吉牛水電站引水隧洞底板超挖原因與處理分析

石 東 誠， 符 愛 華， 張 裕 江

(四川革什扎水電開發有限責任公司，四川 丹巴 626302)

1 概 述

吉牛水電站位于四川省甘孜州丹巴縣境內，是大金川河一級支流革什扎河水電規劃“一庫四級”開發方案的最末一個梯級電站。電站閘址位于獨狼溝口下游0.6 km的革什扎河上，廠址位于革什扎河與大金川河交匯口附近。

電站采用攔河閘長隧洞引水至左岸地面廠房發電，正常蓄水位高程2 378 m，總庫容 197.5萬m3。最大閘高23 m，左岸引水隧洞長22.377 km，設計水頭506.5 m，引用流量60.28 m3/s，機組為沖擊式，裝機2臺，總容量240 MW，年發電量為12.142億kW·h。

引水隧洞斷面為城門洞形，開挖斷面(5.9～6.8)m×(5.95～6.8)m(寬×高)，Ⅱ、Ⅲ類圍巖底板澆筑素混凝土，邊頂拱錨噴支護，IV、V類圍巖采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌后成型斷面為5.6 m×5.6 m。

工程建筑區地層主要由一套震旦系至三疊系變質的海相碎屑巖、泥質巖及碳酸鹽巖組成。其中引水系統為志留系茂縣群二云英片巖、二云片巖及少量石英巖和大理巖。引水隧洞穿越的地層巖性為震旦系厚～巨厚層變粒巖、志留系茂縣群第1～4巖組中～厚層二云英片巖、大理巖、石英巖及中～薄層二云片巖等。引水隧洞巖石主要物理力學性質如表1所示。

2 開挖方案及效果

表1 引水隧洞巖石主要物理力學性質表

2.1 常規開挖方案

(1)開挖方案。

引水隧洞Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段在投標及實施階段的開挖方案均為全斷面一次性開挖成型。采用YT28氣腿鉆在自制鉆爆臺車上鉆孔裝藥爆破，楔形掏槽、周邊光面爆破、非電毫秒微差起爆，側翻裝載機裝渣，10 t自卸汽車出渣。對于Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖后，進行簡單的臨時支護或不支護；Ⅳ、Ⅴ類圍巖屬于不良地質情況，采取“短進尺、弱爆破、強支護”的施工方法，開挖后四方在現場確定支護方式進行臨時支護。

(2)開挖效果。

引水隧洞開挖完成后，經四方聯合驗收，洞挖成型控制較好，底板未發現有明顯的超挖，完整的巖體邊頂拱半孔率能夠達到85%以上，較完整和較破碎的巖體能夠達到60%以上，破碎的巖體能夠達到20%以上。

(3)底板超挖。

在底板混凝土澆筑前的基礎驗收時發現存在基巖面低于設計高程0.2～0.5 m的現象。經分析得知，底板超挖是由于出渣車輛碾壓、軟化層清除后所致。底板典型斷面情況如圖1所示。

圖1 引水隧洞底板驗收典型斷面圖

根據對已經完成的底板混凝土進行統計，底板設計面以下平均回填混凝土厚度約為40 cm。已完成底板澆筑混凝土量如表2所示。

表2 截止2012年12月31日底板混凝土澆筑量統計表

2.2 預留保護層開挖方案

(1)開挖方案。

在進行光面爆破的基礎上，隧洞開挖時底板預留0.3～0.5 m保護層。

(2)開挖效果。

隧洞開挖后成型控制較好，邊頂拱半孔率較高。

(3)底板欠挖處理量大。

引水隧洞底板經出渣車輛碾壓后呈現“W”狀，車輪碾壓部位呈深槽，中間凸起部分為松散體，邊墻處底板保護層呈原狀態，保護層需進行欠挖處理，局部欠挖需要進行二次鉆孔爆破，欠挖處理嚴重影響到底板混凝土的澆筑進度。因此，該方案未被推廣。

