中型水电站竖井塌方处理方案比选

郝春游 张 淼 皮 漫

（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院 陕西 西安 710065）

1 隧洞概况

某中型工程水电站引水发电隧洞总长11.12km，洞径8 m，由岸塔式进水口、压力引水隧洞、调压室、压力管道组成。竖井位于调压井下游侧，桩号PS0+240～PS0+351，包括：上弯段，长37.7 m；竖直段，长35.7 m；下弯段，长37.7 m；总长111.1 m。

2 竖井塌方情况

隧洞于2010年6月开始开挖施工，于2013年2月全线贯通。竖井下弯段在隧洞贯通后顶拱一直不稳定，出现多次比较严重塌方，并且小的掉块也时常发生。主要塌方如下：

（1）2013年3月11日第一次塌方，掉落石渣约900m3，随后偶尔发生掉块。

（2）雨季来临后，于2013年6月30日此部位第二次塌方，掉落石渣约2500m3。

（3）013年9月26日第三次塌方，掉落石渣约300m3，下弯段施工脚手架被砸垮变形。侧壁掉块现象仍时有发生，竖井施工停止。

3 竖井地质介绍

竖井部位围岩以I V类为主，以砂岩、泥质粉砂岩和泥岩的水平互层分布，砂岩最小层厚10cm，泥岩最小层厚1cm，层厚不均匀，且变化较大，裂隙发育，裂面普遍夹有泥质。局部伴有地下水渗漏，围岩总体稳定性较差，局部属不稳定围岩，下弯段之后的下平段洞室再开挖时顶拱及边墙不时发生小塌方或掉块现象。竖井部位的地质描述见图1。

4 塌方处理方案

每次塌方后，都制定了详细的方案，但因工人撤场，现场人员不足等原因，未能及时实施。为防止下弯段塌方继续向下游下平段延伸，仅在下弯段之后衬砌一仓6 m长下平段，桩号：PS0+357～PS0+363段。等到第三次塌方基本稳定后，于2013年10月6日，施工方组织人员从上弯段处搭设平台，人员通过吊篮靠近塌腔部位，录取视频资料及目测塌方范围。从现场初步了解到：下弯段顶部空腔体宽12.5 m，长约17 m，从下弯段洞轴线到塔腔顶部高约于23.5 m，估计塌方3686m3。根据现场详细情况，制定了三套方案。

