赵黔明
（中国水利水电第九工程局有限公司贵州贵阳550081）
【摘要】乡城水电站引水隧洞长约16.37Km，由于洞线长，地质探洞布置少，地勘资料很难准确地揭示隧洞沿线地质情况，公司承建S3+600m以前段即出现招投标文件中未曾提及的古洞床地质，隧洞沿线均为极松散的砂砾石胶结体，加之地下水丰富，洞室稳定性极差，施工过程中遵循“短进尺、弱爆破、少扰动、强支护、速支护”的原则，同时采用超前管棚、自进式锚杆等工艺确保了施工安全。
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关键词 乡城水电站；古河床；隧洞开挖；初期支护
Tunnel excavation and initial support geological conditions under the ancient riverbed hydroelectric Xiangcheng
Zhao Qian-ming
（China 9 water resources and hydropower engineering co.， LTDGuiyangGuizhou550081）
【Abstract】Xiangcheng diversion tunnel about 16.37Km， due to hole length， geological caving less layout， the geological survey data is difficult to accurately reveal the geological conditions along the tunnel， construction company S3 + 600m the previous paragraph appears not mentioned in the bidding documents the ancient cave bed geology along the tunnel are very loose gravel cemented body， combined with groundwater rich， poor cavern stability， the construction process to follow "short footage， weak burst， less disturbance， strong support， quick support." principles， while using advanced pipe roof， self-feeding type anchor and other technology to ensure construction safety.
【Key words】Xiangcheng station；Ancient riverbed；Tunnel excavation；Initial support
1. 概述
（1）乡城水电站位于四川省甘孜州乡城县，为硕曲河乡城县境内干流河段上规划的第三个梯级电站，其上游为娘拥水电站，下游为洞松水电站。
（2）乡城水电站采用引水式发电，电站装机规模120MW。电站引水系统总长约17.05Km，其中引水隧洞长约16.37Km。引水隧洞采用马蹄形断面开挖，过流断面为圆形，隧洞纵坡
i=2.6‰，内径分为6.0m、7.8m两种。我公司承建项目为引水隧洞S3+600m以前段的土建与金属结构安装工程（见：图1隧洞S0+1000m隧洞布置与开挖支护形式图）。
（3）2009年06月30日，引水隧洞进水口S0+060.5～S0+066.5m段因地质原因发生塌方，其后，该段工作面出现多次不同程度的塌方，塌方体均为松散状砂砾石，该部位（原为古河床）多为极松散的砂砾石胶结体，加之地下水丰富，施工过程中极易发生塌方（原招标文件显示该部位为Ⅴ类围岩）。为保证施工安全，采取的主要措施有超前支护、超前勘探、加密监测，同时严格遵循“短进尺、弱爆破、少扰动、强支护、速支护”的施工原则。
2. 主要施工难点
