甲米一級水電站1#支洞控制段兩次改線施工

代 勛

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 工程概述

甲米一級水電站位于四川省涼山州鹽源縣鹽塘河干流甲米河上，取水樞紐位于鹽塘河甲米村上游約5.3 km，距縣城約54.7 km；廠區位于桃子鄉跨棉村，距鹽源縣城約67 km，距西昌市區約220 km，鹽瀘旅游公路沿鹽塘河于電站河對岸通過，交通方便。電站系具有日調節功能的引水式電站，總裝機容量為3×12 MW，設計水頭90 m，設計引用流量45.45 m3/s。電站樞紐建筑物由首部樞紐、引水系統、廠區樞紐三部分組成。

當1#支洞控制段下游開挖至K1+597.00樁號時，因圍巖與地下水的同時作用，40 m已開挖支護好的頂拱出現突然涌水現象，頂拱形成漏斗狀涌渣，遂決定改線；當開挖進尺至樁號K1+899.3后再次出現類似第一次涌水涌渣情況。

2 場地區域地質及水文地質條件

2.1 1#支洞控制段地質條件及評價

第一段：0+000～1+300，段長1 300 m，洞線基巖垂直埋深65～166 m，軸線方向為S64°2′9″W，與巖層走向夾角為86°。圍巖為三疊系中統白山組(T2b)灰巖、白云質灰巖，巖石傾向坡外。支洞進口20 m段邊坡巖體結構松散，節理裂隙發育。由于該段洞室埋深較淺，受風化卸荷影響，結構面多卸荷、微張，個別張開寬度達5～20 cm，巖體完整性差，具碎裂結構，以V類圍巖為主，屬不穩定圍巖。由于該洞段巖層裂隙傾角較緩、走向與洞軸線夾角中等，受局部結構面不利組合及緩傾角結構面切割，圍巖穩定性差，易產生頂拱掉塊、楔型失穩體及局部小規模塌方等。

第二段：1+300～1+545，段長245 m，圍巖為三疊系中統鹽塘組(T2y)長石巖屑砂巖、泥質灰巖、灰紫色粉砂巖夾長石石英砂巖，與隧洞軸線夾角為58°，垂直埋深97 m，巖石呈弱風化，節理發育，地面為一沖溝，預測地下水活動為中等。該段巖體完整性差，具碎裂結構，以V類圍巖為主，屬不穩定圍巖。由于該洞段巖層裂隙傾角較緩，走向與洞軸線夾角中等，受局部結構面不利組合及緩傾角結構面切割，圍巖穩定性差，易產生頂拱掉塊、楔型失穩體及局部小規模塌方。

第三段：1+545～2+387，段長842 m，圍巖為三疊系中統鹽塘組(T2y)含云灰巖、長石巖屑砂巖，與灰色粉砂巖互層，局部夾紫灰色粉砂巖，與隧洞軸線夾角為52°，于穩定有利,垂直埋深150～390 m，局部洞段地下水較發育，施工開挖時可能存在掉塊、楔型的順層擠壓破碎帶。

2.2 其它影響因素

(1)地下水情況。

洞頂為常年流水沖溝，裂隙發育，地下水豐富。受地震影響，原有裂隙貫通性較好，形成管道狀裂隙水，塌方段雖已穿過沖溝，但離溝底不遠，仍在沖溝匯集地表水及地下水的范圍內，裂隙水的補給源是分水嶺地段的地下水及沖溝匯集到的兩側地表水的入滲。

(2)地震影響情況。

1#支洞控制段下游至2#控制段上游洞線附近一定范圍的山體受1976年兩次中強地震(6.2～6.7級)的影響較嚴重，導致洞室圍巖裂隙貫通性提升，巖石完整性變差，巖體向松弛或半松弛狀態轉化。

(3)與地震滑坡體的關系。

從藍圖《甲電(施)—水工(隧)—01》可以看出，涌水塌方段K1+597距離1976年地震滑坡體上游邊線水平距離約400 m。

3 涌水塌方前的施工情況

3.1 第一次涌水塌方

2010年2月11日，當掌子面開挖至樁號K1+597，約17∶00時,發現距離掌子面約20 m處(樁號約為K1+577)一榀拱架右側拱肩以下發生變形，噴護混凝土開裂，裂縫寬度約5 cm，裂縫中有少量涌水。2月12日下午洞內出現大量涌水，14∶00派員乘坐裝載機(此時洞內積水深已超過50 cm，無法步行)到洞內查看，發現距離掌子面約11 m處(樁號為K1+586)頂拱部位有一直徑約40 cm的出水空洞，水流中夾帶大量碎渣。16∶00左右再次進洞查看時，發現出水點已被涌渣淹埋無法看到，涌渣量約3 400 m3。

