固增水電站引水隧洞塌方與變形支護方案研究

郭 益， 劉 忠 軍

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

固增水電站引水隧洞T7+873～T7+892塌方段位于5號施工支洞上游,尤以T7+892處的靠山側邊墻坍塌為甚,塌方空腔深達4.62 m。在坍塌段處理過程中頂拱巖石連續出現塌方,致使已施工完成的超前導管全部損壞,塌方范圍較大，渣料體積達500 m3之多,頂拱空腔深約11 m，導致T7+873～T7+892段支撐用的工字鋼變形,靠山側拱腳膨脹出約1.5 m,頂拱塌方下沉約0.3 m。開挖時，經地質工程師現場勘查確認:T7+873～T7+892段均為Ⅴ類圍巖,掌子面巖體由薄層板巖夾薄層-中層變質砂巖構成,掌子面內壁巖體破碎,完整性較差,褶皺與順層擠壓破碎帶發育,多見碎裂巖石，導致給隧洞施工方案的制定增加了難度，無法指導后續正常施工。闡述了對固增水電站引水隧洞塌方與變形支護方案進行的研究。

2 施工工藝和方法

2.1 施工工藝流程

針對現場實際情況，最終確定的塌方、變形處理采用的施工工藝流程為:跟管加工→跟管鉆進→錨筋束安裝→錨筋束注漿→鎖腳、鎖腰錨桿施工→空腔回填→掌子面管棚施工→塌方洞渣清理→素噴混凝土→掛網工字鋼架設噴射混凝土→系統錨桿施工→超前支護→下一循環施工。

2.2 加強支護處理

根據現場實際情況,T7+873～T7+892段靠山側邊墻及拱腳受巖層擠壓已向隧洞中心線收斂變形約1.5 m,其拱頂均存在下沉現象,掌子面塌方嚴重,靠掌子面段工字鋼受巖層擠壓彎曲變形較大。為防止T7+873～T7+892段靠山側及頂拱受外力擠壓再次發生變形塌方，經設計人員現場勘查后最終決定采用以下加強支護方案:

(1)對T7+873～T7+892段頂拱及靠山側垂直于巖壁進行跟管鉆進,L=20 m(根據現場鉆孔情況可調整跟管鉆進的深度),內插錨筋束后灌漿,然后將錨筋束與工字鋼連接形成整體以防止頂拱及靠山側邊墻再次收斂變形。

(2)對于T7+873～T7+892段每榀工字鋼靠河側增設了φ25 mm,L=6 m 2根鎖腳及2根鎖腰錨桿進行加強支護,以防止靠河側工字鋼變形傾覆。T7+873～T7+892段加強支護情況見圖1。

圖1 T7+873～T7+892段加強支護示意圖

(3)對于掌子面頂拱空腔采用跟管鉆進,回填M20砂漿,高度約為2～3 m,回填分兩次進行。

(4)對于掌子面頂拱120°范圍采用φ108 mm管棚,L=10 m,環向間距0.5 m進行支護,管棚內插錨筋束并注漿。掌子面加強支護情況見圖2。

圖2 掌子面加強支護示意圖

2.3 所采用的加強支護施工工藝

(1)跟管加工。鑒于塌方變形段巖體破碎,松散巖體范圍較廣,成孔困難,需要采用φ108 mm,L=1 m,壁厚6.5 mm的鋼管跟進鉆孔施工,鋼管需加工φ8 mm的注漿孔并施打對穿孔,空間角度形成90°,孔距30 cm。跟管情況見圖3。

圖3 跟管示意圖

(2)跟管鉆進。采用100B型鉆機進行處理,孔深10～20 m,孔徑為110 mm。鉆孔過程中采用偏心鉆具、跟管鉆進。對T7+873～T7+892段進行加固時使用錨筋束與跟管配套施工,其孔位主要布置在靠山側邊墻及頂拱范圍,每榀工字鋼環向孔位為2/3根,交錯布置,孔位方向垂直于巖壁。對于T7+878、T7+879樁號頂拱范圍采用φ108 mm跟管鉆進1根回填管及1根排氣管,鉆孔角度約為20°,孔深根據現場實際情況進行調整。鉆孔過程中,對所鉆進的巖層變化情況、鉆進狀況(鉆壓、鉆速)和某些特殊狀況進行了現場施工記錄。

