宁朗水电站引水隧洞流沙层开挖施工技术

侯彦君，谢剑波，王 黎

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 工程概述

宁朗水电站位于四川省凉山州木里县境内，为金沙江左岸支流——水洛河干流、额斯～捷可河段“一库十一级”中的第九个梯级电站，额定水头81 m，装机容量114 MW。工程以发电为主，采用引水式开发。该工程由取水大坝、引水系统、发电厂房、尾水渠段等组成。其中引水隧洞为有压隧洞，断面为平底马蹄形，开挖尺寸:Ⅱ～Ⅳ类围岩为7.45 m×8.87 m、Ⅴ类围岩为 7.74 m ×9.27 m;衬砌后净断面尺寸为6.95 m ×8.07 m(宽 ×高)。

2 工程地质特征

桩号(隧)4+835～5+005为区域断裂拐少踢断裂破碎带及其下盘影响带，产状为N60°～70°W/SW∠80°～90°，该断裂发源于奥陶系灯影组大理岩中，破碎带岩石成碎块状结构，块石之间多为砂土充填。岩石层理构造难辨，基本无地下水活动，岩石成干燥或潮湿状。破碎带岩溶发育，隧洞开挖过程中多处揭露直径为1～2 m之岩溶洞穴，其深度目不能及，洞内存在大量溶蚀碎屑，成分为白云母含量极高的砂土。当掌子面揭穿溶蚀洞穴时，大量砂土从溶洞流出(俗称流砂)涌向洞内，在掌子面附近形成长约10 m的扇形堆积体，稳定性极差，需采取特别的封堵措施后方可掘进，不宜强行掏挖。

3 现场情况

在开挖过程中，桩号(隧)4+878顶拱处出现了一较大溶隙，经现场勘察，溶隙横向宽约4～5m，纵向及高度不详，其走向与隧洞中心线成30°夹角靠右侧方向向上延伸，且拌有大量流塑性粉质细砂及浅黄色泥土从溶隙间涌出形成堆积体。

4 施工程序

4.1 总体原则

遵循“管超前、严注浆、短进尺、不爆破、强支护、快封闭、勤量测、速反馈”的施工原则。

4.2 施工总体方案

采用全封闭超前钢管棚，在管棚上方实施“超前小导管固结灌浆”以固结周围不稳定粉质砂土层，增强整体性并减少流沙渗漏量，待强后用人工开挖管棚下方的流沙土并及时进行钢拱架纵横向加强支撑，然后遵循“管超前、严注浆、短进尺、不爆破、强支护、快封闭、勤量测、速反馈”的施工原则进行开挖。必要时，按设计图纸要求进行永久支护，以保证施工的质量和施工期的安全(图1)。

5 开挖及支护施工技术

5.1 施工准备

根据现场实际情况，备足相应的管材(花管)、钢筋、木板、水泥、注浆机、喷浆机、型钢拱架及造孔设备，并配置有经验的施工人员和管理人员。

施工前搭设简易工作平台，具体布设位置根据现场施工需要确定，通道采用木板或竹夹板铺设，用铁丝绑扎牢固。施工材料均采用机械设备转入备用。

施工过程中的用风、用水、用电均利用隧洞开挖期间布置好的线路及管道，视现场实际情况及施工需求从相应位置接入。

5.2 上半部开挖

图1 流沙段施工示意图

5.2.1 超前管棚及横向钢支撑加固

超前管棚工艺原理:超前管棚钢管安装完成后的固结灌浆能将管棚施作范围内的松散围岩有效地固结;固结灌浆完成后，在钢管内进行水泥砂浆充填，以提高钢管的抗弯曲能力，承担不稳定段的塌落压力;固结灌浆所形成的稳定区域与钢管共同形成棚状连续支撑，其前端固定于尚未开挖的洞段直到稳定洞段，后端连接于已完成支护的开挖完成区域，从而保证了施工安全及成型稳定。

钢拱架工艺原理:利用钢拱架的高强度、结构简单等特征，将加工好的钢拱架固定在破碎的岩石层面上，起到支撑和控制变形的作用。采用喷护和加固相结合的施工办法，将钢拱架很好的与岩石有机地结合在一起，利用钢拱架的稳定性，改变了岩石整体的稳定情况;同时，由于采用钢拱架支护形式，大大改变了岩石受力情况，提高了围岩自稳能力，从而确保了围岩的稳定。