3 底板超挖原因分析

(1)巖石特性引起超挖。

引水隧洞的圍巖主要由中～薄層二云英片巖、二云片巖構成，巖性一般軟硬相間，總體呈互層狀結構，中下游洞段巖層擠壓揉皺極為強烈，層間擠壓破碎帶及小斷層發育。

經查閱相關研究資料，干燥二云英片巖的裂紋起始應力在垂直片理面(∥=90°)、平行片理面(∥=0°)和與片理面斜交(∥=30°)加載條件下分別為對應峰值強度的41%，24%和41%，破壞應力分別為對應峰值強度的71%，33%和46%。同時，試驗結果還表明：3種加載方向的長期強度為對應單軸抗壓強度的0.6～0.7倍。

吉牛水電站引水隧洞圍巖是典型的二云英片巖且層間擠壓、揉皺強烈，軟化系數普遍在0.75以下，加載后存在軟化現象。二云英片巖物理力學性質如表3所示。

表3 二云英片巖物理力學性質檢測表

(2)施工環境引起超挖。

引水隧洞沿線范圍內分別發育有簡歷溝、繞拉溝、東方紅溝、大水溝、大雪溝、柯爾金溝等沖溝，各溝一般常年流水，除簡歷溝規模相對較大、切割較深、溝內第四系松散堆積物深厚外，其余各條沖溝規模較小，切割較淺。因此，開挖后的洞內Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖常年存在濕潤～滴水狀態，Ⅴ類圍巖地下水發育，有線狀流水，局部股狀涌水，流量約為0.5 L/s。此外，施工用水及洞內排水不能達到干燥環境的要求，底板長期處于潮濕環境中，濕抗壓強度明顯降低干抗壓強度。

(3)車輛反復碾壓加載引起超挖。

根據初設施工組織設計，引水隧洞布置了10條施工支洞，后期又增加了2條岔洞，開挖共22個工作面，單工作面控制長度為188～1 674 m，平均長度為1.02 km，按開挖單循環2 m計算，底板被出渣車反復碾壓，最多達10 200次以上，這是造成軟化的直接原因。

(4)清基方案引起超挖。

投標施工組織設計及實施過程中，掌子面開挖后危巖排險及澆筑前底板清基機械均采用斗容1 m3反鏟。但是，由于對二云英片巖特性認識不足，采用此類大型機械清理碾壓后的基巖容易造成底板的二次開挖。

4 對底板超挖采取的應對措施

4.1 預留保護層開挖方案

底孔造孔時，適當將底孔位置上移，預留30～50 cm作為爆破保護層，車輛碾壓掉保護層后，達到設計高程。

該方案的有利因素是超挖量明顯減少。采用該方案的引水隧洞樁號K9+986～K10+094段試驗性開挖數據表明，全斷面開挖與留保護層開挖的超填量/設計量比例由122%降低至29%。驗收數據對比情況如表4所示。

該方案的不利因素是由于未碾壓部位需進行欠挖處理，甚至二次造孔爆破，從而嚴重影響到底板的清基效率，導致進度受到影響。

因此，預留保護層開挖工藝在本工程未普遍實施。

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4.2 開挖后隨即覆蓋的方案

引水隧洞開挖后隨即采用洞渣將底板覆蓋或者用成品骨料換填，以減輕底板碾壓的破壞程度。

用洞渣料覆蓋底板，其有利因素是減少出渣量(爆破后的部分巖塊直接用于覆蓋底板)，短期可以改善運輸條件；不利因素是巖塊被碾壓后迅速軟化、泥化，長期下去反而影響洞內交通。骨料換填是將底板的虛渣簡單清除，用人工骨料或篩分后的天然骨料回填，其有利因素是底板保護快速有效，不影響直線工期；不利因素是增加了二次清基并增加了投資。

