蒲石河抽水蓄能电站主变运输洞塌方处理施工技术

孙 磊，李贵祥，张文辉，李艳红

（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 丹东 118002）

1 工程概况

主变运输洞位于主厂房安装间下游侧，中心线桩号为厂房0－037.30，一侧与安装间相通，另一端与厂房交通洞相接，全长50 m，开挖宽11.50 m，高9.10 m （顶拱最高处），洞底开挖高程12.60 m，洞顶开挖高程21.70 m，衬砌厚度0.50 m。桩号0－003.30左侧 （近主变洞侧）与主变搬运洞相接；主变运输洞桩号0－035.00位置处右侧 （近副广房侧）与厂房上层周边排水廊道相接。己贯通至厂房的主变运输洞先后发生2次较大面积塌方，造成主变运输洞桩号0－25～0－50范围塌顶及厂房下游边墙 （约厂房0－30～0－43段）坍塌。主变运输洞开挖高程为12.6～21.7 m，塌方后顶部最高塌空高程为30.3 m，最大塌空高度为8.6 m。临近的上层排水廊道 （底板开挖高程30.60 m）在厂房桩号0－37.3与主变运输洞桩号0－35空间交叉处岩层厚仅2.7 m，上层排水廊道内受塌方影响发生了底板上拱现象。

2 塌方段状况

2.1 塌方范围

厂房下游边墙与主变运输洞相交部位发生塌方，边墙塌方范围桩号为 0－32.7～0－42.7， 塌方顶高程30.30 m，塌落拱高达8.60 m；主变运输洞方向塌方段桩号为 0－25～0－50， 塌方方量约 700 m3。

受地质构造及塌方影响，厂房下游边墙及上层排水廊道附近出现多处裂缝：①沿fj34-1断层桩号0－37.74～0－26.79、 高程 29.22～34.68 m 处出现羽状裂隙，宽约3 mm。②f45附近桩号为0－40～0－43，高程约24～28 m处裂缝，宽为0.3～5 cm。③沿桩号0－50～0－40、高程28～30 m之间出现一弧形裂缝，宽度约1～3 mm。④在厂房上层排水廊道桩号0－50～0－60、高程30.60～34.60 m边墙出现多出裂缝，并在桩号0－50附近底板发生变形。

2.2 塌方原因

此次塌方主要是由于主变运输洞与厂房贯通处岩体破碎带相互切割、错动造成的。fj34断层产状N20°～25°E， SE∠40°， 由糜棱岩夹碎块岩、 碎裂岩、石墨变粒岩等组成，性状差，与厂房边墙夹角约 60°～70°， 与主变运输洞轴线夹角约 10°～20°， 近于平行。fj34断层在厂房0－20～0－50处通过，当主变运输洞与下游边墙贯通时，fj34断层沿倾向形成侧向临空面，致使断层带内破碎岩石沿断层面塌滑。

3 处理方案

塌方事故发生后，业主、监理、设计、施工、监测单位及水工、地质专家就塌方处理问题进行了专题讨论研究，对此次塌方的地质原因进行了分析，对塌方处理方案进行了讨论，最终达成共识并形成初步处理方案。处理方案分为临时处理方案和永久加固方案。

3.1 临时处理方案

（1）填渣。由于塌方段最大塌方高度为8.6 m，主变运输洞开挖高度为9.1 m，塌空区临空面最大高度达到17.7 m。自厂房方向观察，塌空区左侧Fj34-1断层线已经开裂，右侧受Fj34断层上盘压剪及F45、F16和Fj34断层相互切割、错动，裂隙宽度逐步增大，形成3块不稳定体。塌空区顶部为Fj34断层破碎带暂未塌方体。因此，为限制塌方区进一步恶化，在主变运输洞0－25至厂房中心线段回填石渣至24.7～25.9 m高程。

（2）渣台清理。在填渣后塌方区逐步减缓发展、趋于稳定时，将填筑的石渣清除至24 m高程，以便为下一步的喷射钢纤维施工提供足够的施工空间，并进行塌空区顶部回填混凝土施工。

（3）喷钢纤维混凝土。为了保证后续施工安全，对24 m高程以上塌空区进行CF25钢纤维喷护，喷护厚度10～20 cm；塌空区顶部尖角位置适当加厚，尽量使得喷护后形成圆滑的拱形。