古河床的根本成因是河流改道。我公司承建的引水隧洞进水口古河床洞段基础主要为松散土层，砂层、滑坡堆积层及一些碎、卵石土等，其特征是底部为卵石或粗砂层，向上过渡为沙层或粉砂层。在垂直剖面上，其颗粒大小的顺序是底部粗，上部细。在纵剖面上，则上游比下游粗。主要施工难点如下：
2.1施工进度慢。
进水口古河床洞段基础为极松散的砂砾石胶结体，稳定性与完整性均比Ⅴ类围岩差，稍有扰动便形成坍塌。见表1。为保证施工安全，支护工作紧跟掌子面进行，每一循开挖采用CRD开挖方法，循环进尺控制在0.5m。由于支护手段多，工序作业时间长，施工进度受到了严重影响。
2.2开挖质量难以保证。
由于大量孤石位于引水隧洞开挖轮廓线上，为满足开挖尺寸要求，孤石爆破时多数地方出现较大超挖，开挖成型较差。
2.3清淤工作量大。
由于古河床洞段多为极松散的砂砾石胶结体，经爆破震动、地下水浸泡后立即泥化，开挖洞段底板处形成较厚的淤泥层，一般为40～50cm，清除工作量大，且难以清除彻底。为保证安全文明施工整体形象，采取将ZL50C装载机进行改装，在装料斗外沿加设厚1cm的钢板，不定期对底板淤泥进行清理。由于古河床洞段基础的特殊性，清理完底部淤泥后，下部仍为砂砾层，受到地下水浸泡再次演变为淤泥，因此采用碎石料置换填筑，填筑的碎石料又被出渣车或进出的挖掘机压陷，需再次进行碎石铺填，大大增加了施工难度和施工成本。
3. 主要施工方案
由于古河床洞段锚杆施工过程中塌孔现象严重，为保证工程进度及施工安全，切实做到“速支护”，洞内系统锚杆采用自进式锚杆，同时利用管棚进行超前固结，并在钢拱架、锚杆、钢筋网、喷射混凝土与超前管棚施工完成后对边墙及顶拱进行固结灌浆处理，其主要支护方案如下：
（1）钢拱架（I16工字钢），间距0.5m，?22连接钢筋，间距1.0m。
（2）钢拱架锁脚锚杆?25自进式锚杆，L=3.0m，入露0.4m，外露部分弯成90°与钢拱架焊接，每榀钢拱架布置8根（左右各4根）。
（3）挂钢筋网?6.5@20cm×20cm。
（4）系统锚杆?25自进式锚杆，L=4.0m，间排距1.0m×0.8m。
（5）超前管棚。开挖面中心角180°范围内顶拱采用两排?48管棚，管棚分15°和50°两种仰角，其中15°仰角管棚间距15cm，长4.5m，排距1.0m；50°仰角管棚间距1.0m，长3.0m，排距1.0m，外露部位与钢拱架焊接成整体。
（6）喷射混凝土C20，厚度为15cm。
（7）边顶拱固结灌浆，孔深4.0m，间排距3.0m，梅花型布置，灌浆压力0.3MPa，浆液水灰比0.5：1。古河床洞段具体施工程序见图2。
4. 施工方法
4.1开挖施工方法。
古河床为极松散的砂砾石胶结体，中间夹杂着部分孤石。为了减小扰动对洞室稳定造成不良影响，开挖断面以内的孤石采用爆破开挖，非孤石部分采用CAT320挖掘机直接开挖，轮廓线采用人工修规成型，每轮循环进尺0.5m。开挖洞渣采用3m3侧卸装载机（CAT966F）装载，由15t自卸汽车运到指定渣场。出渣完毕，用CAT320反铲进行工作面安全处理，并进一步清除掌子面下部残渣，为下一循环的开挖创造条件，古河床洞段开挖完成后掌子面见图3。
4.2支护施工方法。
4.2.1钢拱架支护。
开挖完成后及时采用I16型钢拱架对岩面进行支撑，钢拱架间距0.5m。每完成一次循环进尺后，立即在开挖面上初喷5cm厚的C20混凝土，然后将钢拱架靠上，用径向锚杆固定，钢拱架榀间用?22钢筋焊接联系，并在榀间挂钢筋网，钢拱架拱脚浇锁脚混凝土，确保拱脚不被水流冲刷掏空，导致拱架变形、翘脚，最后喷C20混凝土将钢拱架覆盖，钢拱架加强支护见图4。
4.2.2自进式锚杆施工。
锚杆施工在自制钢架台车上作业，系统锚杆采用自进式锚杆，其参数为?25，L=4m，间排距1.0m×0.8m。施工时采用在锚杆上套钻头，用手风钻直接推进洞壁中，然后采用机械注浆法压浆，使孔内充满浆液。
（1）锚杆安装。
检查锚杆中空孔、钻头的水孔是否有异物堵塞，若有应清理干净。连接钻头和锚杆、凿岩机和钎尾、钻机连接套和钎尾、锚杆和钻机连接套等。
锚杆对准设计的锚孔位置，钻机先给风或水，然后钻进，在破碎岩体中钻进时，钻头的水孔易堵塞，因此在钻进时，放慢钻进速度，多回转，少冲击，注意水从钻孔中流出的状况，若有水孔堵塞的现象，应反复冲击水，使水孔畅通，然后慢慢进尺，直到设计深度。
