金窝水电站引水隧洞涌水塌方段处理技术

孙近福

(辽宁省汤河水库管理局,辽宁 辽阳 111000)

1 工程概述

金窝水电站位于大渡河中游右岸支流喇嘛沟河段上，地处四川省雅安市石棉县，该电站是田湾河水力资源梯级开发中的第三级，是一座引水式电站。电站装机2台，单机容量140 MW，总装机容量280kW[1]。该水工隧洞开挖断面呈马蹄形，开挖尺寸为4.40×6.20 m。隧洞轴线方向为S83°55ˊ33"E，垂直埋深160-600 m，岩性为二叠系上统浅变质云母石英岩片岩，呈中厚层状，岩层产状为EW/S∠65°-N80°W/SW∠70°。其中层面裂隙除外，主要发育3组构造裂隙：①N10°E/NW∠72°-75°；②N20°E/SE∠85°-75°；③SN/E∠25°。该段洞线与地层呈小角度相交，岩石较新鲜，但受层面裂隙及构造裂隙的切割，岩体多为中厚层状一镶嵌结构，围岩以Ⅲ类为主，Ⅳ类次之[2]。

2 塌方情况描述

引水隧洞开挖至7+363时，顶拱出现一断层，断层周边岩体破碎，受地下水影响(掌子面出水量达2700-2000 m3/h)，在断层揭露后，断层中先有呈泥夹石状的散体物流出，随后边顶拱及掌子面塌方、掉块现象十分严重。在塌方初期，我部对塌方体进行了清运，由于塌方处涌水较大，塌方越来越频繁，块体越来越大，单块达4 m3以上，顶拱及右侧边墙塌落高度及深度达15 m左右的空腔，形式如图一所示，并造成3榀钢支撑被砸坏[3]。为确保施工安全及避免塌方块体对支护段造成更大破坏，首先对已支护段钢支撑进行加固处理，并在右侧开挖一导洞进行排水。考虑到该段岩体裂隙发育，岩块间夹泥，受水流冲刷后，结构松散。对塌方段采用管棚超前支护的施工措施[4]。

3 处理措施

结合引水隧洞塌方情况，对塌方段按以下步骤进行处理：①对塌方体进行装运，查明塌方段具体情况；②增加Φ25，L=3.5m的随机锚杆对引7+363-7+390段钢支撑进行加固，喷C20混凝土对钢支撑及掌子面塌方体进行封闭(包括由于塌方造成钢支撑侵占断面的部位)，防止掌子面塌方范围进一步扩大；③沿着水流，良好的岩体位置，斜向上由右侧边墙打一导洞至右侧掌子面，以此方法导排渗水，导洞尺寸为宽2×2m，依据围岩具体情况采取锚杆、管棚、钢支撑等方式支护同时对空腔进行回填，保证施工安全[5]；④在掌子面涌水减小后，对塌方空腔用C20混凝土进行回填；⑤采用管棚支护，对塌方岩体进行固结；⑥视灌浆效果，在塌方体进行开挖清运前，应对相邻已支护段增设钢支撑及锚杆进行加固处理，钢支撑跟进支护，同时喷C20混凝土对掌子面及时进行封闭；⑦在第一个塌方段完成施工后，首先钻孔并且预埋灌浆导管，加固边墙保证稳定，下一循环按同种施工方法进行施工，采取0.5m间距的钢架进行支撑，架立钢支撑前，应喷射C20混凝土对掌子面进行封闭喷层厚度为10 cm；⑧上述工序完成后，根据围岩情况选用Φ25，L=5 m锚杆进行超前支护，锚杆间距范围为0.4 -0.5 m，同时完成钢架支撑，间距0.5 m，同类型岩石情况均采取该方法。⑨在进行塌方段引水隧洞永久衬砌前，应对塌方段边顶拱进行固结，再将侵占设计断面的钢支撑进行拆除；⑩导水洞在引水隧洞衬砌前，利用φ530 mm钢管(配相应蝶阀)将水引出，并根据需要埋设灌浆管，再对导洞采用C20混凝土回填及灌浆处理。

4 施工方法

4.1 塌方体清运

由于塌方段渗水量较大，在洞内积成泥石流状，对此我方采用ZL50装载机配合一辆20 t自卸车及两辆10 t自卸车对塌方体进行了装运，渣料运至蝶阀室交通洞洞外渣场。

4.2 喷混凝土

采用干喷机进行喷射作业，混凝土在蝶阀室交通洞外进行拌制，采用ZL50装载机运料。由于洞内积水较深，为方便施工，在洞内搭设钢架平台放置喷射机，直接用装载机料斗堆放喷射料。

