金川水電站導(dǎo)流洞碳質(zhì)千枚巖洞段施工技術(shù)

劉 釗，張金龍

（中國安能集團(tuán)第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

0 引言

金川水電站位于四川省阿壩州金川縣境內(nèi)的大渡河上游河段，電站總裝機(jī)容量為900 MW。該水電站導(dǎo)流洞布置在右岸，斷面型式為城門洞型，按有壓洞設(shè)計(jì)，斷面尺寸為12.5 m×14.5 m（寬×高），洞身長1 035.75 m，底坡4.92‰。該水電站工程區(qū)位于青藏高原隆起的東部邊緣，夾持于多個(gè)地震構(gòu)造帶之間，近代歷史中周邊松藩、爐霍、汶川、蘆山等地多次發(fā)生特大地震。地形隆起、河谷深切、構(gòu)造擠壓、巖層變質(zhì)、地震振動(dòng)造成巖層產(chǎn)狀傾斜、結(jié)構(gòu)破壞、裂隙發(fā)育，導(dǎo)流洞圍巖穩(wěn)定性較差。

1 導(dǎo)流洞圍巖地質(zhì)條件

1.1 導(dǎo)流洞圍巖地質(zhì)條件

金川水電站導(dǎo)流洞最大埋深380 m，洞身大部分洞段處于地下水位以下。圍巖主要為中厚層夾薄層狀變質(zhì)細(xì)砂巖夾碳質(zhì)千枚巖，巖層陡傾，產(chǎn)狀 NW320°～ 330°SW ∠ 60°～ 89°，與導(dǎo)流洞近于正交，以Ⅳ1類和Ⅲ1類為主；導(dǎo)流洞0+053樁號(hào)往下游方向出現(xiàn)厚約10 m、沿導(dǎo)流洞長約40 m的碳質(zhì)千枚巖，薄層砂板巖軟弱巖層帶，屬于Ⅳ2類圍巖。

圍巖體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的斷裂主要為順層斷層和層面裂隙，并發(fā)育少量緩傾角斷裂，其與陡傾的層面裂隙組合易形成不穩(wěn)定塊體，對(duì)頂拱不利，易引起局部掉塊、塌方。

1.2 碳質(zhì)千枚巖的工程地質(zhì)特性

碳質(zhì)千枚巖呈灰黑色，細(xì)粒鱗片變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，巖性松軟，三軸干抗壓強(qiáng)度5～8 MPa，軟化系數(shù)約為0.35，有膨脹性，遇水極易軟化，抗風(fēng)化能力差，易形成巖屑，產(chǎn)生碎落現(xiàn)象[1]。

在導(dǎo)流洞洞室開挖過程中，圍巖應(yīng)力重新分布，松動(dòng)圈和塑性圈快速擴(kuò)展，且碳質(zhì)千枚巖自穩(wěn)能力極差，變形發(fā)生后極易產(chǎn)生坍塌，甚至產(chǎn)生較大的塌方[2]。

2 施工方案選擇

地質(zhì)勘察資料顯示，導(dǎo)流洞0+053樁號(hào)往下游方向的碳質(zhì)千枚巖、薄層砂板巖互層帶厚度約10 m、沿導(dǎo)流洞分布長度約40 m，主要出現(xiàn)在導(dǎo)流洞上半洞。考慮到碳質(zhì)千枚巖巖性松軟和遇水易軟化等特點(diǎn)，為了保證施工安全，在開挖的過程中必須配以適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方法，包括超前支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)和系統(tǒng)支護(hù)。結(jié)合實(shí)際條件，對(duì)該類軟弱圍巖，選擇“短進(jìn)尺、弱（不）爆破、快封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤測(cè)量”的施工原則，從而確保永久性支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)。全斷面法不利于掌子面穩(wěn)定，極易造成塌方，長臺(tái)階法因不能使支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)封閉致使圍巖暴露時(shí)間過長，在本工程中均不具有可行性。

