安全技术措施在甲米河电站引水隧洞施工中的运用

刘 武

(四川盐源甲米河水电开发有限公司，四川盐源，615700)

甲米河位于四川省凉山州盐源县境内，甲米河流域电站由两级引水式电站组成，总装机60MW。其中，甲米河一级水电站装机36MW，引水隧洞全长11.078km，利用落差90m，引用流量45.45m3，年发电量1.5亿kW·h;甲米河二级水电站装机24MW，引水隧洞全长5.140km，利用落差60m，引用流量45.45m3，年发电量1亿 kW·h，其库区水位接一级电站尾水位。本文主要介绍此两级电站引水隧洞施工中的安全技术措施。

1 引水隧洞工程难点

甲米河流域位于横断山脉北西侧，属川西南山地褶皱高山峡谷地貌，历史上地壳构造运动剧烈，岩体破碎，地下水较丰富，有大型麦加坪断层穿越，工程区域属地震高发区，1976年曾发生过两次中强地震(6.2～6.7级)，两级电站引水隧洞穿越的岩层，绝大部分属灰岩、砂岩、泥岩等软性沉积岩，少部分属玄武岩等岩浆岩。

考虑甲米河流域电站地形地貌特点及施工支洞长短的经济性，支洞多布置在冲沟旁边或陡峻高边坡下，支洞口泥石流倒灌及飞石防护是一大技术难点。

两级电站共16km多长引水隧洞，其中约14km需穿越灰岩、砂岩、泥岩等软性沉积岩。盐塘组及白山组灰岩受地壳构造挤压破碎严重，尤其是工程区域处在1976年两次中强地震震中区，在地下水发育洞内易引起大规模涌水涌渣大塌方安全隐患;砂岩、泥岩遇水及施工过程外力挤压易泥化，有掉块及洞段垮塌安全隐患;煤系地层有瓦斯CH4、CO、H2S等有害气体，伴有地下水发育洞段需同时防大塌方。

2 安全技术措施在引水隧洞施工中的运用

2.1 支洞施工中的安全技术措施

在冲沟边支洞口布置防护，主要是解决汛期冲沟泥石流倒灌对施工人员和设备产生的重大安全隐患。甲米河一级1#、2#、3#及4#支洞，甲米河二级4#、5#支洞布置在冲沟旁边，甲米工程区域水土流失较严重，气候特点是“冬春一场风、夏秋一场雨”，在当地下“坨坨雨”即局部短时段强降雨时，往往形成较大泥石流，尤其是一级2#、3#支洞附近冲沟属典型泥石流冲沟。结合工程水保环保方案，对各冲沟进行了浆砌石或混凝土渠化，对冲沟过洞口段进行了加高防护，确保支洞口汛期防洪安全。一级3#施工支洞地形复杂，顺河上下游侧均有泥石流冲沟，另采取专项安全技术措施进行治理;施工初期将顺河下游侧主沟浆砌石渠化后，在第一年汛期发现顺河上游侧冲沟是泥石流沟且汛期泥石流量较大，对3#施工支洞开洞口施工造成了一定安全隐患，因3#施工支洞是倒坡设计，若处理不好，后续两年主洞开挖衬砌汛期施工可能出现泥石流经3#支洞倒灌引水隧洞的重大人员设备安全隐患。经参建各方现场踏勘及会商，采取明拱延长支洞形成局部顺坡，在支洞明拱上布置大纵坡泥石流渡槽明渠，确保汛期及时将顺河上游侧泥石流排入顺河下游侧主冲沟(见图1)。

图1 甲米一级3#支洞上游侧泥石流渡槽布置

布置在高边坡下的支洞防护，主要是防高边坡飞石伤人伤设备。甲米河工程区域位于横断山脉北西侧，属川西南山地褶皱高山峡谷地貌，植被较差，汛期雨后常发生飞石滚落洞口，冬秋季当地老百姓放羊也时有羊子蹬落飞石。甲米河二级1#、2#、3#支洞，甲米一级 0#、5#支洞布置在高边坡下，工程除对洞脸挂网喷护外，主要采取被动防护网防护高边坡飞石。对陡峻高边坡下进洞，洞口场地狭窄的甲米河二级2#施工支洞，除采取被动网防护外，主要采取延长施工明拱，在支洞内围岩好洞段开挖洞室，把原拟规划布置在洞口的临时设施空压机等重新规划布置在洞室内，确保施工人员及施工设备安全。

