米亞羅水電站有壓引水隧洞襯砌設計探討

吳 建 軍，徐 應 中

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

米亞羅水電站位于四川省阿壩州理縣米亞羅鎮，上接十八拐電站，下接蘆桿橋電站，是雜谷腦流域上游河段梯級開發的第二級電站。電站開發方式為引水式，無調節性能，項目的主要功能為發電，無其它綜合利用要求。電站發電引用流量為14.82 m3/s，額定水頭121 m，總裝機容量為15 MW，多年平均年發電量為8 347萬kW·h，年發電利用小時數為5 565 h，保證出力3 588 kW。最大閘壩高度為11 m，閘壩頂全長59.8 m；引水 隧 洞 全 長6 953.752 m，后接調壓室和壓力管道以及地面廠房。

2 引水隧洞的布置

米亞羅水電站有壓引水系統布置在雜谷腦河右岸，由進水閘、無壓沉沙洞、排沙道、有壓引水隧洞、調壓室及壓力管道組成。從河道地形可以看出，開發河段呈“S”型，整個隧洞受垂直埋深和側向埋深、施工支洞的長度以及大小磨子溝的控制，平面上共設5個轉點。

有壓隧洞的主洞段從樁號引0+308.5到樁號引6+953.752，長6 645.252 m，底板起坡點高程為2 857.44 m，縱坡為2.621‰，止點為底板高程2 840 m，采用洞徑3 m的馬蹄形斷面，初步設計全隧洞為鋼筋混凝土襯砌，其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖襯厚30 cm，Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯厚40 cm。對全隧洞頂拱150°范圍內進行回填灌漿，Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段需進行固結灌漿。Ⅱ、Ⅲ類圍巖襯砌結構見圖1。Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌結構見圖2。

圖1 有壓隧洞襯砌結構圖(Ⅱ、Ⅲ類圍巖)

圖2 有壓隧洞襯砌結構圖(Ⅳ、Ⅴ類圍巖)

3 引水隧洞工程地質情況

米亞羅水電站引水隧洞地質條件復雜，地層及巖性不連續且多變，受地質構造影響嚴重，節理裂隙發育，山體有區域性的斷層通過并且有磨子溝等兩條沖溝的切割。隧洞山體植物茂密，圍巖結構面及裂隙發育，因此，裂隙水及地下水十分豐富。另外，施工區域位于米亞羅大斷裂帶范圍，該斷裂帶是隧洞穿越的最大斷層，寬度約150 m。米亞羅斷裂帶呈破碎斷裂結構，穩定性非常差，在一些洞段清晰可見主斷裂帶呈現一定寬度，裂隙中夾泥明顯，兩側影響帶亦十分破碎且夾雜大量的黑色煤狀破碎土石。該斷裂帶地下水埋藏亦十分豐富，巖體擠壓強烈，主要發育層面裂隙以層狀、片狀為主，局部滲水較大。盡管變質砂巖含量較高，但其多風化破碎且沒有規則性，砂巖和變質板巖交替出現，結合帶長度較大且十分破碎，圍巖大部分為Ⅳ類和Ⅴ類。

4 隧洞襯砌的設計

按照在安全可靠、結構合理的前提下盡量降低工程造價的原則，有壓引水主洞段采用分類襯砌的方法。Ⅱ、Ⅲ類巖體采用掛網噴混凝土與鋼筋混凝土相結合的襯砌方法，Ⅳ、Ⅴ類巖體及特殊地質斷面采用全斷面鋼筋混凝土襯砌的方法。