根據(jù)碳質(zhì)千枚巖的工程特性，綜合考慮施工安全、工程安全及施工工期的要求，為了預(yù)防在導(dǎo)流洞碳質(zhì)千枚巖分布洞段變形加大和坍塌問題發(fā)生，上半洞開挖施工研究采用臺(tái)階分部開挖法即環(huán)形開挖保留核心土法[3]。該方法結(jié)合噴射混凝土及時(shí)封閉開挖面，用超前小導(dǎo)管、鋼拱架、掛網(wǎng)、系統(tǒng)錨噴支護(hù)等方法加固圍巖，限制圍巖松動(dòng)圈和塑性圈的發(fā)展，改善圍巖應(yīng)力條件，實(shí)施短進(jìn)尺、快循環(huán)，以減小對(duì)巖體的擾動(dòng)。

開挖的原則是先加固已開挖的洞段，待強(qiáng)支護(hù)完成后，以安全穩(wěn)固的已支護(hù)洞體為依托穩(wěn)妥向前推進(jìn)。開挖支護(hù)鉆孔，應(yīng)盡量避免水鉆法施工，防止施工用水對(duì)碳質(zhì)千枚巖巖體結(jié)構(gòu)的破壞。

3 支護(hù)措施

根據(jù)導(dǎo)流洞圍巖地質(zhì)條件，結(jié)合碳質(zhì)千枚巖的工程特性，金川水電站導(dǎo)流洞碳質(zhì)千枚巖分布洞段采用“C25鋼纖維噴混凝土（基巖面封閉）+I20a鋼拱架（部分脫空部位采用I20a副拱與巖面楔緊）+掛網(wǎng)鋼筋（型號(hào)φ6.0@15 cm×15 cm）+系統(tǒng)錨噴支護(hù)+超前小導(dǎo)管”的加強(qiáng)支護(hù)措施進(jìn)行施工。

1）鋼拱架。在碳質(zhì)千枚巖洞段，增設(shè)I20a鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)，對(duì)部分塌腔高度＞50 cm的部位采用副拱楔緊。鋼拱架間距0.5 m，縱向連接筋采用φ25 mm螺紋鋼，環(huán)向間距1.0 m。對(duì)鋼拱架鎖腳進(jìn)行加固處理，每榀拱架拱肩及拱腳各設(shè)1組φ25 mm、L=4.5 m的鎖腳錨桿，其余部位采用系統(tǒng)錨桿配合鎖定。

2）系統(tǒng)錨噴支護(hù)。為了有效發(fā)揮鋼拱架的作用，各榀拱架之間及拱架與巖壁之間采用C25混凝土噴平填實(shí)，掛網(wǎng)鋼筋（型號(hào)φ6.0@15 cm×15 cm）。 頂 拱 錨 桿φ32 mm、L=9 m入巖8.5 m，錨桿φ25 mm、L=4.5 m入巖4 m，間排距為1.5 m×1.5 m，按梅花型布置。邊墻φ32 mm系統(tǒng)錨桿，L=9.0 m入巖8.5 m，間排距為1.5 m×1.5 m。

3）超前支護(hù)。超前小導(dǎo)管布置參數(shù)為：φ42 mm，L＝4.0 m，環(huán)向間距30 cm，縱向間距3 m，仰角、外插角為5°～10°，灌漿壓力0.2～ 0.5 MPa。

4 施工技術(shù)

根據(jù)碳質(zhì)千枚巖的工程特性，上半洞采用臺(tái)階分部開挖法即環(huán)形開挖保留核心土法，一開挖一支護(hù)循環(huán)穩(wěn)步推進(jìn)[4]。環(huán)形開挖進(jìn)尺等于鋼拱架間距0.5 m，開挖完成后立即噴射C25鋼纖維混凝土進(jìn)行封閉，而后進(jìn)行鋼拱架施工，安裝鎖腳錨桿，掛鋼筋網(wǎng)，每榀拱架之間及拱架與巖壁之間采用噴C25混凝土噴平填實(shí)。施工超前小導(dǎo)管，每3 m一個(gè)循環(huán)，小導(dǎo)管焊接固定在鋼拱架上，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