布置在坡积体下进洞的支洞，主要是监控边坡整体下滑剪断、或大面积冒顶并掩埋施工支洞进洞段。二级4#施工支洞在进洞约15m左右，施工方发现已开挖衬砌的混凝土有明显变形裂缝，且有明显扩大趋势，参建业主、设计、监理及施工方现场踏勘后果断决策，废弃原施工支洞(一周后原施工支洞被山体局部表层滑坡剪断了衬砌混凝土并被完全掩埋)，在顺河上游约50m以外基岩出露成洞条件较好位置重新开支洞，虽增加了一定投资，但及时避免了一起大的人员设备安全事故隐患。

2.2 引水隧洞进水口施工中的安全技术措施

引水隧洞进水口的现场布置即具体坐标位置选择，很大程度上决定了施工期安全及后期电站运营安全，对现场地形、地貌、地质有条件进行枢纽布置整体或局部调整的尽量精准定位后调整，对现场不具备枢纽位置重新布置条件或从技术经济对比调整方案不可取的，则应提前做好引水隧洞进水口施工过程中出现大面积冒顶等安全隐患的安全技术措施储备。

甲米河一级引水隧洞进水口位置可研阶段方案位于现库区上游一小冲沟处，为确保引水隧洞进水口施工安全及后续运营安全，设计单位对闸坝枢纽建筑进行了总体布置调整，调整后闸坝枢纽整体往下游平移了42m，往左岸平移了2.5m，从而使甲米河一级引水隧洞进水口布置在冲沟下游陡峻完整基岩处，确保了引水隧洞进水口施工安全及运营期防汛安全，同时也减少了进水口开挖衬砌工程量，进而减少了工程造价。

甲米河二级引水隧洞进水口因现场地形限制，布置在顺河右侧边坡，边坡下部坝轴线顺河上下游有基岩出露，边坡上部为坡积层，主要由块碎石土、砂土颗粒、砂质土组成。隧洞开口位置浇筑钢筋混凝土明拱，在明拱的保护下开挖进洞，2012年3月25日开挖至K0+006m时出现了坡积层塌方冒顶。塌方发生后，参建几方共同商定后及时启动了冒顶塌方安全技术储备方案(参见图2):①采用C20(二)泵送混凝土对冒顶空腔处进行间歇性分层浇筑回填;②启动并加快进水闸工程施工，尽快将进水闸闸墩上升至2056m高程，同步采用C20(二)泵送混凝土将进水闸与边坡之间空间回填密实，以限制边坡中下部坡积层出现整体性滑动趋势;③为保证汛期1#施工支洞控制段上游主洞能正常施工，防止洪水涌入洞内，采取在引K0+000桩号砌筑M10浆砌石挡水墙。挡水墙厚1.5m，迎水面5cm厚M10砂浆抹面(挡水墙后期人工拆除);④后期进水口渐变段引K0+000～K0+012m从1#施工支洞控制段上游进行开挖支护，开挖前先对该洞段超前固结灌浆，固结塌方堆积体，同时采用注浆小导管超前支护，以确保该洞段施工安全。

图2 甲米河二级引水隧洞进水口冒顶处理方案示意

2.3 穿越地震滑塌区洞段的安全技术措施

甲米河一级引水隧洞1#支洞至2#支洞间有1976年两次中强地震形成的长约1.5km、宽约0.7km的地震滑坡堆积体，为确保引水隧洞施工期成洞及后期运行安全，在前期规划引水隧洞线路走向基础上，可研阶段业主和设计对引水隧洞线路走向进行了精准调整，安排测量技术人员现场复测了震滑堆积体及滑动面靠山侧具体坐标，并点绘在工程总平面布置图上;在滑动面走向靠山内侧开口线约50m外，确定了引水隧洞拐点P4(参见图3)，从而确保1#施工支洞至2#施工支洞间(K1+322.335m～K3+359.69m)2km引水隧洞布置在未滑塌母岩内。

