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(fā)有限責(zé)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(nèi)，是大金川河一級支流革什扎河水電規(guī)劃“一庫四級”開發(fā)方案的最末一個(gè)梯級電站。電站閘址位于獨(dú)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(fā)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(shè)計(jì)水頭506.5 m，引用流量60.28 m3/s，機(jī)組為沖擊式，裝機(jī)2臺，總?cè)萘?40 MW，年發(fā)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(hù)，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(qū)地層主要由一套震旦系至三疊系變質(zhì)的海相碎屑巖、泥質(zhì)巖及碳酸鹽巖組成。其中引水系統(tǒng)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(xué)性質(zhì)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(xué)性質(zhì)表

2.1 常規(guī)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(biāo)及實(shí)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(cè)翻裝載機(jī)裝渣，10 t自卸汽車出渣。對于Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖后，進(jìn)行簡單的臨時(shí)支護(hù)或不支護(hù)；Ⅳ、Ⅴ類圍巖屬于不良地質(zhì)情況，采取“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的施工方法，開挖后四方在現(xiàn)場確定支護(hù)方式進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

(2)開挖效果。

引水隧洞開挖完成后，經(jīng)四方聯(lián)合驗(yàn)收，洞挖成型控制較好，底板未發(fā)現(xiàn)有明顯的超挖，完整的巖體邊頂拱半孔率能夠達(dá)到85%以上，較完整和較破碎的巖體能夠達(dá)到60%以上，破碎的巖體能夠達(dá)到20%以上。

(3)底板超挖。

在底板混凝土澆筑前的基礎(chǔ)驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)存在基巖面低于設(shè)計(jì)高程0.2～0.5 m的現(xiàn)象。經(jīng)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(yàn)收典型斷面圖

根據(jù)對已經(jīng)完成的底板混凝土進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，底板設(shè)計(jì)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(tǒng)計(jì)表

2.2 預(yù)留保護(hù)層開挖方案

(1)開挖方案。

在進(jìn)行光面爆破的基礎(chǔ)上，隧洞開挖時(shí)底板預(yù)留0.3～0.5 m保護(hù)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(jīng)出渣車輛碾壓后呈現(xiàn)“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(hù)層呈原狀態(tài)，保護(hù)層需進(jìn)行欠挖處理，局部欠挖需要進(jìn)行二次鉆孔爆破，欠挖處理嚴(yán)重影響到底板混凝土的澆筑進(jìn)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(gòu)成，巖性一般軟硬相間，總體呈互層狀結(jié)構(gòu)，中下游洞段巖層擠壓揉皺極為強(qiáng)烈，層間擠壓破碎帶及小斷層發(fā)育。

經(jīng)查閱相關(guān)研究資料，干燥二云英片巖的裂紋起始應(yīng)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(yīng)峰值強(qiáng)度的41%，24%和41%，破壞應(yīng)力分別為對應(yīng)峰值強(qiáng)度的71%，33%和46%。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果還表明：3種加載方向的長期強(qiáng)度為對應(yīng)單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)烈，軟化系數(shù)普遍在0.75以下，加載后存在軟化現(xiàn)象。二云英片巖物理力學(xué)性質(zhì)如表3所示。

表3 二云英片巖物理力學(xué)性質(zhì)檢測表

(2)施工環(huán)境引起超挖。

引水隧洞沿線范圍內(nèi)分別發(fā)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(guī)模相對較大、切割較深、溝內(nèi)第四系松散堆積物深厚外，其余各條沖溝規(guī)模較小，切割較淺。因此，開挖后的洞內(nèi)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖常年存在濕潤～滴水狀態(tài)，Ⅴ類圍巖地下水發(fā)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(nèi)排水不能達(dá)到干燥環(huán)境的要求，底板長期處于潮濕環(huán)境中，濕抗壓強(qiáng)度明顯降低干抗壓強(qiáng)度。

(3)車輛反復(fù)碾壓加載引起超挖。

根據(jù)初設(shè)施工組織設(shè)計(jì)，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(gè)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(huán)2 m計(jì)算，底板被出渣車反復(fù)碾壓，最多達(dá)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(biāo)施工組織設(shè)計(jì)及實(shí)施過程中，掌子面開挖后危巖排險(xiǎn)及澆筑前底板清基機(jī)械均采用斗容1 m3反鏟。但是，由于對二云英片巖特性認(rèn)識不足，采用此類大型機(jī)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(yīng)對措施

