四川立洲水电站引水隧洞不良地质段施工技术

张 旭

(中铁十八局集团第三工程有限公司, 河北 涿州 072750)

四川立洲水电站引水隧洞不良地质段施工技术

张 旭

(中铁十八局集团第三工程有限公司, 河北 涿州 072750)

本文介绍四川立洲水电站引水隧洞工程在通过不良地质段施工技术，采用超前探孔了解前方地质水文情况，采用超前注浆小管棚固结围岩，短台阶分步开挖，加强支护及监控量测等措施，从而解决了施工难题，降低了施工安全风险，确保顺利通过不良地质洞段。

水工隧洞；不良地质段；施工技术

水工隧洞工程普遍具有洞线长、地下水丰富、地质条件复杂的特点，因而在设计和建设中遭遇一系列特殊问题，例如极软岩、断层破碎带、高压涌水、高地应力和岩爆等，给施工带来了新的挑战。在施工过程中，根据隧洞地质条件制定了相应施工方案和措施，既确保了施工进度和质量，也为以后类似环境的施工提供了经验。

1.工程概况

四川立洲水电站位于四川省凉山州木里河中下游河段，是木里河流域开发的大型水电工程之一。电站采用混合式开发，最大坝高132m，引水隧道总长17.244km(2号管)，总装机容量355 MW(含生态机组)，属大型水电枢纽工程。引水发电系统布置于右岸山体中，采用一洞三机联合供水方式，由进水口、引水隧洞、调压井、压力钢管等建筑物组成。引水隧洞由直线段、渐变段、平面弯段等组成,从进水口闸门井后渐变段至调压井中心线总长16621.814m，纵坡i=3.019‰。隧洞采用圆形断面，内径D=8.2m，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖直径依次为9.1m、9.4m、10.2m，引水隧洞沿线共布置了7条施工支洞。

中铁十八局集团三公司四川立洲水电站引水二标项目部担负立洲电站引水隧洞工程5.5km主洞及3#、4#支洞开挖、二衬混凝土施工任务。项目地处四川省凉山彝族自治州木里藏族自治县境内少数民族地区，山高路陡海拔高，交通十分不便，条件艰苦。引水隧洞采用钻爆法，分上下台阶开挖的施工方案。引水隧洞为圆形断面，开挖直径9.1～10.2m。根据合同工期，平均单面月掘进进尺需达到120m以上，且引水隧洞具有复杂的水文地质条件，如何在不良地质段确保持续稳定快速掘进，是确保本工程工期的关键。

2.基本地质情况

引水隧洞引9+885～引9+987段为工程地质及水文地质最复杂的地段，属F29断层破碎带，围岩软弱破碎、地下水丰富成洞条件极差，给施工带来了新的挑战。F29断层破碎带两侧影响带岩体构造裂隙十分发育，以陡倾角裂隙为主，岩体完整性差，层面较紊乱。出露的地层岩性有：极薄层、薄层泥板岩、砂板岩、绿色蛇绿岩、极薄层含炭质泥板岩，有轻微岩爆，以Ⅴ类围岩为主，围岩稳定性和成洞条件极差。在断裂两侧影响带内，地下水丰富，洞室开挖过程中出现涌水，对围岩稳定及施工带来不利的影响，地下水的作用对围岩稳定造成影响。另外，本洞段埋深较深，存在高地应力问题，可能发生岩爆现象。引7+310～引7+345段为极软岩，岩性为灰黑色极薄层含炭质泥板岩，为Ⅴ类围岩，锤击发出哑声，并形成凹坑，机械或人工即可开挖，钢格栅柔性支护型式。引8+741～引8+674段为特大涌水段，经实测，平均总流水量为95.38L/s，主要为Ⅴ类围岩，岩性为砂质板岩。

3.施工方案选择

3.1 施工原则

根据工程地质资料，借鉴国内外隧道施工经验，不良地质段施工重点为“提高围岩的短期自稳能力，治理地下水，保证隧洞开挖、安全支护的正常进行”，坚持“超前支护、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”的施工原则。

经过反复论证，根据工程的实际情况和施工的实际能力，确定在施工中采取“超前地质预报、打超前小管棚、注浆止水加固围岩、短台阶分步开挖、加强支护及监控量测”的施工方案。

