永寧河四級(jí)水電站#引水隧洞塌方段臨時(shí)支護(hù)施工

謝和平，王偉，李鵬

(中國水利水電第五工程局有限公司第一分局，四川雙流，610225)

1 概述

永寧河四級(jí)水電站位于四川省西昌市鹽源縣長柏鄉(xiāng)境內(nèi)的永寧河河段上，主要永久建筑物包括攔河閘壩、進(jìn)水閘、泄洪閘、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、電站廠房、升壓站等。永久主要建筑物均按Ⅳ級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，永久次要建筑物按Ⅴ級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。取水樞紐采用閘壩取水方式，取水口為1#閘室，連接明渠采用混凝土襯砌長度150m，水流經(jīng)過進(jìn)水前室與引水隧洞相接，多余進(jìn)水隨溢流堰瀉出。引水隧洞全長8007.8m，其中分4個(gè)支洞，過水?dāng)嗝鏋槌情T洞和圓形，過水?dāng)嗝鎸挾萣=3.4～3.8m，采用鋼筋混凝土砌筑。調(diào)壓井井口至下平洞中心高程的距離為61m，鋼筋混凝土襯砌后豎井直徑為12m。壓力管道主管長496m，鋼管內(nèi)徑3.4m，設(shè)置鎮(zhèn)墩6個(gè)。廠房布置在臥落河Ⅰ級(jí)階地，電站為兩臺(tái)混流式機(jī)組，總裝機(jī)容量4萬kW。

1#支洞開挖斷面為城門洞形，開挖斷面底寬4.0m，直墻高3.4m，頂拱半徑2.3m，成型過水?dāng)嗝鏋榈讓?.4m，直墻3m，頂拱半徑1.963m，采用全斷面方式開挖，C25鋼筋混凝土全斷面襯砌。

工程區(qū)內(nèi)地質(zhì)基本烈度為Ⅶ度，區(qū)域內(nèi)出露地層主要為四迭系上統(tǒng)楊家坪玄武巖和黑泥哨組砂巖、碳質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r。其中，進(jìn)水口為“V”形河谷，河床左岸基巖裸露，右岸覆蓋層為第四系崩坡積層。

1#支洞下游從主支交叉處往下游309m暨樁號(hào)1+147m處開始，圍巖出現(xiàn)較大塊破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，夾黃色泥巖伴有滲水，在開挖出的掌子面頂拱和邊墻部位出現(xiàn)大面積涌水(約20m3/h)，屬于不穩(wěn)定Ⅴ類圍巖。樁號(hào)1+147m之前圍巖為玄武巖，圍巖穩(wěn)定性好，為Ⅲ類圍巖，施工過程中未進(jìn)行支護(hù)處理。

2 施工情況及原因分析

2.1 施工情況簡介

永寧河四級(jí)電站于2008年3月10日復(fù)工后，在1#隧洞下游樁號(hào)1+147m處出現(xiàn)首次小規(guī)模塌方，隨后采用“超前導(dǎo)管+鋼支撐+頂拱鋪鋼模板”的支護(hù)措施。此處塌方長度1.0m(樁號(hào)1+147m～1+148m)，從設(shè)計(jì)開挖斷面拱頂至塌腔頂部最高距離為1.0m。第一次隧洞塌方縱剖面如圖1所示。

此處的塌方段支護(hù)處理完后，采用“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)”的施工方法，“超前管棚+鋼支撐+頂拱鋪板”的臨時(shí)支護(hù)形式進(jìn)行支護(hù)施工。結(jié)果剛放完炮，支護(hù)好的塌腔部位的2榀鋼支撐、鋼模板和管棚連同大量土石方一起垮塌，造成樁號(hào)1+147～1+151m部位4m長的塌腔;此塌腔頂部與原開挖斷面拱頂最高處的高差為3.0m，造成二次塌方，塌方體把第一次塌方后支護(hù)好的鋼支撐、超前管棚和鋼模板全部壓塌。第二次隧洞塌方縱剖面見圖2。

圖2 隧洞第二次塌方縱剖面示意

2.2 塌方原因分析

經(jīng)過業(yè)主、監(jiān)理工程師、設(shè)計(jì)代表和施工單位四方聯(lián)合到現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查分析，認(rèn)為該段隧洞兩次塌方均是由于地質(zhì)原因不太明確所致。

地質(zhì)原因:第一次塌方部位及其附近巖層就是玄武巖夾雜黃色泥巖，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈塊狀，且全斷面均有大量滲水，屬于不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖。在鉆爆洞挖施工過程中，由爆炸震動(dòng)和沖擊力作用下，不穩(wěn)定泥巖在水的浸潤作用下直接軟化不能自穩(wěn)，形成塌落小塌腔，其居于起拱線以上右側(cè)，呈倒錐形。