①孔內清理。鉆進超過設定水深后不能馬上止鉆,需要穩鉆1～2 min以免洞底呈尖形而達不到設計孔徑。鉆孔孔壁不宜有沉渣或泥土和水面的黏滯,務必清洗干凈。鉆孔完成后,采用高壓空氣(風壓為0.2～0.4 MPa)將孔內的石粉以及泥土和水全部排除出孔外,以減少對水泥砂和孔室巖體的黏接力度。由于塌方區為松散破碎的炭質板巖區,遇水極易軟化而塌孔,故要求嚴禁使用高壓水流進行沖刷。

②驗收。鉆孔完成并經現場施工監督員檢測合格后,方可實施下道工序。對于孔徑、孔深的檢查,通常根據設計孔深、鉆機磨損情況和標準鉆桿在現場施工人員和監理單位旁站人員在場的情況下驗孔,要求驗孔過程中鉆機平順推進,不產生撞擊及震動,采用鉆具驗收孔深且孔深達到設計要求的深度,并用高壓風吹孔檢驗錨孔孔位與傾斜度,直至鉆孔驗收合格為止。

(3)錨筋束的安裝。錨筋束由三根φ25 mm鋼筋,一根φ20 mm注漿管,一根φ20 mm通氣管組成,采用三根φ25 mm鋼筋圍繞注漿管呈品字形排列。由于現場鋼筋原材高度為9 m且受施工作業面的空間限制,錨筋束鋼筋必須通過套筒連接并將連接接頭錯開。沿錨筋束軸線方向每隔約2 m設置一套錨筋束的定位支架,支架均使用φ6.5 mm圓鋼塊現場制造以確保錨筋束的保護層厚度適當。

施工前,首先要保證每根鋼筋接頭的順直,除銹、除污垢,在安放錨筋束前仔細核實錨孔序號,確定無誤后由人工緩慢將錨筋束插入φ108 mm跟管中。

(4)錨筋束的灌漿。

①灌漿材料。選擇強度等級不小于P.042.5的普通硅酸鹽水泥,并滿足有關規定的質量標準。

②灌漿參數。注漿成型水灰比為1∶1、0.5∶1,開灌水灰比為1∶1,灌漿的目的是使泥漿在較疏松的巖石中擴散充填,將較破碎的巖石固結,有利于相鄰孔在鉆進時減少落塊,從而避免出現卡鉆或落鉆等現象,亦可加快施工進度。

灌漿壓力為0.2～0.4 MPa,水壓視吸漿量情況和現場監理工程師指示進行調節。

③孔口封閉。由于采用的是有壓灌漿施工工藝,因此錨筋束孔口需承受灌漿壓力。故在封閉段內側(距孔口1～1.3 m)塞入軟質材料后灌水泥漿液封閉孔口,封閉長度不小于1 m，待封閉段水泥漿液滿足強度要求后再進行灌漿作業。

④灌漿結束標準。

a.若灌漿過程中圍巖發生較大的掉塊或漏漿時應停止注漿。

b.若灌漿量遠大于設計量時應停止注漿并排查原因。

c.當灌入漿量不再增加、灌漿壓力持續超過設計值時結束灌漿。

(5)特殊情況的處理。灌漿時極有可能出現漿液漏失的情況。當漏漿、吸漿量大時應及時通知現場監理工程師,按照監理工程師的指示采取越級變漿、間歇灌漿法或反復注漿法嚴格控制灌漿質量,確保灌漿飽滿。

對于注漿成型過程中發生的如停水、斷電等特殊情況導致灌漿中斷時,應優先選用高壓風對錨洞進行吹孔[2]；而對于不具備高壓風吹孔要求的錨洞，應與監理工程師商定后選用低壓水流沖孔。

