沙湾水电站引水隧洞穿越赋水砂砾石地层设计和工程实践

李万舒

（中国水利水电第四工程局有限公司，西宁810007）

1 工程概况

沙湾水电站为白龙江干流规划中梯级电站之一，位于宕昌县沙湾镇境内，是一座低坝径流引水式电站，总装机容量51MW，工程等级为中型Ⅲ等工程，引水隧洞为圆形有压隧洞，洞径8.4m，引水流量为202.5m3/s。在电站可行性研究阶段通过多方案技术经济比较分析，如引水隧洞穿越八棱沟将增加装机容量15MW，确定引水隧洞穿越八棱沟方案为电站最终方案。

八棱沟位于沙湾引水隧洞4+204.0～4+375.0 处，总体延伸方向NE60°～80°，延伸长度为10km，切割深度300m 以上，沟谷多呈“V”型，沟底覆盖层深厚，常年有流水，河道两旁长有少许林木。两岸由第四系堆积物组成台地高出沟底5～10m，前缘近直立，台面坡度5°～30°，台地后缘岸坡多为坡积碎石土覆盖，局部基岩裸露，坡度一般40°～60°，植被发育稀疏。根据冲沟两侧、沟口堆积物分布及物质组成、沟底纵向变化情况分析，八棱沟在全新世早期曾发生过稀性泥石流，今后还具备发生泥石流地形地貌、水文气象和地质条件。

2 八棱沟地质条件

输水隧洞4+204.0～4+375 段在八棱沟段通过，长171m，呈SE132°布置。八棱沟左岸为基岩边坡，中部为八棱沟现代河床，右岸为洪积扇，沟内地形较为平坦（见图1）。

八棱沟左岸山体地形坡度25°～45°，自然边坡基本稳定，岩性上部为风积黄土，中部为中上更新世冲积砂卵砾石层，下部为志留系下统千枚岩；河床段现代河流宽度约2m～4m，表层覆有冲洪积砂卵砾石层，厚度2m～5m，以砾石为主，卵石含量20%～30%，砂含量15%～20%，砾卵石成分以灰岩、砂岩、板岩为主，磨圆差，多呈次棱角状，一般粒径0.5cm～8cm，最大可见粒径80cm，结构稍密-中密；局部出露及下伏基岩为志留系下统千枚岩，根据地表调查，千枚岩强风化层厚度为2m～7m。

八棱沟右岸为洪积扇，下部为冲洪积砂卵砾石层，根据钻孔及物探揭露：冲洪积层厚度为30m～50m，下伏为志留系下统千枚岩，根据ZK5 揭露：千枚岩全风化层厚度3m～4m，强风化层厚度6m 左右。

根据野外试验，冲洪积砂卵砾石层中天然干密度为1.9g/cm3～2.08g/cm3，重型动力触探击数8 击～13 击，说明结构中密，建议取洪积层允许承载力值[R]=300kPa～400kPa，根据渗透试验，渗透系数为2.08×10-3cm/s～4.73×10-2cm/s,属中-强透水层。此段地下水位埋深为5m～18.6m 左右。

图1 引水隧洞八棱沟段工程地质纵剖面图

3 引水隧洞穿越八棱沟段开挖支护设计

3.1 主要难点

工程位于引水隧洞4+204.0～4+375.0 处八棱沟段，区间隧洞所处地下水位高，地层软弱，而对于软弱地层围岩来说，控制变形扰动尤为困难。

3.1.1 地下水丰富

项目区地下水补给充足，地下水对工程施工影响很大，隧洞开挖后，大量地下水会渗入隧洞，渗透作用使围岩软化，可能会导致围岩变形加大，影响施工安全。

3.1.2 围岩软弱易扰动且稳定性差

隧洞穿越地层主要为中部中上更新世冲积砂卵砾石层和下部志留系下统千枚岩，围岩软弱和局部松散，且含水量丰富，千枚岩遇水极易软化，隧洞开挖将会引起围岩应力重分布，控制不好易产生变形坍塌，严重危及施工期人员和设备安全。

3.2 总体思路

通过对全断面预注浆固结技术、对地下水处理、地层稳定性、隧洞结构稳定性及施工安全性等相关研究，提出隧洞预注浆方案和预处理方案、调整隧洞开挖断面型式、隧洞初期支护结构参数、隧洞合理施工工序和施工方法及施工现场监控量测管理等思路，指导八棱沟段引水隧洞开挖设计及施工。

1）便于隧洞初期支护实施，将开挖断面型式调整为类马蹄形断面；

2）结合隧洞二次衬砌断面合理确定几何尺寸；

3）选择一衬和二衬支护参数；

4）隧道开挖轮廓预留变形量；

5）选择开挖方法和施工顺序，应免爆破、短进尺、及时支护行程闭环；

6）现场监控量测设计；

7）施工辅助措施设计。

隧洞工程现代支护理论体系最大特点是勘测、设计、施工一体化，主要是指锚喷支护设计应做到勘测、设计、施工紧密配合，不分离。

3.3 设计原则

全断面预注浆法是结合国情和处理赋水砂砾石地质隧洞特点总结出的一种设计施工一体化方法，特点是采用新奥法施工原理，采用止浆墙、超前支护、改善地层等配套技术，将量测信息反馈给设计和施工方。

