对一条破损失修引水隧洞的除险加固

2015-04-05卿捷

山西水利科技 2015年3期

卿捷

（山西省水利水电勘测设计研究院监理公司山西太原 030024）

1 工程情况

某引水隧洞始建于上世纪70年代。隧洞全长15 km，由1#至4#斜井及主隧洞构成。隧洞结构型式为城门洞型，宽2.6 m，高2.36 m，设计纵坡为1.5‰，无压运行，设计引水流量4 m3/s。引水隧洞经过近四十年的运行出现大面积塌方、变形等危险情况，需要进行除险加固。经参建方洞内踏勘调查，可见到围岩地层岩性的隧洞破坏段可分为以下两类:

一类为2#至4#斜井间洞段，破坏洞段均仅做了喷混凝土（未见锚杆），可见围岩岩性基本为浅紫红色粉砂岩、砂岩夹薄层、中厚层紫红色泥岩，岩层产状平缓，发育有近平行于洞轴线的平直光滑的高角度构造节理。几处塌方较大处，紫红色泥岩受地下水的影响均已泥化成泥，且泥化泥岩均位于洞顶拱肩处，加之不利的节理组合，是导致顶板塌落和侧壁滑塌的主要地质因素。

另一类为4#斜井以下至出口段，破坏洞段均做了浆砌石衬砌，可见岩性基本为灰色、灰绿色、绿灰色泥岩，受抢险临时支护遮挡影响，岩层产状及节理发育总体情况不详。破坏规模较2#至4#斜井间洞段要大，其中破坏规模最大处，可见塌落围岩破碎严重，破碎岩块粒径一般仅0.05～0.3 m，围岩塌落拱高度约5.0 m。分析围岩本身岩质软弱、岩体完整性差，是导致顶板塌落、侧壁滑塌、和底板隆破的主要地质因素。

2 除险加固部位的选择

输水洞除险加固施工过程中要充分考虑施工中隧洞作业空间小、光线差的特点及冒顶塌方风险大等各种不利因素，需要制定严密的安全施工技术措施。根据现场查斟情况决定对引水隧洞损毁较严重的10段5 000 m洞段进行加固处理。

3 除险加固措施

其主要工程内容为：清淤、钢筋混凝土衬砌、钢拱架支护、固结灌浆、回填灌浆等。

3.1 隧洞塌落石方清理及浆砌石拆除

由于引水隧洞出现的多处大面积塌方、变形，造成隧洞淤积，部分地段积水深度达到2 m以上，首先需要进行的是排水、清淤。水位降下去后及时对塌落石方进行清理和破损浆砌石拆除。

3.2 施工地质编录

施工地质主要包括：地质编录、测绘、取样与试验等。

随着洞身石方的掘进，技术人员要对洞身段测绘洞壁地质剖面图和部分横断面图，通过地质编录和测绘，检验前期地质勘察资料，预测可能出现的地质问题，参考研究围岩的支护及堵水处理措施，选取有代表性洞段安排一定数量的取样和试验工作，全面搜集围岩地质资料，修订洞室围岩分类，核定围岩的各项物理力学参数。并采用不同围岩类别洞段代表性岩石标本备查。

3.3 施工安全保证措施

1）已经塌落的石方直接装渣运至洞外。

2）清理洞顶洞壁危石时须加强安全防护，设安全拱棚；围岩较差洞段采用随机锚杆及进行喷锚支护，开挖一个循环后及时对开挖断面和掌子面初喷混凝土封闭，尽快形成拱圈，以保证开挖后的稳定；同时初期支护应尽快封闭成环，一方面改善其受力条件，另一方面减少拱顶的沉降量。由于主洞所处地层结构为砂层及砂卵石夹层地层较为松散，为保证后期工作面稳定，必要时设钢拱架支护或进行二期混凝土浇筑。

3）洞内浆砌石及岩石拆除严禁使用爆破。隧洞清理后及时进行锚杆支护，做到短进尺、快支护、强支护、紧封闭、早喷锚、勤观测，稳步前进。对于第三、四段在锚杆支护、衬砌前要安设钢拱架支护。

4）利用支拱用的工作台架，作为临时防护，工作人员在台架下施工可以提供安全保障。

5）进行石方清理及浆砌石拆除作业时，现场配备专职安全员指导施工，对发现的危石、未能引爆的雷管炸药等安全隐患要及时排除，必要时停止施工，确认安全隐患排除后再继续施工。

3.4 支护工程

支护工程主要包括洞身锚杆、锚筋、钢拱架的施工。部分地段需拆除原木支撑：拆除木支撑前采用20a型工字钢在原木支撑的基础上进行洞顶、洞壁全支撑，钢支撑间距视情况为0.5～1.0 m。锚杆为Φ25、伸入基岩2.5 m。