(6)系統支護。錨筋束及砂漿回填施工完成后,應按照設計藍圖要求施工系統錨桿。為增加工字鋼的穩定性,在系統錨桿的基礎上每榀工字鋼增加四根φ25 mm,L=6 m的鎖腰錨桿。鎖腰錨桿應使用“L”型鋼筋與工字鋼焊接,其靠山側可利用錨筋束加固工字鋼,在端頭焊接“L”型鋼筋與工字鋼連接。

(7)掌子面支護。針對掌子面塌方渣體空腔或松散體高度約為11 m的實際情況,采用了M20砂漿回填部分空腔的方式進行治理,回填高度約為2～3 m,將回填灌漿孔設置在T7+878、T7+879頂拱處,單個斷面跟管鉆進2個孔(進漿孔1個,排氣孔1個),長度約為5～10 m(鉆孔長度根據現場實際情況進行調整),間隙分層回填砂漿,砂漿由3號拌和站供料,混凝土泵送至頂拱空腔,回填完成后,在灌漿孔內插入錨筋束，待襯砌完成后采用采用回填灌漿的方式將空腔回填密實。

掌子面回填砂漿完成后,在T7+876頂拱120°范圍施工一環φ108 mm管棚,L=10 m,間距0.5 m布置,鉆進角度為10°,管棚入原狀巖層3 m后進行插錨筋束及灌漿施工。

頂拱灌漿完成并等強7 d后,先在最上游相鄰的三榀不侵占隧洞內襯砌混凝土斷面的鋼拱架中間部位布置長度為6 m的錨桿進行加固,錨桿的間排距約為1.5 m,成環向布設,其外露鋼筋端頭應與鋼拱架連接緊密,以保證鋼拱架的穩固，然后向下游方向架立鋼拱架并在頂拱180°范圍布置直徑為6 m的超前小導管進行聯合支護固定。在鋼拱架180°范圍鋪設雙層φ6.5 mm鋼筋網,并布設縱向連接鋼筋,采用逐榀澆筑混凝土的方式進行封閉。對于鋼拱架模板支立過程中的渣料處理分頂拱與邊墻兩層完成,待頂拱處的渣料處理完畢、盡快安裝頂拱鋼架底腳位置的鎖腳錨桿,再處理連接邊墻位置的鋼支架。型鋼拱架應座落在隧洞巖石基礎上,以保證型鋼拱支架的穩固與安全。在架立鋼拱過程中,應對其侵占的襯砌截面部分采用人工風鎬修補。

(8)開挖進尺。掌子面支護施工完成后進行清渣,由于洞室坍塌段的圍巖破碎,需采用適當的方法進行施工。預留核心土法施工能夠更有效地防止洞身開挖后產生較大的收斂和沉降,因此，核心土斷面的大小應按照環形開挖斷面積的百分之五十、以便于作業人員作業進行施工,將每循環掘進的長度控制在0.5～1 m范圍。每次施工后及時進行支護,實現“早噴錨”。初期支護的順序為:初噴混凝土→打系統錨桿→掛網→架立鋼支撐→打鎖腳錨桿→再次噴混凝土(滿足設計厚度)。

初噴混凝土厚5 cm,密封巖面,以避免圍巖松散變形造成坍塌。噴射混凝土完成后,持續推進并控制好風壓、水壓,以保證噴射混凝土的強度和穩定性。錨桿施工一般采用測量定位,以便在錨桿安裝后與鋼支撐連接在一起,進而構成整個受力構件。而網片則根據工程設計要求進行安裝,牢固并緊靠巖面。鋼支撐立架必須根據設計要求立架,拱架連接板處用螺栓連接好并擰緊使拱架更牢固,在需要時可采用焊接連接，以確保初支的穩定性，待系統支護完成后進入下道工序。