4.1 預(yù)留保護(hù)層開挖方案

底孔造孔時(shí)，適當(dāng)將底孔位置上移，預(yù)留30～50 cm作為爆破保護(hù)層，車輛碾壓掉保護(hù)層后，達(dá)到設(shè)計(jì)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(yàn)性開挖數(shù)據(jù)表明，全斷面開挖與留保護(hù)層開挖的超填量/設(shè)計(jì)量比例由122%降低至29%。驗(yàn)收數(shù)據(jù)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(jìn)行欠挖處理，甚至二次造孔爆破，從而嚴(yán)重影響到底板的清基效率，導(dǎo)致進(jìn)度受到影響。

因此，預(yù)留保護(hù)層開挖工藝在本工程未普遍實(shí)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(yùn)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(nèi)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(hù)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(shù)洞段實(shí)施此方案以保護(hù)底板。

4.3 皮帶機(jī)運(yùn)輸方案

皮帶機(jī)運(yùn)輸方案是通過在隧洞邊墻上架設(shè)0.8～1 m寬的皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)，將開挖的洞渣運(yùn)出洞內(nèi)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(jī)架設(shè)后與邊頂拱鋼模臺車相互干擾非常大，無法實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)平行作業(yè)。

因此，本工程未采用該方案。

4.4 限制使用清基機(jī)械

針對反鏟清基時(shí)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(jìn)行清基。

表4 引水隧洞標(biāo)典型斷面驗(yàn)收統(tǒng)計(jì)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(fā)揮了較好的作用。

5 底板超挖后采取的技術(shù)處理方案

5.1 降低混凝土底板設(shè)計(jì)高程方案

(1)技術(shù)方案。

(2)利弊分析。

有利因素為：結(jié)構(gòu)斷面調(diào)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(wǎng)鋼筋31 t，邊墻襯砌鋼筋283 t，初步估算節(jié)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(tǒng)一設(shè)計(jì)高程的降低標(biāo)準(zhǔn)，澆筑后的底板面將呈起伏狀，給運(yùn)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(cè)邊墻各40 cm的掛網(wǎng)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(dāng)墊高不影響邊頂拱襯砌。

本工程將在后期結(jié)合底板清基情況予以實(shí)施。

5.2 在浮渣上澆筑底板混凝土方案

(1)技術(shù)方案。

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

(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(jìn)度，節(jié)約了投資，該方案2009年在四川某電站引水隧洞中成功應(yīng)用浮渣混凝土底板洞段3 950 m，節(jié)約投資約400萬元，技術(shù)可行，但質(zhì)量尚未經(jīng)過特殊工況及長期運(yùn)行檢驗(yàn)。

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(huán)境下，不利于運(yùn)行期間的安全穩(wěn)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(wù)問題的處理

二云英片巖底板在潮濕環(huán)境下經(jīng)出渣車輛碾壓后嚴(yán)重軟化的特性屬不良地質(zhì)原因，應(yīng)由發(fā)包人承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)責(zé)任，由此而實(shí)施的骨料換填保護(hù)措施及增加底板設(shè)計(jì)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(yīng)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(zhì)洞段骨料換填約30 000 m3，增加投資450萬元，此外，目前已經(jīng)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(zhì)環(huán)境中引水隧洞工程的招標(biāo)設(shè)計(jì)及評標(biāo)時(shí)，對底板保護(hù)措施應(yīng)提出明確要求，避免變更與索賠。

7 結(jié) 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(shè)計(jì)高程以下不良地質(zhì)清基量較大的情況，經(jīng)分析，主要是由于巖石特性、洞內(nèi)潮濕的施工環(huán)境、出渣車輛反復(fù)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(hù)底板，提高施工效率。如果對二云英片巖特性有充分地認(rèn)識，提前謀劃，優(yōu)化保護(hù)層開挖工藝，或者采用皮帶機(jī)運(yùn)輸洞渣，都是可行的方案。

(3)在底板超挖洞段澆筑混凝土?xí)r，適當(dāng)降低設(shè)計(jì)高程，能夠方便施工，加快進(jìn)度，節(jié)約投資。

(4)二云英片巖引水隧洞底板在潮濕環(huán)境中經(jīng)出渣車輛碾壓嚴(yán)重軟化，屬承包人不可預(yù)見的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)給予全額補(bǔ)償(清基超挖除外)，通過補(bǔ)償，有利于工程建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)雙贏。

參考文獻(xiàn)：

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