钻进至设计深度，用水或空气洗孔，检查钻头上的孔是否畅通，然后将锚杆从钻机连接套上卸下，锚杆按设计要求外露。
将止浆塞通过锚杆外露端打入孔口100mm左右作为封孔进行注浆，如注浆压力较大或围岩较为破碎，也可采用锚固剂封孔。
（2）锚杆的注浆。
锚杆钻进至设计深度后迅速将锚杆和注浆管及泵用快速接头连接好，开动泵注浆，整个过程应连续灌注，不停顿，必须一次完成，观察浆液从止浆塞边缘流出或压力表达到设计值，即可停泵。若注浆过程中出现堵管现象，及时清理锚杆、注浆软管和泵，此时若泵的压力表显示有压，则反转电机1～2s卸压，方可卸下各接头，电机反转时间必须短暂。
当完成一根锚杆的注浆后，迅速卸下注浆软管与锚杆的接头，清洗并安装至另一根锚杆，然后注浆。若停泵时间较长，在对下根锚杆注浆前应放掉前段不均匀的灰浆，以避免堵孔。在整个注浆过程中，操作人员应密切配合，动作迅速，保证注浆过程的连续性。
4.2.3超前管棚。
引水隧洞进水口古河床洞段掌子面采用管棚进行超前支护，开挖面中心角180°范围内顶拱采用两排?48管棚，管棚采用15°和50°两种仰角。其中15°仰角管棚间距15cm，管棚长4.5m，排距1.0m；50°仰角管棚间距1.0m，管棚长3.0m，排距1.0m，外露部位与钢拱架焊接成整体。
4.2.3.1管棚加工。
管棚采用?48钢管，长度为4.5m。为了方便钢管安装，将钢管的一头做成圆锥形。在钢管上沿钢管轴线方向开4排直径5mm的孔作为浆液的出浆孔，出浆孔间距30cm，每排孔的夹角为90°，梅花形布置。
4.2.3.2测量放线。
测量放线使用徕卡TCR802全站仪。控制点使用开挖时的测量控制点。在施工中，严格按国家测绘标准和本工程施工精度要求进行测量，并采取措施保护好测量控制网点。
4.2.3.3钻孔。
钻孔采用手风钻，钻孔过程中，派人将每个钻孔编号，作好钻孔记录。钻孔的开孔位置和设计位置偏差不得大于10cm，孔深误差不得超过5cm。第1个钻孔为拱顶中间的钻孔，钻完后，该钻孔作为两侧钻孔的参照钻孔。施工完成后的导管要在1个弧面上。钻孔完成后，在每个导管内塞入1根长4.5m，直径为25mm的螺纹钢筋，以加强导管的承载能力。第1排导管完成后，在施工第2排导管时，第2排导管和第1排导管之间会有一定的间距，可用直径为25mm的螺纹钢筋将第1排和第2排导管焊接连接。
4.2.3.4管棚灌浆。
（1）管棚灌浆在所有的管棚安装完成后进行，灌浆采用双液灌浆，一种浆液为水泥浆，另一种为水玻璃，必要时浆液全部采用水玻璃；2台BW-200/40灌浆泵，一台灌注水泥浆，另一台向灌注水泥浆的灌浆管内灌注水玻璃。
（2）管棚灌浆从两侧向中间进行。灌浆用水泥浆水灰比为0.5∶1，水玻璃的用量根据实验确定。灌浆压力初步定为0.3MPa，具体根据设计要求或现场实际情况确定。
开始灌浆时，先向孔内灌注水泥浆，确认能够向管棚内灌注浆液时，再在浆液里加入水玻璃。
（3）灌浆的结束标准为：a.灌浆压力达到0.3MPa，稳定10min后即可停止。b.灌浆压力达不到0.3MPa，但灌浆量达到2000L时即可结束。在施工过程中，若发现顶部脱空，用C20混凝土回填或用水泥浆、水玻璃砂浆回填，回填厚度为2m。
漏浆处理：采用嵌缝的方法，向漏浆位置塞牛皮纸、棉花套子等方法止漏。若漏浆区域较大，先停止注浆，用喷混凝土的方法处理，处理后再进行注浆。
4.2.4固结灌浆。
引水隧洞进水口古河床洞段系由松散的砂砾石胶结而成，且地下水丰富，边顶拱受地下水浸泡极不稳定，为避免洞室两侧坍塌向中间挤压而使钢支撑变形，在喷混凝土达到设计强度后对引水隧洞边顶拱进行固结灌浆，孔深4.0m，间距3.0m，排距3.0m，梅花形布置，灌浆压力0.3MPa，灌浆浆液水灰比为0.5∶1。
4.2.5上排水施工。
进行灌浆施工后，流水通道被阻隔，地下水汇集到隧洞顶拱，对隧洞造成危害。每榀钢拱架施工完成后，在两榀拱架的中间打设排水孔，以排除隧洞顶拱的积水，减小隧洞顶拱的水压。每排排水孔7个，深3m。所有的排水孔向掌子面方向倾斜45°。若排水效果不好，在后期，可将排水效果不好的排水孔灌浆堵塞。
