大断面洞室不良地质段开挖施工技术——乌江彭水水电站导流洞工程f1断层带的穿越

李建文

（中国水利水电第十一工程局有限公司）

1 工程概况

乌江彭水水电站位于重庆市彭水县境内的乌江上，是乌江干流水电开发的第10个梯级电站，距彭水县11km。本工程为I等工程，以发电为主，兼顾航运、防洪及其它综合利用，电站装机1750MW，装有5台水轮发电机组，多年平均发电量61.24亿kWh，是乌江上最大的电站之一。彭水水电站初期施工导流采用河床一次断流、枯水期隧洞导流、汛期围堰过水基坑淹没的导流方案，导流隧洞布置在河床左岸，共2条，轴线相距45m，洞身段根据围岩类别不同开挖断面大小不一，其中Ⅴ类围岩开挖断面最大，为16.4×19.5m（宽×高）的平底马蹄形，衬砌后的断面均为14.6×16.6m的平底马蹄形，净断面积207.45m2。进出口高程均为208m，1#、2#导流洞轴线长度分别为1338.988m和1230.701m。

1# 导流洞 0+370～0+515、2# 导流洞 0+370～0+510m 段为 f1、f5、f36等断层的交汇带，C0风化溶蚀填泥带在f1断层上下盘重复出现，并有规模较大的kW65岩溶系统通过。特别是2#导流洞0+402～0+417m段地质认定为f1断层带，其顶拱及内侧边墙均为风化溶蚀填泥，呈软塑状，成洞条件极差，f36断层于拱顶部位顺导流洞方向发育，为顺扭断层，平面上错断f1断层，以f36断层为界，下盘为C3m1-1强风化～弱风化白云体，局部顺断层全风化，见少量较坚硬岩体，上盘为f1断层带风化溶蚀填泥，呈黄灰色，软塑状，该段是导流洞地质条件最复杂、地质缺陷最严重的地段，也是导流洞能否按期完工的关键所在，本文也以2#导流洞f1断层带为例进行说明。

2 穿越方案的确定

根据导流洞工程整体施工进度计划安排，2#导流洞f1断层带的开挖，分别通过施工支洞自上下游两个掘进面先后开挖至0+402m（上游面）、0+417m（下游面）处。由于围岩地质条件突变以及前期勘探地质资料溃乏，经我部建议，业主、监理、设计及施工单位四方共同研究决定：采用“先探明f1断层带风化层的分布范围和深度，再以‘短进尺、弱爆破、强支护、少扰动、早封闭、勤观测’的原则进行分层开挖施工”，具体是将导流洞全断面分为上、中、下三层，上层（即上半洞）先沿2#导流洞左右侧边墙外缘各开挖一2m×3m（宽×高）的小导洞（即耳洞）以探明围岩地质情况，（下半洞）中层、下层先中部拉槽、两侧保护层开挖错次跟进，对于揭示岩层较差地段要快速接续钢拱架进行强支护，若围岩稳定性较好可以不立钢拱架，在下半洞开挖结束后立即进行钢筋混凝土衬砌。

3 施工方法

3.1 上半洞

3.1.1 耳洞

沿2#导流洞左右侧边墙外缘各开挖一小导洞（耳洞），耳洞断面尺寸为2m×3m（宽×高），底高程为EL216m，耳洞轴线与2#导流洞轴线距离为9.1m。由于f1断层带主要由全强风化的白云岩及风化溶蚀填泥组成，围岩整体稳定性差，在施工时应严格遵循“短进尺、弱爆破、强支护、少扰动、早封闭、勤观测”的原则，其工序为：超前锚杆支护→开挖→出碴→初喷混凝土封闭岩面→钢支撑强支护→复喷混凝土→下一循环。

