宝兴水电站引水隧洞糜棱岩段塌方处理

尹 坤，王兆明，刘本银

（1.华能西藏发电有限公司，西藏 拉萨 850000；

2.四川华能宝兴河水电有限责任公司，四川 雅安 625000）

1 问题的提出

1.1 工程概况

宝兴水电站位于四川省宝兴县境内宝兴河主流东河上，为长隧洞、高水头、引水式电站，总装机容量3×65MW。引水隧洞全长18.05km，开挖直径6.6m，衬砌后内径5.4 m。

1.2 糜棱岩洞段塌方过程

图1 宝兴水电站引水隧洞改线及断层平面示意图

根据设计地勘情况，1＃洞下游2＃洞上游之间存在T5、T64～T66等多条断层带，地质条件复杂。2006年8月5日开挖至2＃洞上游K4＋237.000m时，遭遇T66糜棱岩断层，在采用常规大管棚施工工艺穿越断层过程中，发生突泥突水塌方阻塞已开挖并完成临时支护的主洞超过40m，为避开该大塌方断层位置，采取改线方案，对塌方段K4＋237.000－K4＋350.000m 段进行了永久封堵，在 K4＋378.867m外侧进行了改线开挖 （见图1），于2007年3月利用常规大管棚超前支护顺利通过了T66断层。2007年6月3日，改线段开挖至改0＋304.000m时顶拱出露T65断层，8月3日，在采用常规大管棚 （管棚间距40cm）超前支护开挖至改0＋310.500m时，糜棱岩渗水严重，掌子面前方顶拱软化后的岩体呈块状沿管棚空隙掉落，导致管棚上方出现较大空腔，管棚基本失去支护效果，左边墙渗水变混并呈泥浆状，随后顶拱开始出现小规模塌方及伴随较大响声，施工人员全部撤离现场。8月6—7日出现了2次大量涌水，并夹带断层带物质形成泥石流涌出支洞 （支洞口距离塌方掌子面1083m），观测到支洞口最大流量6m3／s（后洞内清理塌方渣体约2.3万m3，全断面堵塞已开挖洞段约90m）。

2 塌方原因分析

2.1 水文、地质原因

2.1.1 地下水丰富

该区域属亚热带季风气候区，降雨频繁，且主要集中在7—8月。2＃洞上游塌方段隧洞埋深大于450m，地表山顶发育一大型滑坡，滑坡后缘圈椅状地形明显，滑坡体及后缘降雨汇集形成溪流，沟内常年有水。由于山体雄厚，降雨补给充分，地下水丰富且水位高，赋存于断层、裂隙带中。

2.1.2 地质构造及岩性

2＃洞上游受区域断裂影响，地质构造较发育，以T65、T66断层为代表，均为高陡倾角结构面，规模大，延伸长。断层破碎带主要为灰绿色糜棱岩，局部夹有块状岩、碎裂岩等。

糜棱岩岩性软弱，物理力学性质差，遇水易软化呈泥状。经现场取样进行颗分试验发现糜棱岩中细颗粒含量高，1.00mm过筛率82.5%，0.15mm过筛率28.8%。细颗粒含量较大，可灌性差，管棚注浆扩散范围小，无法抵御渗水对糜棱岩的剥蚀，导致管棚超前注浆未能起到固结加固效果。

2.2 突泥、突水成因

造成洞内突泥突水，断层是主要控制因素，地下水是关键因素。一方面隧洞位于地下水位以下，地下水极其丰富，断层带基本处于饱和状态，开挖进入断层后，产生临空面，处于饱和状态的糜棱岩产生蠕变及坍塌破坏；另一方面，断层带本身岩体松散，透水性强，在断层及其构造带的交会区域汇集有大量地下水，形成不规则的多个储水构造；由于山体雄厚，地下水补给充足，地下水位高，水压力大，当相对隔水层因开挖遭到破坏后，储存于其中的地下水开始释放，随着水量的增大，处于饱和状态的糜棱岩细颗粒首先被带走，在断层中形成 “管涌”式破坏，最终形成了洞内第一次突泥、突水。

断层带经过第1次塌方后泄水通道被上部塌方体封闭，断层暂时处于相对稳定状态，涌水随之减小，但由于储水构造中水快速释放，产生了动水压力，在水的软化和动水压力共同作用下，塌方体顶部断层带进一步变形破坏，再次产生塌方造成大量突泥、突水。

