蒲石河抽水蓄能電站主變運輸洞塌方處理施工技術(shù)

孫 磊，李貴祥，張文輝，李艷紅

（中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 丹東 118002）

1 工程概況

主變運輸洞位于主廠房安裝間下游側(cè)，中心線樁號為廠房0－037.30，一側(cè)與安裝間相通，另一端與廠房交通洞相接，全長50 m，開挖寬11.50 m，高9.10 m （頂拱最高處），洞底開挖高程12.60 m，洞頂開挖高程21.70 m，襯砌厚度0.50 m。樁號0－003.30左側(cè) （近主變洞側(cè)）與主變搬運洞相接；主變運輸洞樁號0－035.00位置處右側(cè) （近副廣房側(cè)）與廠房上層周邊排水廊道相接。己貫通至廠房的主變運輸洞先后發(fā)生2次較大面積塌方，造成主變運輸洞樁號0－25～0－50范圍塌頂及廠房下游邊墻 （約廠房0－30～0－43段）坍塌。主變運輸洞開挖高程為12.6～21.7 m，塌方后頂部最高塌空高程為30.3 m，最大塌空高度為8.6 m。臨近的上層排水廊道 （底板開挖高程30.60 m）在廠房樁號0－37.3與主變運輸洞樁號0－35空間交叉處巖層厚僅2.7 m，上層排水廊道內(nèi)受塌方影響發(fā)生了底板上拱現(xiàn)象。

2 塌方段狀況

2.1 塌方范圍

廠房下游邊墻與主變運輸洞相交部位發(fā)生塌方，邊墻塌方范圍樁號為 0－32.7～0－42.7， 塌方頂高程30.30 m，塌落拱高達8.60 m；主變運輸洞方向塌方段樁號為 0－25～0－50， 塌方方量約 700 m3。

受地質(zhì)構(gòu)造及塌方影響，廠房下游邊墻及上層排水廊道附近出現(xiàn)多處裂縫：①沿fj34-1斷層樁號0－37.74～0－26.79、 高程 29.22～34.68 m 處出現(xiàn)羽狀裂隙，寬約3 mm。②f45附近樁號為0－40～0－43，高程約24～28 m處裂縫，寬為0.3～5 cm。③沿樁號0－50～0－40、高程28～30 m之間出現(xiàn)一弧形裂縫，寬度約1～3 mm。④在廠房上層排水廊道樁號0－50～0－60、高程30.60～34.60 m邊墻出現(xiàn)多出裂縫，并在樁號0－50附近底板發(fā)生變形。

2.2 塌方原因

此次塌方主要是由于主變運輸洞與廠房貫通處巖體破碎帶相互切割、錯動造成的。fj34斷層產(chǎn)狀N20°～25°E， SE∠40°， 由糜棱巖夾碎塊巖、 碎裂巖、石墨變粒巖等組成，性狀差，與廠房邊墻夾角約 60°～70°， 與主變運輸洞軸線夾角約 10°～20°， 近于平行。fj34斷層在廠房0－20～0－50處通過，當主變運輸洞與下游邊墻貫通時，fj34斷層沿傾向形成側(cè)向臨空面，致使斷層帶內(nèi)破碎巖石沿斷層面塌滑。

3 處理方案

塌方事故發(fā)生后，業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計、施工、監(jiān)測單位及水工、地質(zhì)專家就塌方處理問題進行了專題討論研究，對此次塌方的地質(zhì)原因進行了分析，對塌方處理方案進行了討論，最終達成共識并形成初步處理方案。處理方案分為臨時處理方案和永久加固方案。

3.1 臨時處理方案

（1）填渣。由于塌方段最大塌方高度為8.6 m，主變運輸洞開挖高度為9.1 m，塌空區(qū)臨空面最大高度達到17.7 m。自廠房方向觀察，塌空區(qū)左側(cè)Fj34-1斷層線已經(jīng)開裂，右側(cè)受Fj34斷層上盤壓剪及F45、F16和Fj34斷層相互切割、錯動，裂隙寬度逐步增大，形成3塊不穩(wěn)定體。塌空區(qū)頂部為Fj34斷層破碎帶暫未塌方體。因此，為限制塌方區(qū)進一步惡化，在主變運輸洞0－25至廠房中心線段回填石渣至24.7～25.9 m高程。

（2）渣臺清理。在填渣后塌方區(qū)逐步減緩發(fā)展、趨于穩(wěn)定時，將填筑的石渣清除至24 m高程，以便為下一步的噴射鋼纖維施工提供足夠的施工空間，并進行塌空區(qū)頂部回填混凝土施工。

（3）噴鋼纖維混凝土。為了保證后續(xù)施工安全，對24 m高程以上塌空區(qū)進行CF25鋼纖維噴護，噴護厚度10～20 cm；塌空區(qū)頂部尖角位置適當加厚，盡量使得噴護后形成圓滑的拱形。

（4）型鋼架制作安裝。為回填混凝土施工及下部支立鋼拱架的需要，在24 m高程渣臺上縱橫鋪設(shè)一層Ⅰ20工字鋼。工字鋼在下部渣臺挖除時起到懸臂梁撐起回填混凝土的作用。