耳洞开挖主要采用人工撬挖，局部较坚硬岩石辅以手风钻钻孔小药量松动爆破。为了施工安全和便于安全监测，每开挖1m后立即对已开挖成型的两侧壁、顶拱及掌子面素喷C20混凝土5cm进行封闭，然后再全断面安装钢拱架进行强支护。钢拱架采用Ⅰ20a型工字钢，沿耳洞轴线间距为50cm，钢拱架在加工厂分节制作（节间焊接10mm厚的连接钢板）编号后运至施工现场由人工拼装，节间由螺栓连接并焊接牢固；固定锚杆采用φ25mm螺纹钢，长度为2.0m，环向间距1.5m，紧贴钢拱架两侧对称布置；纵向连接筋为φ25mm螺纹钢，环向间距50cm，与钢拱架间满焊，如遇固定锚杆与其点焊，使整段钢拱架形成一个整体，以增强抗冲击能力；纵向连接筋外挂φ6.5mm、网格尺寸为20cm×20cm的钢筋网后，喷C20混凝土20cm保证与钢拱架内侧平齐，若局部塌方或超挖大于30cm，则采用“侧进法”分层回填块石并喷C20混凝土确保回填密实；超前锚杆为φ25mm螺纹钢，长度为4.5m，环向间距50cm，排距1.0m，仰倾角15°。

耳洞上下游开挖贯通后，根据揭示的地质情况不同，在初期的钢拱架等强支护的基础上，在耳洞内部回填C25钢筋混凝土或素混凝土，并保证钢筋混凝土梁座落于上下游坚硬岩石上至少5m以上，以给上半洞钢拱架提供可靠的支撑。

3.1.2 洞身段

上半洞洞身段开挖采用反铲直接挖除，周边轮廓线处预留20cm厚保护层由人工修整至设计开挖线，局部较坚硬岩石辅以手风钻钻孔小药量松动爆破，每循环进尺控制在1.5m左右，其余的超前支护、初喷混凝土封闭、强支护、复喷混凝土等的施工方法以及施工原则均与耳洞施工相同，需要说明的是，洞身段钢拱架强支护底板不增加水平连接段，但钢拱架柱脚必须座落在耳洞回填的钢筋混凝土梁上，且增加1m长的Ⅰ20a工字钢与之绑焊，以确保与耳洞钢拱架焊接牢固，其技术参数详见图1所示。

图1

3.2 下半洞

下半洞开挖分为中层开挖和下层开挖，中层开挖高度为7.5m，中部拉槽、两侧扩帮，两侧预留保护层厚度为3m，下层主要为底部保护层开挖，高度为3.8m，总体概括为：拉槽-扩帮-清底。

在下半洞的开挖施工中，根据揭示的围岩情况，局部地段围岩稳定性较好，采用“先由阿特拉斯液压钻机垂直造孔爆破进行中部拉槽、两侧保护层同时进行扩挖”的施工方法，钢拱架未继续向下半洞接续。对于围岩稳定性仍较差的一侧或两侧，采用反铲直接挖为主、辅以手风钻造孔小药量松动爆破进行中部拉槽，两侧保护层错次进行开挖，并将钢拱架快速向下接续的施工方法。另外，对于钢拱架外侧和底板部位因地质原因或塌方造成的超挖量较大，采用C25混凝土进行回填。在下半洞的施工过程中，两侧预留保护层的开挖，应做到开挖一段支护一段，严禁超前开挖、滞后支护，特别是钢拱架强支护段，还应严格控制每一循环进尺不得超过2m，以便及时快速地接续钢拱架，确保围岩的稳定。