3 針對塌方采取的施工措施及塌方的預防

3.1 施工措施

對于塌陷洞段,應采取“管超前、嚴灌漿、短進尺、弱爆破、強支撐、快封堵”的施工治理原則。首先,應盡快處理從整體圍巖段中涌出的塌陷體及鄰近的塌陷掌子面;隨后跟進注漿并封堵崩塌體掌子面；之后，對坍塌體采用固結的方式灌漿并待渣體固結且足夠自穩時,再采用人工配合風鎬的方式開始施工;挖至靠近塌方段掌子面時施工超前小管棚,之后按順序對塌方段進行治理。在挖掘過程中,采用鋼拱架與錨噴結合混凝土支護的施工方法進行掘進,最后對空腔采用回填混凝土與砂漿的方式完成塌方段的處理。坍塌處理時要嚴格按照“小塌清,先支后清”和“大塌穿,先棚后穿”的原則[3]，其中“小塌清,先支后清”系指水工隧洞挖掘時坍塌數量相對較小的情況,此時可先將坍塌頂拱支護穩固,隨后再將坍塌體全部清理，但必須確保坍塌頂拱支護的穩固,否則有可能會繼續發生塌落、掉塊砸傷施工人員的情況。一般情況下,隧洞在出現首次坍塌后,由于頂拱兩側不平衡,假如不及時進行塌方段的頂部支護,就可能使坍塌的部位失去平衡而導致再次發生坍塌。

3.2 隧洞塌方的預防措施

(1)認真做好隧洞沿線巖體的地質勘查與設計工作。在隧洞勘察設計過程中,要求深入細致、全方位地對其進行研究并探索隧洞所在區域的水文條件和巖體情況,全方位熟悉和掌握隧洞主軸和出入口區的地貌資源,分析和探討隧洞所跨越埡口、破碎山體、溝谷等的狀況,從而最大程度地掌握可能引起坍塌的惡劣地質狀況。在進行洞線選址工作時,應盡量避免斷裂、軟弱破裂帶、地下水等惡劣地貌段,若不能避免時,應事先準備相應的施工方法和技術措施[4],并選用適當的施工方式,做好施工組織設計,從而有效指導隧洞施工。

(2)根據塌方程度采取有針對性的解決措施。對于小區域的坍塌,由于其破壞面積相對較小，應盡可能地采取徹底處理的解決方法。必須重新調整支護的措施防止隧洞內坍塌的風險,預防因塌方進一步擴大引起的嚴重坍塌發生。因為隧洞中出現一次塌方后整條隧洞都會受到影響,若不能進行及時的加固，很容易出現二次大規模的塌方。對于較大規模的坍塌,在一段時間內很難完成處理工作,所以，在出現小坍塌后應先打開塌方隧洞,再通過超前支護的方式對隧洞兩端進行保護,使隧洞均衡受力以防止坍塌進一步延伸，再通過鋼拱架保護的方法[5]對隧洞頂部加以保護。

(3)加固未發生塌方的洞段。在每次隧洞坍塌發生后，必須對尚未坍塌的區域施以有效的加強措施，以達到鞏固的目的。對隧洞中尚未坍塌區域的加強保護可以采用由大口徑鋼管和工字鋼制成的鋼拱架進行加固,并采用該方法對隧洞中的軟弱區域進行支護。此外,對隧洞中不穩固的圍巖也需要進行有效的加強保護,如果隧洞地質結構發生變化,在采取對巖體進行加強支護時可以采用鋼筋混凝土襯砌的方法對隧洞圍巖結構加以鞏固。

4 結 語

綜上所述,隧洞施工前探明隧洞掘進前方巖體的地質條件是關鍵,亦是整個工程建設順利與否的前提;在塌方處理的施工過程中，應注意施工環境和圍巖的改變,科學合理地制定有效的治理措施與方法。固增水電站引水隧洞塌方段治理采用的處理措施通過多次優化,有效地保證了實施過程中的施工安全，提升了實施效能,為該電站順利實現發電目標提供了有利條件,所取得的經驗對類似塌方的處理工作具有一定的參考意義。