蓋下壩水電站引水隧洞塌方施工處理技術(shù)

張明高

(重慶中環(huán)建設(shè)有限公司 401120)

1 引言

水電站引水隧洞修建過(guò)程中，塌方是最為常見(jiàn)的安全事故之一，會(huì)造成工期延誤和生命財(cái)產(chǎn)損失，是隧洞運(yùn)營(yíng)的一個(gè)重要安全問(wèn)題。蓋下壩水電站引水隧洞全長(zhǎng)6561.95m，圓形、城門形兩種斷面，圓形開(kāi)挖斷面半徑為3.6m，城門洞形開(kāi)挖斷面為8.06m×5.9m。引水隧洞在施工引5+206～引5+243段，出現(xiàn)塌方事故。

2 塌方原因分析

2.1 塌方概況

引水隧洞引5+206～引5+243段頂部均有不同程度的塌方，塌方高度為0.5～4.5m不等，其中引5+233～引5+243段塌方最為嚴(yán)重，塌方高度達(dá)到4.5m。隧洞工作面施工至引5+243處，準(zhǔn)備對(duì)引5+240～引5+241段進(jìn)行噴射混凝土施工時(shí)發(fā)現(xiàn):拱部及左側(cè)開(kāi)始不斷掉碴，遂當(dāng)即停止施工，撤出洞內(nèi)的施工人員和施工設(shè)備并安排專人對(duì)該處塌方情況進(jìn)行觀察，6h后拱頂及開(kāi)挖面正前方發(fā)生大面積塌方，塌體封堵了該段隧洞，塌方范圍估計(jì)為引5+237～引5+245段，見(jiàn)圖1。

2.2 塌方機(jī)理分析

研究表明，影響隧洞圍巖初期穩(wěn)定性的主要因素有地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、原巖應(yīng)力場(chǎng)、地下水、開(kāi)挖工藝方法與支護(hù)體系等。

2.2.1 地層巖性因素

圖1 引5+240～引5+241段塌方狀況

根據(jù)地層實(shí)測(cè)資料，引水隧洞塌方段巖性為灰色三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)含煤地層，以中粒至細(xì)粒薄層砂巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖和炭質(zhì)類巖層交叉互層，煤層呈豬腸狀分布，巖層走向N65°，E＜17°，巖層走向與洞軸線成67°夾角斜交。巖石松軟破碎、砂巖呈碎塊狀、頁(yè)巖和炭質(zhì)類巖石多呈粉狀，遇水會(huì)呈泥石流狀，巖層層間黏結(jié)力弱，穩(wěn)定性差，極不穩(wěn)定，屬Ⅴ類圍巖。

2.2.2 地質(zhì)構(gòu)造的影響

工程區(qū)屬川東弧形褶皺構(gòu)造帶［1］，局部強(qiáng)烈褶皺，小斷裂、節(jié)理裂隙發(fā)育。塌方段節(jié)理發(fā)育，縱節(jié)理發(fā)育勝于橫節(jié)理，薄層砂巖和粉砂質(zhì)類巖石呈破碎塊狀斷裂、軟弱松散巖層多呈粉狀、相互無(wú)結(jié)合力;節(jié)理走向與洞軸線成 30°～40°夾角，傾角 20°～35°，且 70%以上的節(jié)理長(zhǎng)度超過(guò)10m，破壞了巖石結(jié)構(gòu)，這對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定極為不利。見(jiàn)圖2。

圖2 引5+243～引5+258段地質(zhì)剖、斷面

2.2.3 地下水的作用

在坍塌段上方對(duì)應(yīng)的地表有一深溝，常年有水，屬富含水層，也是地表水匯集場(chǎng)所;根據(jù)構(gòu)造特點(diǎn)，塌方段節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙是地下水儲(chǔ)存和運(yùn)移通道，開(kāi)挖后，地下水就失去屏障，立即滲入洞內(nèi)，直接沖刷、軟化軟弱巖體和層間夾層，是促使塌方生成的潤(rùn)滑劑和助推劑。

2.2.4 開(kāi)挖工藝方法對(duì)圍巖的擾動(dòng)

隧洞采用的是爆破開(kāi)挖方法。不同地應(yīng)力水平下，巖體開(kāi)挖的瞬態(tài)卸荷作用對(duì)圍巖的影響各不相同，當(dāng)?shù)貞?yīng)力較低時(shí)，開(kāi)挖荷載瞬態(tài)卸荷對(duì)圍巖的損傷較小，當(dāng)圍巖處于高地應(yīng)力水平時(shí)，開(kāi)挖荷載瞬態(tài)卸荷對(duì)圍巖的損傷較大［2］。由于本段處于高應(yīng)力集中區(qū)，爆破后瞬間卸荷，圍巖應(yīng)力向臨空面釋放，使臨空面附近節(jié)理處應(yīng)力突然集中，達(dá)到節(jié)理面斷裂強(qiáng)度，促使裂隙逐步擴(kuò)展，直至貫通，使塌方隨時(shí)可能發(fā)生。

