羅 來 宏, 張 自 淼, 舒 玉

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司,四川 成都 610072)

1 概 述

巴拉水電站位于四川省阿壩藏族自治州馬爾康市境內腳木足河上,為二等大(Ⅱ)型工程,樞紐建筑物主要由首部樞紐、引水建筑物和廠區(qū)建筑物等組成。主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、溢洪洞、泄洪放空洞、引水隧洞、調壓室、地下廠房、生態(tài)機組等,最大壩高138.0 m。溢洪洞布置于面板堆石壩左岸,全長1199.0 m,由進口漸變段(溢)0+34～0+64、上平段(0+64～0+94,0+200～0+574)、漸變段1(0+94～0+200)、泄槽段(0+574～1+233)組成;k0+000～0+574洞段坡比i=0.02,k0+574～1+233坡比i=0.110 7;溢洪洞進口底板高程2 886.80 m,左岸繞壩公路高程2 928.00 m,進口邊坡高程2 928.00～2 903.00 m開挖坡比為1∶0.3,高程2 903.00 m以下為垂直邊坡,進口分布一條沖溝。隧洞進口位于強卸荷帶內,圍巖為花崗巖,弱風化為主,分布小斷層和風化夾層,隧洞及外側邊墻部分處于松動巖帶內,兩側邊墻存在節(jié)理不利組合可形成不穩(wěn)定塊體,溢洪洞進口淺埋洞段成洞條件差。

2 溢洪淺埋洞段工程

受溢洪洞進口下游側沖溝、上部公路和邊坡開挖影響,進口前段約30.0 m(0+034～0+064)上覆巖體垂直埋深約15.0 m,最小埋深7.0～10.0 m,隧洞埋深不足1倍洞徑,屬于淺埋洞段,進口淺埋段長度60.0 m(k0+034～0+094),淺埋段最大洞挖尺寸19.6 m×21.8 m;在溢洪洞進口洞臉邊坡開挖過程中,洞臉外側邊坡發(fā)生局部垮塌,導致洞室埋深進一步減少,(溢)0+034最小垂直埋深僅2.8 m,臨河側最小埋深僅4.1 m,溢洪洞進口洞身段埋深情況統(tǒng)計見表1。隧洞位于強卸荷帶內,隧洞上及外側邊墻部分處于松動巖帶內,兩側邊墻存在節(jié)理不利組合可形成不穩(wěn)定塊體,基于溢洪洞淺埋洞室段巖體裂隙發(fā)育、巖體完整性差,垂直埋深、右側埋深不足1倍洞徑[1],且洞室開挖斷面尺寸較大,故需要采取專門技術措施來保證洞挖圍巖穩(wěn)定。

表1 溢洪洞進口洞身段埋深情況統(tǒng)計表

3 淺埋段洞室邊坡專項技術措施

溢洪洞進口淺埋段(溢0+034～0+074)分為垮塌淺埋段(溢0+034～0+044)和非垮塌淺埋段(溢0+044～0+074)。在洞挖前首先對溢洪洞進口淺埋洞段周圍巖體采取貼坡鋼筋混凝土、預固結灌漿、錨桿/錨筋束/預應力錨索等措施進行加固處理,其中預固結灌漿以在淺埋段區(qū)域邊坡及上部公路路面澆筑的鋼筋混凝土作為蓋重。