（4）型钢架制作安装。为回填混凝土施工及下部支立钢拱架的需要，在24 m高程渣台上纵横铺设一层Ⅰ20工字钢。工字钢在下部渣台挖除时起到悬臂梁撑起回填混凝土的作用。

（5）回填混凝土。为将塌空区填塞密实，控制围岩变形的进一步发展，在以上工作施工完毕后，立即进行24 m高程以上回填C30二级配泵送混凝土施工。

（6）回填灌浆。塌空区顶部回填混凝土顶部与岩体之间存在缝隙。因此，需对回填混凝土的顶部进行回填灌浆。回填灌浆可以在混凝土达到60%设计强度后进行。从塌空区对应的上层排水廊道钻孔灌浆，并自厂房侧及主变运输洞侧钻设回填灌浆孔进行补充灌浆，以确保灌浆密实。

（7）渣台固结灌浆。回填混凝土底部与主变运输洞开挖顶仍存在2.3 m的高度。为加强填渣的承载能力和自身稳定，对底部回填的石渣进行2次固结灌浆。第1次是在铺设工字钢底梁及混凝土浇筑的同时，对填渣表层3 m范围内进行一次固结灌浆；第2次是在逐步开挖同时，采用小导管逐段注浆。在挖除主变运输洞设计开挖断面内的石渣时，将固结灌浆部位开挖成拱形，以达到最佳的受力效果，并有利于支立钢拱架前的自稳。灌浆自渣台上部进行，按分序加密的原则进行施工，2 m×2 m梅花状布置灌浆孔，采用全孔一次灌浆法。另外，对于塌空区上部已经产生裂缝的不稳定体也要进行一次固结灌浆处理，以保证岩体的整体稳定性。

（8）支立钢拱架。钢拱架在塌方段5 m外 （厂交0－20桩号）开始支立。渣台固结灌浆强度达到70%以上时可进行主变运输洞断面开挖。测量放线后，每次开挖进尺在1.5 m以内，采用冲击锤或弱爆破法开挖成形。钢拱架间距为75 cm，塌空区大的位置适当加密。钢拱架锁脚采用φ22、L=3 m、锚深2.5 m的锚杆及锚固剂，外露50 cm部分做成弯钩扣住工字钢并焊接牢固。钢拱架之间用φ25纵向钢筋、环向间距75 cm将各榀钢拱架连接成一个整体。最后，挂网喷射15～20 cm厚C20混凝土。

（9）超前小导管注浆施工。在支立完钢拱架后，进行下一循环的超前小导管注浆施工。沿主变运输洞开挖轮廓外，采用手风钻钻设注浆孔，孔深5.0 m，打入小导管，导管φ3.75 cm，L=5.0 m，环向间距30 cm。导管向上倾角为45°，管口布置在开挖轮廓线外5～10 cm处，小导管搭接长度1.0 m。将水泥浆液强制注入岩石裂隙，浆液在钢导管间相互交错渗透凝固后，迅速形成一个良好整体性的拱壳，极大地增加了在壳下开挖作业的安全度，避免塌方。小导管配合钢拱架支护，也起到管棚的作用。

3.2 永久加固方案

（1） 预应力锚索。 fj34、 fj34-1、 fc45、 fc1、 fc2和 fc3等断层走向基本为NE向，近乎与主厂房轴线垂直，与主变运输洞轴线平行。上述断层在主变运输洞部位交叉，形成 “屋脊形”切割体。为保证该部位围岩的永久稳定性，在主变运输洞内采用预应力锚索进行加固处理。采用端头锚型，内锚段长度约7 m。共设置23根，锚头不占用永久衬砌空间，锚固方向基本与主要断层走向垂直。

（2） 对穿锚杆。 从厂房桩号 0－000～0－050、 24 m高程地质平切图可以看出，主厂房洞室与主变洞间岩体地质构造复杂，断层、节理、裂隙及岩脉相互交错，岩体较破碎。在主变洞内加设预应力锚索时，为防止厂房下游墙及主变洞上游墙 （主变搬运洞上游墙）岩体发生较大变形，需对这两面墙体围岩进行加固处理，限制其发生较大变形。对穿锚杆设置在厂房安装间下游墙厂房桩号0－004.15～0－031.35之间，将厂房下游墙与主变搬运洞、主变洞间岩体对穿。根据洞室布置情况，共设置对穿锚杆36根，锚杆φ32（Ⅱ级钢）、长度分别为30、31.5、44.5 m和47.5 m。对穿锚杆设置高程为8.20～23.20 m。

