固增水电站引水隧洞特大突水突泥处理采用的施工技术

郭 益， 戚 绍 礼， 王 军 红

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

固增水电站引水隧洞在开挖阶段，其2号支洞上游主洞(T)2+696～(T)2+699右拱肩(靠山侧，下同)出现塌方，鉴于该段围岩为硅质板岩夹炭质板岩、薄层状结构，岩层扭曲、揉皱发育，最终将其岩性判定为Ⅳ类围岩。所采取的治理措施为：对塌方区初喷C25纳米混凝土[1]，安装I16工字钢，施工Φ42 mm超前小导管，内插Φ25 mm钢筋实施超前支护。开挖进尺1 m后其右侧顶拱出现崩塌并有渗水，导致前期施工的超前支护全部被破坏，顶部形成较大(约为3.5 m3)的空腔，安全风险较大，遂将现场掌子面回填洞渣后暂停施工进行观察；次日，该段突发大量的涌水夹杂石渣混合流出，流速较快，产生了大量水雾。突水流量约为900 m3/h，突泥量约为1 500 m3。突水突泥对施工造成的难题主要有：①对所发生的安全隐患不确定，很难分析其成因，处理不当会诱发二次塌方；②现场处理地质缺陷的施工人员不专业、经验不足，导致处理时间较长。而该工作面为关键线路，直接影响到工程总工期；③地质条件复杂多变，断层走向、长度等未知因素较多，导致选择正确的处理方案难度较大；④如何提前准确判定不良地质条件以指导后期的施工至关重要。

2 地质问题产生的原因分析

2.1 开挖支护参数

引水隧洞Ⅲ类围岩的开挖断面为6.67 m×8.45 m，采用Φ25 mm,L=4.5 m的随机锚杆，随机挂φ6.5 mm网片、喷C25混凝土5 cm厚进行处理。开挖进尺为3 m；Ⅳ类围岩的开挖断面为6.97 m×8.72 m，采用Φ25 mm,L=4.5 m@1.5 m×1.5 m的锚杆梅花形布置，挂φ6.5 mm@0.15 m×0.15 m网片，喷C25混凝土12 cm厚进行处理。开挖进尺为2～3 m，每循环支护；Ⅴ类围岩的开挖断面为为7.35 m×9.15 m，采用Φ25 mm,L=4.5 m@1.2 m×1.2 m的锚杆梅花形布置，挂φ6.5 mm@0.15 m×0.15 m网片，喷C25混凝土0.15 m厚进行处理，开挖进尺为0.8～1.5 m，每循环支护。

结合以往的施工经验和设计要求进行分析后发现：开挖进尺和支护参数均满足施工要求，故其不是造成本次突水突泥事件的主要原因。

2.2 地理位置及降雨条件分析

引水隧洞桩号(T)2+693位于2号施工支洞控制段上游，地处木里河左岸，埋深约为180～300 m，距2号施工支洞三岔口约197 m。地貌范围内的洼开沟和无名沟常年有小股流水，年流量变化幅度不大，两侧沟壁陡峭，植被茂盛，地表无水库，仅有供农田喷灌的小型泉水。2019年7月累计降雨量为225.75 mm，日最大降雨量为47.25 mm(发生在7月3日)。该洞段塌方时段(7月22～28日)的最大降雨量为16.25 mm，发生在7月24日。

根据监测到的突水量，得出近期的降雨很难成为本次事件直接原因的结论，但其地理位置处于两沟壑之间，可能存在地表水的补给。

2.3 地质条件分析

2号支洞附近发育有F4断层(基洼断层)，位于支洞下游，延伸约4 km，破碎带宽约10～20 m，其走向与引水隧洞的夹角约为35°。经地表查看，该区域地貌无明显凹陷，无法确定该断层的准确位置及产状，且洞室接触面与该断层产状及分布位置均差异较大。因此，无法判断隧洞上游掌子面的挤压破碎带是否为F4断层带或其影响带。在桩号(T)2+695处内侧壁拱肩至顶拱一线出露薄～极薄层硅质板岩、局部夹少量炭质板岩和炭质页岩，石英脉条带富集，揉皱强烈，受其影响岩体破碎，石英脉手搓易碎，呈碎砾～碎屑状，岩体呈碎裂～散体结构，自稳性极差。掌子面其他部位岩体以薄层状、薄～中层状硅质板岩为主，总体产状为N75°W /NE∠70°～80°，岩性坚硬致密，完整性较好。二者接触面产状为N30°W /NE∠50°～80°，有多处小股流水。