3.1 溢洪洞進口淺埋洞段邊坡預固結灌漿加固措施

淺埋段對邊坡垮塌松散體清理及原始邊坡浮渣、腐殖土、樹根雜物等清除后,從隧洞底板高程2 887.00 m至公路高程范圍臨河側邊坡及洞臉至公路高程邊坡澆筑C25貼坡混凝土,貼坡混凝土厚度1.0～1.5 m,公路路面混凝土厚0.5 m,混凝土表層布設C20@20×20 cm鋼筋網。預固結灌漿垂直向下布置灌漿孔,間排距溢0+034～0+044段為2.0 m、0+044～0+074段為3.0 m交錯布置,孔深約15.0～38.0 m,溢洪洞洞身范圍內區(qū)域預固結灌漿約灌至隧洞半洞高程(2 896.00 m),洞身范圍外區(qū)域預固結灌漿灌至溢洪洞底板高程(2 887.00 m)。結合預固結灌漿加固巖體的目的,預固結灌漿經過現(xiàn)場生產性試驗后,根據(jù)試驗成果結合現(xiàn)場實際情況,經專題討論確定預固結灌漿條件為:具備成孔條件的采取一次性鉆孔成孔、全孔一次灌漿的施工工藝。能夠一次性成孔的,直接采用0.5∶1的純水泥漿進行灌注,當每米注漿耗灰量超過2 t且無壓力和回漿時,改用水泥砂漿進行灌注直至達到設計壓力且不再吸漿后正常結束。當每米注漿耗灰量超過2 t,灌漿壓力已有明顯上升趨勢時,繼續(xù)采用純水泥漿進行灌注直至結束。當巖體破碎,灌漿孔無法一次性鉆孔成孔時,可先灌漿后再掃孔繼續(xù)灌漿(此時的灌漿段長不做嚴格規(guī)定),直至達到設計孔深,灌漿正常結束。當灌漿孔鉆至孔底后因塌孔而孔深不足時,直接采用水泥砂漿進行灌注直至結束,并在待凝后對該孔進行掃孔至設計孔深,再采用純水泥漿液進行灌注。預固結灌漿Ⅰ序孔采用純水泥漿灌注時終孔壓力為設計壓力0.2 MPa,采用水泥砂漿灌注時終孔壓力調整為0.4 MPa;Ⅱ序孔終孔壓力為0.5 MPa[1],現(xiàn)場灌漿水泥用量均參照第一種能一次性成孔的情況進行控制。

3.2 溢洪洞進口淺埋洞段邊坡增加錨筋樁、錨桿、錨索等加強支護措施

進口垮塌淺埋段(溢)0+034～0+074洞頂高程至洞底高程范圍內臨河側邊坡坡面及洞臉邊坡布置水平(豎向)長短錨筋(錨筋束)。(溢)0+034～0+044段2 913.00 m高程以上沿洞臉坡面布置水平長短錨筋(束),間排距4.0 m,長錨筋束為3C28,L=18.0 m,間排距4.0 m;短錨筋為C28,L=9.0 m,間排距4.0 m,交錯布置;2 913.00 m高程以下至洞頂高程布置兩排鎖口錨筋束,錨筋參數(shù)為3C28,L=18.0 m,間排距3.0 m;左岸公路路面高程以下外緣邊坡(洞臉邊坡)采用系統(tǒng)長短錨桿加固,長錨桿為C28,L=9.0 m,間排距4.0 m,短錨桿為C28,L=6.0 m,間排距4.0 m,局部不穩(wěn)定塊體設置2排150 t預應力錨索加強支護,錨索長度約50.0 m,錨固段長度10.0 m。溢0+044～0+074段邊坡預固結灌漿完成后灌漿孔兼做錨筋孔,設置豎直向下的錨筋樁,錨筋樁參數(shù)為3C28,L=12.0 m,間排距3.0 m;左岸公路外緣邊坡(臨河側邊坡)局部不穩(wěn)定塊體和隧洞底部高程外側邊坡分別設置2排150 t壓力分散型錨索進行加強支護,錨索參數(shù)同上。溢洪洞進口淺埋段預加固處理措施見圖1。

圖1 溢洪洞進口淺埋段預加固處理措施示意圖

4 溢洪洞進口淺埋洞段爆破開挖措施

4.1 豎向鋼管樁

(溢)0+034.0～0+094.0段隧洞距離兩側邊墻30 cm處以公路和側向貼坡混凝土為施工平臺,實施φ127豎向鋼管樁,靠山側邊墻鋼管樁間距1.0 m,臨河側邊墻鋼管樁間距0.5 m,鋼管樁至溢洪洞底板高程[2]。

