泸定水电站特大断面引水洞变形加固及塌方处理

赵龙飞，范 萍，李 越

（中国葛洲坝集团三峡分公司泸定水电站施工项目部，四川 泸定 626100）

0 概述

泸定引水隧洞紧接进水口布置，共2条，分别为1、2号引水洞，中心间距为55 m。引水隧洞进口0+000～0+020为方变圆的渐变段，之后为Y1、Y2型圆形断面，开挖直径分别为17.0、17.4 m，是目前国内在建的开挖断面最大的地下引水工程。

地质资料显示，2号引水洞K0+323～K0+405为Ⅳ、Ⅴ类围岩，其中K0+323～K0+360为Ⅳ类偏弱，介于Ⅳ类与Ⅴ类之间；而K0+360～K0+405为Ⅴ类围岩，岩体裂隙发育，块度小，并发育有断层及挤压破碎带，围岩稳定性差。

根据专项施工方案，Ⅳ、Ⅴ类围岩均采用了短进尺、弱控制爆破及钢格栅加强跟进支护的综合施工措施，由于受陡倾角、大断层等地质因素影响，2009年5月6日18：30在开挖掌子面喷护封闭过程中， K0+401.5顶拱位置发生塌方。

1 应急处理

1.1 开挖调整

为减少对塌方段的扰动、防止变形的进一步扩大，结合地质情况从塌方之日起，现工作面暂停开挖施工。2号引水洞K0+410～K0+524.5的开挖从2号施工支洞进入，由下游向上游方向进行；而K0+400～K0+410段开挖，待塌方处理完成后，从1号施工支洞进入，由上游向下游方向进行。

1.2 回填加固

为减少变形空间、 防止塌方及变形的继续扩大，对K0+370～K0+400采取紧急从其他部位调运石渣的方式进行了回填，回填石渣采用20 t自卸汽车运输进洞，卸车后采用ZL50装载机配合CAT300反铲进行堆码，堆码高度不小于4.5 m。

1.3 变形监测

为全面掌握该洞段的围岩变形情况，并为后续的处理提供基础分析资料，从5月7日开始，专业人员对该洞段每天进行3次锚杆应力及收敛变形的监测。

2 加固处理措施

为防止变形破坏的继续扩大，确保已完成支护段格栅拱架的稳定和安全，泸定水电站施工项目部现场察看后决定，先对K0+323～K0+400段进行加固处理；同时，在整个加固处理过程中，根据围岩及变形情况，按先急后缓、先Ⅴ类后Ⅳ类的原则进行。

2.1 加固处理工艺流程

K0+323～K0+400加固处理工艺流程：加强锚杆钻孔→清孔验收→锚杆安装→锚杆注浆→预固结灌浆施工→排水孔施工。

2.2 加强锚杆施工

锚杆采用气腿钻造孔，孔径48 mm，孔深850 cm，间排距100 cm×100 cm，与已施工的锚杆交错布置。锚杆为直径32 mm、长900 cm螺纹钢，外露50 cm。锚杆角度要求与开挖面垂直，孔位偏差不大于10 cm，孔深偏差值不大于5 cm。

锚杆注浆采用P.O42.5R普通硅酸盐纯水泥浆液，水灰比基本范围为0.5～0.6。水泥浆随拌随用，拌制均匀，防止石块或其他杂物混入，锚杆注浆后3 d内，在浆液凝固前严禁敲击、碰撞及拉拔锚杆。

根据加固及处理要求，为及早发挥锚杆的作用，并为紧跟的预固结灌浆尽早提供施工工作面，本次加强锚杆施工遵循边成孔、边验收、边插锚杆及注浆的工艺思路。即：每成孔1个，验收安装1个。

2.3 预固结灌浆施工

本次灌浆是在应急情况下进行的，而且是在洞身混凝土衬砌施工前。考虑到灌浆压力对已成形洞段安全、稳定的影响，压力以不破坏已支护钢格栅拱圈为原则，因此将本次的固结灌浆暂定为预固结灌浆。

