电站引水隧洞塌方处理方法初探

罗亚伟

(中国水利水电第七工程局第三分局 郫县 611730)

1 前言

小型水利水电工程供水隧洞断面通常都比较小，一般采用全断面掘进法进行开挖。对于比较松软的围岩，特别是IV类以上围岩，自身稳定性差，隧洞成形很困难，工程实际中要求采用边挖边衬的工程措施。目前，国内处理塌方体的方案通常有盾构法、管棚法和台阶法。根据塌方段围岩及破碎堆积石渣的围岩压力、地下水压力等因素，引水隧洞塌方可采用超前管棚法［1］，［2］;隧洞塌方段围岩为 V 类，地下水活动强烈的引水隧洞可采用台阶法［3］。施工采用自进式锚杆解决了钻孔后钻孔塌孔无法安装钢筋锚杆的问题，安装后直接利用锚杆中间孔作为灌浆的通道对塌方土体进行固结灌浆，提高了塌方体自拱自稳能力［4］。在软弱围岩条件下，采用超前小导管预注浆技术，无论支护刚度、强度还是预支护效果很好，且施工进度快、简单易行、方便灵活［5］。本文以色尔古水电站引水隧洞塌方为例，介绍了小导管固结，工字钢加挂网支护、自进式锚杆等方法相结合的处理方案及预防措施，为类似工程设计、施工及塌方处理提供了依据。

2 概况

色尔古水电站引水隧洞布置于黑水河右岸，引水至赤不苏沟沟口上游左岸地下厂房发电，引水隧洞全长约10.191km，断面为圆形，内径9.0m，进水口底板高程1849.0m，引水隧洞全线采用钢筋混凝土衬砌，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩段的衬砌厚度分别为40cm、50cm、80cm。Ⅳ、Ⅴ类围岩段周边进行固结灌浆，隧洞进行顶拱回填灌浆。

首部枢纽工程和引水隧洞K0－005m～K1+880.00m段工程施工中，1号施工支洞总长466.5m，支洞和主洞相交桩号为:K0+841，上游引水隧洞长度为846m，下游引水隧洞长度为1039m。

2007年10月29日上午7时40分1号支洞上游混凝土衬砌工作面发生大规模塌方，塌方桩号为K0+135～K0+175，共约40m，石碴将整个洞室完全封死，从塌方体外侧看不到顶部空腔。塌方发生后，经过仔细分析论证，发现该部位处理有以下施工难点和需要克服的问题:

a.塌方体长度较长，达到40m，塌方石碴将开挖支护临时系统压毁，将塌方部位洞段全部充填封堵;

b.塌方高度较大，且有渗水，围岩为炭质千枚岩，遇水软化，暴露部分及处理过程易继续发生塌方，安全隐患大;

c.受塌方影响范围广，其上下游已临时支护的工字钢变形、扭曲，尤其是塌方体下游侧，扭曲变形严重部位洞段长度达到10m，变形量在60～100cm，说明受塌方影响极大，如若清理塌方石碴则继续垮塌的危险性极大。

通过技术方案比较，采用小导管固结，工字钢加挂网喷护，自进式锚杆锁定等方式，顺利完成了塌方处理，并取得了理想的效果，现总结如下:

3 塌方处理方案

3.1 塌方原因分析

本项目开挖采用上下半洞开挖，混凝土衬砌采用全圆钢模台车，且在混凝土衬砌前才将下半洞预留部分开挖，该洞段围岩为V类，岩性为碳质千枚岩、砂质千枚岩，岩石破碎并有地下水渗透，卸荷相对强烈，炭质岩遇水易软化，自稳能力极差。在塌方洞段上游进行混凝土浇筑后应力重新分布，塌方洞段整体失稳，塌方前预兆极不明显，以上情况是本次塌方发生的主要原因。

3.2 塌方情况

塌方体上下游围岩均为V类，塌方体将整个洞段完全封闭，同时扰动上游3m;下游10m范围初期支护的工字钢扭曲变形较为明显，此范围之外的洞段不同程度发生变形。通过6m钻杆施钻对塌方体下游侧顶部石碴的探测，钻杆钻尽钻头仍然在塌落石碴内，说明开挖线以上石碴厚度大于5m。