第一次塌方處的整個(gè)洞頂塌腔大面積滲水，不易噴護(hù)C20混凝土，回彈太大，70%以上的C20混凝土不能粘在巖面及泥巖表面，這樣就不能形成應(yīng)力圈，對(duì)拱頂以至塌腔部位形成支撐加固的作用。

在樁號(hào)1+147m以后的巖層中，不明確的大量黃色泥巖在開挖斷面起拱及拱頂部位，超前導(dǎo)管長為3m，間距30cm;超前錨桿打入巖層中，外露50cm，實(shí)際在未開挖洞段的巖石中起作用的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)面整體強(qiáng)度性的超前管棚部分僅2.5m。在此承載力薄弱、夾大量泥巖的巖層中洞挖，雖然采用弱爆破一循環(huán)進(jìn)尺在1m左右，但實(shí)際爆破在此巖層中一循環(huán)進(jìn)尺居然到達(dá)1.5m以上，導(dǎo)致此時(shí)在巖層中作用的超前管棚長度僅1.0m，不能自穩(wěn)，隨巖石塌方體一起將鋼支撐壓垮。

3 施工方案及措施

3.1 小塌方段處理方案

3.1.1 支護(hù)及開挖程序

臨時(shí)支護(hù)方式:采用“素噴+超前管棚+鋼支撐+鋼模板”。

工藝流程:塌方段進(jìn)行危石排除→素噴8cm厚的C20混凝土→進(jìn)行塌渣清理→支鋼支撐→打鎖腳錨桿→鋪鋼模板→起拱部位加固焊接→打超前管棚→爆破洞挖。

3.1.2 支護(hù)技術(shù)參數(shù)

素噴采用標(biāo)號(hào)C20的混凝土，噴護(hù)厚度8cm，鋼支撐采用14號(hào)工字鋼，間距1m;連接筋采用φ16mm的鋼筋，鎖腳錨桿采用φ25mm的鋼筋，長度3m。起拱以上鋪鋼模板，預(yù)留孔洞;超前導(dǎo)管采用φ42mm的鋼管，長度3m，間排距30cm。

3.1.3 施工方法

首先對(duì)塌方的空腔及開挖斷面危石進(jìn)行排除，對(duì)塌腔部位及整個(gè)斷面進(jìn)行素噴處理。素噴處理分兩步進(jìn)行:第一步先噴護(hù)C20混凝土3cm厚，待混凝土1h有一定的強(qiáng)度后再進(jìn)行第二次素噴，素噴厚度為5cm，素噴總厚度為8cm。

其次支鋼支撐，鋼支撐采用14號(hào)工字鋼，鋼支撐的間距為1m，每榀鋼支撐打鎖腳錨桿20根，鎖腳錨桿與鋼支撐焊接牢固，鎖腳錨桿采用φ25mm的鋼筋，長度3m，鋼支撐兩邊直墻部位對(duì)稱打兩組共8根鎖腳錨桿，鋼支撐起拱部位上下側(cè)兩組對(duì)稱打8根鎖腳錨桿，鋼支撐頂拱兩側(cè)對(duì)稱打一組拱，4根鎖腳錨桿。在鋼支撐上鋪鋼模板，預(yù)留孔洞便于安裝焊接。

最后臨時(shí)支護(hù)按照施工方案的要求，在起拱部位打超前導(dǎo)管，每根鋼管長度3m，掌子面那榀鋼支撐上打20個(gè)間距30cmφ42mm的孔洞，便于導(dǎo)管打入未洞挖的巖層中和形成均勻布置導(dǎo)管的作用。次段洞挖爆破采用弱爆破，周邊孔進(jìn)行減弱的間隔裝藥。第一次塌方支護(hù)如圖3所示。

圖3 第一次塌方支護(hù)方案示意

3.2 二次塌方處理方案

3.2.1 施工情況描述

第一次小塌方處理完成后，開挖按照“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的原則，打超前管棚、鋼支撐的支護(hù)形式進(jìn)行洞挖。由于圍巖地質(zhì)情況較差，滲水量大，全斷面夾雜大面積黃色泥巖，進(jìn)尺1.5m后出現(xiàn)了二次塌方。塌方部位覆蓋了第一次塌方部位，并擴(kuò)大塌方空腔，長度達(dá)到4m，高度為3m，將第一次塌方所處理好的鋼支撐全被壓塌，出現(xiàn)了二次塌方，主要為該段的強(qiáng)風(fēng)化巖石與較大滲水相遇，造成再次塌方，且塌腔較大。

