金川水電站導流洞碳質千枚巖洞段施工技術

劉 釗，張金龍

（中國安能集團第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

0 引言

金川水電站位于四川省阿壩州金川縣境內的大渡河上游河段，電站總裝機容量為900 MW。該水電站導流洞布置在右岸，斷面型式為城門洞型，按有壓洞設計，斷面尺寸為12.5 m×14.5 m（寬×高），洞身長1 035.75 m，底坡4.92‰。該水電站工程區位于青藏高原隆起的東部邊緣，夾持于多個地震構造帶之間，近代歷史中周邊松藩、爐霍、汶川、蘆山等地多次發生特大地震。地形隆起、河谷深切、構造擠壓、巖層變質、地震振動造成巖層產狀傾斜、結構破壞、裂隙發育，導流洞圍巖穩定性較差。

1 導流洞圍巖地質條件

1.1 導流洞圍巖地質條件

金川水電站導流洞最大埋深380 m，洞身大部分洞段處于地下水位以下。圍巖主要為中厚層夾薄層狀變質細砂巖夾碳質千枚巖，巖層陡傾，產狀 NW320°～ 330°SW ∠ 60°～ 89°，與導流洞近于正交，以Ⅳ1類和Ⅲ1類為主；導流洞0+053樁號往下游方向出現厚約10 m、沿導流洞長約40 m的碳質千枚巖，薄層砂板巖軟弱巖層帶，屬于Ⅳ2類圍巖。

圍巖體內發現的斷裂主要為順層斷層和層面裂隙，并發育少量緩傾角斷裂，其與陡傾的層面裂隙組合易形成不穩定塊體，對頂拱不利，易引起局部掉塊、塌方。

1.2 碳質千枚巖的工程地質特性

碳質千枚巖呈灰黑色，細粒鱗片變晶結構，千枚狀構造，巖性松軟，三軸干抗壓強度5～8 MPa，軟化系數約為0.35，有膨脹性，遇水極易軟化，抗風化能力差，易形成巖屑，產生碎落現象[1]。

在導流洞洞室開挖過程中，圍巖應力重新分布，松動圈和塑性圈快速擴展，且碳質千枚巖自穩能力極差，變形發生后極易產生坍塌，甚至產生較大的塌方[2]。

2 施工方案選擇

地質勘察資料顯示，導流洞0+053樁號往下游方向的碳質千枚巖、薄層砂板巖互層帶厚度約10 m、沿導流洞分布長度約40 m，主要出現在導流洞上半洞。考慮到碳質千枚巖巖性松軟和遇水易軟化等特點，為了保證施工安全，在開挖的過程中必須配以適當的支護方法，包括超前支護、臨時支護和系統支護。結合實際條件，對該類軟弱圍巖，選擇“短進尺、弱（不）爆破、快封閉、強支護、勤測量”的施工原則，從而確保永久性支護及時封閉成環。全斷面法不利于掌子面穩定，極易造成塌方，長臺階法因不能使支護結構及時封閉致使圍巖暴露時間過長，在本工程中均不具有可行性。

根據碳質千枚巖的工程特性，綜合考慮施工安全、工程安全及施工工期的要求，為了預防在導流洞碳質千枚巖分布洞段變形加大和坍塌問題發生，上半洞開挖施工研究采用臺階分部開挖法即環形開挖保留核心土法[3]。該方法結合噴射混凝土及時封閉開挖面，用超前小導管、鋼拱架、掛網、系統錨噴支護等方法加固圍巖，限制圍巖松動圈和塑性圈的發展，改善圍巖應力條件，實施短進尺、快循環，以減小對巖體的擾動。

開挖的原則是先加固已開挖的洞段，待強支護完成后，以安全穩固的已支護洞體為依托穩妥向前推進。開挖支護鉆孔，應盡量避免水鉆法施工，防止施工用水對碳質千枚巖巖體結構的破壞。