2.2.5 支護(hù)體系的缺陷

綜上所述，塌方段處于軟弱地層、節(jié)理及小斷裂破碎帶，巖體切割破碎，結(jié)構(gòu)松散，這是不利于圍巖穩(wěn)定而形成坍塌破壞的主要原因;層間黏結(jié)力較低，自承能力差，自穩(wěn)時(shí)間短;未采取超前注漿固結(jié)主動(dòng)支護(hù)措施，不能有效阻止圍巖的變形，圍巖松動(dòng)圈不斷擴(kuò)大，以致初期支護(hù)無(wú)法承受擴(kuò)大后松動(dòng)圈范圍內(nèi)松散巖體的壓力，造成隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而塌方。

3 引水隧洞塌方處理技術(shù)

3.1 塌方處理方案

該段頂板壓力極大，拱部塌方短時(shí)間內(nèi)不能穩(wěn)定，坍塌巖體封堵隧洞。根據(jù)業(yè)主和監(jiān)理方要求，對(duì)該段塌方不做物探，為確保施工的安全并結(jié)合項(xiàng)目的進(jìn)度計(jì)劃安排，采用以下施工方案［3－7］:

引5+233～引5+243段鋼筋混凝土薄襯→噴射C20混凝土對(duì)塌體進(jìn)行封閉→套拱制作、安裝→施作管棚、注漿→塌腔周圍巖體注漿固結(jié)→I20b工字鋼鋼架支護(hù)→塌體注漿固結(jié)→壁后回填灌漿。

3.2 隧洞塌方處理技術(shù)

3.2.1 混凝土澆筑安全區(qū)

為確保在管棚施工時(shí)有一個(gè)安全的作業(yè)空間，防止塌方向后延伸，首先進(jìn)行引5+233～引5+243段混凝土澆筑，并將管棚尾部固結(jié)在混凝土中(混凝土厚300mm，單層鋼筋，見(jiàn)圖3)，使之成為一個(gè)支點(diǎn)，并形成整體，以增強(qiáng)管棚穩(wěn)定性。

3.2.2 工作面的支護(hù)及處理

圖3 鋼筋布置及混凝土斷面示意圖

塌體封堵整個(gè)隧洞，管棚施工在塌體中進(jìn)行，為確保管棚施工期間的安全，采用噴射C20混凝土，厚150mm封閉塌體(并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片采用Φ8鋼筋加工，網(wǎng)格尺寸20cm×20cm)，并以此作為管棚注漿的止?jié){墻。

3.2.3 管棚施工

管棚采用T76s自進(jìn)式錨桿施工，長(zhǎng)度15m，由3m、6m的若干管節(jié)組合而成，節(jié)間通過(guò)聯(lián)結(jié)套聯(lián)結(jié)。為保證T76s桿體滿足受力要求，相鄰T76s桿體的接頭前后錯(cuò)開(kāi)。同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管接頭至少錯(cuò)開(kāi)1m。為使T76s桿體接頭錯(cuò)開(kāi)，編號(hào)為奇數(shù)的第一節(jié)鋼管采用3m T76s桿體，編號(hào)為偶數(shù)的第一節(jié)鋼管采用6m T76s桿體，以后每節(jié)鋼管的長(zhǎng)度為6m，避免T76s桿體接頭在同一斷面上。管棚環(huán)向間距25㎝，單層布設(shè)，管棚外插角為5°，見(jiàn)圖3。

為便于注漿，對(duì)T76s自進(jìn)式錨桿進(jìn)行了改進(jìn)，即在桿體上增加Φ6mm注漿孔，間距為1m，改進(jìn)使用過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了全段出漿，注漿后進(jìn)行鉆孔檢驗(yàn)，沿管體達(dá)到了固結(jié)作用。

3.2.4 塌腔周邊巖體固結(jié)注漿

為防止塌腔上方及周圍巖體繼續(xù)坍塌，減小拱部松碴壓力，在隧洞內(nèi)選擇一適當(dāng)位置(由鉆孔距離和操作空間確定)打孔，對(duì)周邊巖體和塌落體進(jìn)行固結(jié)灌漿;塌腔周邊巖體注漿具體技術(shù)措施及規(guī)程均滿足規(guī)范施工要求。

3.2.5 小導(dǎo)管超前支護(hù)

在塌方清除前，在工作面施工超前小導(dǎo)管并注漿，超前小導(dǎo)管環(huán)向間距0.3m，長(zhǎng)度2.5m，采用邁步式施作，有效支護(hù)長(zhǎng)度1m，每安裝2榀拱架(1m)施工一環(huán)超前小導(dǎo)管，超前小導(dǎo)管從起拱位置開(kāi)始布設(shè)。超前小導(dǎo)管注漿壓力控制在0.5～0.8MPa以內(nèi)。

3.2.6 塌體清除

管棚注漿和鋼筋混凝土完成后，按照由外向內(nèi)、從上到下的順序清除該段塌體。清除過(guò)程中，時(shí)刻注意頂板動(dòng)態(tài)，遇有險(xiǎn)情，立即撤除人員到安全地點(diǎn)(已做永久支護(hù)段或洞外)，確保作業(yè)人員安全。

