杂谷脑河古城水电站压力管道斜井塌腔处理方法

毛 进， 赵 凯

(四川华电杂谷脑水电开发有限责任公司，四川成都 610091)

1 工程概述

古城水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州理县及汶川县境内的杂谷脑河上，属杂谷脑流域水电规划“一库七级”开发规划方案中的第七级梯级电站。古城水电站采用引水式开发，工程主要建筑物由首部枢纽、引水隧洞、调压井、压力管道和厂区枢纽组成。压力管道主要由上平段、斜井段、下平段、支管段组成，主管总长257.3 m，支管总长121.8 m。其中斜井段长100.8 m(桩号为管0+035.9 ～管0+136.7)，角度为 60°，开挖断面为8.2 m，钢管内径为6.2 m。古城水电站压力管道大规模开挖主要于5.12汶川特大地震后进行，由于工程地处汶川县境内，受地震影响较大，加之工程地质情况较差，斜井段受断层带影响，因而工程施工期的安全及运行期的稳定是古城压力管道施工的一大难题。

2 压力管道工程地质情况

古城水电站压力管道斜井段出露基岩为志留系茂县群第三组(Smx3)绢云母千枚岩、绢云母石英千枚岩。(管)0+75.6～(管)0+110段为断层及其影响带，断层产状为 N70°W/NE∠10°～15°，起伏。断层及其影响带内基岩软化、泥化。

上平段及斜井段具体的围岩分段及分类如下:(管)0+0～(管)0+75.6为绢云母千枚岩岩体，围岩 类 别 为 Ⅳ 类;(管)0+75.6～(管)0+94.4为断层上盘影响带，围岩类别为V类;(管)0+94.4～(管)0+95为断层带，围岩类别为V类;(管)0+95～(管)0+110为断层下盘影响带，围岩类别为V类;(管)0+110～(管)0+115为石英千枚岩岩体，围岩类别为IV类。(管)0+115～(管)0+136.749为石英千枚岩夹薄～中厚层变质砂岩，岩石中硬～坚硬，围岩稳定性好，围岩类别为Ⅲ类。

下平段岩石为志留系茂县群第三组(Smx3)绢云千枚岩、灰色石英千枚岩、薄～中厚层变质砂岩。其中:下平段(管)0+157m～(管)0+198岩体新鲜、较完整，岩石中硬～坚硬，为Ⅲ类围岩，局部围岩稳定性差;(管)0+198～(管)0+251岩体较完整，围岩弱卸荷、弱风化，上覆新鲜基岩较薄，围岩类别为Ⅳ类。1#、2#、3#支管均处于断层下盘影响带中，岩石软化、泥化，岩体呈碎裂～散体结构，为V类围岩。

3 塌腔形成经过

3.1 震前导井施工情况

震前，压力管道斜井段开挖采取反井钻机施工方法，于下平段及下弯管段开挖完成后进行。反井钻机安装在上弯管位置，钻进时，先导孔φ216曾两次穿越斜井并钻进至下管段，但均在反提钻扩孔φ1 400时于断层处发生卡钻，且第二次卡钻时钻杆扭断，钻头卡于断层带管0+108处，不久钻头附近发生泥、石、水混合物塌方约300 m(图1)。施工方最初沿第1次反井钻机φ216先导孔进行反向人工扩挖，计划从侧面与第2次反井钻反提的φ1 400扩孔相接后将钻头取出。当人工反向扩挖完成38 m至管0+115处，由于偏心较大，未能从侧面与卡钻位置相接。

随后，施工方在反井钻下部导井钻头下方进行了爆破作业，拟利用爆破产生的冲击波疏通被堵塞的导井，但未达到预期效果。由于爆破震动，于反井钻头附近发生泥、石、水混合物塌方约800 m3。此后，反井钻头一直位于断层带0+108处，直至震后人工正向开挖至该处才将钻头解体取出。