4.1 Ⅱ、Ⅲ類圍巖的襯砌設計

引水隧洞全長6 953 m，盡管多處洞段的巖層變化明顯，圍巖風化破碎，但畢竟砂巖和板巖也會單一存在，該類洞段的圍巖較為穩定，初步分析屬于Ⅱ、Ⅲ類圍巖，該類圍巖占整個隧洞長度的30%，且大多數分布于隧洞上游段，隧洞下游段亦有少量分布。對于此類洞段的襯砌設計，考慮到安全、穩定的因素，初步設計中采用30 cm襯厚的鋼筋混凝土全斷面襯砌方法。鋼筋采用單層，主筋直徑為16 mm，分布筋采用φ12。但是，在施工過程中發現此類斷面開挖面比較光滑、完整，很少有巖層剝落及碎石掉落等現象，圍巖自身較為穩定。在這種情況下，如果繼續采用初步設計的全斷面鋼筋混凝土襯砌效果當然不錯，但耽誤工期、增大投資而造成不必要的浪費。另外，考慮到隧洞為有壓引水式，過水斷面應盡量保證平整光滑，因此對洞中邊墻及頂拱采用打入錨桿、掛網噴混凝土的襯砌方式。錨桿采用φ20，長度為1.5 m的鋼筋，間排距均為1.5 m，梅花形布置，鋼筋網采用φ8、間距為250 mm×250 mm的鋼筋，噴C25混凝土厚度為8～15 cm。底板澆筑30 cm厚的鋼筋混凝土，配置φ16主筋和φ12分布筋。

進行該設計優化后，不僅能維持隧洞的安全、穩定運行，而且極大地縮短了施工工期，節約了工程成本。但需要注意的是，在掛網噴混凝土施工過程中，一定要嚴格控制施工質量，噴混凝土外表面一定要覆蓋最少3 cm厚的鋼筋網,并且保證混凝土表面盡量光滑平整，減少過水表面的粗糙程度，最大限度地利用水資源。

4.2 Ⅳ類圍巖的襯砌設計

該引水隧洞的Ⅳ類圍巖占全洞總長度的40%，此類圍巖軟弱結構面分布較多，巖體基本成碎石狀鑲嵌結構，局部呈碎石狀壓碎結構。巖性多變，沒有規則性，變質砂巖和變質板巖交替出現。在這種情況下，必須進行超前支護，邊開挖邊支護。預先打入超前錨桿，緊跟著安裝花拱架進行強支護。錨桿采用φ22，長度為2.5 m的鋼筋，間排距均為1.5 m，梅花形布置，花拱架主筋采用φ22，箍筋采用φ8，間距為1 m。隨后，在巖層表面噴C25混凝土，厚5 cm。如此實施初期支護后，基本上維持了洞室在開挖期間的穩定，保證了洞挖工作的安全推進。

但是在這種地質狀況下，嚴格的按照馬蹄形設計斷面開挖施工難度非常大。因此，需對開挖斷面進行優化設計，采用城門洞型，頂拱不變，兩邊采用豎直、底板采用水平的方式。這種設計方式使開挖斷面尺寸的超挖和欠挖都能很好地掌控在規范允許的范圍內，亦能加快施工進度。

待開挖完成后，采用40 cm襯厚的全斷面鋼筋混凝土襯砌。雙層布筋，配置φ20主筋和φ14分布筋(圖3)。

4.3 Ⅴ類圍巖的襯砌設計

Ⅴ類圍巖占到引水隧洞總長度的20%，此類圍巖受地質構造影響非常嚴重，節理裂隙極為發育，斷層破碎帶分布較多，寬度多為2～4 m。巖層性質較為模糊、不易判斷，多為變質砂巖和變質板巖綜合體，呈巖屑狀分布且夾雜大量黑色煤狀破碎土石。因此，圍巖穩定性差，特別是變質砂巖段有較大的地下涌水，開挖階段經常會出現洞頂大面積坍塌現象，給施工造成了極大的困難。