3.3 塌方体影响段处理

待塌方洞段围岩基本稳定，没有明显垮塌声响，不再发生垮塌时，先着手进行塌方影响段处理。塌方影响段已将上半洞临时支护钢支撑延伸到下半洞开挖线以外相对完整的岩体上，然后对塌方部位前后段受到影响的地段进行固结加固处理，主要是1号洞上游K0+180～K0+240m段，共计60m，采取拱顶140°范围进行6m深的径向小导管固结灌浆。小导管采用φ48钢管制成花管形式，花管孔纵向间距25cm，梅花形布设。安装小导管前必须由现场技术人员验收孔深、孔斜、孔位和管长。小导管灌浆先进行试验孔施工，由试验人员现场旁站，根据吃浆量和周围岩体变化情况确定后期灌浆参数，最终灌浆压力控制在0.35MPA以内。为保证固结效果和质量，对初期支护喷射混凝土已经开裂的部位进行补喷。根据现场时间情况在塌方影响段破碎部位增加L=6m深的自进式锚杆，同时加工“L”型φ22钢筋，将自进式锚杆和工字钢满缝焊接牢固。具体见图1。

图1 塌方影响段支护横断面

塌方锁口段桩号下游侧为K0+180～K0+174m和上游段K0+135～K0+132m段，下游段工字钢扭曲变形较大，顶部围岩受塌方体影响呈碎块状堆积，必须对该段进行加强处理方可保证塌方处理施工安全。为了保证塌方处理安全，在该洞段施工小导管前先增加6～8榀I20b工字钢支撑，工字钢架设在变形严重和塌方处理起始点部位，工字钢架设完毕后再施钻小导管。小导管型号为φ50的无缝钢管，长度L=6m，环向间距20cm，上层倾角30°～45°(建议该导管角度放大到45°，保证固结范围、效果，同时也在搭接长度范围之内)，下层纵向倾角10°～15°左右，基本保证上下两层钢管前端位于同一截面上。纵向2.5m一个循环，最小搭接1.7m;为保证固结效果和质量，对初期支护喷射混凝土已经开裂的部位进行补喷。影响段破碎部位增加L=6m深的自进式锚杆进行局部加固，锚杆施钻角度为径向。锁口部位支护见图2。

3.4 塌方段处理

图2 锁口部位支护

塌方处理前，为减小加固施工处理高度，用石碴将下导坑填平到原上导坑支护拱脚的位置(下半洞160°范围)，这样自制的加固施工台车和岩面之间的距离减少，降低支护高度，增加施工安全性。其次，检查锁口段支护是否有效，确认安全的情况下再开始塌方体部位的处理。由于本塌方体塌方空间过大，石碴堆积高度较大，如果采取清除石碴，则会对已经基本稳定的塌方体产生新的扰动，开挖过程安全隐患大，同时塌方体处理安全隐患极大，施工人员安全没法保证。为此四方会议讨论采用支护时将石碴开挖尺寸比初期支护断面大0.5～0.55m支护，该方法采用钢拱架+挂网+喷护+系统锚杆和超前小导管联合支撑的方式进行处理。开挖支护程序如图3所示。

图3 开挖支护程序示意图

3.4.1 塌方体开挖前的准备

待影响带加固处理完毕稳定后，从1号洞上游面K0+175未坍塌处(工字钢坍塌末端后退3～4m)对塌方松碴体方向进行双层超前小管棚固结灌浆，小导管型号为φ50的无缝钢管，长度L=6m，环向间距20cm，上层纵向倾角30°～45°(该导管角度可以放大到45°，保证固结范围和效果)，下层纵向倾角10°～15°左右，基本保证上下两层钢管前端位于同一截面上。纵向2m一个循环，最小搭接1.7m;待灌浆强度达到要求后，按照1.0m左右的进尺进行塌方体开挖，开挖过程中必须保留核心土，分台阶、分块实施，并及时进行下导坑支护。

3.4.2 塌方体开挖

3.4.2.1 顶部开挖

塌方体开挖首先从石碴顶部开始，顶部开挖最大高度控制在2m左右，开挖采用风镐凿除，凿除深度控制在0.5m左右，边开挖边对开挖面进行素喷混凝土。人工开挖的大量石碴采用液压小反铲钩除。