4.1 喷锚支护方案

考虑到工期紧，为加快施工进度，提出了喷锚支护方案。具体步骤如下：

（1）分别从竖井正下方及下平段搭设满堂架，对塌腔部位逐步进行喷锚支护。

（2）清理底部石渣，开始从下弯段及上弯段同时浇筑衬砌混凝土。

（3）衬砌后，对空腔进行回填混凝土。

图1 竖井段地质描述平面图

图2 竖井下弯段塌方喷锚支护示意图

图3 竖井下弯段塌方填混合料示意图

（4）最后进行灌浆等工序施工，见图2。

4.2 填混凝土方案

出于安全考虑，采取保守施工，提出填混凝土方案，以便安全施工，详细步骤如下：

（1）下弯段末端进行封堵。

（2）从上弯段开始回填常态混凝土，填至塌腔顶部停止，方量约7040m3。

（3）从底部下弯段开始开挖、支护、衬砌等工序施工。

（4）竖井段其他部位衬砌等工序施工。

（5）最后进行灌浆等工序施工。

4.3 填混合料方案

考虑到费用因素，采取经济实用型方案，提出了填混合料方案。详细步骤如下：

（1）下平段在已衬砌混凝土基础上往竖井侧再浇筑一仓，保证深入塌方内部至少2 m，并预埋混凝土泵管。

（2）当回填石渣接近顶拱高度时，从预埋管回填混凝土，确保以后顶部回填混凝土坐落在坚硬的混凝土基础上。

（3）从上弯段往塌方底部抛石渣和砂，距塌方顶部5 m停止，石渣方量约4000m3。

（4）回填塌腔部位混凝土,方量约2713m3。

（5）在回填石渣顶部浇筑两仓全断面混凝土（每仓洞轴线长4.5 m），浇筑前用锚杆把回填体与此部位混凝土连接起来。

（6）从下弯段出渣，一循环3 m，然后进行衬砌，两循环后可一次性清理底部石渣，出渣过程竖井竖直段同时衬砌施工。

（7）最后进行灌浆等工序施工，见图3。

5 方案比较

针对以上三种方案，从不同角度进行分析比较，从而选择最佳方案进行施工。

5.1 可行性分析

若采取喷锚支护方案，优点在于可加快施工进度，但是施工人员必须在塌腔部位下方进行脚手架搭设、喷锚支护等工作，施工安全风险比较大；若采用填混合料方案，在下平段浇筑一仓混凝土过程，因衬砌需要深入下弯段2 m，施工人员在这个范围施工存在风险；若采用填混凝土方案，所有工序均不需要在塌腔部位下方施工，相比而言最安全。

考虑到喷锚支护方案安全风险较大，故不采用该方案进行对比；填混合料方案虽存在一定风险，但若做好安全措施，风险可以控制，因此将从其他方面再分析比较填混凝土方案和填混合料方案。

5.2 工期上分析

根据施工单位的现有人员、设备等因素，对填混凝土方案和填混合料方案各工序使用时间进行分析，见表1、表2。

表1 填混凝土方案工序时间表

表2 填混合料方案工序时间表

通过表1、表2的分析可知采用填混合料方案完工需要145天，采用填混凝土方案完工需要165天，因此采用填混合料方案比采用填混凝土方案更节约时间。

5.3 造价上分析

若采用填混合料方案，重新开挖后大部分料可重复利用，造价相对较低；而若采用填混凝土方案，不但方量比较大，且因国外工程的混凝土单价比较高，相应的费用比较大，重新开挖后又不能回收利用，因此填混合料方案比填混凝土方案更经济。

6 稳定分析

采用填混合料方案存在一个重要问题，即在回填料开挖过程，底部2 m长的混凝土能否承担空腔回填体的重量，也即是说空腔回填混凝土的稳定是否满足要求，是此方案的关键所在，因此需要通过计算进行深入分析。

6.1 受力分析

从图3填混合料方案可知，空腔回填体（2713m3）主要依靠下部衬砌2 m长的混凝土承重，上部左侧依靠9 m长衬砌拱圈支撑。

6.2 荷载计算

因底部混凝土仅浇筑上半圆部分部分，所以可简化成180°拱，承受回填混体的全部荷载。由隧洞衬砌体型可知：拱的厚度为0.8 m；拱半径为4.4 m；沿洞轴线拱长为2 m。计算简图见图4。

图4 隧洞衬砌拱圈计算简图

6.2.1 荷载计算

（1）空腔回填体自重

T=2713×24=65112kN。

（2）180°拱线荷载

F=T/2 L=65112/（2×8.8）=3670kN/m。

其中，L为拱水平投影长度，L=2×4.4=8.8 m。

6.2.2 稳定计算

简化后的模型可根据《理正岩土计算5.1版》软件进行稳定分析。

（1）通过软件初步计算发现，拱脚抗剪不满足要求，因此对拱加柱子，从而缩短拱长度及计算角度。

（2）第二次计算可知，各部位抗剪均满足要求，其他项也均符合要求。

6.2.3 结果分析

通过计算结果可知：在底部开挖过程，底部2 m长的半圆形混凝土完全可支撑住塌腔部位回填的混凝土，因上部拱圈也承受部分荷载，模型计算偏安全考虑，所以回填混合料方案稳定可靠。

7 结论

该水电站在竖井施工过程遇到很多困难，围岩差、施工安全风险大、进度缓慢，严重制约发电目标，特别是竖井下弯段数次塌方后，针对塌方的处理，选取既要满足安全要求又要加快施工进度、提高塌方处理效率的方案对整个工程影响比较重大，因此本文结合现场实际情况，通过分析对比认为，填混合料方案优于其他方案，能满足安全、经济、高效等方面的施工要求，具有可行性，是最佳的施工方案。