永寧河四級水電站#引水隧洞塌方段臨時支護施工

謝和平，王偉，李鵬

(中國水利水電第五工程局有限公司第一分局，四川雙流，610225)

1 概述

永寧河四級水電站位于四川省西昌市鹽源縣長柏鄉境內的永寧河河段上，主要永久建筑物包括攔河閘壩、進水閘、泄洪閘、引水隧洞、調壓井、壓力管道、電站廠房、升壓站等。永久主要建筑物均按Ⅳ級建筑物設計，永久次要建筑物按Ⅴ級建筑物設計。取水樞紐采用閘壩取水方式，取水口為1#閘室，連接明渠采用混凝土襯砌長度150m，水流經過進水前室與引水隧洞相接，多余進水隨溢流堰瀉出。引水隧洞全長8007.8m，其中分4個支洞，過水斷面為城門洞和圓形，過水斷面寬度b=3.4～3.8m，采用鋼筋混凝土砌筑。調壓井井口至下平洞中心高程的距離為61m，鋼筋混凝土襯砌后豎井直徑為12m。壓力管道主管長496m，鋼管內徑3.4m，設置鎮墩6個。廠房布置在臥落河Ⅰ級階地，電站為兩臺混流式機組，總裝機容量4萬kW。

1#支洞開挖斷面為城門洞形，開挖斷面底寬4.0m，直墻高3.4m，頂拱半徑2.3m，成型過水斷面為底寬3.4m，直墻3m，頂拱半徑1.963m，采用全斷面方式開挖，C25鋼筋混凝土全斷面襯砌。

工程區內地質基本烈度為Ⅶ度，區域內出露地層主要為四迭系上統楊家坪玄武巖和黑泥哨組砂巖、碳質泥巖、泥質灰巖。其中，進水口為“V”形河谷，河床左岸基巖裸露，右岸覆蓋層為第四系崩坡積層。

1#支洞下游從主支交叉處往下游309m暨樁號1+147m處開始，圍巖出現較大塊破碎、節理裂隙發育，夾黃色泥巖伴有滲水，在開挖出的掌子面頂拱和邊墻部位出現大面積涌水(約20m3/h)，屬于不穩定Ⅴ類圍巖。樁號1+147m之前圍巖為玄武巖，圍巖穩定性好，為Ⅲ類圍巖，施工過程中未進行支護處理。

2 施工情況及原因分析

2.1 施工情況簡介

永寧河四級電站于2008年3月10日復工后，在1#隧洞下游樁號1+147m處出現首次小規模塌方，隨后采用“超前導管+鋼支撐+頂拱鋪鋼模板”的支護措施。此處塌方長度1.0m(樁號1+147m～1+148m)，從設計開挖斷面拱頂至塌腔頂部最高距離為1.0m。第一次隧洞塌方縱剖面如圖1所示。

此處的塌方段支護處理完后，采用“弱爆破、短進尺、強支護”的施工方法，“超前管棚+鋼支撐+頂拱鋪板”的臨時支護形式進行支護施工。結果剛放完炮，支護好的塌腔部位的2榀鋼支撐、鋼模板和管棚連同大量土石方一起垮塌，造成樁號1+147～1+151m部位4m長的塌腔;此塌腔頂部與原開挖斷面拱頂最高處的高差為3.0m，造成二次塌方，塌方體把第一次塌方后支護好的鋼支撐、超前管棚和鋼模板全部壓塌。第二次隧洞塌方縱剖面見圖2。

圖2 隧洞第二次塌方縱剖面示意

2.2 塌方原因分析

經過業主、監理工程師、設計代表和施工單位四方聯合到現場進行調查分析，認為該段隧洞兩次塌方均是由于地質原因不太明確所致。

地質原因:第一次塌方部位及其附近巖層就是玄武巖夾雜黃色泥巖，強風化，節理裂隙發育，呈塊狀，且全斷面均有大量滲水，屬于不穩定的Ⅴ類圍巖。在鉆爆洞挖施工過程中，由爆炸震動和沖擊力作用下，不穩定泥巖在水的浸潤作用下直接軟化不能自穩，形成塌落小塌腔，其居于起拱線以上右側，呈倒錐形。