T65断层在2007年8月6—7日2次大规模突泥、突水后基本处于稳定状态，主要原因为第2次突泥、突水过程中塌方体全断面堵塞已开挖洞段超过90m，形成了“堵头”。

3 塌方洞段处理措施的选择

根据以上对塌方成因的分析，穿越该塌方体需要解决以下主要问题：一是了解塌方体的规模，二是应对地下水，三是采取针对性措施应对糜棱岩岩性软弱、遇水泥化、可灌性差的特点。

3.1 洞内清理及施工地质超前预报

2＃洞上游塌方后于11月上旬开始进行洞内清理，在距离塌方段掌子面改0＋310.000m约50m位置向前进行半断面清理，为避免降低 “堵头”效果，产生临空面带来第3次突泥、突水，在清盯至距塌方掌子面7m时对掌子面、顶拱及底板进行了混凝土封闭，并在拱顶预留排水孔。

为了解塌方规模、性质及延伸情况，探测掌子面前方可能存在的岩性分界，为制定具体施工措施提供边界条件，采用HSP声波反射法进行了施工地质超前预报。检测结果显示：①掌子面前方2～10m范围内为坍方堆积体，岩性主要为糜棱岩、破碎的强风化闪长岩，饱水，堆积物呈流塑状，根据坍塌体在隧洞内堆积的长度和高度，分析认为坍塌体高度大于20m，拱顶以上主要为松散堆积，且地下水丰富、具有一定压力。围岩类别为Ⅵ类；②掌子面前方10～37m为岩体强烈破碎带，地下水发育，极易发生涌水、突泥灾害，该段建议围岩类别为Ⅵ类；③掌子面前方37～50m为断层影响带，地下水较发育，岩体较破碎，围岩类别为Ⅴ类。

3.2 超前排水减压

针对地下水丰富、水位高的特点，为有利于下一步大管棚施工，采取了超前排水减压的措施。在封堵墙后约5 m位置大角度向前钻排水孔4个，孔深约40m深入塌方位置，孔内出水。

3.3 塌方段处理措施

在处理软弱富水围岩塌方过程中，通常采取超前预注浆堵水、加固岩体，改善围岩性质，防止产生较大变形的措施。预加固技术有2种，一是采用超前小管棚，二是超前大管棚深孔高压预注浆措施。前者的优点是施工简单、灵活方便，但加固范围小，抵抗地下水渗透能力弱。后者扩大了加固范围，且能形成承受很大荷载的整体结构，抵抗地下渗水的能力强，但施工困难，灵活性小。在该塌方体处理过程中，2种方法单独使用均很难起到阻水、预加固围岩的效果，经过反复对比，最终选择把2种方法结合起来，取长补短，达到了顺利通过塌方体的目的。

4 大管棚深孔超前高压预注浆

4.1 注浆方式选择

根据地质超前预测，止浆墙前塌方体为富水松散结构，地下水对塌方体自稳能力影响最为突出，注浆固结塌方体并封闭地下水，是管棚注浆需要达到的目标。

由于该塌方段地下水位高，塌方体内物质呈流塑状并有一定的压力，常规大管棚固结加固采用的渗透注浆或双液注浆明显不适用于该塌方体，故管棚注浆以纯压式劈裂注浆为主，水灰比为0.5∶1，通过高压注浆劈裂压密塌方体内松散体，利用强度较好的浆液脉络约束松散体变形，同时置换松散体中的含水空间，形成开挖边线外围一定范围的相对密实层，为开挖创造条件。根据前期地质超前预测对塌方体高度的预测预报，估算该隧道最不利静水压力为4MPa，按照注浆压力为静水压3～4倍的要求，确定预注浆终压力为16MPa。

4.2 管棚参数设计

根据地质预报对塌方体宽度的预报，并结合注浆方式及钻孔难度，选择管棚长度25m。考虑到管棚内浆液压力随管棚深度的增加而减小，浆液劈裂挤压密实塌方堆渣体的效果也随之减弱，为确保注浆效果，管棚末端应设置搭接段，长度根据开挖出露的固结体效果进行确定，最短不小于5m。

管棚孔位布置：孔位布置主要考虑永久衬砌及临时支护的预留位置，在临时支护设计轮廓线以上按环向间距30～40cm布置单层管棚。同时在掌子面均匀布置3～5孔，以避免开挖过程中掌子面前方失稳。

材料选择：钢管选热轧无缝钢管，直径为108mm，壁厚6mm。

管棚加工：钢管分3段进行加工，端头段长2.0m，前端加工成笔尖状，后端车丝，便于套筒连接；中间段长1.5 m，前后均车丝；末段长2.0m，仅一端车丝，另一端用于焊接孔口连接段，所有套丝长度不小于150mm，端头端及中间段钢管壁开孔，孔径15mm，排距50cm。