4.2 超前管棚支護

(溢)0+034.0～0+094.0樁號段起拱線以上范圍采用φ125、壁厚8 mm、L=15 m熱壓無縫鋼管作超前大管棚,每排間距0.5 m,搭接長度5.0 m,管棚上仰角3°,管內設3C28,L=15.0 m錨筋束。洞口管棚施工前,洞臉輪廓線外采取“I20工字鋼+C25鋼筋混凝土”明拱作管棚支撐基礎,明拱自高程2 903.00 m起至拱頂采用“工字鋼+鋼筋混凝土”,高程2 903.00 m以下部分采用鋼筋混凝土形式,明拱斷面尺寸0.6 m×0.5 m(寬×厚)[3]。明拱上部采用2榀I20工字鋼組成,工字鋼中對中間距50 cm,明拱工字鋼底高程2 903.00 m。明拱起拱線以上部位混凝土內部設置“C16@100 mm縱向鋼筋及C25@500 mm”雙層鋼筋網片,網片中間預置C160 PVC管作導向管,便于后續(xù)管棚施工;明拱起拱線以下部位立柱混凝土內部設置“C25@100 mm豎向鋼筋及C16@300 mm箍筋”;每一個支撐內布置7根C28、L=6.0 m錨桿(外露1.0 m),配合洞臉C32、L=9.0 m鎖口錨桿進行加強固定。在高程2 903.00 m處先施作混凝土支撐墩,后續(xù)根據(jù)洞身每一層開挖進度及時進行明拱支撐墩下部立柱基礎及下一層支撐墩混凝土澆筑,待后續(xù)洞內襯砌后對洞臉明拱及其附屬結構進行拆除。為便于明拱立柱基礎混凝土入倉每一層支撐墩底部預留45°角楔口。

4.3 分臺階法施工

洞身開挖分臺階法施工,洞身開挖施工程序如下:

施工準備→開挖斷面測繪→超前支護→鉆孔→爆破→通風散煙→初期支護→出渣→下一循環(huán)開挖施工。

第一層臺階采取中導洞后擴挖、數(shù)碼電子雷管爆破;第一層臺階開挖完成后依次進行第二層、第三層及保護層臺階開挖。因受淺埋偏壓影響,第一層臺階開挖循環(huán)進尺1.2～2.0 m,第二、三層、四層、五層及保護層開挖循環(huán)進尺。

4.3.1 第一層開挖

第一層開挖主要分2區(qū)進行,先對I-1區(qū)進行開挖,為減小爆破震動對上部巖體的擾動,I-1區(qū)再分3層進行,先進行中導洞開挖,中導洞開挖完成之后再分別進行兩次頂部壓頂。導洞進尺1.2～2.0 m,擴挖進尺1.2～2.0 m,擴挖完成后對頂拱進行安裝工字鋼拱架及噴錨支護;I-2區(qū)施工,首先進行靠山側開挖,待靠山側I-2區(qū)開挖支護完成后,再進行靠河側I-2區(qū)開挖,待兩側Ⅰ-2區(qū)開挖后立即安裝I-2區(qū)工字鋼拱架及噴錨支護以保證洞身穩(wěn)定,防止坍塌傷人事故發(fā)生。

4.3.2 第二、三層、四層、五層開挖

進口段第一層開挖支護貫通后,按設計斷面尺寸進行第二、三層、四層、五層開挖,第三層在第二層開挖完成后進行,層厚3.0 m,循環(huán)進尺3.0 m,Ⅴ類圍巖開挖前應做好超前支護,開挖后及時按照設計支護參數(shù)進行工字鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網及噴混凝土支護,確保隧道圍巖穩(wěn)定。

4.3.3 保護層(1.5 m厚)開挖

第二、三、四、五層開挖及支護完成后,按設計斷面尺寸進行保護層(1.5 m厚)開挖,循環(huán)進尺3.0 m,Ⅴ類圍巖開挖前應做好超前支護,開挖后及時按照設計支護參數(shù)進行工字鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網及噴混凝土支護,確保隧道圍巖穩(wěn)定。

4.4 洞內系統(tǒng)支護

溢洪洞進口淺埋洞室設置I25 a工字鋼間距0.5 m、鎖腳錨桿C28,L=6.0 m、每榀工字鋼12根鎖腳錨桿;系統(tǒng)砂漿錨桿C28,L=6.0 m,間排距1.0 m,入巖5.5 m,交錯布置;掛φ8 mm鋼筋網@20c m×20 cm,噴C20混凝土厚20 cm[4]。