第一次塌方處的整個洞頂塌腔大面積滲水，不易噴護C20混凝土，回彈太大，70%以上的C20混凝土不能粘在巖面及泥巖表面，這樣就不能形成應力圈，對拱頂以至塌腔部位形成支撐加固的作用。

在樁號1+147m以后的巖層中，不明確的大量黃色泥巖在開挖斷面起拱及拱頂部位，超前導管長為3m，間距30cm;超前錨桿打入巖層中，外露50cm，實際在未開挖洞段的巖石中起作用的增強結構面整體強度性的超前管棚部分僅2.5m。在此承載力薄弱、夾大量泥巖的巖層中洞挖，雖然采用弱爆破一循環進尺在1m左右，但實際爆破在此巖層中一循環進尺居然到達1.5m以上，導致此時在巖層中作用的超前管棚長度僅1.0m，不能自穩，隨巖石塌方體一起將鋼支撐壓垮。

3 施工方案及措施

3.1 小塌方段處理方案

3.1.1 支護及開挖程序

臨時支護方式:采用“素噴+超前管棚+鋼支撐+鋼模板”。

工藝流程:塌方段進行危石排除→素噴8cm厚的C20混凝土→進行塌渣清理→支鋼支撐→打鎖腳錨桿→鋪鋼模板→起拱部位加固焊接→打超前管棚→爆破洞挖。

3.1.2 支護技術參數

素噴采用標號C20的混凝土，噴護厚度8cm，鋼支撐采用14號工字鋼，間距1m;連接筋采用φ16mm的鋼筋，鎖腳錨桿采用φ25mm的鋼筋，長度3m。起拱以上鋪鋼模板，預留孔洞;超前導管采用φ42mm的鋼管，長度3m，間排距30cm。

3.1.3 施工方法

首先對塌方的空腔及開挖斷面危石進行排除，對塌腔部位及整個斷面進行素噴處理。素噴處理分兩步進行:第一步先噴護C20混凝土3cm厚，待混凝土1h有一定的強度后再進行第二次素噴，素噴厚度為5cm，素噴總厚度為8cm。

其次支鋼支撐，鋼支撐采用14號工字鋼，鋼支撐的間距為1m，每榀鋼支撐打鎖腳錨桿20根，鎖腳錨桿與鋼支撐焊接牢固，鎖腳錨桿采用φ25mm的鋼筋，長度3m，鋼支撐兩邊直墻部位對稱打兩組共8根鎖腳錨桿，鋼支撐起拱部位上下側兩組對稱打8根鎖腳錨桿，鋼支撐頂拱兩側對稱打一組拱，4根鎖腳錨桿。在鋼支撐上鋪鋼模板，預留孔洞便于安裝焊接。

最后臨時支護按照施工方案的要求，在起拱部位打超前導管，每根鋼管長度3m，掌子面那榀鋼支撐上打20個間距30cmφ42mm的孔洞，便于導管打入未洞挖的巖層中和形成均勻布置導管的作用。次段洞挖爆破采用弱爆破，周邊孔進行減弱的間隔裝藥。第一次塌方支護如圖3所示。

圖3 第一次塌方支護方案示意

3.2 二次塌方處理方案

3.2.1 施工情況描述

第一次小塌方處理完成后，開挖按照“短進尺、弱爆破、強支護”的原則，打超前管棚、鋼支撐的支護形式進行洞挖。由于圍巖地質情況較差，滲水量大，全斷面夾雜大面積黃色泥巖，進尺1.5m后出現了二次塌方。塌方部位覆蓋了第一次塌方部位，并擴大塌方空腔，長度達到4m，高度為3m，將第一次塌方所處理好的鋼支撐全被壓塌，出現了二次塌方，主要為該段的強風化巖石與較大滲水相遇，造成再次塌方，且塌腔較大。