（1）钻孔。预固结灌浆孔采用气腿钻机造孔，孔径48 mm，孔深入岩8 m，间排距3 m。钻孔孔位要求偏差不大于10 cm，孔斜不大于2%，孔深应满足设计要求。

（2）钻孔冲洗。因2号引水洞0+323～0+400段为Ⅳ～Ⅴ类围岩，而且中间还有大的断层，采用压力水冲洗钻孔，不利于洞室稳定；因此，在预固结灌浆钻孔结束后，采用压力风敞开孔口的方式对钻孔孔壁进行冲洗，直至孔内沉渣小于10 cm结束。

（3）灌浆。由于加固施工的时间紧迫，为此预固结灌浆按环间分序逐排灌注法施工，全孔不分段一次性灌浆，孔口循环灌浆法灌注。为防止灌浆压力过大而对已支护的拱架造成破坏，灌浆压力定为0.2 MPa。预固结灌浆采用纯水泥浆，水灰比采用2∶1、 1∶1、 0.8∶1、 0.5∶1 四个比级， 开灌水灰比为 2∶1。预固结灌浆按规定水灰比由稀至浓逐级变换。当某一级浆液的注入量大于300 L或灌注时间达1 h而灌浆压力或注入率均无显著改变时，应改浓一级灌注；当某一级浆液的注入率大于30 L/min时，可越级变浓。灌浆采用自动记录仪进行注入率测量记录，在设计压力下，注入率不大于1 L/min时，连续灌30 min即可结束。

2.4 排水孔施工

考虑到汛期山体渗水对洞室的安全威胁，在2号引水洞K0+323～K0+400段上层增设排水孔。除对现有渗水部位先行钻孔排水外，其余部分排水孔在预固结灌浆施工完成后紧跟进行。

排水孔采用YT28气腿钻机造孔，孔径48 mm，孔深6.0 m，间排距5 m×5 m。排水孔造孔完毕并经监理工程师验收合格后，装入φ40 PE管，并将管内的水引入洞身两侧的排水沟。

3 塌方段处理措施

3.1 施工程序

喷混凝土封闭跨塌掌子面→第一次超前小导管施工→第一次预固结灌浆→第二次超前小导管施工→第二次预固结灌浆→第三次超前小导管施工→第三次预固结灌浆→超前锚杆施工→管棚施工→掌子面开挖→钢格栅安装→挂钢筋网→喷护C25混凝土→待凝→空腔回填。

3.2 掌子面封闭

为确保坍塌体小导管的施工及提高垮塌堆积体的固结效果，尽量减少灌浆过程中浆液的溢出，垮塌面喷护10 cm厚的C25混凝土进行封闭。

3.3 小导管施工

坍塌掌子面喷护混凝土封闭后，在沿设计开挖轮廓周边向前方的围岩内施作带孔小导管，并通过小导管向坍塌体内注浆；从而将水泥浆与垮塌堆积体胶结成一个整体 （拱圈）；防止处理过程中的滑移，并为后续施工提供保护。

（1）小导管制作。小导管采用φ38钢管，壁厚3.5 mm、长6.0 m，前段加工成尖锥形，钢管每隔20 cm钻1个直径8 mm小孔，小孔交错布置。

（2）小导管钻孔、安装。对掌子面垮塌处的第一次固结直接采用气腿钻将小导管沿设计轮廓线外直接打入，外倾角10°左右，小导管环向间距30 cm；第二、三次因第一次固结无法直接将小导管打入；故先用气腿钻机成孔，再安装导管。第二次仰角25°左右、第三次仰角45°左右，环向间距均为30 cm。

（3）注浆。小导管注浆采用水灰比 1∶1纯水泥浆，浆液中掺入6%SW早强剂，以减少待凝时间；注浆压力0.5～1.0 MPa，终压2.0 MPa。为避免串浆，每钻完1孔及时由下向上、由里向外注浆。考虑到垮塌区的特殊情况，对垮塌区域通过上述3次小导管灌浆进行固结，从而在更大程度上确保掌子面的岩体稳定。

3.4 超前锚杆施工

对坍塌体灌浆完毕后，沿上层开挖轮廓线环状布置超前锚杆，间距20 cm。超前锚杆采用φ32、长6.0 m螺纹钢，第一层沿隧洞径向10°，第二层沿隧洞径向30°，每个循环间搭接不小于5 m。超前锚杆布置于整个塌方区及影响区。