3.2 施工程序

不良地质段采取拱部超前，下部跟进，预留核心土的短台阶法分步开挖，上台阶施工程序如下：

本循环超前注浆小管棚→上循环喷射C20混凝土→测量放样→顶拱开挖→安全处理→出渣→顶拱支撑架立→测量复核→喷射C20混凝土

下部施工程序如下：

测量放样→边墙开挖→出渣→边墙支撑架立→喷射C20混凝土→核心土开挖→出渣

4.施工方法

4.1 超前地质预报

4.1.1地质预报内容

(1)根据施工进度情况，对照勘测阶段的地质资料，预测前方地质条件的变化，分析对施工的影响。

(2)预报可能出现突发涌水地点，涌水量大小，地下水、泥砂含量及对施工的影响。

(3)软岩出现内鼓、掉块地段，预报对施工的影响程度。岩体突然开裂或原有裂隙逐渐加宽时，预报其危害程度。

(4)在位移量测中发现围岩变形速度加快时，预报对围岩稳定性的影响程度。

4.1.2 超前探测方法

(1)采用地质钻机进行超前地质钻探，沿隧洞轴线方向布置一超前探孔，超前钻孔每次长度约10m左右。通过超前钻探分析隧洞前方围岩状况及地下水情况。

(2)在开挖钻孔时，选取1～2个孔超前本次进尺2m左右，根据钻孔速度等判断，如钻孔速度快、孔内易坍塌、有浑水排出，则说明前方地质条件差，应采取超前支护措施。

(3)紧跟掌子面，由地质工程师进行前方地质情况分析及地质素描，做出地质预报。

根据地质预报方法得出的数据进行施工地质预测，及时调整施工方法，采取有效措施保证施工安全。

4.2 超前注浆小管棚

引水隧洞软弱破碎且涌水较大的不良地质段，采用超前小管棚注浆加固围岩，将岩层胶结成整体，增加钢管外围围岩的抗剪强度，使导管与围岩共同承担围岩压力，形成梁式结构防止围岩崩塌和松弛，同时起到封堵地下水的作用。

4.2.1 导管加工及布置

导管材料采用无缝钢管，管径为50mm，壁厚3.5mm，长度为450cm，导管沿掌子面顶拱120°布置，尾部间距20～30cm。为保证有效固结及堵水范围达到1～1.5m，导管外插角分别为5°～10°；每掘进200cm施工一排超前导管，塌方锁口部位施工上、下两层超前导管，预留200cm作为下一循环注浆止浆盘。钢管上布置注浆孔，孔径为10mm，间距30cm，呈梅花形布置，尾部100cm范围内不钻孔作为止浆段。

4.2.2 钻孔安装

导管采用先钻孔后安装施工方式。紧贴掌子面支立一榀钢支撑，导管钻孔以支撑为依托，进行导向。首先对导管钻孔进行测量复核，确定管棚钻孔位置、方向角度。钻孔采用YT28手风钻，配60mm钻头钻孔，在钻孔的过程中，随时注意控制钻孔的方向和角度。钻孔完成后采用YT28手风钻将钢管推入孔内，使导管受力点集中在格栅上，导管尾部与支撑焊接在一起。同时为提高导管的刚度，在钢管内放置Φ25钢筋，长度450cm。

4.2.3 管棚注浆

注浆前采用C20混凝土喷厚20cm，封闭注浆管口空隙及掌子面作为止浆墙。注浆小导管端头采用木制止浆塞封堵，防止注浆时浆液从其它注浆管及管壁间隙中渗出。

在止浆墙和注浆导管完成后，采用水泥单浆液与水泥-水玻璃双液注浆相结合的方式，有效利用水泥单浆液扩散半径大及双液注浆固结时间短，快速堵水的优点。注浆采用GZGB型双液注浆机。水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，水玻璃为35°Bé，模数为2.4，C-S双液体积比为1:1～1:0.6，凝胶时间控制在30～120s，扩散半径为0.8m，浆液凝固一天强度不小于0.3MPa。

压注的水泥浆采用强制式灰浆搅拌机搅拌均匀，水灰比控制在1：0.6～1：1之间，储放在储浆容器内，而后采用人工不断搅拌，防止沉淀。注浆时将注浆机的吸浆管放入储浆容器内，开机注浆，确保浆液通过钢管上的小孔压注到坍体空隙中。注浆压力控制在0.5～1.0Mpa之间，注浆顺序：从两侧对称向拱顶，由下向上、由内向外顺序进行。当注浆压力达1.0Mpa时停止注浆，移到另一根钢管施注，如此顺序进行。

单液注浆完成，进行水泥浆-水玻璃双液注浆，加快固结和止水。注浆时将双液注浆机的一根吸浆管放入水泥浆容器内，另一根吸浆管放入水玻璃容器内，并注意两根吸浆管在导管口汇合，通过专用高压阀门控制，防止堵塞注浆高压吸浆管路。注浆初压力为1.0Mpa，终压力达3.0Mpa时，停止注浆。

4.3 隧洞开挖支护

4.3.1 上台阶开挖支护

待注浆达到规定强度后，进行隧洞开挖施工，见图1隧洞横断面图。隧洞开挖采取拱部超前下部跟进的短台阶开挖方法，上下台阶错开长度3～4m，上台阶高度3m。拱部采用预留核心土环形开挖，增大掌子面稳定性。拱部每循环进尺控制在50～75cm，采用人工开挖，人工出渣至下部，尽量不放炮。必要时采用局部松动爆破，控制装药的办法，减小爆破对围岩的二次扰动，防止爆破造成局部失稳。

