山西省小浪底引黄工程隧洞突泥塌方施工处理

2015-07-25张君

山西水利科技 2015年3期

张君

（1.太原理工大学水利科学与工程学院太原 030024；2.山西省小浪底引黄工程有限公司垣曲 043700）

0 引言

山西省小浪底引黄工程位于运城市，是自黄河干流上的小浪底水利枢纽工程库区向山西省涑水河流域调水的大型引调水工程，引水干线总长度59.6 km。工程引调水主要用于运城市的盐湖区、夏县、闻喜、绛县、垣曲五县区工农业用水及生态补水，其中，施工Ⅲ标为工程主干线2#隧洞的一段，设计总长9 390 m，5#支洞控制主洞长3 221 m。隧洞设计断面为城门洞型，尺寸为3.8 m×5.0 m（宽×高），隧洞采用先开挖初支，后二衬注浆的方式进行施工。

1 塌方基本情况

2013年9月27 日，在引水隧洞掘进到桩号10+518时，围岩突然发生变化，岩体极破碎，面向掌子面左侧边墙至起拱线位置有褐红色土夹层，受水影响，全部泥化，不时发生滑落掉块。拱部及掌子面中部及右侧墙为结构完全破坏的泥灰质岩，岩质极软弱，手碾成粉末状，总体为松散结构；次日该部位左侧涌水量加大，伴有红泥流出，已打设好的超前导管被落石砸落，由于出水点在开挖反方向，导致泥化层不断被掏蚀，塌腔向反方向发展，长度约10 m，高度约6 m；10月2日，双层超前支护及环向钢花管支护注浆完成，当开挖至上半断面左侧拱脚部位时，开挖面开始向外涌泥水，发生大规模突泥现象，涌出距离约50 m，塌体塌至拱顶以上，初期支护遭到破坏。

2 塌方原因分析

塌方体上游接近F6马家窑地正断层，处在Ⅳ、Ⅴ类围岩的交界带，该断层上盘为寒武系地层，下盘为震旦系中统、下统地层，上盘地层相对下盘地层西移，断距大于100 m，断层影响带较宽。从三次坍塌突泥情况分析，该段已进入断层破碎带内，洞内观察断层走向与洞轴线方向呈小角度相交，岩体破碎，多呈泥夹块碎石状，结构松散，岩石蚀变明显，有股状水流出，通过地下水浸泡和冲蚀，导致围岩强度大为降低，使围岩失去稳定性，从而发生滑塌，是突泥坍塌产生的主要地质原因。

3 方案比选

塌方发生后，工程各参建方第一时间到达施工现场，对本次突泥塌方进行了全面查看，建管局还邀请了国内部分专家进行会诊，对本次塌方处理提出三种方案可供选择：超前小导管注浆施工方案、大管棚施工方案和迈式锚杆管棚结合高压劈裂注浆超前预支护施工方案。

（1）超前小导管注浆施工方案。具有施工速度快、成本低、操作简单等优点，但要求小导管前部未开挖岩体具有一定的自稳支撑能力。由于小导管长度较小，超前预加固范围有限，一般情况不超过6 m，加之小导管刚度较小，支撑能力较弱，对于本次突泥塌方塌腔大，结构松散，压力大的特点不适用。在本次实际施工过程中，已采用双层超前小导管超前支护，但起不到超前预加固作用。不建议用此方案。

（2）大管棚施工方案。超前大管棚有刚度大，长度长，加固范围大等优点，但其钻孔设备较笨重，占用空间大，操作不方便；同时，需扩挖工作室，施工难度较大，施工周期不能满足现有要求；由于本次突泥塌方段围岩松散，成孔困难，加之塌方段较长，每延米成本约1 500元，造价很高，超出投资可控范围。此方案不宜采用。

（3）迈式锚杆管棚结合高压劈裂注浆超前预支护施工方案。迈式锚杆具有刚度大，施工速度快，操作方便，支护质量安全可靠等优点，且用迈式锚杆超前预加固的长度较长，一般可达6～12 m，注浆加固长度范围较大，前部未开挖岩体支点经注浆后有一定的自稳能力，承受上部压力的能力较强。处理塌方段技术方案可行，安全性高，成本及施工期均在可控范围。

经过专家及参建各方的讨论，结合本次突泥塌方的实际特点，决定采取锚杆直径51 mm、壁厚8 mm、杆体刚度大、材质强度高、抗剪切力强的N51迈式锚杆管棚结合高压劈裂注浆超前预支护施工方案。

迈式锚杆管棚结合高压劈裂注浆超前预支护施工方案施工过程中需注意的几个关键环节：

（1）在施工中，掌子面必须采用锚喷支护加固，且要封闭严密。一是避免钻孔过程中岩体内大量注水引起掌子面的坍塌，二是在进行高压劈裂注浆时，避免造成掌子面受压力太大被挤出，造成失稳坍塌。三是避免注浆过程中，掌子面漏浆，压力达不到设计要求。

（2）钻孔过程中最重要的是保证钻头水孔的通畅。观测水从钻孔中流出的状态，若有水孔堵塞迹象，应后撤钻杆50 cm左右，并反复扫孔，使孔壁畅通，平稳钻进，直至设计深度。