3 支護措施

根據導流洞圍巖地質條件，結合碳質千枚巖的工程特性，金川水電站導流洞碳質千枚巖分布洞段采用“C25鋼纖維噴混凝土（基巖面封閉）+I20a鋼拱架（部分脫空部位采用I20a副拱與巖面楔緊）+掛網鋼筋（型號φ6.0@15 cm×15 cm）+系統錨噴支護+超前小導管”的加強支護措施進行施工。

1）鋼拱架。在碳質千枚巖洞段，增設I20a鋼拱架加強支護，對部分塌腔高度＞50 cm的部位采用副拱楔緊。鋼拱架間距0.5 m，縱向連接筋采用φ25 mm螺紋鋼，環向間距1.0 m。對鋼拱架鎖腳進行加固處理，每榀拱架拱肩及拱腳各設1組φ25 mm、L=4.5 m的鎖腳錨桿，其余部位采用系統錨桿配合鎖定。

2）系統錨噴支護。為了有效發揮鋼拱架的作用，各榀拱架之間及拱架與巖壁之間采用C25混凝土噴平填實，掛網鋼筋（型號φ6.0@15 cm×15 cm）。 頂 拱 錨 桿φ32 mm、L=9 m入巖8.5 m，錨桿φ25 mm、L=4.5 m入巖4 m，間排距為1.5 m×1.5 m，按梅花型布置。邊墻φ32 mm系統錨桿，L=9.0 m入巖8.5 m，間排距為1.5 m×1.5 m。

3）超前支護。超前小導管布置參數為：φ42 mm，L＝4.0 m，環向間距30 cm，縱向間距3 m，仰角、外插角為5°～10°，灌漿壓力0.2～ 0.5 MPa。

4 施工技術

根據碳質千枚巖的工程特性，上半洞采用臺階分部開挖法即環形開挖保留核心土法，一開挖一支護循環穩步推進[4]。環形開挖進尺等于鋼拱架間距0.5 m，開挖完成后立即噴射C25鋼纖維混凝土進行封閉，而后進行鋼拱架施工，安裝鎖腳錨桿，掛鋼筋網，每榀拱架之間及拱架與巖壁之間采用噴C25混凝土噴平填實。施工超前小導管，每3 m一個循環，小導管焊接固定在鋼拱架上，進入下一個循環。

4.1 洞挖施工

導流洞共分為上中下三層開挖，本文主要介紹碳質千枚巖洞段上層開挖。上層洞室分為3部分：第1部分頂拱環形部位約2 m，第2部分預留核心土，第3部分上層剩余部分。

首先進行第一部分頂拱環形部位開挖，釆用1 m3挖掘機將掌子面清理干凈，以預留核心土為施工平臺，以已施工的鋼拱架支護洞段為安全依托，采用人工撬挖或手風鉆淺孔小藥量爆破的方法，挖出上層頂拱結構線內約2 m范圍的巖體，留下中間核心土部分，待形成完整的開挖結構面后進行強支護。當核心土長度超過6～7 m時，將多余部分挖出，以方便施工[5]。上層第三部分及中、下層開挖采用常規分部分層開挖法施工，即首先進行拉槽，兩層保護層采用小藥量光面爆破，支護及時跟進。中槽和邊墻開挖工作面間隔6 m以上，同時左右邊墻開挖支護交替進行，每循環進尺3～4 m。開挖分區及開挖層序如圖1、圖2所示。

圖1 碳質千枚巖洞段開挖分區圖（橫向）

圖2 碳質千枚巖洞段開挖秩序示意圖（縱向）

以上施工程序循環進行，直至通過碳質千枚巖分布上層洞段。

4.2 掛網噴射混凝土

碳質千枚巖極破碎，開挖擾動后容易掉塊坍塌，分區開挖完成后立即采用C25鋼纖維噴混凝土：先對基巖面進行封閉防止掉塊，形成較安全的作業環境；然后立拱架、打鎖腳錨桿、掛網，再噴混凝土至設計厚度。