图1 压力管道及厂房后边坡地质剖面图

图2 压力管道塌腔剖面图

3.2 震后斜井大井扩挖揭示出的塌腔情况

2009年8月9日凌晨5时，压力管道斜井掌子面放炮爆破，施工人员下井扒渣时发现掌子面管0+075.6正前方底部出露一条环向裂缝(约时钟10点半至13点半弧长段)，从裂缝往里查看为一大坍腔(图2)，根据导井下部出渣量及导井并未受到挤压破坏的情况，判定该坍腔为震前导井施工时已形成，其塌方量应为震前两次坍塌过的泥化物质约1 100 m3。2009年8月11日，承包人对坍腔内进行了初喷，封闭岩面，并初步测量了坍腔尺寸:深11 m，外口宽6 m，内口宽8 m，最深处宽度为12～15 m，坍腔底部为松渣，穹顶约至管0+070桩号水平高程处。经讨论的普遍认为，在导井开挖期，管0+075～0+115影响带内四周均有松散垮塌，附近围岩已形成一松弛圈，伴随下部垮塌，上部也相继失稳，从而形成了目前的塌腔。塌腔详细情况及相对位置见图3。

图3 压力管道塌腔横断面示意图

4 塌腔处理方案

在后续扩挖过程中，由于压力管道斜井塌腔一直位于顶部正上方，给施工造成极大的安全隐患，对此，业主、监理、设计、施工召开了多次会议，并针对处理方案进行了若干次讨论，最终确定了按以下步骤予以处理。

(1)为保证运行期安全，对压力管道斜井塌腔必须进行回填。鉴于斜井扩挖已经进入断层影响带，围岩类别为V类，自稳性差，且塌腔位于顶部位置。在后续开挖中，为防止回填物自重给井圈造成挤压变形，因此，将回填分为两期实施。第一期只对管0+075桩号以下的坍腔进行回填施工，回填至与开挖面相同水平高程为止。

同时，为防止塌腔内穹顶受爆破松动影响继续失稳，需对开挖掌子面上部进行加固支护，方法为:从管0+067桩号处开始增加环向钢支撑(I22工字钢)，净间距50 cm;10#槽钢做纵向连接，连接槽钢间距100 cm，连接位置错开50 cm;以C20钢纤维喷混凝土对加固支护型钢进行喷护，喷护厚度为25 cm;环向钢支撑支护范围为桩号管0+067至管0+075桩号。

(2)一期回填施工完毕，再于塌腔内架立工字钢支撑住塌腔穹顶，在工字钢腰部、靠近顶部位置分别以10#槽钢水平连接，并对工字钢底部再浇筑50 cm厚混凝土将竖向工字钢支撑连接成为整体，同时预埋2趟混凝土管路及4根灌浆管，一直延伸至上平段，为后续回填混凝土及灌浆做准备。为防止穹顶松散块体从井圈裂缝落出，于裂缝处浇筑1 m厚混凝土封口将塌腔与井圈分割开。

(3)对于后续断层影响带扩挖施工，采取弱爆破、短进尺、初期支护紧跟作业面的方式:以超前大管棚(沿开挖方向)结合环向钢支撑、挂网喷C20钢纤维混凝土对新开挖井圈进行固壁。

超前大管棚范围设置于井圈顶部135°范围内，环向间距30 cm;长12 m，搭接长3 m。控制装药量，采取光面爆破，尽量减少对井圈围岩的扰动，每循环爆破溜渣完成后，立即挂φ8钢筋网@20 cm×20 cm，并对周围新开挖井圈进行初喷C20混凝土封闭。环向钢支撑每循环及时跟进，钢支撑净间距为50 cm，并根据开挖情况进行适当加密，钢支撑之间竖向连接采用10#槽钢;再喷C20钢纤维喷混凝土，厚25 cm。

对于塌腔回填物质的选择，起初存在两种意见:第一种意见是直接采取混凝土回填，混凝土浇筑串浆也可对塌腔下部松散渣体起一定的固结作用;第二种意见是考虑混凝土自重较大，容易加大对下部井圈的压应力，建议采用块石并结合灌浆进行回填。在实际施工过程中，施工方从回填物质的整体性考虑，认为回填混凝土相对较好，故选择了用混凝土进行回填，同时对管0+075以下的环向钢支撑间距进行了再度加密，防止了回填混凝土自重对井圈的挤压破坏。

(4)在压力钢管安装完成后，压力管道回填混凝土施工至桩号管0+075时，利用前期预埋的管路对塌腔的穹顶分别进行了混凝土回填和回填灌浆，确保了塌腔的密实。

5 结语

古城水电站压力管道斜井段塌腔经过采取以上工程措施进行处理，在压力管道充水、机组动态调试中，内部监测数据反映整体稳定，未发生任何异常，处理效果良好。对于斜井施工中的顶拱塌方和塌腔处理，采用加强支护、分期回填的方法是行之有效的，具有一定的借鉴意义。