3.5 管棚施工

由于本此掌子面上方坍塌的高度较大，两层超前锚杆的承载力有限。为确保掘进安全，拟在两层超前锚杆间再增设1排小管棚，管棚采用φ38钢管，壁厚3.5 mm，长6.0 m，孔距30 cm。钢管每隔20 cm钻1个直径为3～5 mm的小孔，管棚每个循环之间搭接不小于5 m，气腿钻造孔，人工下管安装，灌浆采用1∶1纯水泥浆，浆液中掺入6%SW早强剂，灌浆压力初步定在0.1～0.3 MPa。

3.6 垮塌区开挖

从塌方后掌子面外堆积的石渣形状看，塌方主要是在掌子面正前上方，而两侧则相对较稳。因此，对坍塌区采取核心土法的开挖方式 （直至完全跨越断层），即在固结灌浆和超前支护完成后，先分别开挖左右两侧Ⅰ区岩体 （见图1），中间部分石渣先预留，两侧墙支护 （包括钢格栅、挂钢筋网、喷混凝土等）完成后，再清理中间Ⅱ区石渣，并随即对拱顶进行强支护。

为了防止Ⅰ区开挖时，Ⅰ、Ⅱ区交界的石渣向下滑落，在Ⅰ区开挖每进尺1个循环后，立刻对Ⅱ区的外露面喷3～5 cm厚混凝土进行封闭；在分循环进行石渣清理时尽量减少对堆积的塌方体的扰动，并将每循环进尺控制在0.3～0.5 m以内。另外，为了防止塌方段处理完毕后因地质原因造成格栅顶部下沉而侵占混凝土衬砌断面，本次清理时在原设计开挖断面的基础上扩挖20 cm，从而为钢格栅受压后的变形预留出了空间。

采用核心土法开挖时， 两侧Ⅰ区掌子面开挖宽度为4.55 m；中间Ⅱ区开挖宽8.7 m。塌方区的开挖方法见图1。

3.7 钢格栅制作、安装

图1 2号引水洞0+401.5塌方开挖分区

（1）钢格栅制作。钢格栅断面为20 cm正方形，4根立柱均采用φ32螺纹钢，4个花面采用φ28螺纹钢，箍筋采用φ25螺纹钢，间距30cm。上层全断面分3节加工制作，节与节之间采用角铁通过螺栓连接，钢筋帮条焊接加固。

（2）钢格栅安装。从目前塌方的掌子面开始安装钢格栅，直至完全跨越断层。钢格栅连续安装，榀间不留空隙；榀间设置φ32螺纹钢纵向连接，环向间距1 m；钢格栅固定采用长9.0 m、φ32螺纹钢锚杆，环向间距1 m。钢格栅拱脚必须安放在牢固的基础上，软弱地段在钢筋拱架基脚处设槽钢以增加基底承载力，架立时垂直隧洞中线。当钢拱架和围岩之间间隙过大时设置混凝土垫块，用混凝土喷填。

3.8 挂网喷混凝土

挂网喷混凝土在格栅拱架安装和固定锚杆完成后进行，挂网采用φ6.5圆钢，网目规格15 cm×15 cm。喷护C25混凝土，直至将格栅空隙全部喷平。

3.9 坍塌区空腔的回填

由于本洞室为有压洞，为确保安全运行，需在安全支护通过坍塌部位后，对塌方顶部空腔进行回填处理。为了保证回填密实，同时又对超前支护时所形成的拱圈不产生破坏，因此采用流动性较好而质量较轻的M30砂浆回填。

4 结语

泸定水电站2号引水洞塌方段处理顺利结束，处理过程中再未发生新的塌方，也未出现任何安全事故。所采取的引水洞变形加固及塌方处理方案的实施取得了成功，但以下几个问题应予注意：

（1）塌方处理方案的选择，应根据围岩地质条件的变化做出合理的调整，从现场实际和安全等方面进行综合考虑做出决定。

（2）塌方处理过程中，应加强锚杆应力监测、洞室收敛监测；以随时掌握塌方影响区内围岩应力变化，为后续的处理提供基础资料，也有利于保护塌方处理人员及设备安全。