由于頂拱采用保留核心土法開挖，工作面受限，噴射混凝土宜采用小型濕噴機分層噴護。后續核心土挖除后，利用大型噴混凝土臺車采用濕噴法進行噴護作業，并及時進行灑水養護。

鋼筋網在場外按塊進行編焊。運至工作面后，人工在核心土平臺上鋪設，利用錨桿頭點焊固定，架立筋采用φ12 mm鋼筋，中間用膨脹螺栓加密固定，網間用鉛絲扎牢。

4.3 鋼拱架安裝

鋼拱架在加工場內加工制作，按設計半徑尺寸分段釆用冷彎機彎曲成型，副拱各節也按洞內拱架設計圖分別截取編號標識，運輸車運至現場進行安裝。

安裝前進行測量定位，鋼拱架先安裝兩側下部拱架，鎖腳牢固。然后利用核心土施工平臺，人工將上部拱架放至架立位置，與下部預先安裝的拱架連接牢固。榀與榀之間采用φ25 mm螺紋鋼筋間距1.0 m連接筋焊接成整體。鋼拱架所有連接點均釆用高強度螺栓連接牢固，對鋼拱架鎖腳進行加固處理，每榀鋼拱架拱肩及拱腳各設1組φ25 mm、L=4.5 m的鎖腳錨桿，其余部位采用系統錨桿配合鎖定。部分脫空大于50 cm部位采用I20a工字鋼副拱支撐，分層進行施工，楔緊巖面。較小脫空部位采用C25噴射混凝土直接回填密實。為了有效發揮鋼拱架的支撐作用，各榀鋼拱架之間及鋼拱架與巖壁之間應采用C25混凝土噴平填實。

4.4 錨桿施工

鎖腳錨桿在鋼拱架安裝完成后立即施工，因工作面有限，以核心土為施工平臺，人工持手風鉆造孔，人工安插錨桿，注漿機注漿。系統錨桿在保留核心土施工期間，不具備施工條件，到核心土挖出，洞室上層開挖完成后組織施工。

根據錨桿長度、鉆孔孔徑及快速施工要求，采用三臂鉆造孔。根據碳質千枚巖巖性松軟和遇水易軟化的特點，鉆孔采用干鉆法施工，并通過霧化噴水及粉塵收集降低揚塵，采用人工配合隨車吊安插錨桿，錨桿注漿機注漿。

4.5 超前小導管施工

為了增強碳質千枚巖分布洞段巖體的自穩能力，開挖前采用超前小導管進行環向灌漿，形成周圍固結灌漿層，并與鋼拱架及噴射混凝土層構成支撐拱圈。

超前小導管采用φ42 mm無縫鋼管，布置于導流洞起拱線以上范圍內。小導管前段做成約10 cm長的圓錐狀，并封焊嚴實，管身按梅花形布設溢漿孔，孔徑6～8 mm，間距20～30 cm，后端1 m范圍不設溢漿孔，在尾端焊接直徑6～8 mm的鋼筋箍加固。小導管在掌子面用手風鉆鉆孔，人工或鉆機頂入，尾部焊接在鋼拱架上固定，孔口安裝止漿閥作密封處理，采用高壓注漿泵注漿，注漿壓力為0.2～0.5 MPa，注漿結束后將管口封堵，以防漿液倒流管外。

5 施工期安全監測

通過對碳質千枚巖洞段施工期的圍巖應力和變形進行觀測，及時預警預報。一旦發生異常情況，立即報告相關各方，必要時撤離工作面，采取各種措施以確保施工人員和施工機械安全。

在碳質千枚巖洞段的施工過程中，使用的安全監測手段有：埋設多點位移計、錨桿應力計及隧洞收斂變形監測。碳質千枚巖洞段開挖施工至襯砌完成期間的安全監測數據正常，表明圍巖穩定，未發現異常變形情況。

6 結語

對于金川水電站導流洞碳質千枚巖分布洞段施工，上半洞采用環形開挖保留核心土法，分層分部開挖，并通過超前小導管、鋼拱架及掛網、系統錨噴支護等支護措施，鉆孔采用干鉆法施工，穩步有序地完成了開挖支護工作。該施工技術既保證了碳質千枚巖洞段的施工工期，也有效保證了施工質量和施工期的安全。