3.2.7 塌體固結(jié)注漿

為防止拱部巖體繼續(xù)坍塌對(duì)混凝土拱部產(chǎn)生較大的沖擊壓力，必須對(duì)拱部坍塌的松散巖體進(jìn)行注漿固結(jié)，在混凝土背后形成緩沖層。對(duì)塌體固結(jié)采用每向前架設(shè)1m臨時(shí)支架后，立即采用噴射混凝土封閉(噴射混凝土厚20cm)，并環(huán)向施工鋼花管注漿固結(jié)塌體，注漿壓力控制在0.8～1.0MPa以內(nèi)，鋼花管采用Φ50無(wú)縫鋼管加工，鋼花管長(zhǎng)5m，間排距0.8m×0.8m，梅花型布置，見(jiàn)圖4。

3.2.8 壁后回填灌漿

考慮到注漿會(huì)增加頂板壓力，必須對(duì)該塌方段前后20m段采用鋼筋混凝土支護(hù)，支護(hù)完成后立即開(kāi)始回填灌漿施工，注漿壓力控制在0.5MPa以內(nèi)。注漿孔布置在邊墻及拱部，按梅花型布置，有利于漿液擴(kuò)散充實(shí)巖體。雙漿液配合比為水玻璃∶水泥∶水=1.0∶2.11∶0.6，水玻璃波美度為40°Bé。注漿孔深度為5m，用風(fēng)鉆施工，鉆孔采用 Φ50鉆頭，間排距0.8m×0.8m，梅花型布置，成孔后預(yù)埋Φ42注漿管，注漿管上鉆Φ12mm漿液擴(kuò)散孔，孔距縱向10cm，呈梅花型布置，注漿管與軟管采用細(xì)鐵絲綁扎。

圖4 固結(jié)注漿鋼花管布置示意圖

4 施工安全

4.1 安全制度

項(xiàng)目部成立塌方處理安全領(lǐng)導(dǎo)小組。在處理過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行安全培訓(xùn)上崗、班前安全會(huì)制度，實(shí)行交接班制度，落實(shí)全員安全責(zé)任制，實(shí)施專職安全員制度，制定定期檢查制度，執(zhí)行資料成果積累分析與臨時(shí)事故分析制度。

4.2 安全措施

安全主要措施主要有:對(duì)引處塌方段，每天必須派專人觀察，并作好記錄;保證作業(yè)面往洞口方向的道路暢通，派一名專職安全人員觀察頂板情況，若發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，及時(shí)向洞外撤離;塌方段施工時(shí)做好頂板變形監(jiān)測(cè)、觀察工作，若發(fā)現(xiàn)頂板有掉碴或不穩(wěn)定跡象，立即撤離危險(xiǎn)區(qū)域，采取安全措施后再恢復(fù)人工清矸或其他工作;實(shí)行領(lǐng)導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)跟班制度，加強(qiáng)督促和檢查;注重水文地質(zhì)觀測(cè)、資料收集、整理和分析，為塌方處理提供可靠地質(zhì)依據(jù)。

4.3 安全監(jiān)測(cè)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)信息，指導(dǎo)隧洞施工，為隧洞安全和優(yōu)化設(shè)計(jì)施工提供技術(shù)支持;根據(jù)日常量測(cè)、掌子面觀測(cè)、工程特點(diǎn)和地質(zhì)情況，結(jié)合監(jiān)測(cè)有關(guān)參數(shù)，采取合理支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、支護(hù)參數(shù)和二次襯砌支護(hù)時(shí)間;對(duì)圍巖穩(wěn)定性及時(shí)復(fù)核和確定，并迅速反饋至設(shè)計(jì)施工中，提高施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性;根據(jù)施工監(jiān)控結(jié)果，對(duì)施工中可能出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，以保障施工安全。

5 結(jié)語(yǔ)

三峽庫(kù)區(qū)蓋下壩水電站引水隧洞中發(fā)生的塌方，采用鋼筋混凝土澆筑→噴射C20混凝土對(duì)塌體進(jìn)行封閉→套拱制作、安裝→施作管棚、注漿→塌腔周圍巖體注漿固結(jié)→I20b工字鋼鋼架支護(hù)→塌體注漿固結(jié)→壁后回填灌漿的綜合處理方法，并且在施工安全措施嚴(yán)格執(zhí)行保障下，隧洞順利通過(guò)了軟弱地層、節(jié)理破碎帶。由于處理及時(shí)、迅速，未發(fā)生安全事故，6個(gè)月后頂板監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，沒(méi)有下沉、位移等現(xiàn)象。實(shí)踐表明，該處理方法是行之有效的，并取得了好的效果，此方案可供類似工程實(shí)踐參考。

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2 陳明，盧文波，等.爆破開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)深埋隧洞圍巖損傷區(qū)的影響研究［J/OL］.中國(guó)科技論文在線，2011［2011-9-25］.http://www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/content/201103-223.

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