若开挖成型后的隧洞边壁、顶拱透水量过大时，在隧洞边壁及顶拱安设防水布，将水隔开，使水流沿防水布和隧洞边壁之间流出，之后再喷混凝土。喷完后，在隧洞拱脚设排水沟，将水引到主排水沟内排到洞外。
5. 塌方处理
5.1塌方处理技术方法。
（1） 深入现场观察研究，分析塌方原因，弄清塌方规模、类型及发展规律，核对塌方段的地质构造和地下水活动状况，尽快制定切实可行的塌方处理方案，古河床洞段塌方情况见图5。
（2） 在未制定塌方处理方案前，切忌盲目地抢先清除塌方体，否则将导致更大的塌方。
（3） 对一般性塌方，在塌方暂时稳定之后，立即加固塌方体四周围岩，及时支护结构物，托住顶部，防止塌穴继续扩大。本工程塌方段处理主要采用的方法如下：a.回填石渣。尽量将石渣回填至岩面，大型设备无法协助施工时，人工回填砂袋。b.采用超前管棚灌浆加固石渣。灌浆浆液采用水泥浆加水玻璃的方法以使浆液快速凝固。灌浆板结后的顶拱石渣厚度不得小于2m。若小于2m，通过顶拱塌方体固结灌浆将石渣加固到2m。c.重新开挖掘进，钢拱架支护跟进。d.塌方段回填固结灌浆。
（4） 有地下水活动的塌方，宜先治水再治塌方。
5.2塌方处理安全措施。
（1） 保证塌方处理工作面照明良好，道路畅通，场地无积水，少噪声。
（2） 动力电线、照明和起爆线路不得挂在坍塌体缝隙中或危岩处，以免塌石砸断线路造成事故。
（3） 撬挖清理危石时，无关人员应撤离工作面，作业人员应有安全保护措施，用撬棍进行作业。
（4） 发现险情预兆时，人员及设备立即撤离现场。
（5） 塌方体开挖过程中，必须经常检查支护，以保证良好的受力状态。如发现支撑破损、弯曲、折断、倒塌，应及时修复加固。
5.3涌水处理。
涌水处理过程中以排为主，拟选用超前钻孔、超前围岩预注浆和衬砌防水3种排、防水方式对涌水进行处理。超前钻孔排水施工使用轻型防水钻机钻孔，钻孔孔位（孔底）应在水流上方，必要时施工设集水坑，利用小型潜水泵将水抽入可移动式水箱，再用潜水泵将水迅速排出洞外，超前钻孔的孔底应超前开挖面2个工作循环；超前围岩预注浆防水应根据地质和水文地质条件，通过试验确定最终注浆工艺，再进行注浆，注浆前应将注浆孔清洗干净；衬砌防水时采用的止水带应有足够的硬度，其形式应能与周围混凝土紧密接触，不留缝隙。
6. 施工效果
通过采用“短进尺、弱爆破、少扰动、强支护、速支护”等以上施工方法，约170米长的砂卵石层（古河床）开挖，在克服高原缺养（工地平均海拔EL2800米）、进出交通困难（距云南880公里，距成都1200公里）、材料供应不及时的前提下，历经5个多月的坚、难、险施工，保质、保量地渡过该不良地质段；该段施工质量：最大超量挖控制在35cm，单循环进尺最大时间为22小时；未发生一起因塌方引起超过三天以上的停工，未发生一起因施工和不良地段引起的安全问题，得到四川省首席地质专家等一行的好评。
7. 结束语
古河床地形条件下的隧洞开挖在我公司水电施工史上尚属首次，通过近段时间施工，总结得出古河道地形条件下隧洞施工的几点经验供借鉴：
（1）地质探察。在开挖过程中，加强地质跟踪及超前预报，必要时钻超前勘探孔摸清围岩条件，以便采取恰当的施工程序及措施，保证洞室稳定。
（2）开挖作业。按照“短进尺、多循环、弱爆破、少扰动、强支护、速支护”的原则施工。需爆破的部位按浅孔、小药量、多循环钻爆，循环进尺不大于0.5m。
（3）超前管棚。由于古河床为极松散的砂砾石胶结体，稳定性及完整性均比Ⅴ类围岩差，稍有扰动便形成坍塌，掘进时需采用管棚超前支护，托起顶拱增加顶拱围岩自稳能力。
（4）混凝土衬砌。通过变形监测，如发现隧道围岩变形速率急增，采取一次支护及加强支护措施后尚不能满足稳定要求时，及时进行边、顶拱钢筋混凝土衬砌。
（5）安全监测。为保证施工安全，收敛监测断面间距缩短为5～10m，加密观测，及时整理观测资料，为隧洞施工、方案优化提供依据，确保施工安全。
（6）施工进度。如果能准确测出古河床占隧洞段的长度和隧洞断面的多少，在覆盖层不厚（低于25米）的情况下，可先行通过覆盖层对隧洞古河床洞段上部采用灌浆固结，以积约隧洞进尺的直接时间，加快施工进度，确保施工安全。
［文章编号］1006-7619（2014）11-04-723
［作者简介］ 赵黔明（1964-），男，籍贯：贵州贵阳人，职称：高级工程师，现从事水电工程管理工作。