4.1 洞挖施工

導(dǎo)流洞共分為上中下三層開挖，本文主要介紹碳質(zhì)千枚巖洞段上層開挖。上層洞室分為3部分：第1部分頂拱環(huán)形部位約2 m，第2部分預(yù)留核心土，第3部分上層剩余部分。

首先進(jìn)行第一部分頂拱環(huán)形部位開挖，釆用1 m3挖掘機(jī)將掌子面清理干凈，以預(yù)留核心土為施工平臺(tái)，以已施工的鋼拱架支護(hù)洞段為安全依托，采用人工撬挖或手風(fēng)鉆淺孔小藥量爆破的方法，挖出上層頂拱結(jié)構(gòu)線內(nèi)約2 m范圍的巖體，留下中間核心土部分，待形成完整的開挖結(jié)構(gòu)面后進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)。當(dāng)核心土長度超過6～7 m時(shí)，將多余部分挖出，以方便施工[5]。上層第三部分及中、下層開挖采用常規(guī)分部分層開挖法施工，即首先進(jìn)行拉槽，兩層保護(hù)層采用小藥量光面爆破，支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)。中槽和邊墻開挖工作面間隔6 m以上，同時(shí)左右邊墻開挖支護(hù)交替進(jìn)行，每循環(huán)進(jìn)尺3～4 m。開挖分區(qū)及開挖層序如圖1、圖2所示。

圖1 碳質(zhì)千枚巖洞段開挖分區(qū)圖（橫向）

圖2 碳質(zhì)千枚巖洞段開挖秩序示意圖（縱向）

以上施工程序循環(huán)進(jìn)行，直至通過碳質(zhì)千枚巖分布上層洞段。

4.2 掛網(wǎng)噴射混凝土

碳質(zhì)千枚巖極破碎，開挖擾動(dòng)后容易掉塊坍塌，分區(qū)開挖完成后立即采用C25鋼纖維噴混凝土：先對(duì)基巖面進(jìn)行封閉防止掉塊，形成較安全的作業(yè)環(huán)境；然后立拱架、打鎖腳錨桿、掛網(wǎng)，再噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

由于頂拱采用保留核心土法開挖，工作面受限，噴射混凝土宜采用小型濕噴機(jī)分層噴護(hù)。后續(xù)核心土挖除后，利用大型噴混凝土臺(tái)車采用濕噴法進(jìn)行噴護(hù)作業(yè)，并及時(shí)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

鋼筋網(wǎng)在場(chǎng)外按塊進(jìn)行編焊。運(yùn)至工作面后，人工在核心土平臺(tái)上鋪設(shè)，利用錨桿頭點(diǎn)焊固定，架立筋采用φ12 mm鋼筋，中間用膨脹螺栓加密固定，網(wǎng)間用鉛絲扎牢。

4.3 鋼拱架安裝

鋼拱架在加工場(chǎng)內(nèi)加工制作，按設(shè)計(jì)半徑尺寸分段釆用冷彎機(jī)彎曲成型，副拱各節(jié)也按洞內(nèi)拱架設(shè)計(jì)圖分別截取編號(hào)標(biāo)識(shí)，運(yùn)輸車運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。