因此，開挖后采用成品骨料換填是可行的，本工程多數洞段實施此方案以保護底板。

4.3 皮帶機運輸方案

皮帶機運輸方案是通過在隧洞邊墻上架設0.8～1 m寬的皮帶運輸系統，將開挖的洞渣運出洞內的措施。

該方案的有利因素是取消了出渣車輛，避開了開挖后底板被碾壓破壞；不利因素是皮帶機架設后與邊頂拱鋼模臺車相互干擾非常大，無法實現洞內平行作業。

因此，本工程未采用該方案。

4.4 限制使用清基機械

針對反鏟清基時造成的二次開挖，本工程限制使用大斗容反鏟而改用斗容0.3 m3的小反鏟配合人工進行清基。

表4 引水隧洞標典型斷面驗收統計值表

該方案減少了清基造成的二次開挖，但增加了人工清基量。本工程采用該方案，對控制底板超挖發揮了較好的作用。

5 底板超挖后采取的技術處理方案

5.1 降低混凝土底板設計高程方案

(1)技術方案。

(2)利弊分析。

有利因素為：結構斷面調整后，底板回填混凝土C20減少了17 640 m3，Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段增加了噴混凝土886 m3，Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段增加邊墻襯砌混凝土3 164 m3，掛網鋼筋31 t，邊墻襯砌鋼筋283 t，初步估算節約投資380萬元。

不利因素是由于隧洞底板超挖厚度不均衡，全洞段無法統一設計高程的降低標準，澆筑后的底板面將呈起伏狀，給運行期檢修、人行通過帶來不便。

(3)可行性判斷。

初步分析該方案可行，引水隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖段僅增加兩側邊墻各40 cm的掛網噴混凝土工程量，Ⅳ、Ⅴ類圍巖段混凝土襯砌按照先澆筑底板、后邊頂拱的順序施工，底板降低后，將鋼模臺車行駛軌道適當墊高不影響邊頂拱襯砌。

本工程將在后期結合底板清基情況予以實施。

5.2 在浮渣上澆筑底板混凝土方案

(1)技術方案。

在Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段采用浮渣混凝土底板，保證底板設計厚度，增加混凝土底板及邊墻排水孔施工。實施該方案需要通過現場原型試驗(浮渣混凝土底板抗外水抬動試驗)確定相關參數。

(2)利弊分析。

有利因素為：該方案簡化了底板清理的施工工序，加快了進度，節約了投資，該方案2009年在四川某電站引水隧洞中成功應用浮渣混凝土底板洞段3 950 m，節約投資約400萬元，技術可行，但質量尚未經過特殊工況及長期運行檢驗。

不利因素是吉牛水電站引水隧洞底板巖體富含云母，以軟巖為主，在水環境下，不利于運行期間的安全穩定。

(3)可行性判斷。

吉牛水電站引水隧洞由于特殊的巖石條件且為有壓隧洞，不宜采用該方案。

6 底板超挖商務問題的處理

二云英片巖底板在潮濕環境下經出渣車輛碾壓后嚴重軟化的特性屬不良地質原因，應由發包人承擔風險責任，由此而實施的骨料換填保護措施及增加底板設計面以下回填混凝土均屬于“追加為完成工程所需的任何額外工作”，應按照變更原則處理。

目前存在的問題是投資增加。初步估算，不良地質洞段骨料換填約30 000 m3，增加投資450萬元，此外，目前已經澆筑底板回填C20混凝土量為11 805 m3，增加投資470萬元。

筆者建議：在今后類似地質環境中引水隧洞工程的招標設計及評標時，對底板保護措施應提出明確要求，避免變更與索賠。

7 結 語

(1)在吉牛水電站隧洞底板混凝土澆筑過程中，普遍存在設計高程以下不良地質清基量較大的情況，經分析，主要是由于巖石特性、洞內潮濕的施工環境、出渣車輛反復碾壓、大型反鏟清基等原因造成。

(2)引水隧洞開挖后采用成品骨料換填，可有效保護底板，提高施工效率。如果對二云英片巖特性有充分地認識，提前謀劃，優化保護層開挖工藝，或者采用皮帶機運輸洞渣，都是可行的方案。

(3)在底板超挖洞段澆筑混凝土時，適當降低設計高程，能夠方便施工，加快進度，節約投資。

(4)二云英片巖引水隧洞底板在潮濕環境中經出渣車輛碾壓嚴重軟化，屬承包人不可預見的地質風險，應給予全額補償(清基超挖除外)，通過補償，有利于工程建設，從而實現雙贏。

參考文獻：

[1] 張曉平，王思敬，韓庚友，張 兵.巖石單軸壓縮條件下裂紋擴展試驗研究——以片狀巖石為例[J].巖石力學與工程學報，2011，30(9)：1772～1781.