图1 隧洞横断面

采用锚、网、喷结合拱架支撑的安全支护，隧洞拱部开挖后初喷3～5cm混凝土及时封闭岩面。开挖后，塌方体卸荷自稳能力差，自身不能及时形成承载拱，开挖后及时采用拱架支护，发挥拱架支撑的及时性，拱架支撑间距50cm/榀，拱腰处施工锁脚锚杆每侧4根(Φ25，L=6m)，锚杆的端头与支撑焊接在一起。而后施作系统锚杆(Φ25，L=6m、间距1.25cm)，紧贴岩面设置钢筋网(Φ6.5@20×20cm)，喷射C20混凝土厚20cm，分次喷射。

4.3.2 下部开挖支护

下部采用左右交错导坑法开挖方式，每循环进尺不大于100cm，开挖后及时进行支护。下部开挖预留中部核心土，待两侧导坑全部完成后机械挖除。下部开挖时，由于围岩二次受到扰动，造成应力重新分布，支护承受的侧向变形压力增大，拱脚易松动，钢支撑压力会突然释放，易造成拱部初期支护破坏，产生严重后果。下部采用人工开挖，必要时采用小型松动爆破，及时支立钢支撑，每榀支撑两侧拱脚位置各施作4根锁脚锚杆(Φ25钢筋，L=6m)，尾部与支撑焊接牢固，注浆加固拱脚，加强拱部稳定，防止支撑下沉，及时喷射C20混凝土厚20cm，分次喷至设计厚度。

4.3.3 岩爆洞段开挖支护

对岩爆洞段，开挖后的岩面及时洒水减压、施工6m深孔减压孔，有效进行了高地应力洞段减压，确保了隧洞支护施工安全。

4.3.4涌水洞段开挖支护

(1)开挖爆破装药，为防止涌水过大造成的爆破效果差，对掏槽孔、辅助孔采用螺纹钢堵塞炮孔，提高爆破能量利用效率，并在施工中取得了良好效果。

(2)涌水洞段爆破使用硝铵炸药效果较差，施工中结合实际情况，采用乳化炸药。

(3)紧贴岩面敷设EVA防水板、排水盲管，将涌水顺洞壁引至底脚部位，然后施工钢筋网片+喷射混凝土+钢拱架联合支护体系。

(4)对涌水量较大洞段(引8+741～引8+674段)的围岩类别，根据现场实际情况及施工经验，降低一个围岩类别，即采用低一级的围岩类别的开挖及支护型式施工，保证了施工安全。

4.3.5变形洞段开挖支护

(1)强支护，在原拱架内层设置副拱架，并连接成为整体，共同受力；

(2)施工径向注浆小导管，在隧道周围形成固结圈，防止围岩变形。

(3)加强围岩监控量测，加密监测，增加检测次数，每日3次；增加监测断面，每5m布置一个监测断面。

(4)对掉块部位采用喷射混凝土封闭，观察变形有无持续发展，以便采取下一步的施工措施。

4.4 监控量测

水工隧洞开挖过程中，进行拱顶下沉及收敛变形量测，引9+885～引9+987段共布置监测点20组、引7+310～引7+345段共布置监测点3组、引8+741～引8+674段共布置监测点6组，监测数据分析结果详见图2。

图2 典型监控量测数据图

从监测结果分析隧洞变形情况，拱顶沉降在上台阶开挖支护时变化较大，而在下台阶封闭施工后变形趋于稳定。根据监控量测结果决定是否掘进、二衬、围岩注浆加固、初期支护结构等，保证施工安全及工程进度。

5.结束语

四川立洲水电站引水隧洞通过不良地质段采用此施工方案施工，通过超前地质预报明确前方地质及水文情况，采取小管棚注浆加固围岩，提高了围岩的自稳性能，封堵地下水减少了围岩坍塌，控制了结构沉降，使引水隧洞顺利通过此断裂带并贯通，同时确保了施工安全及工程质量，降低了施工成本。采取超前地质预报、超前注浆小管棚、短台阶分步开挖等技术是此类大断裂带及软弱围岩施工的很好工艺，为类似工程施工提供经验参考。

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ConstructionTechnologyofUnfavorableGeologicalSectionofDiversionTunnelofSichuanHydropowerStation

ZHANG Xu
(China Railway 18th Bureau Group No.3 Engineering Co. Ltd., Zhuozhou Hebei 072750, China)

This paper introduces a diversion tunnel engineering in the bad geological section construction technology, using advanced hole drilling to know the front geological and hydrologic conditions, pregrouting pipe shed consolidation rock, short step excavation, supporting and monitoring measures, so as to solve the construction problems, reducing the risk of construction safety and quality of the project, to ensure pass smoothly in adverse geological section.

hydraulic tunnel; bad geological section; construction technology

TV544

A

1671-3974(2017)04-0063-04

2017-09-12

张旭(1984- )，男，大学，中铁十八局集团第三工程有限公司工程师，研究方向：引水隧洞、市政地铁等施工领域。