4.3 锚杆施工

首先采用手风钻(YT28型)进行造孔，然后进行锚杆安装，锚杆使用的药卷浸水约2.5min，插至孔底，并且及时将锚杆插入，进行搅拌约30-60s。

4.4 钢支撑施工

钢支撑根据断面尺寸分段制作，顶拱分1段，左右边墙各1段(边墙钢支撑根据实际情况现场切割，待底部堆渣清理完成后再延长至底板)。钢支撑采用h=20cm工字钢制作而成，钢支撑的定位利用锚杆进行，可将钢支撑调整合适后焊在锚杆上。钢支撑段间拼装采用焊接形式，接头先行对焊，然后在腹板两侧、下翼缘绑焊Φ25钢筋加强。

4.5 开挖

在进行塌方体清理时，可采用装载机配合人工进行开挖，若需爆破，应严格控制装药量，降低爆破振动影响。在进行全断面开挖时，爆破钻孔深度不超过1m，单段起爆药量不超过7kg。开挖渣料用ZL50装载机在4#支洞与主洞相交处装20t自卸汽车运往洞外渣场。对于导水洞，在钻爆后人工利用锄头、锹进行扒渣，将石渣扒至主洞内，再采用ZL50装载机装运至洞外渣场[6]。

4.6 导水洞安全支护

导水洞开挖应视围岩情况采用钢管棚、h=20 cm的钢支撑、Φ25，L=2 m或1.5 m锚杆进行支护。由于导水洞涌水量较大，无法喷混凝土对围岩及钢支撑进行封闭，在钢管棚上铺设木材，钢支撑利用钢筋及型钢进行加固，同时在钢支撑外围采用块石进行填充，以减少顶部岩石塌方对钢拱架的冲击。

4.7 空腔混凝土回填

在塌腔内沿轴线方向预埋2根φ125 mm泵管，泵管埋设尽可能贴近塌腔顶部，并根据需要埋设灌浆管，为增强回填混凝土的承载力，在空腔内放置一些工字钢及钢筋，堆渣与顶部空腔采用木模进行封堵。混凝土采用JDY350搅拌机现场拌制，人工上料，利用HB-80混凝土输送泵入仓，由于空腔内无法振捣，混凝土采用C20一级配[7]。

4.8 管棚及边顶拱固结灌浆

管棚布置在隧洞顶拱150度范围内，用地质钻机钻孔，孔径为130 mm，孔间距0.4 m，然后采用偏心钻向钻孔内压入钢管而形成钢管群体。为增加钢管的刚度，向钢管内插入钢筋并注入水泥浆，钢管采用ф114×10热轧无缝钢管。示意图见图1。

