李萬舒

（中國(guó)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(guī)劃中梯級(jí)電站之一，位于宕昌縣沙灣鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座低壩徑流引水式電站，總裝機(jī)容量51MW，工程等級(jí)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(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，如引水隧洞穿越八棱溝將增加裝機(jī)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(zhǎng)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(zhǎng)有少許林木。兩岸由第四系堆積物組成臺(tái)地高出溝底5～10m，前緣近直立，臺(tái)面坡度5°～30°，臺(tái)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(fā)育稀疏。根據(jù)沖溝兩側(cè)、溝口堆積物分布及物質(zhì)組成、溝底縱向變化情況分析，八棱溝在全新世早期曾發(fā)生過稀性泥石流，今后還具備發(fā)生泥石流地形地貌、水文氣象和地質(zhì)條件。

2 八棱溝地質(zhì)條件

輸水隧洞4+204.0～4+375 段在八棱溝段通過，長(zhǎng)171m，呈SE132°布置。八棱溝左岸為基巖邊坡，中部為八棱溝現(xiàn)代河床，右岸為洪積扇，溝內(nèi)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(wěn)定，巖性上部為風(fēng)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(tǒng)千枚巖；河床段現(xiàn)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?guī)r、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(jié)構(gòu)稍密-中密；局部出露及下伏基巖為志留系下統(tǒng)千枚巖，根據(jù)地表調(diào)查，千枚巖強(qiáng)風(fēng)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(jù)鉆孔及物探揭露：沖洪積層厚度為30m～50m，下伏為志留系下統(tǒng)千枚巖，根據(jù)ZK5 揭露：千枚巖全風(fēng)化層厚度3m～4m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度6m 左右。

根據(jù)野外試驗(yàn)，沖洪積砂卵礫石層中天然干密度為1.9g/cm3～2.08g/cm3，重型動(dòng)力觸探擊數(shù)8 擊～13 擊，說明結(jié)構(gòu)中密，建議取洪積層允許承載力值[R]=300kPa～400kPa，根據(jù)滲透試驗(yàn)，滲透系數(shù)為2.08×10-3cm/s～4.73×10-2cm/s,屬中-強(qiáng)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(zhì)縱剖面圖

3 引水隧洞穿越八棱溝段開挖支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 主要難點(diǎn)

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

3.1.1 地下水豐富

項(xiàng)目區(qū)地下水補(bǔ)給充足，地下水對(duì)工程施工影響很大，隧洞開挖后，大量地下水會(huì)滲入隧洞，滲透作用使圍巖軟化，可能會(huì)導(dǎo)致圍巖變形加大，影響施工安全。

3.1.2 圍巖軟弱易擾動(dòng)且穩(wěn)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(tǒng)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(huì)引起圍巖應(yīng)力重分布，控制不好易產(chǎn)生變形坍塌，嚴(yán)重危及施工期人員和設(shè)備安全。

3.2 總體思路

通過對(duì)全斷面預(yù)注漿固結(jié)技術(shù)、對(duì)地下水處理、地層穩(wěn)定性、隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及施工安全性等相關(guān)研究，提出隧洞預(yù)注漿方案和預(yù)處理方案、調(diào)整隧洞開挖斷面型式、隧洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、隧洞合理施工工序和施工方法及施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)管理等思路，指導(dǎo)八棱溝段引水隧洞開挖設(shè)計(jì)及施工。

1）便于隧洞初期支護(hù)實(shí)施，將開挖斷面型式調(diào)整為類馬蹄形斷面；

2）結(jié)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(hù)參數(shù)；

4）隧道開挖輪廓預(yù)留變形量；

5）選擇開挖方法和施工順序，應(yīng)免爆破、短進(jìn)尺、及時(shí)支護(hù)行程閉環(huán)；

6）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)；

7）施工輔助措施設(shè)計(jì)。

隧洞工程現(xiàn)代支護(hù)理論體系最大特點(diǎn)是勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工一體化，主要是指錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)做到勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工緊密配合，不分離。

3.3 設(shè)計(jì)原則

全斷面預(yù)注漿法是結(jié)合國(guó)情和處理賦水砂礫石地質(zhì)隧洞特點(diǎn)總結(jié)出的一種設(shè)計(jì)施工一體化方法，特點(diǎn)是采用新奧法施工原理，采用止?jié){墻、超前支護(hù)、改善地層等配套技術(shù)，將量測(cè)信息反饋給設(shè)計(jì)和施工方。