施工方法:采用人工方式清理松动岩石并在腰线处形成可靠平台，在两端拱脚基岩部位设锁定锚杆，锚杆为φ25，L=3.5 m。利用I16型钢拱架沿横向略大于设计开挖线(10～15 cm为宜)腰线以上设立第一榀支撑拱架，并与锁定锚杆焊接牢固。人工手持式YT－28手风钻沿已形成的拱架上部与水平成15°倾角紧密贯入φ48、长4～6 m的钢管，作用在钢拱架和未开挖岩层的两个支座点上形成全封闭管棚状。钢管贯入时应在横向保持同一截面，纵向应达到“平、顺、直”的要求。待钢管布置完好后，用注浆机向其管内注入水泥砂浆形成实体柱，增强钢管的刚度，使其具有更好的支撑能力承载流沙土的垂直压力。

5.2.2 超前小导管固结灌浆支护

工艺原理:在破碎松散岩体中超前钻孔，打入小导管并灌注具有胶凝性质的浆液，浆液在压力的作用下呈脉状快速渗入破碎松散岩体中，并将其中的空气、水分排出，使松散破碎体胶结、胶化，形成具有一定强度和抗渗阻水能力的、以浆胶为骨架的固结体，从而提高围岩的整体性、抗渗性;使超前小管棚与固结体形成一个具有一定强度的壳体，在壳体的保护下进行开挖支护施工。

花管制作:采用φ48热轧钢管，长4～6 m，每根管壁上每隔15 cm交错钻直径为6～8 mm的孔眼，即形成花管。

浆液选型:本工程选用稳定浆液，即在水泥浆液中掺有少量稳定剂，析水率不大于5%。

花管布设:沿管棚上方纵向与水平成15°倾角打入φ48自制有孔花管，可与管棚钢管间隔布置。

灌浆要求:采用专用注浆泵经花管向砂层内注入稳定浆液，注浆压力为0.6～1 MPa。当注浆进浆量小于5 L/min时即可结束注浆。根据现场情况及时调整浆液的配合比，一般在注浆量较大、注浆压力较低时，浆液的浓度应调高，胶凝时间缩短，控制浆液的扩散范围和注浆量;在注浆量较小、注浆压力高的场合，浆液的浓度应适当降低，胶凝时间也应适当延长，从而使浆液得到充分地扩散，保证注浆质量。发生漏浆时，通过调整浆液配合比使其浓度加大，胶凝时间缩短，并采取间隔注入的方法，可有效地将其控制住。

5.2.3 人工开挖及纵向支撑加固

待固结浆液达到一定强度后，采用人工刨或由人持风镐将拱架下方的粉质砂土(小范围进行清理，不宜大于0.5 m，以满足下一步施工需要即可)开挖掉，顶拱出露后直接挂φ8@10 cm并与管棚焊接牢固，喷10～15 cm厚C20混凝土进行上半部封闭。待喷混凝土达到一定强度后按此方法进行下榀拱架施工，并及时与相邻拱架沿纵向设φ25钢筋连接并焊接牢固形成整体，将排距控制在0.3～0.5 m之间。以此方法向前掘进至3～5 m后再进行下步开挖处理。按此方法支撑加固在管棚出露至三分之二(根据实际情况可增长搭接长度)时，用同样的方法贯入下排管棚，以确保管棚的连续性，有效搭接形成整体，截断流沙土。

5.3 下半部开挖及强支护

待上半部的超前管棚及横向、纵向加强支护及其顶部喷锚支护完全封闭后，方可进行下半部的开挖。在掘进出露第一榀拱架时停止出渣工序，将拱架与上部拱脚焊接牢固并延伸至设计开挖底板高程，及时与锁脚锚杆焊接牢固，并按5.2.3节中所选的纵向支撑加固方法进行施工，必要时，可结合永久衬砌先浇筑2 m高的边墙混凝土稳定拱架，防止流沙土垂直压力挤压产生沉降位移变形，确保支撑效果.

6 变形观测

在开挖支护过程中，对每榀承重拱架共布设了7个变形观测点，具体分布在腰线两侧、顶拱部位(图1)。通过勤观测、勤分析、勤比较，确保施工安全。

7 结语

总体来说，在流沙土的开挖支护过程中，严格按照科学合理的施工方案，分上下台阶施工，并遵循“管超前、严注浆、短进尺、不爆破、强支护、快封闭、勤量测、速反馈”的施工原则进行开挖掘进。特别需要注意的是加强钢支撑的稳定性，增强其承载能力，不断收集变形观测数据，通过固结灌浆，及时跟进网喷混凝土联合进行封闭等强力技术手段，为施工安全提供有力保障。实践证明，在宁朗水电站引水隧洞特殊地质流沙层开挖过程中，仅用了不足3个月时间，取得了完成112 m且无一安全事故发生的可喜成绩。