图1 管棚布孔示意图

4.8.1 施工工艺

塌方段管棚施工的工艺流程如图2所示。

图2施工工艺示意图

4.8.2 测放孔位

按设计要求与结合现场实际情况测放孔位。

4.8.3 管架平台搭设

1)搭设的架管平台要有足够的强度，平台应满足钻机施工的需要。

2)分层搭设顶拱的平台，确保钻机有足够使用空间。

4.8.4 钻机就位

牢固安放好钻机的位置，确保管棚的质量。

1)钻机安装保证位置准确、平稳固定。

2)试运转钻机，校核开孔钻具轴线和开孔角度。应卡牢钻机，然后紧固螺杆。

4.8.5 钻孔及跟管

4.8.5.1 钻孔基本技术参数

1)孔径：直径130mm或114mm。

2)开孔角度：处于由隧道半径和隧道中心线所构成的平面内，且向外呈发射状与隧洞中心线呈5。-10。的夹角。

3)孔深：根据实际地质情况进行钻进，孔深3-9m。

4.8.5.2 钻孔及跟管

采用回转跟管钻进，此方法适用于岩体破碎，坍孔、卡钻现象严重的洞段[8]。

1)设备：300型地质钻机。

2)机具：ф114合金钻头，ф130合金钻头。

3)钻进方法：先用ф130钎头超前钻进掏孔，再采用ф114合金钻头边回转钻进边跟管。

4.8.5.3 套管

1)ф114热轧无缝钢管，壁厚10mm，长度1.5m。

2)钢管管身设置ф8 mm间距20cm呈梅花形布置的出浆孔。

4.8.6 注浆

1)钢筋束下入结束后，即可通过导管中的插入的注浆管进行注浆。

2)设备机具：100/3.5砂浆泵，100/10灌浆泵3SNS。

3)浆液材料：不低于32.5的普通硅酸盐水泥，为防止浆液流串过远，造成大量的浆液浪费，可掺入浆液量0.5%-3%的水玻璃、适量液体速凝剂和细砂。

4)浆液水灰比：1:1、0.5:1(重量比)。

5)注浆压力：0.5-1.2MPa。

6)注浆操作：先用1∶1稀浆湿润灌浆通道后，换用0.5∶1浓浆间歇灌注。注入率小于5L/min时持续灌注10min即可结束。

4.8.7 管棚顶部及边墙灌浆

利用混凝土回填预埋的灌浆管对上部墟渣进行固结灌浆，对于边墙部位可采用手风钻钻孔埋设灌管，孔深3m。灌浆采用P.O.32.5水泥，水灰比为0.5:1，并掺入浆液量0.5%-3%的水玻璃及适量液体速凝剂。

4.8.8 下钢筋

在完成管棚注浆结束前，在管内插入ф32钢筋采用浓浆进行封孔。

4.9 钢支撑拆除

顶拱进行钻孔，孔径50mm，孔深4m，埋设孔口管对围岩进行固结灌浆，待7天强度后才能进行钢支撑拆除。首先将钢支撑覆盖的混凝土人工凿除，再将侵占断面的钢支撑用电焊或气焊割除。

4.10 导水洞封堵

导水洞内φ530mm排水钢管分节在导洞内进行组装，接头采用胶皮绑扎连接，在进行导流前，应根据洞内垮塌情况在高处埋设φ48mm回填灌浆管及排气管。之后在钢管接头两端采用编织带装喷混凝土料搭设围堰作为两端模板(里侧围堰应搭至拱顶)，再进行水下混凝土浇筑，使水完成通过排水钢管引出。导水洞采用分段进行封堵，每段长度不大于10m，并分段埋设灌浆管及排气管，对已浇筑段上部空腔进行回填灌浆，最后在导水洞出口所处仓位衬砌时，先将排水管阀门关闭，再进行该段混凝土衬砌[9]。

5 施工安全措施

1)塌方段结构断面内施工时设专人观察安全，一经发现不安全状况，马上通知人员撤离。

2)施工现场做好照明工作，使施工人员能对现场状况能够清楚地观察。

3)开挖时严格控制循环进尺，坚持分部开挖及支护，并注意观察。

4)为避免掌子面出现塌滑，要求对掌子面及时进行喷混凝土封闭。

5)由技术人员对施工人员进行技术交底，使其清楚施工程序、施工方法、注意事项。

6)每道工序实施后由现场管理人员进行检查，合格后方可进行下一道工序。

7)严禁强令冒险作业和违章作业。

6 结 语

隧洞施工受复杂地质情况影响，时常遇到塌方事故。若发生坍塌事故，首先对周边位置采取必要加固措施，放置塌方继续进行，确保一个安全的工作环境。与此同时，应及时组织人员对塌方事故进行调查，确定造成塌方的原因，塌方位置岩石的性质，地质情况及地下水的情况，根据调查过程得出造成塌方的原因，及时制定出可行的塌方处理方案。本次引水隧洞塌方处理所采用的管棚超前支护方案，取得了良好的处理效果，确保了后期工程的顺利进行。

[1]杨红星,梁川,廖书杰,冶学斌,沈强.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(05):30-33.

[2]王正哲,赵云.某水电站泄洪隧洞塌方原因分析及教训[J].水利规划与设计,2010(02):52-54.

[3]王全玉,周利全.运用CFG桩处理水工隧洞塌方的技术措施[J].人民长江,2013(12):63-65.

[4]孙小利.某水电站导流洞特大型塌方的处理[J].水利规划与设计,2010(06):60-61.

[5]胡建春.长河水电站引水隧洞塌方处理方案探讨[J].科技通报,2013(02):112-114.

[6]黄友富.金盆水库溢洪洞不良地质洞段塌方处理[J].水利规划与设计,2012(06):45-46.

[7]王晓春.党顺水电站引水隧洞塌方处理[J].中国农村水利水电,2009(12):156-157.

[8]王娟,李远征,王立.金家坝水电站引水隧洞地质塌方处理方案分析[J].水利技术监督,2013(05):46-49,67.

[9]高素丽.辽阳市水资源开发利用和管理保护对策[J].水土保持应用技术，2011(04)：45-47.