实践中应遵循的原则：

1）结合工程环境条件和隧洞本身安全要求，综合制订沉降控制基准值；

2）综合考虑施工安全、工期、造价等因素，选定开挖工法；

3）根据围岩-支护共同工作原理，隧洞支护要考虑时间和空间效应，加强初期支护控制地层变形；

4）加强监控量测，反馈信息，及时调整支护参数[1]。

3.4 设计内容

3.4.1 止浆墙

止浆墙采用厚2m 的C25 混凝土浇筑，基地嵌入地层50～80cm，周边嵌入围岩1m。止浆墙浇筑完成后，通过导管进行注浆对止浆墙与初支护间裂隙进行封闭。

3.4.2 注浆加固

引水隧洞4+214.0～4+382.00 段，纵向长168m，径向加固范围开挖轮廓线内布设4 圈注浆孔，注浆孔终孔在开挖轮廓线外5m，布设补孔断面为砂卵砾石段，具体位置根据钻孔地质情况进行确定，开孔位置布孔按环形及直线布孔方式，终孔位置均按环形布孔方式，全断面预注浆钻孔布置图见图2。

图2 全断面预注浆钻孔布置图

注浆材料以普通硅酸盐水泥单液浆为主，普通水泥-水玻璃双液浆为铺，施工过程中可根据涌水情况及地层吸浆情况进行材料种类及配比调整。

3.4.3 注浆顺序

1）先施作C1、C3、C5、C7、C9、C11、C13、C15、C17、C19、C21 孔位超前地质探孔，对地质情况进行判断；

2）采取先外后内、由上到下、间隔跳孔施工方式进行。

3.4.4 设计注浆量

设计注浆量按预加固地层孔隙率进行计算，注浆量可根据现场注浆情况进行动态调整，做好记录。

3.4.5 注浆效果检查

采取P-Q-t曲线分析、反算浆液充填率、注浆量分布状态、堵水率及检查孔等方法对注浆效果进行评判，检查孔数量为注浆孔数的10%。

3.4.6 注浆段开挖

1）注浆段开挖遵循浅埋隧洞开挖机理或弧形导坑法机理，考虑后续工序施作要求；

2）在第一个注浆循环结束后，掌子面一边进行下一循环注浆，一边进行仰拱施作，仰拱可采用跳槽施作形式及时封闭成环。

4 工程施工过程中及时优化调整

1）为加快施工进度隧洞分别从K4+174、K

4+422 两端开始向八棱沟内测进行开挖施工，上游预注浆方案第一循环为35m，第二循环为25m，效果明显；下游第一循环为40m，第二～第四每循环进尺为25m。施工过程中根据开挖围岩实际情况，及时调整支护参数。

2）在K4+377.5～K

4+351 全断面预注浆段隧洞开挖时，上游侧腰部发生管涌渗透现象，200m3/h 帷幕灌浆已经难以完全堵住水流，为了施工安全，在全断面预灌浆固结基础上，及时增加34 根φ108mm 跟管大管棚（18m/根）在上部180°周边，环向间距为48cm，外插角为3°，注浆采用1∶1 纯水泥浆，注浆压力1MPa～3MPa，必要时提高。其中2根作为集中引水孔，孔内不注浆，φ108mm 跟管内采用注浆机进行高压劈裂注浆，挤密围岩形成扇形保护核，小型挖掘机配碎头短进尺、免爆破，大部分涌水抽排到洞外。

3）部分施工段由于地质覆盖层为含漂石砂卵砾石，长管棚不易贯穿，采用锚杆支护。

施工中严格按照施工图文件施工，避免发生工程事故，充分重视免爆破（机械、人工配合开挖）、短进尺，避免强烈扰动围岩，并及时完成初期支护，及时布设监控量测点，勤量测，确保施工安全及结构长期稳定性，验证支护结构效果。

5 结论与经验

（1）在赋水砂砾石地层开挖隧洞时，须采用工程措施对地层进行预支护或预加固，主要采用止浆墙配合超前小导管，根据不同地质条件，还可采用长管棚超前支护加固地层、洞内及洞外降低地下水位法等，（2）采用全断面预注浆加固后，地层整体受力状况得到明显提升，降低隧洞开挖时的安全风险，也节约部分初期支护费用；（3）地层应力变化位置主要在开挖面附近，纵向影响范围较小，沉降以拱顶最大，水平位置以拱腰最大，上台阶开挖所引起位移占全断面开挖总位移大部分。

6 结语

水电工程尤其是大型水电站，在隧洞选线设计过程中，要求尽量避免地质条件不良岩体和冲沟，而对于有些中小型水电站，由于水能、投资等各个方面的限制因素，使得隧洞在选线过程中不可避免地出现地质条件较复杂情况，针对有些复杂地质条件可以选择全断面预注浆方法进行预加固，确保引水隧洞施工期及运行期安全，虽然施工期投资会相对较高，但对于电站总体收益来说还是比较经济的，该工程案例也为其他工程提供参考依据。