3.2 第二次涌水塌方

2010年10月21日13∶30，在出完洞渣扒面時，K1+899.3(改1)右側邊墻及右頂拱2 m范圍出現塌方并呈現漏斗狀，伴發大量涌水、流渣，發生涌水塌方事故，流渣堆至K1+865(改1)樁號。1#支洞控制段下游側圍巖左側為灰巖，較完整；右側為紅色泥巖，成層狀向左側呈60°傾角并與右邊墻呈楔形切割，巖石破碎，遇水泥化。施工過程中嚴格按V類圍巖支護方式進行施工。

4 涌水塌方的原因分析

4.1 第一次涌水塌方

本次涌水、塌方洞段圍巖巖性為三迭系中統鹽塘組(T2y)。巖性以長石巖屑砂巖為主，夾泥質灰巖。砂巖具細粒結構，巖屑成份為石英、長石、巖屑、云母等，少量有機質碎片。灰巖具細晶結構，巖石成份以方解石為主，含有白云石及少量黃鐵礦，自生石英，自生長石和泥質。經調查與分析發現，引起本次涌水、塌方事故的主要原因為其惡劣的水文地質環境。

4.2 第二次涌水塌方

本次涌水、塌方洞段征兆性不強，按先前施工經驗按V類圍巖支護方式進行的施工是安全可靠的。事件發生后，根據現場情況分析認為，此次涌水、塌方事故發生的主要原因為飽和的地下水作用。

5 后續處理方案及實施情況

5.1 第一次涌水塌方處理方案

根據專家咨詢會議精神，對本次涌水塌方建議采用向外側改線的方案(錨噴支護-小導管-鋼格柵-錨噴支護)并確定了以下幾項原則：(1)后期再做封堵；(2)進洞前先錨固，以確保安全；(3)盡早進洞，允許部分開挖不到位；(4)小洞進洞，開挖時逐步達到設計開挖邊線；(5)對于未開挖到位的部分最后進行處理。

該方案施工的項目主要有：涌水引排處理、原洞加固、改線進洞施工及后期處理等。

5.1.1 涌水引排處理

經現場查勘，采用在樁號k1+530段用人工裝粘土編織袋形成擋水圍堰(底寬5 m，頂寬1.5 m，高3 m，長度與隧洞寬度一致。為盡快進洞,先形成小集水坑滿足排水要求即開始進行原隧洞的加固和開洞工作，此方案一旦遇停電和水泵損壞將對生產造成影響。集水坑在設備正常時使用一臺22 kW水泵排水至洞外(并再備用一臺)。另安裝兩趟φ159引水鋼管備用，從擋水圍堰引至k1+430底板處，再排至交叉口的集水坑后抽排至洞外。為防止下游集水坑水泵損壞后大量涌水對上游造成影響，在支洞與主洞交叉口處分別設置了一臺22 kW和7.5 kW水泵對涌水進行排除，并考慮備用一臺100 kW發電機用于排水(考慮汛期洞內滲(涌)水量可能進一步增加，考慮了一定的富裕度)。因1#洞上、下游圍巖均含泥質灰巖，遇水泥化嚴重，加之本次涌水、涌渣影響，洞內道路狀況十分差，難以滿足通行要求，需將道路表面的泥漿全部清除，然后用我部篩分系統生產的、粒徑為40～80 mm的粗骨料填筑隧洞道路，用粗骨料裝編織袋砌筑排水溝(排水溝尺寸為0.5 m×0.5 m)，以保證一段時間內達到透水、濾漿效果。同時，派人及時清理排水溝，以保證排水溝通暢，并加大了排水、排漿力度，布置了多臺排污泵進行排水、排污，盡可能地保證隧洞施工正常進行。

5.1.2 改線洞開洞前的加固

為盡快實現隧洞貫通，采用先加固→導洞鎖口、開挖→正常洞斷面施工的施工思路迅速進洞展開正常洞斷面的開挖，而對于導洞段欠挖以及原設計封堵混凝土在條件成熟時(二襯施工時)再作處理。

加固施工：根據當時的施工工況、圍巖情況及改線洞的線型布置等因素，導洞開口樁號擬定為k1+516.12 ～k1+522.32,導洞斷面為城門洞形，支護成型后寬4.5 m，高5 m,頂弧半徑為2.45 m，角度為134°，導洞長約13 m。具體施工程序如下：

① 在導洞位置清理出15 m長的平面，以利鉆爆等作業，上游面形成8%的坡度，以滿足車輛通行要求。

② 對原洞段k1+516.12～k1+522.32右側、頂拱及左側導洞范圍外增設錨桿(φ25，L=3 m，間排距1 m)，掛網噴護15 cm厚混凝土。

③ 在開洞口上、下游2 m范圍增設錨桿(φ25,L=3 m，間排距1 m)，架立格柵拱架(主筋φ25，斷面為20 cm×20 cm，間距0.5～0.8 m)并網噴C20混凝土25 cm厚。