此類圍巖的開挖斷面尺寸與Ⅳ類圍巖相同，但必須加強支護，以保證花拱架不被巖層擠壓變形，邊開挖、邊支護、邊觀測。一定要短進尺、弱爆破、強支護、勤觀測。預先打入超前錨桿，緊跟著安裝鋼拱架。錨桿采用φ22，長度為3 m的鋼筋，間排距均為1.5 m，梅花形布置，將鋼拱架做成城門洞型，開挖1 m，強行支護一榀，鋼拱架底腳坐落在堅硬的基礎上，鋼拱架之間采用排距30 cm、φ22的螺紋鋼筋進行電焊連接，以保證鋼拱架之間的聯系性和整體穩定性。在鋼拱架與鋼拱架之間掛鋼筋網，直徑為8 mm，間距150 mm×150 mm，然后在其表面噴C25混凝土，厚度要覆蓋鋼拱架至少3 cm厚。盡管采用這種方式襯護，圍巖的穩定時間也比較短，一般兩個星期就會繼續變形而造成破壞。因此，按10 m一段在進行完強支護后立即安裝襯砌鋼筋，雙層布筋，配置φ22主筋和φ16分布筋，全斷面進行隧洞澆筑。

采用改進后的設計維持了洞室的穩定。但需要注意的是：在綁扎鋼筋及混凝土澆筑的施工過程中，一定要抓緊時間，爭取在圍巖變形破壞之前完成此類洞段的襯砌施工，以阻止其自身破壞。另外，還需做好排水管的埋設，及時引導巖層滲水的外泄，以減少對襯砌結構的內水壓力(圖3)。

圖3 有壓隧洞結構優化圖(Ⅳ、Ⅴ類圍巖)

4.4 穿越沖溝段與斷裂帶的襯砌設計

米亞羅大斷裂帶是隧洞開挖的最大威脅，斷層寬度約為150 m，呈破碎斷裂結構，穩定性非常差。穿越該斷層的洞段圍巖巖性變化、風化特別嚴重，裂隙發育，地下水十分豐富，圍巖破碎且夾雜大量黑色煤狀破碎土石，開挖期間必須高度謹慎。在初步設計階段，對兩處斷裂帶采用了鋼板襯護，鋼板襯護兩側采用伸縮節和混凝土襯砌過渡，襯砌段之間設置雙層紫銅片止水，其余洞段采用與Ⅴ類圍巖襯砌相同的施工工藝。

5 隧洞變形的觀測與分析

按照襯砌設計，在該引水隧洞的襯砌施工期間進行了外觀觀測洞內圍巖變形。在Ⅱ、Ⅲ類圍巖已經完成掛網噴混凝土襯砌的洞段，經過幾個月的觀測，未發現混凝土裂縫、剝落和圍巖變形等現象。Ⅳ類圍巖完成花拱架掛網噴混凝土臨時支護后的洞段經過幾個月的觀測，僅僅發現很少量的混凝土裂縫、剝落現象，并未發現圍巖變形等現象。Ⅴ類圍巖和穿越沖溝段與斷裂帶在完成鋼拱架掛網噴混凝土臨時支護后的洞段在短時間內并未發現圍巖變形等現象，從而有充足的時間進行全斷面鋼筋混凝土襯砌。

對Ⅳ、Ⅴ類圍巖和穿越沖溝段與斷裂帶在完成全斷面鋼筋混凝土襯砌后的部分代表性斷面實施了外水壓力測試，測試結果表明：此處鋼筋處于受壓狀態，但其壓力值遠遠小于鋼筋的設計抗壓值。另外，該處并未出現明顯的混凝土裂紋。

6 結 語

對于引水隧洞，其襯砌和支護施工往往是制約工程工期和成本的關鍵因素，因此，為了縮短工期和減少投資，對隧洞襯砌進行合理的優化十分重要。針對不同性質的圍巖、采用不同的方法會得出不同的結論，涉及不同的造價。對隧洞圍巖進行科學的分類并且分別采用適合的襯砌方法，能夠在保證洞室安全穩定的情況下縮短施工工期，降低工程造價，最終取得安全而經濟的綜合效益。