地勘资料表明：该范围断层裂隙较多且发育，岩性变化频繁，易形成腔体积水，是造成本次事件发生的直接原因。

2.4 超前地质预报分析

根据地质雷达预报及掌子面揭露，围岩岩体较破碎，属于较软岩～较硬岩，节理裂隙发育，地下水较发育、但分布不均，存在渗水或含水的情况，局部可能会出现涌水，隧洞底部岩体破碎程度高；隧道周边岩体完整性一般，节理裂隙较发育、密集，岩体破碎程度较高。

根据上述4点原因分析得知：引水隧洞上游段4 000 m属于地下水位线以下，该范围硅质板岩较硬，发育裂隙较多，易形成渗径，炭质板岩较软且密实，无渗水通道，洞轴线方向硅质板岩和炭质板岩交替存在，形成向斜和背斜。鉴于岩体内断层裂隙较多，常年降雨易渗入、汇集在向斜形成大量储水。而储水不易外排，随雨季与旱季变化，常年累月的储水浸泡导致岩体软化，造成对地质条件难以准确判定和施工预防措施准备不足，是造成本次事件发生的直接原因。

3 制定适宜的施工措施并实施

3.1 选定处理方案

(1)改线：根据EPC总包模式，设计方与施工方配合紧密，可以选择改线绕过坍塌区。但改线会影响到引水流态，且因同样隐蔽的不良地质范围无法准确判定，会导致改后的洞轴线仍可能无法避开该富水和软弱地层。

(2)预制钢拱架：待塌方稳定、不发生掉块时，先出渣，提前预制型钢拱架并用装载机推装到位。但根据塌方的时间和下部渣体推测上部塌方空腔的高度可达20 m以上，很难判定其稳定，出渣后下部施工的安全隐患较大。

(3)大管棚：利用已塌方的堆渣采取大管棚注浆的方式施工，虽然其施工的要求和成本高，但不影响隧洞后期运行的引水流态，结合固结灌浆，可以极大程度地减小安全风险。

综上分析：最终选用大管棚工法[2]处理塌方。

3.2 解除安全隐患，确保后续处理施工安全

仔细观察掌子面塌方区发现，其上部渣体含水量较低，基本稳定，下部渣体含水饱和成泥浆且无法承受上部荷载，所存在的潜在安全隐患是：随着上部垮塌荷载的增加，当其超过下部承受荷载时易形成泥石流突发。故需对下部进行排水以降低渣体的含水量，提高其稳定性。桩号(T)2+720～(T)2+140洞段为Ⅲ类硅质板岩，结构整体稳定，在桩号(T)2+720两侧边墙1.5 m向顶拱以倾角10°～15°采用地质钻施工多个φ108 mm的泄水孔，孔深42 m，穿越塌方区实施排水，靠山侧泄水效果较好，成射流状。通过2 d时间的排水，塌方堆渣体底部含水量降低，整体稳定，解除了安全隐患，确保了后续处理施工的安全。

3.3 选择专业队伍，保证施工效果

在桩号(T)2+720处施工Φ108 mm大管棚穿过塌方区进入掌子面，管棚长度为33～36 m，管棚内插锚筋束、注浆形成拱圈并与周围岩体共同受力以增强突水突泥段的洞壁结构稳定。因施工要求管棚不侵占设计永久结构，对施工技术要求高。而现场班组的施工任务仅为开挖支护，施工器具仅为气腿钻，不具备大管棚开挖所需的地质钻机。因此，必需选专业队伍进场，以保证施工效果。

3.4 大管棚施工

施工工艺流程：导向管→管棚制作→造孔→插筋注浆。

3.4.1 导向管的选型

选择岩石条件较好的桩号(T)2+720断面处，从起拱部位到顶拱外扩形成60～100 cm的错台，在错台距外轮廓线大于40 cm处，以外倾角8°～10°开钻。利用桩号(T)2+720～(T)2+710坚硬的岩体造孔做导向孔，结构稳固，操作简便，施工进度快。

3.4.2 管棚的制作

跟管为R780，Φ108 mm，壁厚为4.5 mm的钢管，之间采用Φ108 mm丝扣接头连接，跟管单根长1.5 m，相邻两根跟管接头部位错开，跟管管壁钻孔增设出浆孔，孔径为16 mm，孔间距为30 cm，梅花形布置，以便于后期注浆。锚筋束[3]采用3根Φ28 mm钢筋品字形焊接，锚筋束在杆体方向每隔3 m用φ6.5 mm圆钢焊接形成环，将锚筋束与管壁分离以确保锚筋束与管壁有足够的空间，保证管棚注浆时浆液能充分包裹锚筋束。在锚筋束杆体上绑扎φ20 mm PVC管作为排气管，排气管距孔底50 cm，孔口外露0.5 m。锚筋束距管棚口缩短20 cm以便于封孔注浆。