（3）高压劈裂注浆所用浆液为水泥—水玻璃双浆液，双液浆应严格按配合比配制，并随配随用，以免时间过长，使浆液在泵、管中凝结。

（4）注浆过程中，做好安全防护措施，若出现堵管现象，应及时清理锚杆孔壁、注浆软管及注浆泵，此时若泵的压力表超出压力范围，应先卸压后拆下各接头进行处理。

（5）注浆应采取自下而上，由两边向中间的顺序进行施工。

4 塌方处理方案

根据塌方的情况和隧洞所通过的部位，塌方扩及到已开挖支护的较长洞身段。经过参建各方商讨及专家论证后，决定分成以下几个阶段对本次突泥塌方进行处理，即：稳定掌子面，加强已开挖段初期支护，强支护处理坍塌段，合理加强过渡段,加强二次衬砌。具体塌方处理流程见图1。

4.1 稳定掌子面

掌子面的稳定是防止塌方，保证施工安全的必要条件。本次突泥塌方采取了以下两方面的措施稳定掌子面：先从洞外拉石渣对掌子面进行回填，回填的石渣既可以稳定掌子面，又可兼做后期的施工平台；待回填完成后，对掌子面打设钢花管并灌浆、挂网、喷砼，喷砼厚度不小于20 cm。

4.2 加强已开挖段落初期支护

根据塌方特点分析，有产生反塌的可能，为防止反塌采取了以下处理措施：

首先，在塌方位置退后10 m范围内对已开挖支护段用I20a工字钢拱架进行加固，拱架封闭成环，拱架间距0.5 m/榀，采用3 m长Φ42锁脚锚管，每榀拱架8根，拱架纵向连接筋采用Φ25钢筋，环向间距1.0 m。其次，打设系统锚管，并对围岩进行固结灌浆，与初期支护共同形成一个2～3 m厚的承载拱。最后，挂设钢筋网片，并用喷混凝土填满拱架与岩面空隙。

4.3 强支护处理坍塌段

坍塌段处理前，首先查看掌子面回填及喷护的素混凝土是否安全稳定，待塌体稳定后，再着手进行坍塌段处理。

4.3.1 支护参数

本次突泥塌方对坍塌段采用的主要支护参数如表1所示：

表1 坍塌段处理支护参数

4.3.2 支护方法

坍塌段支护主要分为超前支护和结构支护两部分。超前支户见图2。结构支护见图3。

1）超前支护

超前支护采用N51迈式锚杆管棚结合高压劈裂注浆。首先，在掌子面打设Φ42超前小导管，长6 m，间排距1×1（m）；挂钢筋网喷射50 cm厚C20混凝土，待达到一定强度后，对掌子面进行高压劈裂注浆，浆液采用水泥-水玻璃双液浆，水灰比0.5，水玻璃按水泥浆液体积的50%。注浆顺序：从下往上注，纵向每5 m施工一次。

然后，打设迈式锚杆管棚。迈式锚杆选用直径N51 mm，壁厚8 mm，长度为9 m，环向间距20 cm，纵向搭接3 m；打设范围为起拱线以上的拱部；角度与水平夹角不超过5°。之后，施作1 m长的导向墙，采用3榀I20a工字钢拱架施作，拱架立好后，喷射厚50 cm的C20混凝土，导向管直径150 mm。

最后，待迈式锚杆管棚打设完成后，封闭管口，进行高压劈裂注浆，浆液采用水泥-水玻璃双液浆，水灰比0.5，水玻璃按水泥浆液体积的50%。

2）结构支护部分

结构支护部分按以下步骤进行：

（1）注浆完成并达到一定强度后，开始开挖，开挖采用弧形导坑留核心土法。由于该段为大断层影响带，开挖半径在原设计V级断面基础上放大20 cm，包括预留10 cm收敛变形量。

（2）由于该段为断层破碎带且有涌水，围岩松散不能自稳，拱部岩块易从管棚间滑落，边墙易滑塌失稳。因此，拱部在每两根锚杆之间，打一根Φ42钢花管，角度60°，管长5 m，边墙也打设超前注浆钢花管，环向间距20 cm；范围：墙脚以上1 m至起拱线，两侧都要打；角度60°，管长5 m，每米施作一环。其作用主要有三方面：a）起到对松散围岩注浆固结的作用；b）起到超前支护的作用；c）与拱架联合起到系统支护的作用。

（3）支护钢拱架，钢拱架采用I20a工字钢，间距：0.5 m/榀，锁脚采用3 m长Φ42注浆锚管。

（4）全断面挂设钢筋网，网格间距15 cm×15 cm，钢筋型号Φ8。

（5）喷射混凝土厚26 cm，强度标号C20。

（6）由于基底岩层同样为松散体，承载力较低。因此，初期支护增加仰拱与拱墙闭合成环，仰拱采用C25模筑混凝土，厚30 cm，基底开挖加深30 cm。

4.3.3 支护效果

采用上述方法对塌方段进行支护完成后，经过定期监控量测分析及地质雷达检测，收敛变形均在允许范围之内，证明了本次塌方处理方案是合理可行的。