（5）回填混凝土。為將塌空區(qū)填塞密實，控制圍巖變形的進一步發(fā)展，在以上工作施工完畢后，立即進行24 m高程以上回填C30二級配泵送混凝土施工。

（6）回填灌漿。塌空區(qū)頂部回填混凝土頂部與巖體之間存在縫隙。因此，需對回填混凝土的頂部進行回填灌漿。回填灌漿可以在混凝土達到60%設(shè)計強度后進行。從塌空區(qū)對應(yīng)的上層排水廊道鉆孔灌漿，并自廠房側(cè)及主變運輸洞側(cè)鉆設(shè)回填灌漿孔進行補充灌漿，以確保灌漿密實。

（7）渣臺固結(jié)灌漿。回填混凝土底部與主變運輸洞開挖頂仍存在2.3 m的高度。為加強填渣的承載能力和自身穩(wěn)定，對底部回填的石渣進行2次固結(jié)灌漿。第1次是在鋪設(shè)工字鋼底梁及混凝土澆筑的同時，對填渣表層3 m范圍內(nèi)進行一次固結(jié)灌漿；第2次是在逐步開挖同時，采用小導(dǎo)管逐段注漿。在挖除主變運輸洞設(shè)計開挖斷面內(nèi)的石渣時，將固結(jié)灌漿部位開挖成拱形，以達到最佳的受力效果，并有利于支立鋼拱架前的自穩(wěn)。灌漿自渣臺上部進行，按分序加密的原則進行施工，2 m×2 m梅花狀布置灌漿孔，采用全孔一次灌漿法。另外，對于塌空區(qū)上部已經(jīng)產(chǎn)生裂縫的不穩(wěn)定體也要進行一次固結(jié)灌漿處理，以保證巖體的整體穩(wěn)定性。

（8）支立鋼拱架。鋼拱架在塌方段5 m外 （廠交0－20樁號）開始支立。渣臺固結(jié)灌漿強度達到70%以上時可進行主變運輸洞斷面開挖。測量放線后，每次開挖進尺在1.5 m以內(nèi)，采用沖擊錘或弱爆破法開挖成形。鋼拱架間距為75 cm，塌空區(qū)大的位置適當加密。鋼拱架鎖腳采用φ22、L=3 m、錨深2.5 m的錨桿及錨固劑，外露50 cm部分做成彎鉤扣住工字鋼并焊接牢固。鋼拱架之間用φ25縱向鋼筋、環(huán)向間距75 cm將各榀鋼拱架連接成一個整體。最后，掛網(wǎng)噴射15～20 cm厚C20混凝土。

（9）超前小導(dǎo)管注漿施工。在支立完鋼拱架后，進行下一循環(huán)的超前小導(dǎo)管注漿施工。沿主變運輸洞開挖輪廓外，采用手風(fēng)鉆鉆設(shè)注漿孔，孔深5.0 m，打入小導(dǎo)管，導(dǎo)管φ3.75 cm，L=5.0 m，環(huán)向間距30 cm。導(dǎo)管向上傾角為45°，管口布置在開挖輪廓線外5～10 cm處，小導(dǎo)管搭接長度1.0 m。將水泥漿液強制注入巖石裂隙，漿液在鋼導(dǎo)管間相互交錯滲透凝固后，迅速形成一個良好整體性的拱殼，極大地增加了在殼下開挖作業(yè)的安全度，避免塌方。小導(dǎo)管配合鋼拱架支護，也起到管棚的作用。

3.2 永久加固方案

（1） 預(yù)應(yīng)力錨索。 fj34、 fj34-1、 fc45、 fc1、 fc2和 fc3等斷層走向基本為NE向，近乎與主廠房軸線垂直，與主變運輸洞軸線平行。上述斷層在主變運輸洞部位交叉，形成 “屋脊形”切割體。為保證該部位圍巖的永久穩(wěn)定性，在主變運輸洞內(nèi)采用預(yù)應(yīng)力錨索進行加固處理。采用端頭錨型，內(nèi)錨段長度約7 m。共設(shè)置23根，錨頭不占用永久襯砌空間，錨固方向基本與主要斷層走向垂直。

（2） 對穿錨桿。 從廠房樁號 0－000～0－050、 24 m高程地質(zhì)平切圖可以看出，主廠房洞室與主變洞間巖體地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層、節(jié)理、裂隙及巖脈相互交錯，巖體較破碎。在主變洞內(nèi)加設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索時，為防止廠房下游墻及主變洞上游墻 （主變搬運洞上游墻）巖體發(fā)生較大變形，需對這兩面墻體圍巖進行加固處理，限制其發(fā)生較大變形。對穿錨桿設(shè)置在廠房安裝間下游墻廠房樁號0－004.15～0－031.35之間，將廠房下游墻與主變搬運洞、主變洞間巖體對穿。根據(jù)洞室布置情況，共設(shè)置對穿錨桿36根，錨桿φ32（Ⅱ級鋼）、長度分別為30、31.5、44.5 m和47.5 m。對穿錨桿設(shè)置高程為8.20～23.20 m。