安裝前進(jìn)行測(cè)量定位，鋼拱架先安裝兩側(cè)下部拱架，鎖腳牢固。然后利用核心土施工平臺(tái)，人工將上部拱架放至架立位置，與下部預(yù)先安裝的拱架連接牢固。榀與榀之間采用φ25 mm螺紋鋼筋間距1.0 m連接筋焊接成整體。鋼拱架所有連接點(diǎn)均釆用高強(qiáng)度螺栓連接牢固，對(duì)鋼拱架鎖腳進(jìn)行加固處理，每榀鋼拱架拱肩及拱腳各設(shè)1組φ25 mm、L=4.5 m的鎖腳錨桿，其余部位采用系統(tǒng)錨桿配合鎖定。部分脫空大于50 cm部位采用I20a工字鋼副拱支撐，分層進(jìn)行施工，楔緊巖面。較小脫空部位采用C25噴射混凝土直接回填密實(shí)。為了有效發(fā)揮鋼拱架的支撐作用，各榀鋼拱架之間及鋼拱架與巖壁之間應(yīng)采用C25混凝土噴平填實(shí)。

4.4 錨桿施工

鎖腳錨桿在鋼拱架安裝完成后立即施工，因工作面有限，以核心土為施工平臺(tái)，人工持手風(fēng)鉆造孔，人工安插錨桿，注漿機(jī)注漿。系統(tǒng)錨桿在保留核心土施工期間，不具備施工條件，到核心土挖出，洞室上層開挖完成后組織施工。

根據(jù)錨桿長度、鉆孔孔徑及快速施工要求，采用三臂鉆造孔。根據(jù)碳質(zhì)千枚巖巖性松軟和遇水易軟化的特點(diǎn)，鉆孔采用干鉆法施工，并通過霧化噴水及粉塵收集降低揚(yáng)塵，采用人工配合隨車吊安插錨桿，錨桿注漿機(jī)注漿。

4.5 超前小導(dǎo)管施工

為了增強(qiáng)碳質(zhì)千枚巖分布洞段巖體的自穩(wěn)能力，開挖前采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行環(huán)向灌漿，形成周圍固結(jié)灌漿層，并與鋼拱架及噴射混凝土層構(gòu)成支撐拱圈。

超前小導(dǎo)管采用φ42 mm無縫鋼管，布置于導(dǎo)流洞起拱線以上范圍內(nèi)。小導(dǎo)管前段做成約10 cm長的圓錐狀，并封焊嚴(yán)實(shí)，管身按梅花形布設(shè)溢漿孔，孔徑6～8 mm，間距20～30 cm，后端1 m范圍不設(shè)溢漿孔，在尾端焊接直徑6～8 mm的鋼筋箍加固。小導(dǎo)管在掌子面用手風(fēng)鉆鉆孔，人工或鉆機(jī)頂入，尾部焊接在鋼拱架上固定，孔口安裝止?jié){閥作密封處理，采用高壓注漿泵注漿，注漿壓力為0.2～0.5 MPa，注漿結(jié)束后將管口封堵，以防漿液倒流管外。

5 施工期安全監(jiān)測(cè)

通過對(duì)碳質(zhì)千枚巖洞段施工期的圍巖應(yīng)力和變形進(jìn)行觀測(cè)，及時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)。一旦發(fā)生異常情況，立即報(bào)告相關(guān)各方，必要時(shí)撤離工作面，采取各種措施以確保施工人員和施工機(jī)械安全。

在碳質(zhì)千枚巖洞段的施工過程中，使用的安全監(jiān)測(cè)手段有：埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)及隧洞收斂變形監(jiān)測(cè)。碳質(zhì)千枚巖洞段開挖施工至襯砌完成期間的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，表明圍巖穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)異常變形情況。

6 結(jié)語

對(duì)于金川水電站導(dǎo)流洞碳質(zhì)千枚巖分布洞段施工，上半洞采用環(huán)形開挖保留核心土法，分層分部開挖，并通過超前小導(dǎo)管、鋼拱架及掛網(wǎng)、系統(tǒng)錨噴支護(hù)等支護(hù)措施，鉆孔采用干鉆法施工，穩(wěn)步有序地完成了開挖支護(hù)工作。該施工技術(shù)既保證了碳質(zhì)千枚巖洞段的施工工期，也有效保證了施工質(zhì)量和施工期的安全。