中安全、質(zhì)量、進度的保障措施，旨在總結(jié)成功經(jīng)驗，為類似工程事故提供參考借鑒。