（3）加强锚杆。鉴于主变运输洞右侧～副厂房侧地质构造相对较少，且f45、f16断层倾角均较大，设置垂直断层倾向加强长锚杆能穿透断层，对上述“屋脊形”构造根部起到锁定作用。结合锚索和对穿锚杆的设置，局部部位加设加强长锚杆：锚杆φ28（Ⅱ级钢），长度均为12 m，锚深约为10.6 m，外露1.4 m。根据结构混凝土厚度，为保证锚杆形式相同，锚深可适当调整。加强锚杆设置范围：厂房下游墙 0－055.50～0－045.30段共设置 24根，高程为 8.20～23.20 m； 厂房下游墙 0－045.30～0－020.55段共设置36根，高程分别为8.20、11.20、23.20、27.20 m和30.20 m；主变运输洞右侧边墙设置锚杆3排共45根。加强锚杆间排距均为300 cm×300 cm。

（4） 钢拱架。 由于主变运输洞 0－025.00～0－050.00塌方已发生，在原混凝土衬砌50 cm断面范围外布设Ⅰ20工字钢钢拱架与永久衬砌结构结合。考虑到主变运输洞塌方段 （0－007.60～0－025.00） 外围围岩仍然处于断层影响范围内，岩体较破碎，围岩永久稳定存在一定的隐患。为加强永久衬砌结构的稳定性，采用A型Ⅰ20工字钢钢拱架与衬砌混凝土联合受力，增加永久衬砌结构的稳定性。钢拱架的间距为100 cm，锁脚锚杆采用φ22、L＝3 m、锚深2.5 m的锚杆及锚固剂，外露50 cm部分做成弯钩扣住工字钢并焊接牢固。钢拱架之间利用φ25纵向钢筋将各榀钢拱架连接成一个整体，纵向钢筋间距 （环向）75 cm。钢拱架安装完成后进行永久衬砌结构混凝土浇筑。

（5） 混凝土衬砌。 主变运输洞 0－025.00～0－050.00段为塌方段回填了石渣； 0－000.00～0－025.00段受断层影响地质条件较差；0－000.00～0－007.60段左侧与主变搬运洞相通。结合临时加固措施，采取分段衬砌，各段衬砌结构及配筋均有不同。①000.00～0－007.60段。开挖宽度11.50m，衬砌厚度0.50 m，无钢拱架支撑。采用双层配筋，环向主筋均为φ25@150，纵向筋为φ20@200。该段与主变搬运洞衬砌混凝土一起浇筑。②0－007.60～0－025.00段。开挖宽度11.50 m，衬砌厚度0.50 m，采用Ⅰ20工字钢钢拱架与衬砌混凝土联合受力。钢拱架沿开挖面设置，衬砌混凝土采用内侧中层配筋，环向主筋为φ25@200， 纵 向 筋 为 φ20@200。 ③0－025.00～0－050.00段。开挖宽度11.90 m，沿开挖面设置Ⅰ20工字钢钢拱架做为支撑结构。钢拱架设置在永久衬砌混凝±0.50 m范围外，不侵占衬砌断面，衬砌厚度0.50 m，衬砌混凝土采用双层配筋，环向主筋均为φ25@200，纵向筋为φ20@200。

（6） 固结灌浆。 厂房桩号 0－000～0－050 主厂房洞室与主变洞间岩体地质构造较多，岩体较破碎。该部位洞室较密集，主厂房洞室、主变洞室及主变运输洞几大洞室交汇于此。为保证密集洞室群的围岩稳定性，在此部位永久衬砌结构完成后，对围岩进行固结灌浆，提高该部位围岩的整体性。固结灌浆范围为厂房0－007.00～0－053.00间，利用厂房周边上层排水廊道 （30.60 m高程）向下打灌浆孔。每排设置5孔，排距2 m，固结灌浆压力为0.2～0.4 MPa，采用低压力多循环方式灌浆，避免对围岩产生破坏。

4 结语

通过对主变运输洞塌方段的加固处理，增强了围岩的稳定性，使塌方区域得到控制。主变运输洞作为进入地下厂房的主要运输通道，其围岩稳定关系着整个电站的安全和施工运转。目前，本部位混凝土衬砌已经完成，主变运输洞正式投入使用，临时和永久加固处理方法妥当有效，对其他工程的塌方处理提供宝贵的借鉴经验。