3.2.2 方案的制定和實施

由于此段巖層是玄武巖夾大面積黃色泥巖，泥巖遇到大面積滲水軟化，超前管棚在未開挖洞段的巖層中，作用的長度只有2.5m，且放了一炮進尺1.5m后，實際作用的長度只有1.0m，致使超前管棚的超前導管不能在未開挖的巖石中自穩，而產生塌方。

(1)具體措施:待此塌方段停工24h后，等圍巖稍穩定后對塌腔的塌渣進行清理，將壓塌變形的鋼支撐、鋼模板及鋼管全部清理，再運用“拱上拱”的強支護方式施工。

從樁號1+145～1+147m退后2m開始，向掌子面支鋼支撐，用鎖腳錨桿固定，再與連接筋焊接形成整體結構，后掛網噴護。

從樁號1+147～1+151m塌腔段支鋼支撐，用鎖腳錨桿固定，連接筋與其焊接為整體。塌腔部位掛網噴護，先墊底素噴C20混凝土5cm，用工字鋼做成鋼支撐上的拱圈緊貼塌腔的網片及巖面，形成支撐應力圈，用工字鋼作為點支撐與塌腔拱圈和鋼支撐拱圈焊接，再素噴C20混凝土10cm。支護完成后采用鋼支撐打超前管棚，采用拱上拱的強支護形式進行施工。

(2)技術參數:從樁號1+151m處支鋼支撐，鋼支撐上打超前管棚。超前管棚采用φ42mm的鋼管制作，鋼管長度3m，間距30cm，仰角10°～15°，超前小導管的前端10～15cm左右制作成錐形。型鋼采用14號工字鋼制作，間距0.5m，鎖腳錨桿采用φ25mm的鋼筋，長度3m，鋼支撐左右邊墻對稱打兩組共8根鎖腳錨桿，起拱部位上下側對稱打兩組共8根鎖腳錨桿，拱圈上左右對稱打一組共4根鎖腳錨桿。塌腔的頂部先素噴5cm厚的C20混凝土，再掛網噴護，網片采用φ6.5mm鋼筋制作，間排距20cm，再噴護10cm厚的C20混凝土，以50cm的進尺距離為一個單元。

再次開挖采用4臺YT－28手風鉆鉆孔，孔徑φ42mm，爆破孔孔距0.3m，排距0.5m，孔深控制0.8m。2#巖石乳化炸藥、非電毫秒雷管分段起爆，炸藥單耗控制在0.3kg/m3左右。第二次塌方支護方案見圖4。

圖4 第二次塌方支護方案示意

為了使超前管棚的超前小導管尾部和型鋼完全結合成一個整體，在加工型鋼支撐時，其拱圈的工字鋼梁按照間距要求，用氣割加工成間距30cm的42mm直徑的圓孔。打超前導管便于操作和控制超前導管之間的間距。這樣即能與方案的均勻布置相吻和，又能與型鋼更好地結合成一個整體。加工示意如圖5、圖6所示。

圖5 拱上拱加工示意

圖6 第二次塌方臨時支護最后那榀鋼支撐加工示意

4 施工效果分析

塌方段工程地質很差，成洞十分困難，采用超前管棚的施工方法施工，鋼支撐、網噴、拱上拱構成了縱橫交錯的整體支護體系，防止和限制了塌方、掉塊，使加固的圍巖和鋼支撐同時受力，提高圍巖的自穩能力，且使以后的洞挖采用超前管棚的方法能順利進行。在后期施工過程中，未發現鋼支撐變形和圍巖失穩垮塌現象，洞挖一切正常，且至2010年進行該段下游隧洞襯砌時未發生異常情況。

5 結語

此段強支護的工程經驗說明，根據現場地質的實際情況，對地質較差或很差部位的塌方段采用“鋼支撐+拱上拱+網噴”結合超前管棚的洞挖形式，基本能滿足工程施工和安全的需要，對類似地質條件的工程施工有很好的借鑒作用。