為限制溢洪洞隧洞進口段整體變形,減弱淺埋和強偏壓條件的影響作用,利于圍巖穩(wěn)定,保證溢洪洞進口淺埋段洞室開挖成型施工安全及后續(xù)施工順利進行。在前期溢洪洞進口淺埋段預加固基礎上,在溢洪洞進口樁號(溢)0+034.00～(溢)0+094.00段內側邊墻新增2排1 500 kN壓力分散型預應力錨索,錨索間距3.0 m,深度30.0 m。兩排錨索布置于內側邊墻(順水流向左側),第一排錨索布置于底板開挖線以上約11.8 m位置,第二排錨索布置于邊墻中部(底板開挖線以上約8.8 m位置),兩排錨索排距3.0 m,交錯布置。

5 預防地質塌方的控制措施

5.1 嚴格管理 落實措施

淺埋洞段圍巖地質條件較差,開挖過程中為防止塌方必須采取精細化的控制措施。首先進洞開挖前,進口淺埋段預加固(預固結灌漿、錨桿/錨筋束、預應力錨索、貼坡混凝土等)應全部施工完成;第一循環(huán)超前大管棚安裝及注漿完成;在管棚超前支護的情況下,根據(jù)揭露的地質情況進一步增加超前錨桿或超前小導管再次進行超前加強支護。其次應根據(jù)揭露的圍巖情況,提前做好爆破設計,鉆孔及裝藥參數(shù)應根據(jù)上一循環(huán)的爆破效果結合實際情況進行動態(tài)調整;鉆孔、裝藥、聯(lián)網爆破嚴格按爆破設計執(zhí)行,確保爆破設計落到實處;爆破開挖先測量放線,精準控制爆破孔位;爆破遵循“短進尺、弱爆破、勤量測、強支護”的原則,開挖后必須完成設計全部支護措施后方可進入下一循壞的開挖。初期支護施工,鋼拱架與巖面應結合緊密,噴混凝土必須密實,不得出現(xiàn)脫空。施工中設置變位觀測裝置,定時監(jiān)測,認真進行數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)問題及時采取應對措施,做到“早發(fā)現(xiàn)、早應對、早處理”[4]。每一循環(huán)爆破后認真進行分析總結,做到“一炮一總結”,以優(yōu)化爆破參數(shù),不斷提高爆破質量。

5.2 做好超前地質預報

開挖過程中應做好超前地質預報,及時了解前方巖石情況,圍巖較差時提前制定相應對策。地下洞室超前勘探孔的長度和尺寸應以設計意見為準,最終勘探孔的位置、方向、長度和數(shù)量應報業(yè)主或監(jiān)理批準[5]。完成超前勘探后,應立即通知設計代表和監(jiān)理工程師,并及時將超前勘探資料提交監(jiān)理。

6 結 語

巴拉水電站溢洪洞進口淺埋洞段因地質條件較差,又屬于強偏壓隧洞開挖,施工安全風險大,技術要求高。在召開專家咨詢會后,確定了洞挖前淺埋洞段邊坡預加固處理措施,即:溢洪洞進口淺埋段通過預固結灌漿提高圍巖的整體性,改善巖體性能;同時增加貼坡鋼筋混凝土,并在貼坡鋼筋混凝土上采用豎向長短錨桿(錨筋樁)、水平錨桿(錨筋樁)、在坡腳(隧洞底板高程外側)及巖體不穩(wěn)定區(qū)施以預應力錨索等加固措施,提高了溢洪洞進口淺埋段圍巖的整體穩(wěn)定性,為洞挖施工創(chuàng)造了有利條件。為了進一步緩減隧洞開挖后偏壓對洞室造成的不利影響,還采用超前大管棚結合超前小導管(或超前錨桿)對隧洞頂拱進行支護,增強了頂拱圍巖的穩(wěn)定性。淺埋洞段開挖完成后,通過在洞室內側邊墻新增2排1 500 kN壓力分散型預應力錨索,減弱隧洞淺埋和強偏壓條件的影響作用,確保了溢洪洞進口淺埋洞段的穩(wěn)定性。

實踐證明,對于特殊地質條件下的淺埋偏壓隧洞開挖,必須要在充分的分析了解地質情況下,經過反復研究最終確定處理措施,施工單位根據(jù)該措施(正式下發(fā)的設計文件)結合現(xiàn)場實際情況編制專項施工方案,并按超過一定規(guī)模的危險性較大分部分項編制和報審程序要求,經審批同意后方可組織現(xiàn)場實施。