沙灣水電站引水隧洞穿越賦水砂礫石地層設計和工程實踐

李萬舒

（中國水利水電第四工程局有限公司，西寧810007）

1 工程概況

沙灣水電站為白龍江干流規劃中梯級電站之一，位于宕昌縣沙灣鎮境內，是一座低壩徑流引水式電站，總裝機容量51MW，工程等級為中型Ⅲ等工程，引水隧洞為圓形有壓隧洞，洞徑8.4m，引水流量為202.5m3/s。在電站可行性研究階段通過多方案技術經濟比較分析，如引水隧洞穿越八棱溝將增加裝機容量15MW，確定引水隧洞穿越八棱溝方案為電站最終方案。

八棱溝位于沙灣引水隧洞4+204.0～4+375.0 處，總體延伸方向NE60°～80°，延伸長度為10km，切割深度300m 以上，溝谷多呈“V”型，溝底覆蓋層深厚，常年有流水，河道兩旁長有少許林木。兩岸由第四系堆積物組成臺地高出溝底5～10m，前緣近直立，臺面坡度5°～30°，臺地后緣岸坡多為坡積碎石土覆蓋，局部基巖裸露，坡度一般40°～60°，植被發育稀疏。根據沖溝兩側、溝口堆積物分布及物質組成、溝底縱向變化情況分析，八棱溝在全新世早期曾發生過稀性泥石流，今后還具備發生泥石流地形地貌、水文氣象和地質條件。

2 八棱溝地質條件

輸水隧洞4+204.0～4+375 段在八棱溝段通過，長171m，呈SE132°布置。八棱溝左岸為基巖邊坡，中部為八棱溝現代河床，右岸為洪積扇，溝內地形較為平坦（見圖1）。

八棱溝左岸山體地形坡度25°～45°，自然邊坡基本穩定，巖性上部為風積黃土，中部為中上更新世沖積砂卵礫石層，下部為志留系下統千枚巖；河床段現代河流寬度約2m～4m，表層覆有沖洪積砂卵礫石層，厚度2m～5m，以礫石為主，卵石含量20%～30%，砂含量15%～20%，礫卵石成分以灰巖、砂巖、板巖為主，磨圓差，多呈次棱角狀，一般粒徑0.5cm～8cm，最大可見粒徑80cm，結構稍密-中密；局部出露及下伏基巖為志留系下統千枚巖，根據地表調查，千枚巖強風化層厚度為2m～7m。

八棱溝右岸為洪積扇，下部為沖洪積砂卵礫石層，根據鉆孔及物探揭露：沖洪積層厚度為30m～50m，下伏為志留系下統千枚巖，根據ZK5 揭露：千枚巖全風化層厚度3m～4m，強風化層厚度6m 左右。

根據野外試驗，沖洪積砂卵礫石層中天然干密度為1.9g/cm3～2.08g/cm3，重型動力觸探擊數8 擊～13 擊，說明結構中密，建議取洪積層允許承載力值[R]=300kPa～400kPa，根據滲透試驗，滲透系數為2.08×10-3cm/s～4.73×10-2cm/s,屬中-強透水層。此段地下水位埋深為5m～18.6m 左右。

圖1 引水隧洞八棱溝段工程地質縱剖面圖

3 引水隧洞穿越八棱溝段開挖支護設計

3.1 主要難點

工程位于引水隧洞4+204.0～4+375.0 處八棱溝段，區間隧洞所處地下水位高，地層軟弱，而對于軟弱地層圍巖來說，控制變形擾動尤為困難。

3.1.1 地下水豐富

項目區地下水補給充足，地下水對工程施工影響很大，隧洞開挖后，大量地下水會滲入隧洞，滲透作用使圍巖軟化，可能會導致圍巖變形加大，影響施工安全。

3.1.2 圍巖軟弱易擾動且穩定性差

隧洞穿越地層主要為中部中上更新世沖積砂卵礫石層和下部志留系下統千枚巖，圍巖軟弱和局部松散，且含水量豐富，千枚巖遇水極易軟化，隧洞開挖將會引起圍巖應力重分布，控制不好易產生變形坍塌，嚴重危及施工期人員和設備安全。

3.2 總體思路

通過對全斷面預注漿固結技術、對地下水處理、地層穩定性、隧洞結構穩定性及施工安全性等相關研究，提出隧洞預注漿方案和預處理方案、調整隧洞開挖斷面型式、隧洞初期支護結構參數、隧洞合理施工工序和施工方法及施工現場監控量測管理等思路，指導八棱溝段引水隧洞開挖設計及施工。

1）便于隧洞初期支護實施，將開挖斷面型式調整為類馬蹄形斷面；

2）結合隧洞二次襯砌斷面合理確定幾何尺寸；

3）選擇一襯和二襯支護參數；

4）隧道開挖輪廓預留變形量；

5）選擇開挖方法和施工順序，應免爆破、短進尺、及時支護行程閉環；

6）現場監控量測設計；

7）施工輔助措施設計。

隧洞工程現代支護理論體系最大特點是勘測、設計、施工一體化，主要是指錨噴支護設計應做到勘測、設計、施工緊密配合，不分離。

3.3 設計原則

全斷面預注漿法是結合國情和處理賦水砂礫石地質隧洞特點總結出的一種設計施工一體化方法，特點是采用新奧法施工原理，采用止漿墻、超前支護、改善地層等配套技術，將量測信息反饋給設計和施工方。