3.4.3 造孔

采用锚索钻机合金偏心钻头造孔，以压缩空气作为造孔动力。为保证管棚的钻进精度，开孔应严格控制钻具的倾角及方位角，当钻进20～30 cm时应校核角度。钻孔过程中应进行分段测斜，每钻进6～10 m需校正钻杆的角度。钻进结束或需要更换钻具时应先进行清孔，将孔底残渣吹尽，再低速反转钻具收拢偏心钻头。造孔过程中，通过复杂地层时须轻压、慢钻、反复吹扫，缓慢通过。发现有突进和卡钻现象时，一定要查明原因，排除故障后再进行施工。

3.4.4 插筋注浆

采用手拉葫芦将锚筋束插入跟管中，在管口埋设1 m长的进浆管和距孔底50 cm的排气管，封闭管口。通过预埋管，采用强度等级为R42.5的普通硅酸盐水泥注浆，由JT-Ⅳ型多通道灌浆自动仪计量，灌浆水灰比为1∶1、0.5∶1。开灌水灰比为1∶1，以使浆液在松散的岩层中充分扩散，将破碎的岩层固结，从而有利于相邻钻孔时减少掉块、卡钻或掉钻等，促进施工进度。灌浆压力为0.3～0.5 MPa，压力视吸浆量情况调整，待孔口注浆压力达到设计要求且回浆比重与进浆比重相近时开始闭浆、灌浆结束。为避免注浆时发生串孔造成相邻孔的堵塞，原则上先进行单号孔的造孔、安装、注浆，后施工双号孔。灌浆出现漏浆、吸浆量大时，采取间歇灌浆法或反复注浆法加强灌浆质量，确保套管灌浆饱满。

3.5 预固结灌浆，半洞开挖

鉴于大管棚注浆渗透效果较差，局部出现了溜渣现象，因此，必须对塌方段洞壁再次进行预固结灌浆[4]，孔径为50 mm,深入基岩10 cm(浮渣1.5 m),间排距3 m交替布置，灌浆的浆液水灰比为2、1、0.8、0.5四个比级，注浆压力为0.2～0.5 MPa；掌子面顶拱超前固结灌浆5 m，孔径为50 mm，倾角为13°～15°，孔间距为45 cm，灌浆后形成坚硬的固结拱圈以保证开挖过程中结构稳定；掘进时，在I16工字钢劲板钻φ50 mm的孔，内插L=4.5 m的超前小导管，在小导管管壁开渗浆孔，内插Φ25 mm，L=4.5 m的锚筋，采用上述水灰比和压力注浆，注浆完成待强8 h后进行上半幅的开挖，开挖支护循环进尺为80～100 cm，上半幅开挖10 m后进行下半幅半边开挖，工字钢及时下接。塌方段处理完成后，掌子面分台阶开挖揭露岩性较好时改为全断面施工。

3.6 加强超前地质预报，用于指导后续施工

该工程运用美国TRT仪器进行超前地质预报[5]，预判隧洞掘进前方的围岩变化情况，经详细分析后编辑地质超前简报用于指导现场施工；使用100B钻机在掌子面施工深度为30 m的超前勘探孔3个，分别布置在易垮塌区的上半幅，顶拱1个，两侧各1个，分别对钻孔速度、声音、出水颜色和钻渣等情况进行详细记录，结合地质勘探资料做出正确的判定；现场钻工可根据钻孔速度和掌子面揭露的情况分析、控制钻孔的深度、间排距和装药量，以减少因爆破振动对周边围岩的扰动。及时跟踪，确保超前地质预报桩号每次搭接20 m，100B勘探孔桩号每次搭接5 m，以保证连续性地指导施工。

4 结 语

固增水电站通过上述施工技术的研究与实施，成功地处理了本次突泥突水事件。处理过程中未发生安全事故，处理完成后该部位未再发生塌方变形等事件。总结、完善灾害处理经验并将其用于指导后续未开挖洞段的施工，减少不良地质洞段的开挖塌方，促进了施工进度，确保了该工程长达11.06 km引水隧洞的开挖未出现一般及以上安全事故，降低了施工成本。