實(shí)踐中應(yīng)遵循的原則：

1）結(jié)合工程環(huán)境條件和隧洞本身安全要求，綜合制訂沉降控制基準(zhǔn)值；

2）綜合考慮施工安全、工期、造價(jià)等因素，選定開挖工法；

3）根據(jù)圍巖-支護(hù)共同工作原理，隧洞支護(hù)要考慮時(shí)間和空間效應(yīng)，加強(qiáng)初期支護(hù)控制地層變形；

4）加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，反饋信息，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)[1]。

3.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.4.1 止?jié){墻

止?jié){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?jié){墻澆筑完成后，通過導(dǎo)管進(jìn)行注漿對(duì)止?jié){墻與初支護(hù)間裂隙進(jìn)行封閉。

3.4.2 注漿加固

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

圖2 全斷面預(yù)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(jù)涌水情況及地層吸漿情況進(jìn)行材料種類及配比調(diào)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(zhì)探孔，對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行判斷；

2）采取先外后內(nèi)、由上到下、間隔跳孔施工方式進(jìn)行。

3.4.4 設(shè)計(jì)注漿量

設(shè)計(jì)注漿量按預(yù)加固地層孔隙率進(jìn)行計(jì)算，注漿量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)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(tài)、堵水率及檢查孔等方法對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)判，檢查孔數(shù)量為注漿孔數(shù)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(jī)理或弧形導(dǎo)坑法機(jī)理，考慮后續(xù)工序施作要求；

2）在第一個(gè)注漿循環(huán)結(jié)束后，掌子面一邊進(jìn)行下一循環(huán)注漿，一邊進(jìn)行仰拱施作，仰拱可采用跳槽施作形式及時(shí)封閉成環(huán)。

4 工程施工過程中及時(shí)優(yōu)化調(diào)整

1）為加快施工進(jìn)度隧洞分別從K4+174、K

4+422 兩端開始向八棱溝內(nèi)測(cè)進(jìn)行開挖施工，上游預(yù)注漿方案第一循環(huán)為35m，第二循環(huán)為25m，效果明顯；下游第一循環(huán)為40m，第二～第四每循環(huán)進(jìn)尺為25m。施工過程中根據(jù)開挖圍巖實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

2）在K4+377.5～K

4+351 全斷面預(yù)注漿段隧洞開挖時(shí)，上游側(cè)腰部發(fā)生管涌滲透現(xiàn)象，200m3/h 帷幕灌漿已經(jīng)難以完全堵住水流，為了施工安全，在全斷面預(yù)灌漿固結(jié)基礎(chǔ)上，及時(shí)增加34 根φ108mm 跟管大管棚（18m/根）在上部180°周邊，環(huán)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(shí)提高。其中2根作為集中引水孔，孔內(nèi)不注漿，φ108mm 跟管內(nèi)采用注漿機(jī)進(jìn)行高壓劈裂注漿，擠密圍巖形成扇形保護(hù)核，小型挖掘機(jī)配碎頭短進(jìn)尺、免爆破，大部分涌水抽排到洞外。

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

施工中嚴(yán)格按照施工圖文件施工，避免發(fā)生工程事故，充分重視免爆破（機(jī)械、人工配合開挖）、短進(jìn)尺，避免強(qiáng)烈擾動(dòng)圍巖，并及時(shí)完成初期支護(hù)，及時(shí)布設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，勤量測(cè)，確保施工安全及結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性，驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)效果。

5 結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)

（1）在賦水砂礫石地層開挖隧洞時(shí)，須采用工程措施對(duì)地層進(jìn)行預(yù)支護(hù)或預(yù)加固，主要采用止?jié){墻配合超前小導(dǎo)管，根據(jù)不同地質(zhì)條件，還可采用長(zhǎng)管棚超前支護(hù)加固地層、洞內(nèi)及洞外降低地下水位法等，（2）采用全斷面預(yù)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(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，也節(jié)約部分初期支護(hù)費(fèi)用；（3）地層應(yīng)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(tái)階開挖所引起位移占全斷面開挖總位移大部分。

6 結(jié)語

水電工程尤其是大型水電站，在隧洞選線設(shè)計(jì)過程中，要求盡量避免地質(zhì)條件不良巖體和沖溝，而對(duì)于有些中小型水電站，由于水能、投資等各個(gè)方面的限制因素，使得隧洞在選線過程中不可避免地出現(xiàn)地質(zhì)條件較復(fù)雜情況，針對(duì)有些復(fù)雜地質(zhì)條件可以選擇全斷面預(yù)注漿方法進(jìn)行預(yù)加固，確保引水隧洞施工期及運(yùn)行期安全，雖然施工期投資會(huì)相對(duì)較高，但對(duì)于電站總體收益來說還是比較經(jīng)濟(jì)的，該工程案例也為其他工程提供參考依據(jù)。