图3 一级1#、2#支洞间地震滑塌体测量后，精准定位调整引水隧洞线路走向

2.4 穿越煤系地层、有害气体洞段的安全技术措施

根据可研报告地质勘察分析，甲米河一级3#施工支洞上游有近1km引水隧洞需穿越二迭系上统乐平组(P2L)地层，乐平组(P2L)岩性为中薄层砂岩、泥岩与页岩、碳质页岩互层，夹煤层及煤线，属四川凉山州地区易出现煤层的典型地层。2009年10月19日，当3#支洞控制段上游开挖至K5+794m掌子面时，出现煤层，厚度0.1m～1.5m，经及时检测在局部通风不畅洞顶瓦斯易聚集部位初期 CH4浓度达 10%，CO2浓度达0.56%，后加强通风测试，CH4浓度降为0.26%，CO2浓度降为0.10%。分析后认为，甲米河一级3#支洞上游控制段属高瓦斯隧洞，需立即采取由正常水工隧洞施工工况转为高瓦斯浓度煤矿掘进开挖支护施工工况:①组织保障。承包商立即成立以项目经理为组长的瓦斯特殊洞段施工领导小组，负责组织实施现场措施，监督检查项目部瓦斯控制的各环节，提高紧急情况下的决断效率，必要时启动应急预案;②通风保障。业主新购一台300kW柴油发电机交承包商使用，另增加2台2×55kW鼓风机，确保上下游两个掌子面供风能力达2000m3/min，建立24h不间断通风制度;③加强瓦检。矿山专业瓦检人员瓦斯跟班检测并及时公示，建立进洞专人专卡检查放行制度;④电路照明及设备改造。原普通电线改为 VV3×120mm2+1×70mm2防爆电缆，洞内照明采用ExdI型防爆照明灯，工人采用KL205型矿灯，对洞内设备排气管等重点部位采取针对性防护措施;⑤加强进洞作业人员专项安全教育及专项安全技能培训;⑥洞内钻爆及支护施工技术措施保障，参照《煤矿安全规程》、《铁路瓦斯隧道技术规程》、《爆破安全规程》，制定针对性钻爆技术措施并严格操作执行。支护尽量采取钢筋搭接方式，必须动电焊时采取局扇加强局部通风;⑦制定应急救援安全预案。按照以上安全技术措施，甲米河一级3#施工支洞控制段上游与2#施工支洞控制段下游之间引水隧洞，基本按合同总进度节点实现了隧洞安全贯通。

甲米河二级2#施工支洞控制段下游2012年2月14日开挖至K2+229m桩号，击穿了远源点不明有害气体通道，致使作业面工人有不同程度昏迷前兆。后确定不明有害气体主要为CO。次日业主及承包商请地方安监局会同矿山检测大队对隧洞进行了全洞段检测，未发现有害气体超标，经增加通风设备及柴油发电机到位，采取24h不间断通风制度及跟班进行有害气体检测制度，并对K2+229m洞段重点检测及采取局扇等措施后，恢复了施工。按以上安全技术措施，甲米河二级2#施工支洞控制段下游与3#施工支洞控制段上游引水隧洞，按合同总进度节点略有提前实现了隧洞安全贯通。

