蒲石河抽水蓄能電站主變運輸洞塌方處理施工技術

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，中心線樁號為廠房0－037.30，一側與安裝間相通，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 （近主變洞側）與主變搬運洞相接；主變運輸洞樁號0－035.00位置處右側 （近副廣房側）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，上層排水廊道內受塌方影響發生了底板上拱現象。

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。

受地質構造及塌方影響，廠房下游邊墻及上層排水廊道附近出現多處裂縫：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邊墻出現多出裂縫，并在樁號0－50附近底板發生變形。

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斷層沿傾向形成側向臨空面，致使斷層帶內破碎巖石沿斷層面塌滑。

3 處理方案

塌方事故發生后，業主、監理、設計、施工、監測單位及水工、地質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，塌空區臨空面最大高度達到17.7 m。自廠房方向觀察，塌空區左側Fj34-1斷層線已經開裂，右側受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塊不穩定體。塌空區頂部為Fj34斷層破碎帶暫未塌方體。因此，為限制塌方區進一步惡化，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。在填渣后塌方區逐步減緩發展、趨于穩定時，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，并進行塌空區頂部回填混凝土施工。

（3）噴鋼纖維混凝土。為了保證后續施工安全，對24 m高程以上塌空區進行CF25鋼纖維噴護，噴護厚度10～20 cm；塌空區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。為將塌空區填塞密實，控制圍巖變形的進一步發展，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%設計強度后進行。從塌空區對應的上層排水廊道鉆孔灌漿，并自廠房側及主變運輸洞側鉆設回填灌漿孔進行補充灌漿，以確保灌漿密實。

（7）渣臺固結灌漿。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定，對底部回填的石渣進行2次固結灌漿。第1次是在鋪設工字鋼底梁及混凝土澆筑的同時，對填渣表層3 m范圍內進行一次固結灌漿；第2次是在逐步開挖同時，采用小導管逐段注漿。在挖除主變運輸洞設計開挖斷面內的石渣時，將固結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。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，對于塌空區上部已經產生裂縫的不穩定體也要進行一次固結灌漿處理，以保證巖體的整體穩定性。

（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，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、環向間距75 cm將各榀鋼拱架連接成一個整體。最后，掛網噴射15～20 cm厚C20混凝土。

（9）超前小導管注漿施工。在支立完鋼拱架后，進行下一循環的超前小導管注漿施工。沿主變運輸洞開挖輪廓外，采用手風鉆鉆設注漿孔，孔深5.0 m，打入小導管，導管φ3.75 cm，L=5.0 m，環向間距30 cm。導管向上傾角為45°，管口布置在開挖輪廓線外5～10 cm處，小導管搭接長度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的安全度，避免塌方。小導管配合鋼拱架支護，也起到管棚的作用。

3.2 永久加固方案

（1） 預應力錨索。 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定性，在主變運輸洞內采用預應力錨索進行加固處理。采用端頭錨型，內錨段長度約7 m。共設置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高程地質平切圖可以看出，主廠房洞室與主變洞間巖體地質構造復雜，斷層、節理、裂隙及巖脈相互交錯，巖體較破碎。在主變洞內加設預應力錨索時，為防止廠房下游墻及主變洞上游墻 （主變搬運洞上游墻）巖體發生較大變形，需對這兩面墻體圍巖進行加固處理，限制其發生較大變形。對穿錨桿設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。根據洞室布置情況，共設置對穿錨桿36根，錨桿φ32（Ⅱ級鋼）、長度分別為30、31.5、44.5 m和47.5 m。對穿錨桿設置高程為8.20～23.20 m。

（3）加強錨桿。鑒于主變運輸洞右側～副廠房側地質構造相對較少，且f45、f16斷層傾角均較大，設置垂直斷層傾向加強長錨桿能穿透斷層，對上述“屋脊形”構造根部起到鎖定作用。結合錨索和對穿錨桿的設置，局部部位加設加強長錨桿：錨桿φ28（Ⅱ級鋼），長度均為12 m，錨深約為10.6 m，外露1.4 m。根據結構混凝土厚度，為保證錨桿形式相同，錨深可適當調整。加強錨桿設置范圍：廠房下游墻 0－055.50～0－045.30段共設置 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；主變運輸洞右側邊墻設置錨桿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塌方已發生，在原混凝土襯砌50 cm斷面范圍外布設Ⅰ20工字鋼鋼拱架與永久襯砌結構結合。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，巖體較破碎，圍巖永久穩定存在一定的隱患。為加強永久襯砌結構的穩定性，采用A型Ⅰ20工字鋼鋼拱架與襯砌混凝土聯合受力，增加永久襯砌結構的穩定性。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 （環向）75 cm。鋼拱架安裝完成后進行永久襯砌結構混凝土澆筑。

（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段受斷層影響地質條件較差；0－000.00～0－007.60段左側與主變搬運洞相通。結合臨時加固措施，采取分段襯砌，各段襯砌結構及配筋均有不同。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合受力。鋼拱架沿開挖面設置，襯砌混凝土采用內側中層配筋，環向主筋為φ25@200， 縱 向 筋 為 φ20@200。 ③0－025.00～0－050.00段。開挖寬度11.90 m，沿開挖面設置Ⅰ20工字鋼鋼拱架做為支撐結構。鋼拱架設置在永久襯砌混凝±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，環向主筋均為φ25@200，縱向筋為φ20@200。

（6） 固結灌漿。 廠房樁號 0－000～0－050 主廠房洞室與主變洞間巖體地質構造較多，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定性，在此部位永久襯砌結構完成后，對圍巖進行固結灌漿，提高該部位圍巖的整體性。固結灌漿范圍為廠房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。每排設置5孔，排距2 m，固結灌漿壓力為0.2～0.4 MPa，采用低壓力多循環方式灌漿，避免對圍巖產生破壞。

4 結語

通過對主變運輸洞塌方段的加固處理，增強了圍巖的穩定性，使塌方區域得到控制。主變運輸洞作為進入地下廠房的主要運輸通道，其圍巖穩定關系著整個電站的安全和施工運轉。目前，本部位混凝土襯砌已經完成，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驗。