④ 導洞下游側預留三角體進行灌漿固結處理，采用小導管灌漿施工工藝，小導管長度根據現場情況調整、間排距為1 m×1 m，灌漿壓力不小于3 kg，孔深4.5 m。

5.1.3 改線進洞施工

(1)導洞的開挖。

① 上述加固措施完成后，在導洞開口頂拱部位施工小導管：L=3 m，仰角15°，間距40 cm，灌漿壓力不小于3 kg；

② 導洞鎖口完成后進行導洞鉆爆作業，將周邊孔間距控制在0.4 m以內，孔深0.5 m，鉆孔開孔位置距設計開挖線10 cm。爆破若出現欠挖，用風鎬修邊，爆破嚴格按光面爆破技術進行；

③ 爆破后先用人工排險，在爆破渣體上立即素噴5 cm厚C20混凝土，完成后進行出渣；

④ 渣出完后立即開展格柵拱架的支護工作(拱架主筋φ25,斷面為20 cm×20 cm，間距0.5～0.8 m；錨桿φ25,L=3 m，間排距1 m；掛網鋼筋φ6.5，20 cm×20 cm；噴C20混凝土，25 cm厚)；

⑤ 小導管施工：L=3 m，仰角15°，間距40 cm，灌漿壓力不小于3 kg。每一排小導管搭接長度為1 m。初步計劃從洞口往下游30 m范圍布設小導管。

(2)進入設計斷面后的施工：

計劃在k1+533.01(改線樁號)處擴挖至設計斷面(可根據實際開挖揭示的圍巖類別作適當調整)，因此段均處于涌水、涌渣影響段，為保證洞室安全，改線洞前30 m(k1+515.453 (改)～ k1+545.453(改))按Ⅴ類圍巖開挖，頂拱布置間距0.4 m，長3 m，φ50小導管，改線涌水、涌渣影響段施工主要采用短進尺、弱爆破、強支護的方式進行。

5.1.4 第一次涌水塌方處理方案的實施情況

在具體實施過程中，本著安全第一、質量保證的原則謹慎施工，“涌水引排處理、原洞加固”嚴格按擬定方案施工。原洞加固完成后，業主、設計、監理再次進行會商，在有相當把握的前提下改變了原有的導洞進洞方式(圖1)，根據現場情況，由原來的導洞進洞改為全斷面進洞(支護措施不變)，取得了良好的效果，加快了施工進度。

圖1 進洞方式對比圖

5.2 第二次涌水塌方處理方案及實施情況

出現此次涌水塌方后，在總結第一次改線進洞施工過程后，參建四方果斷決策采取第二次改線的施工方案，具體方案如下：

(1) 樁號K1+862.9處為改線洞斷面下游邊線，洞軸線與原改線軸線呈70°夾角，根據實際情況與主洞順接。

(2) 對原洞段k1+868～k1+850段設置工字鋼拱架(I14、間距0.4 m)，鎖腳錨桿(φ25，L=3 m，間距1 m)，掛網(φ6.5，間排距20 cm)，噴混凝土C20封閉。

(3) k1+870～k1+876處設集水坑：集水坑寬2 m，深1 m，采用現有排水設備抽排。

(4)對原洞段k1+862.9～k1+855.419進行清淤，滿足設計高程。清理結束后，對原洞段k1+862.9～k1+855.419范圍外增設錨桿(φ25，L=3 m，間排距1 m)掛網噴護15 cm。對洞臉下游側三角體進行灌漿固結處理，間排距1 m×1 m，孔深4.5 m。

(5) 改線洞段按V類圍巖施工，設置工字鋼拱架(I14、間距0.4 m)。增設超前支護錨桿(φ25，L=3 m，間距0.4 m,排距2 m) 。

圖2 第二次涌水塌方改線圖

在具體實施過程中，嚴格按上述方案施工，僅用了5 d時間就進入了正常的洞挖施工(圖2)。

6 結 語

(1)在隧洞施工過程中，地質情況的超前探測和預報十分必要，尤其是在不良地質段就顯得極為重要，可用于指導施工，能有效保證施工安全和進度。

(2)小斷面隧洞出現大方量涌水塌方情況時，采取改線繞過的施工方案因施工工序較為容易組織，可以大大縮短施工時間。

(3)在圍巖強度低的開挖支護過程中，對拱圈范圍采取超前錨桿、小導管固結的方式可以有效控制超欠挖并能杜絕塌方。

(4)在隧洞開挖支護過程中，設置排水孔十分必要，能完全釋放出山體的內水壓力，在地下水豐富的洞段，也是減少塌方的必要手段。

(5)在處理塌方的初始階段，將巖石清理干凈，素噴一層厚5～8 cm的混凝土后再進行后續處理是保證安全的必要措施。

作者簡介:

代 勛(1981-)，男，四川樂山人，工程師，從事水電工程施工技術與質量管理工作.