（3）加強錨桿。鑒于主變運輸洞右側(cè)～副廠房側(cè)地質(zhì)構(gòu)造相對較少，且f45、f16斷層傾角均較大，設(shè)置垂直斷層傾向加強長錨桿能穿透斷層，對上述“屋脊形”構(gòu)造根部起到鎖定作用。結(jié)合錨索和對穿錨桿的設(shè)置，局部部位加設(shè)加強長錨桿：錨桿φ28（Ⅱ級鋼），長度均為12 m，錨深約為10.6 m，外露1.4 m。根據(jù)結(jié)構(gòu)混凝土厚度，為保證錨桿形式相同，錨深可適當調(diào)整。加強錨桿設(shè)置范圍：廠房下游墻 0－055.50～0－045.30段共設(shè)置 24根，高程為 8.20～23.20 m； 廠房下游墻 0－045.30～0－020.55段共設(shè)置36根，高程分別為8.20、11.20、23.20、27.20 m和30.20 m；主變運輸洞右側(cè)邊墻設(shè)置錨桿3排共45根。加強錨桿間排距均為300 cm×300 cm。

（4） 鋼拱架。 由于主變運輸洞 0－025.00～0－050.00塌方已發(fā)生，在原混凝土襯砌50 cm斷面范圍外布設(shè)Ⅰ20工字鋼鋼拱架與永久襯砌結(jié)構(gòu)結(jié)合。考慮到主變運輸洞塌方段 （0－007.60～0－025.00） 外圍圍巖仍然處于斷層影響范圍內(nèi)，巖體較破碎，圍巖永久穩(wěn)定存在一定的隱患。為加強永久襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用A型Ⅰ20工字鋼鋼拱架與襯砌混凝土聯(lián)合受力，增加永久襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼拱架的間距為100 cm，鎖腳錨桿采用φ22、L＝3 m、錨深2.5 m的錨桿及錨固劑，外露50 cm部分做成彎鉤扣住工字鋼并焊接牢固。鋼拱架之間利用φ25縱向鋼筋將各榀鋼拱架連接成一個整體，縱向鋼筋間距 （環(huán)向）75 cm。鋼拱架安裝完成后進行永久襯砌結(jié)構(gòu)混凝土澆筑。

（5） 混凝土襯砌。 主變運輸洞 0－025.00～0－050.00段為塌方段回填了石渣； 0－000.00～0－025.00段受斷層影響地質(zhì)條件較差；0－000.00～0－007.60段左側(cè)與主變搬運洞相通。結(jié)合臨時加固措施，采取分段襯砌，各段襯砌結(jié)構(gòu)及配筋均有不同。①000.00～0－007.60段。開挖寬度11.50m，襯砌厚度0.50 m，無鋼拱架支撐。采用雙層配筋，環(huán)向主筋均為φ25@150，縱向筋為φ20@200。該段與主變搬運洞襯砌混凝土一起澆筑。②0－007.60～0－025.00段。開挖寬度11.50 m，襯砌厚度0.50 m，采用Ⅰ20工字鋼鋼拱架與襯砌混凝土聯(lián)合受力。鋼拱架沿開挖面設(shè)置，襯砌混凝土采用內(nèi)側(cè)中層配筋，環(huán)向主筋為φ25@200， 縱 向 筋 為 φ20@200。 ③0－025.00～0－050.00段。開挖寬度11.90 m，沿開挖面設(shè)置Ⅰ20工字鋼鋼拱架做為支撐結(jié)構(gòu)。鋼拱架設(shè)置在永久襯砌混凝±0.50 m范圍外，不侵占襯砌斷面，襯砌厚度0.50 m，襯砌混凝土采用雙層配筋，環(huán)向主筋均為φ25@200，縱向筋為φ20@200。

（6） 固結(jié)灌漿。 廠房樁號 0－000～0－050 主廠房洞室與主變洞間巖體地質(zhì)構(gòu)造較多，巖體較破碎。該部位洞室較密集，主廠房洞室、主變洞室及主變運輸洞幾大洞室交匯于此。為保證密集洞室群的圍巖穩(wěn)定性，在此部位永久襯砌結(jié)構(gòu)完成后，對圍巖進行固結(jié)灌漿，提高該部位圍巖的整體性。固結(jié)灌漿范圍為廠房0－007.00～0－053.00間，利用廠房周邊上層排水廊道 （30.60 m高程）向下打灌漿孔。每排設(shè)置5孔，排距2 m，固結(jié)灌漿壓力為0.2～0.4 MPa，采用低壓力多循環(huán)方式灌漿，避免對圍巖產(chǎn)生破壞。

4 結(jié)語

通過對主變運輸洞塌方段的加固處理，增強了圍巖的穩(wěn)定性，使塌方區(qū)域得到控制。主變運輸洞作為進入地下廠房的主要運輸通道，其圍巖穩(wěn)定關(guān)系著整個電站的安全和施工運轉(zhuǎn)。目前，本部位混凝土襯砌已經(jīng)完成，主變運輸洞正式投入使用，臨時和永久加固處理方法妥當有效，對其他工程的塌方處理提供寶貴的借鑒經(jīng)驗。