洞内支护与洞身清理交叉进行，并应在每一开挖循环完成之后立即进行，清理一段，支护一段。清理的进尺根据现场地质条件确定，围岩稳定性差时，采取短进尺，限制循环进尺。对围岩稳定性很差洞段，更要及时支护，清理后立即喷混凝土封闭岩面，控制围岩变形，然后立钢拱架、安装锚杆、再挂网喷混凝土。对破碎、松散自稳性较差的围岩，采取超前锚杆或管棚注浆等方法加固岩体后进行清理作业。

1）锚杆施工

引水隧洞除险加固的锚杆安装按照随机锚杆与固定锚杆相结合的原则进行施工。锚杆施工采用先注浆后插锚杆的方式进行，施工程序为：清除危岩→喷第一层混凝土→造孔→注浆→插锚杆→待凝。

斜向上及垂直向上的锚杆后注浆法施工程序为：测量定位→造孔→洗（冲）孔→安装锚杆→灌注水泥砂浆→检测。

锚杆的孔深不小于杆体有效长度，且不大于杆体有效长度30 mm，锚杆的端部必须推至眼底，锚杆尾部外露长度不大于30 mm，锚杆孔内的岩粉必须吹洗干净。锚杆孔的轴向偏差不大于5°。拉拔力试验：在施工28 d后隧洞的支护锚杆，按连续作业面每100根锚杆随机抽查三根进行拉拔力试验。

锚杆安装完成后需要逐根编号，列表汇总，并绘制详细锚杆位置图存档。

2）初支背后回填灌浆

对存在的软弱、破碎围岩时，采取间距0.5 m的20a型钢拱架加强支护；施工时首先在顶拱范围内采取Φ25 mm、L＝4.5 m、间距为0.5 m超前锚杆支护，锚杆仰角为22°～25°，钢支撑顶拱与超前锚杆相连，两侧与系统锚杆连接，纵向采用Φ25间距0.9 m连接筋。进洞时，在完成坡面支护和锁口锚杆后，进洞前先安装一榀钢拱架，钢拱架紧贴岩面，用锚杆固定，在钢拱架拱部外缘制安超前锚杆，在钢支撑和超前锚杆的支护下，对原木支撑拆除。在隧道初期支护成环后，要及时对已成环的部分进行初支背后注浆。根据设计图纸要求，在初支拱部的背后预埋注浆管。初支背后注浆浆液采用单液水泥浆，采用分序注浆，先稀后浓，自低向高方式。回填灌浆压力为0.2～0.3 MPa，在此规定的压力下，灌浆孔停止吸浆，延续灌注5min即可结束。

初支背后回填灌浆的目的是填充支护背后的空隙和加固因施工而被扰动的土体，从而减少地层和地表沉降，控制支护的变形，并作为封堵地下水的一道防线。回填灌浆在初支喷混凝土达到设计强度后进行。

3）钢拱架加工

钢拱架在洞外工作台上加工，加工前必须抽取试件，经过试验，符合设计及施工规范规定的力学性能和工艺性能。

按设计加工好钢拱架的各单元钢架后，组织试拼，检查钢架的尺寸是否合格。平面翘曲允许偏差20 mm。

钢架每单元加工成型后应标注类型及单元号，分类堆放在成品区并有防雨措施。

型钢焊接所用的焊条、性能、焊剂的牌号以及接头中使用的钢板要符合有关规定。钢架的焊缝、焊接接头满足规范要求，相邻型钢接头按要求错开。

钢筋焊接前，由有特种作业证书的焊工在工地进行试焊。并对试焊型钢进行拉拔试验，试验合格后进行下一道工序。

4）钢拱架的安装

钢拱架安设前要检查掌子面开挖断面，清除钢拱架底脚处虚渣，对欠挖或超挖部分采取垫方木、型钢或挖除进行高差调整。

钢拱架加工好编号，分片运至洞内拼装，必要时进行洞外试组装确保拱架外缘混凝土保护层厚度，也可在洞外组装成型后运至洞内，但要拧紧螺栓。对钢拱架和围岩之间超挖的空隙填设混凝土垫块。

钢拱架校正后，沿拱部将钢拱架与初喷面楔紧，确保拱架的稳定。

当存在软弱、破碎围岩时，采取间距0.5 m的20a型钢拱架加强支护；施工时首先在顶拱范围内采取Φ25 mm、L＝4.5 m、间距为0.5 m超前锚杆支护，锚杆仰角为22°～25°，钢支撑顶拱与超前锚杆相连，两侧与系统锚杆连接，纵向采用Φ25间距0.9 m连接筋。进洞时，在完成坡面支护和锁口锚杆后，进洞前先安装一榀钢拱架，钢拱架紧贴岩面，用锚杆固定，在钢拱架拱部外缘制安超前锚杆，在钢支撑和超前锚杆的支护下，在对原木支撑及破损浆砌石拆除。