3.4.2.2 两侧开挖

在顶拱支护完成，同时中心临时钢支撑加固完成后，两侧首先采用液压反铲将大量石碴挖除，在靠近工字钢架设位置人工采用风镐凿除已被固结的侵占开挖断面的石碴，开挖过程中及时对岩面进行素喷混凝土。

3.4.3 工字钢制安

采用双榀I20b型工字钢合成一榀进行支护，工字钢纵向中心距离为0.8m(双榀与双榀之间)，双榀工字钢之间采用40cm，φ22钢筋焊接连接成整体，外侧采用1.0m，φ22钢筋将双榀工字钢连接成整体，并在工字钢背侧布设φ12的钢筋网片，钢筋网规格15×15cm。在工字钢和网片安装完成后，喷护20cm厚的C20混凝土。

开挖封闭完成后及时架设工字钢I20b，工字钢之间采用螺栓连接，架设完成的工字钢连接节点处上下各设置1对L=9m，φ32自进式锚杆对工字钢进行加固，自进式锚杆和工字钢之间采用垫板与工字钢满焊连接。

3.4.4 小导管施工

小导管型号为φ50的无缝钢管，长度L=6m，环向间距20cm，上层纵向倾角30°～45°(该导管角度可以放大到45°，保证固结范围和效果)，下层纵向倾角10°～15°左右。首先在加工场地将小导管端头加工成锥型，同时在导管壁上按照4孔/20cm制成花管。施工时首先采用气腿钻L=6m深的孔，在钻头抽出后及时安插小导管，小导管采用气腿钻作为推进、安插动力。施工方法示意如图4。

图4 小导管施工方法示意图

4 施工效果总结

4.1 实施效果评价

施工中严格按照措施要求进行支护施工，在支护过程中存在6～10cm沉降，在边拱支护完成后通过再次测量，沉降基本没有，说明本次支护达到预定的目标。本次处理时间比既定的时间提前10天，取得圆满结果。塌方段贯通后如图5所示。

图5 塌方段贯通后图片

4.2 措施保证

a.严格按照塌方处理领导小组安排的人员加强现场管理力度，跟班作业，及时解决问题，确保施工按照每天的计划执行。

b.加强与业主、监理和设计的联系，及时确定支护参数方案，保证各个工序施工连贯有序进行。

c.建立奖惩措施，按旬进行考核，考核指标现场定，按计划完成部分及时奖励，否则对等进行处罚。

d.加强专人安全监控，安全监控涉及整个施工作业面，对隐患大的部位加强监控力度。

e.为保证计划顺利实现，储备足够的施工材料和配件。

5 结论与讨论

本次塌方在各方强有力的抓循环、抓落实的管理下，以最短的时间完成了塌方处理，为工程争取了时间，但以下几方面仍然值得我们深思和探讨，首先结合本工程围岩为炭质千枚岩的特性，上下半洞开挖时宜将上半部分开挖多一点，剩余约120°范围的下半洞随后开挖，同时将腰线以下的部位适当扩挖，将钢支撑延伸到下半洞开挖线以外，减少下半洞开挖对上半洞初期支护体的扰动;塌方处理过程中可以增加径向小导管对顶部石碴进行加厚固结。

1 杨红星，梁川，廖书杰，等.多松多水电站引水隧洞塌方原因分析及处理方案［J］.人民长江，2011，42(5):30 －33.

2 董子奇，文国荣，骆秀萍.甘肃引洮供水工程总干渠饱水黄土隧洞塌方分析及处理［J］.水资源与水工程学报，2010，21(6):146－150.

3 殷建军，李士明，蒋冲.某水电站引水隧洞塌方原因分析及处理措施［J］.资源环境与工程，2011，25(3):232 －235.

4 罗建兴.自进式锚杆在隧洞塌方处理中的应用［J］.甘肃水利水电技术，2011，47(2):54 －58.

5 张爱萍.超前小导管预注浆在软弱围岩隧道中的应用［J］.山西建筑，2010，36(8):331 －332.