3.2.2 方案的制定和實(shí)施

由于此段巖層是玄武巖夾大面積黃色泥巖，泥巖遇到大面積滲水軟化，超前管棚在未開挖洞段的巖層中，作用的長度只有2.5m，且放了一炮進(jìn)尺1.5m后，實(shí)際作用的長度只有1.0m，致使超前管棚的超前導(dǎo)管不能在未開挖的巖石中自穩(wěn)，而產(chǎn)生塌方。

(1)具體措施:待此塌方段停工24h后，等圍巖稍穩(wěn)定后對(duì)塌腔的塌渣進(jìn)行清理，將壓塌變形的鋼支撐、鋼模板及鋼管全部清理，再運(yùn)用“拱上拱”的強(qiáng)支護(hù)方式施工。

從樁號(hào)1+145～1+147m退后2m開始，向掌子面支鋼支撐，用鎖腳錨桿固定，再與連接筋焊接形成整體結(jié)構(gòu)，后掛網(wǎng)噴護(hù)。

從樁號(hào)1+147～1+151m塌腔段支鋼支撐，用鎖腳錨桿固定，連接筋與其焊接為整體。塌腔部位掛網(wǎng)噴護(hù)，先墊底素噴C20混凝土5cm，用工字鋼做成鋼支撐上的拱圈緊貼塌腔的網(wǎng)片及巖面，形成支撐應(yīng)力圈，用工字鋼作為點(diǎn)支撐與塌腔拱圈和鋼支撐拱圈焊接，再素噴C20混凝土10cm。支護(hù)完成后采用鋼支撐打超前管棚，采用拱上拱的強(qiáng)支護(hù)形式進(jìn)行施工。

(2)技術(shù)參數(shù):從樁號(hào)1+151m處支鋼支撐，鋼支撐上打超前管棚。超前管棚采用φ42mm的鋼管制作，鋼管長度3m，間距30cm，仰角10°～15°，超前小導(dǎo)管的前端10～15cm左右制作成錐形。型鋼采用14號(hào)工字鋼制作，間距0.5m，鎖腳錨桿采用φ25mm的鋼筋，長度3m，鋼支撐左右邊墻對(duì)稱打兩組共8根鎖腳錨桿，起拱部位上下側(cè)對(duì)稱打兩組共8根鎖腳錨桿，拱圈上左右對(duì)稱打一組共4根鎖腳錨桿。塌腔的頂部先素噴5cm厚的C20混凝土，再掛網(wǎng)噴護(hù)，網(wǎng)片采用φ6.5mm鋼筋制作，間排距20cm，再噴護(hù)10cm厚的C20混凝土，以50cm的進(jìn)尺距離為一個(gè)單元。

再次開挖采用4臺(tái)YT－28手風(fēng)鉆鉆孔，孔徑φ42mm，爆破孔孔距0.3m，排距0.5m，孔深控制0.8m。2#巖石乳化炸藥、非電毫秒雷管分段起爆，炸藥單耗控制在0.3kg/m3左右。第二次塌方支護(hù)方案見圖4。

圖4 第二次塌方支護(hù)方案示意

為了使超前管棚的超前小導(dǎo)管尾部和型鋼完全結(jié)合成一個(gè)整體，在加工型鋼支撐時(shí)，其拱圈的工字鋼梁按照間距要求，用氣割加工成間距30cm的42mm直徑的圓孔。打超前導(dǎo)管便于操作和控制超前導(dǎo)管之間的間距。這樣即能與方案的均勻布置相吻和，又能與型鋼更好地結(jié)合成一個(gè)整體。加工示意如圖5、圖6所示。

圖5 拱上拱加工示意

圖6 第二次塌方臨時(shí)支護(hù)最后那榀鋼支撐加工示意

4 施工效果分析

塌方段工程地質(zhì)很差，成洞十分困難，采用超前管棚的施工方法施工，鋼支撐、網(wǎng)噴、拱上拱構(gòu)成了縱橫交錯(cuò)的整體支護(hù)體系，防止和限制了塌方、掉塊，使加固的圍巖和鋼支撐同時(shí)受力，提高圍巖的自穩(wěn)能力，且使以后的洞挖采用超前管棚的方法能順利進(jìn)行。在后期施工過程中，未發(fā)現(xiàn)鋼支撐變形和圍巖失穩(wěn)垮塌現(xiàn)象，洞挖一切正常，且至2010年進(jìn)行該段下游隧洞襯砌時(shí)未發(fā)生異常情況。

5 結(jié)語

此段強(qiáng)支護(hù)的工程經(jīng)驗(yàn)說明，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)的實(shí)際情況，對(duì)地質(zhì)較差或很差部位的塌方段采用“鋼支撐+拱上拱+網(wǎng)噴”結(jié)合超前管棚的洞挖形式，基本能滿足工程施工和安全的需要，對(duì)類似地質(zhì)條件的工程施工有很好的借鑒作用。