图2 主洞下半洞开挖支护横剖面

3.3 钢筋混凝土衬砌

在开挖及初期支护完成后，应立即组织人员、机械设备按照设计图纸进行钢筋混凝土永久衬砌支护施工，确保隧洞的整体稳定性。

在2004年6月上旬，也就是2#导流洞f1断层带永久性钢筋混凝土浇筑前夕，由于连续暴雨的影响，经我部变形观测发现f1断层带的其中18榀钢拱架左侧拱脚失稳（该段下半洞因开挖后揭示的围岩较稳定，钢拱架未向下接续，其上部的开挖及钢拱架由其他施工单位承建。），整体变形达30～50cm，经业主、监理、设计、施工四方讨论分析后认为，主要原因是这部分钢拱架左侧拱脚未支撑在设计的过梁上（即耳洞内部回填的钢筋混凝土梁）。针对这一突发的、意外危急情况，我部建议并经业主、监理、设计、施工四方研究讨论通过采取：“对导流洞底板衬砌混凝土尽快完成浇筑施工，并在底板浇筑过程中预埋同型号的钢拱架自下而上与上半洞的钢拱架进行对接的支撑处理方案，随后立即进行边顶的钢筋混凝土衬砌施工”。支撑处理方案我部在2d内迅速实施完成，但由于随后连续降雨，导流洞内积水深达1.5m左右，施工被迫中断8d，6月25日，我部变形观测发现2#导流洞0+410～0+412m段已支撑的18榀钢拱架中的5榀钢拱架拱脚出现朝导流洞轴线的水平变形幅度达80cm左右，除侵占设计厚度为80cm的混凝土衬砌断面外，还凸入导流洞过水断面3～5cm，影响范围3×2m（长×高）。由于情况比较危急，导流洞随时存在顶拱失稳的可能性，经业主、监理、设计及施工四方紧急协商后决定尽快完成衬砌混凝土的浇筑施工，以保证施工期的安全和稳定。随后由设计单位出处理方案，设计单位认为混凝土抢浇已在进行，后续处理工作应混凝土浇筑完成并具备一定强度后，将切断结构钢筋部位的混凝土凿除，并露出钢筋长度不小于30cm、深度大于15cm，对被切断的钢筋采用搭接焊的形式进行焊接并回填同标号的混凝土。至此，完成2#导流洞f1断层的开挖、支护及衬砌工作。

3.4 灌浆加固处理

3.4.1 与f1断层带相临段的加固处理

2#导流洞0+390～0+402、0+417～0+427m两段紧临f1断层带上下游两侧，围岩稳定性较差，在上半洞施工中我部采用钢拱架进行初期强支护，考虑到下半洞的开挖施工安全，我部对上述两段上半洞进行灌浆做进一步加固处理。灌浆处理主要是针对钢拱架后面的块石回填及块石与原基岩间的空隙部位，采用手风钻按3m×3m梅花型布孔，入岩10cm，回填M25号水泥砂浆，灌浆压力为0.2～0.3MPa，灌浆时自下而上分层分序施灌。

3.4.2 f1断层带的加固处理

在2#导流洞f1断层带永久性钢筋混凝土衬砌完成并具备一定的强度后，立即按照设计图纸对其进行灌浆加固处理。设计图纸要求对顶拱120°范围内进行回填灌浆，回填灌浆压力3～5kg/cm2，灌浆孔径为90mm，间排距为3m×3m，深入围岩10cm；其中0+360～0+427m段进行固结灌浆，固结灌浆孔深入围岩8m，灌浆压力为5～8kg/cm2，孔径为90mm，间排距为3m×3m。在施工过程中，顶拱范围内的回填与固结灌浆孔采用“一孔两用”的原则进行施工，先作回填灌浆孔，后作为固结灌浆孔，并要严格控制施工质量，确实起到对不良地质段进一步加固的作用。至此，2#导流洞f1断层带施工全部结束。

4 结语

在隧洞施工中穿越不良地质段，由于其地质条件复杂多变、施工外围环境也不尽相同，对于工程建设者来说是一个永远的课题，我们中国水利水电第十一工程局彭水项目部在重庆乌江彭水水电站导流洞工程中f1断层带的成功穿越，确保了大江如期截流，为主体工程建设创造了有利条件，在施工处理过程中也只是积累了一点点经验，同时也付出了相当大的代价，如由其他施工单位承建的钢拱架仅因为部分未按设计坐落在过梁，连续导致了两次险情的发生，还有因初期施工处理进度缓慢，差点葬送了整个f1断层处理的最佳时机。这就要求我们在类似的工程施工中，应抓住时机、快速处理，确保每一道施工环节的质量，同时，应加强安全监测，确保安全施工。