2.5 塌方洞段的安全技术措施

甲米河流域两级电站在施工过程中出现了加大塌方共15次，根据塌腔涌水严重与否，大致可分为两种类型:(1)塌方伴随大量涌水。属于此类塌方洞段有一级1#支洞控制段2处及一级4#支洞平交段1处。处理技术措施也分两种:一种是外侧改线绕道通过(内侧原洞段作为截水排水洞使用)一级电站1#洞控制段2处塌方即采用此技术方案。第二种处理技术方案是先打涌水处理导洞引排降水位再处理塌腔，一级电站4#支洞与引水隧洞平交段即采用此技术方案;(2)塌方伴随少量涌水或基本无地下水涌出。两级电站其余12处塌方洞段，基本属第二类。根据不同塌腔情况及技术经济对比，处理技术措施大致分为三种:一种是塌方段明显露出塌腔，采取塌腔回填混凝土再二次开挖通过，这是用的最多的一种技术措施方案，两级电站共10处均采用此方案成功穿越塌方洞段;第二种是塌方段未露出塌腔且塌方段较长不敢贸然出渣，对这类情况采取大管棚注浆加工字钢拱架强行穿越，一级3#洞K5+012m～K5+038m即采取此方案成功穿越塌方洞段;第三种是塌方段位于施工支洞三岔口，经围岩对比及经济比较，采取退一步海阔天空，在支洞已开挖洞段离原引水隧洞中线12m围岩更好位置，重新开引水隧洞上下游面，即外侧12m改线绕过方案，二级电站4#支洞平交段塌方即采取此外侧绕过技术措施。

现以甲米河二级电站1#支洞控制段上游K0+007m～K0+019m塌方洞段处理方案为例，详细阐述塌腔回填混凝土再二次开挖通过方案。2012年9月19日，甲米河二级1#施工支洞往上游施工至K0+012m桩号时，因该洞段仍属碎石土松散坡积层堆积体，遭遇较大地下线状渗水，导致掌子面前后洞段出现较大范围塌方，经查勘塌腔最高处近7m。参建几方共同商定后及时启动了塌方安全技术储备方案:①对靠近塌方洞段进行工字钢拱架+锚杆支护加固，防止塌腔范围进一步扩大，并对塌方部位素喷5cm厚C20混凝土进行封闭，保证后续施工安全;②利用ZL50C装载机配合PC200挖掘机回填洞渣至设计线以上塌腔;③埋一根7m长φ120mm混凝土泵管及一根φ48mm通气管，浇筑泵送混凝土回填塌腔;④K0+019m～K0+012m采取 I14@50cm工字钢拱架，配Φ25mmL=3m锁脚锚杆及Φ22mmL=0.8m联系钢筋及φ8mm@20cm×20cm钢筋网，喷20cm厚C20混凝土进行强支护;⑤K0+012m～K0+007m剩余洞段钻爆前先预固结灌浆，同时在设计线拱圈以上用注浆小导管超前支护，再按Ⅴ类围岩加强支护。通过采取以上安全技术措施，甲米河二级引水隧洞进水口段顺利通过了近15m坡积层洞段。

表1甲米河流域电站15处较大塌方情况一览

甲米河流域两级电站各塌方洞段具体情况参见表1。

3 结语

甲米河一级电站2012年5月建成并同期投产发电，甲米河二级电站2013年7月建成，因地方电网因素至同年11月投入商业运营。两级电站引水隧洞(含施工支洞)开挖及衬砌施工自2008年7月至2013年7月历时整5年，因安全管理四大体系完善，尤其是安全技术措施运用得当，5年来通过采取延长支洞明拱及渡槽引排，成功应对了冲沟泥石流对施工支洞口的冲击。采取现场地质勘察及精准测绘技术，避开1976年两次6.2～6.7级中强地震残留地震滑塌堆积体区域，从而成功穿越了近1km地震滑塌区。采取加强通风及加强瓦检监测为主，调整正常隧洞施工方案为瓦斯工况下地下洞室施工方案，成功穿越了近1km煤系地层。采取改线绕过方案、塌腔回填混凝土二次开挖方案及大管棚方案，成功穿越了两级电站共15处较大规模塌方洞段。5年来在两级电站建设过程中，未发生一起生产性安全重伤及死亡事故，连续5年被水电四川公司评为安全生产单位，2010年被中国水电股份公司评为安全生产项目部。