孔口连接段加工：直径108mm热轧无缝钢管长50 cm，一端封闭并与直径60mm不锈钢钢管进行焊接，不锈钢钢管与高压球阀连接，另一端与安装完成的管棚最后一节末端进行焊接。

4.3 施工机具及配套设备的选择

为达到成孔、孔深20m以上的钻孔效果，选用的钻孔设备为YG80A跟管钻机。注浆设备选用无级高压注浆泵HGB50／90（最大压力可达50MPa，可支持多孔同时注浆）。

4.4 施工工序

大管棚高压注浆主要施工工序如下：

（1）止浆封堵并待强：包括掌子面止浆墙浇筑，底板盖重混凝土封闭，边墙及顶拱小导管固结注浆加固。

（2）钻孔及管棚安装：搭设钻孔平台，安装钻孔导向架确保钻孔精度，完成钻孔后插入管棚及钢筋束 （采用3根Φ25螺纹钢并排插入），焊接孔口管及高压球阀；

（3）重复 （2）直至完成所有管棚安装；

（4）高压注浆：注浆从一个方向逐孔进行注浆，注浆过程中其余孔口阀门全打开用于排水。注浆压力逐渐增加。如水泥浆串孔则关闭串孔孔口止浆阀。注浆结束标准为在16MPa注浆压力下水泥浆液注入量接近零，该注浆孔停止注浆，更换孔位，重新开始注浆，直至最后一孔完成注浆。

（5）注浆待强：注浆完成后待强24h。

（6）开挖：爆破拆除掌子面止浆墙，观察掌子面注浆效果及掌子面渗水情况。如注浆效果较好，则顶拱及掌子面糜棱岩呈挤压密实状无渗水，管棚周围水泥结石呈柱形发散状，直接用反铲对糜棱岩进行开挖，在反铲无法开挖的地方进行钻孔小药量爆破，开挖进尺控制在50～100cm。

（7）支护：开挖后立即对边顶拱进行钢拱架挂网、喷混凝土支护，支护需在开挖后15～20h完成，如暴露时间过长顶拱将出现渗水及掉块，增加安全风险。

（8）变形监测：用精密水准仪及铟钢尺进行水平收敛及顶拱位移观测，10m一个断面，观测频率2次／d。

4.5 大管棚高压注浆施工过程中应注意的问题

（1）增强止浆墙封闭效果：底板盖重混凝土、顶拱小导管预注浆封闭、上一循环最后几榀拱架喷混凝土一定要饱满，不留空隙。

（2）由于注浆压力大，注浆前应严格检查各个管路接口位置的牢固程度，避免注浆压力升高后出现爆管现象；注浆开始后应派人对止浆墙、顶拱、边墙及底板进行检查，如出现裂缝应及时停止或减小注浆压力，对裂缝位置进行补强，以确保高压注浆效果。

（3）管棚顶进方式：装载机顶管 （前端段）；钻机顶管（中间段及末端段）。

（4）在破碎带钻机钻进困难，卡钻严重、钻杆损失严重的情况下可考虑采取跟管钻进下套管最后拔管的方式，但钻孔速度较慢。

（5）钻孔过程中，成孔非直线，而是前端向下垂，钻孔角度设计时需考虑上循环管棚下垂情况，以免后续开挖过程中造成较大超挖。

（6）由于大管棚高压注浆工序多、止浆墙及注浆后需要待强、注浆过程历时较长，每个施工循环耗时较长，应做好工序之间的衔接，同时做好各项质量监控，避免返工。

5 结 语

在宝兴水电站引水隧洞2＃洞上游改线段施工过程中，针对糜棱岩可灌性差、破碎带富水容易发生洞内突泥突水的特殊地质条件，采用了“大管棚高压注浆＋短进尺开挖＋钢拱架挂网喷混凝土强支护”的施工方法，有效地保证了岩体的稳定性，防止了糜棱岩遇水软化形成突泥突水，顺利通过了150m的糜棱岩断层及其破碎带。

大管棚高压注浆是一种针对性较强的施工技术，在一般的破碎带穿越过程中，由于断层带裂隙发育，可灌性较好，如采用高压注浆则会造成注浆成本增加；该方法对处理塌方体、糜棱岩等围岩稳定性极差、可灌性差、深埋富水的隧道或地下工程有一定的借鉴作用。