實踐中應遵循的原則：

1）結合工程環境條件和隧洞本身安全要求，綜合制訂沉降控制基準值；

2）綜合考慮施工安全、工期、造價等因素，選定開挖工法；

3）根據圍巖-支護共同工作原理，隧洞支護要考慮時間和空間效應，加強初期支護控制地層變形；

4）加強監控量測，反饋信息，及時調整支護參數[1]。

3.4 設計內容

3.4.1 止漿墻

止漿墻采用厚2m 的C25 混凝土澆筑，基地嵌入地層50～80cm，周邊嵌入圍巖1m。止漿墻澆筑完成后，通過導管進行注漿對止漿墻與初支護間裂隙進行封閉。

3.4.2 注漿加固

引水隧洞4+214.0～4+382.00 段，縱向長168m，徑向加固范圍開挖輪廓線內布設4 圈注漿孔，注漿孔終孔在開挖輪廓線外5m，布設補孔斷面為砂卵礫石段，具體位置根據鉆孔地質情況進行確定，開孔位置布孔按環形及直線布孔方式，終孔位置均按環形布孔方式，全斷面預注漿鉆孔布置圖見圖2。

圖2 全斷面預注漿鉆孔布置圖

注漿材料以普通硅酸鹽水泥單液漿為主，普通水泥-水玻璃雙液漿為鋪，施工過程中可根據涌水情況及地層吸漿情況進行材料種類及配比調整。

3.4.3 注漿順序

1）先施作C1、C3、C5、C7、C9、C11、C13、C15、C17、C19、C21 孔位超前地質探孔，對地質情況進行判斷；

2）采取先外后內、由上到下、間隔跳孔施工方式進行。

3.4.4 設計注漿量

設計注漿量按預加固地層孔隙率進行計算，注漿量可根據現場注漿情況進行動態調整，做好記錄。

3.4.5 注漿效果檢查

采取P-Q-t曲線分析、反算漿液充填率、注漿量分布狀態、堵水率及檢查孔等方法對注漿效果進行評判，檢查孔數量為注漿孔數的10%。

3.4.6 注漿段開挖

1）注漿段開挖遵循淺埋隧洞開挖機理或弧形導坑法機理，考慮后續工序施作要求；

2）在第一個注漿循環結束后，掌子面一邊進行下一循環注漿，一邊進行仰拱施作，仰拱可采用跳槽施作形式及時封閉成環。

4 工程施工過程中及時優化調整

1）為加快施工進度隧洞分別從K4+174、K

4+422 兩端開始向八棱溝內測進行開挖施工，上游預注漿方案第一循環為35m，第二循環為25m，效果明顯；下游第一循環為40m，第二～第四每循環進尺為25m。施工過程中根據開挖圍巖實際情況，及時調整支護參數。

2）在K4+377.5～K

4+351 全斷面預注漿段隧洞開挖時，上游側腰部發生管涌滲透現象，200m3/h 帷幕灌漿已經難以完全堵住水流，為了施工安全，在全斷面預灌漿固結基礎上，及時增加34 根φ108mm 跟管大管棚（18m/根）在上部180°周邊，環向間距為48cm，外插角為3°，注漿采用1∶1 純水泥漿，注漿壓力1MPa～3MPa，必要時提高。其中2根作為集中引水孔，孔內不注漿，φ108mm 跟管內采用注漿機進行高壓劈裂注漿，擠密圍巖形成扇形保護核，小型挖掘機配碎頭短進尺、免爆破，大部分涌水抽排到洞外。

3）部分施工段由于地質覆蓋層為含漂石砂卵礫石，長管棚不易貫穿，采用錨桿支護。

施工中嚴格按照施工圖文件施工，避免發生工程事故，充分重視免爆破（機械、人工配合開挖）、短進尺，避免強烈擾動圍巖，并及時完成初期支護，及時布設監控量測點，勤量測，確保施工安全及結構長期穩定性，驗證支護結構效果。

5 結論與經驗

（1）在賦水砂礫石地層開挖隧洞時，須采用工程措施對地層進行預支護或預加固，主要采用止漿墻配合超前小導管，根據不同地質條件，還可采用長管棚超前支護加固地層、洞內及洞外降低地下水位法等，（2）采用全斷面預注漿加固后，地層整體受力狀況得到明顯提升，降低隧洞開挖時的安全風險，也節約部分初期支護費用；（3）地層應力變化位置主要在開挖面附近，縱向影響范圍較小，沉降以拱頂最大，水平位置以拱腰最大，上臺階開挖所引起位移占全斷面開挖總位移大部分。

6 結語

水電工程尤其是大型水電站，在隧洞選線設計過程中，要求盡量避免地質條件不良巖體和沖溝，而對于有些中小型水電站，由于水能、投資等各個方面的限制因素，使得隧洞在選線過程中不可避免地出現地質條件較復雜情況，針對有些復雜地質條件可以選擇全斷面預注漿方法進行預加固，確保引水隧洞施工期及運行期安全，雖然施工期投資會相對較高，但對于電站總體收益來說還是比較經濟的，該工程案例也為其他工程提供參考依據。