羅亞偉

(中國(guó)水利水電第七工程局第三分局 郫縣 611730)

1 前言

小型水利水電工程供水隧洞斷面通常都比較小，一般采用全斷面掘進(jìn)法進(jìn)行開(kāi)挖。對(duì)于比較松軟的圍巖，特別是IV類(lèi)以上圍巖，自身穩(wěn)定性差，隧洞成形很困難，工程實(shí)際中要求采用邊挖邊襯的工程措施。目前，國(guó)內(nèi)處理塌方體的方案通常有盾構(gòu)法、管棚法和臺(tái)階法。根據(jù)塌方段圍巖及破碎堆積石渣的圍巖壓力、地下水壓力等因素，引水隧洞塌方可采用超前管棚法［1］，［2］;隧洞塌方段圍巖為 V 類(lèi)，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈的引水隧洞可采用臺(tái)階法［3］。施工采用自進(jìn)式錨桿解決了鉆孔后鉆孔塌孔無(wú)法安裝鋼筋錨桿的問(wèn)題，安裝后直接利用錨桿中間孔作為灌漿的通道對(duì)塌方土體進(jìn)行固結(jié)灌漿，提高了塌方體自拱自穩(wěn)能力［4］。在軟弱圍巖條件下，采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿技術(shù)，無(wú)論支護(hù)剛度、強(qiáng)度還是預(yù)支護(hù)效果很好，且施工進(jìn)度快、簡(jiǎn)單易行、方便靈活［5］。本文以色爾古水電站引水隧洞塌方為例，介紹了小導(dǎo)管固結(jié)，工字鋼加掛網(wǎng)支護(hù)、自進(jìn)式錨桿等方法相結(jié)合的處理方案及預(yù)防措施，為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)、施工及塌方處理提供了依據(jù)。

2 概況

色爾古水電站引水隧洞布置于黑水河右岸，引水至赤不蘇溝溝口上游左岸地下廠房發(fā)電，引水隧洞全長(zhǎng)約10.191km，斷面為圓形，內(nèi)徑9.0m，進(jìn)水口底板高程1849.0m，引水隧洞全線采用鋼筋混凝土襯砌，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖段的襯砌厚度分別為40cm、50cm、80cm。Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖段周邊進(jìn)行固結(jié)灌漿，隧洞進(jìn)行頂拱回填灌漿。

首部樞紐工程和引水隧洞K0－005m～K1+880.00m段工程施工中，1號(hào)施工支洞總長(zhǎng)466.5m，支洞和主洞相交樁號(hào)為:K0+841，上游引水隧洞長(zhǎng)度為846m，下游引水隧洞長(zhǎng)度為1039m。

2007年10月29日上午7時(shí)40分1號(hào)支洞上游混凝土襯砌工作面發(fā)生大規(guī)模塌方，塌方樁號(hào)為K0+135～K0+175，共約40m，石碴將整個(gè)洞室完全封死，從塌方體外側(cè)看不到頂部空腔。塌方發(fā)生后，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析論證，發(fā)現(xiàn)該部位處理有以下施工難點(diǎn)和需要克服的問(wèn)題:

a.塌方體長(zhǎng)度較長(zhǎng)，達(dá)到40m，塌方石碴將開(kāi)挖支護(hù)臨時(shí)系統(tǒng)壓毀，將塌方部位洞段全部充填封堵;

b.塌方高度較大，且有滲水，圍巖為炭質(zhì)千枚巖，遇水軟化，暴露部分及處理過(guò)程易繼續(xù)發(fā)生塌方，安全隱患大;

c.受塌方影響范圍廣，其上下游已臨時(shí)支護(hù)的工字鋼變形、扭曲，尤其是塌方體下游側(cè)，扭曲變形嚴(yán)重部位洞段長(zhǎng)度達(dá)到10m，變形量在60～100cm，說(shuō)明受塌方影響極大，如若清理塌方石碴則繼續(xù)垮塌的危險(xiǎn)性極大。

通過(guò)技術(shù)方案比較，采用小導(dǎo)管固結(jié)，工字鋼加掛網(wǎng)噴護(hù)，自進(jìn)式錨桿鎖定等方式，順利完成了塌方處理，并取得了理想的效果，現(xiàn)總結(jié)如下:

3 塌方處理方案

3.1 塌方原因分析

本項(xiàng)目開(kāi)挖采用上下半洞開(kāi)挖，混凝土襯砌采用全圓鋼模臺(tái)車(chē)，且在混凝土襯砌前才將下半洞預(yù)留部分開(kāi)挖，該洞段圍巖為V類(lèi)，巖性為碳質(zhì)千枚巖、砂質(zhì)千枚巖，巖石破碎并有地下水滲透，卸荷相對(duì)強(qiáng)烈，炭質(zhì)巖遇水易軟化，自穩(wěn)能力極差。在塌方洞段上游進(jìn)行混凝土澆筑后應(yīng)力重新分布，塌方洞段整體失穩(wěn)，塌方前預(yù)兆極不明顯，以上情況是本次塌方發(fā)生的主要原因。

3.2 塌方情況

塌方體上下游圍巖均為V類(lèi)，塌方體將整個(gè)洞段完全封閉，同時(shí)擾動(dòng)上游3m;下游10m范圍初期支護(hù)的工字鋼扭曲變形較為明顯，此范圍之外的洞段不同程度發(fā)生變形。通過(guò)6m鉆桿施鉆對(duì)塌方體下游側(cè)頂部石碴的探測(cè)，鉆桿鉆盡鉆頭仍然在塌落石碴內(nèi)，說(shuō)明開(kāi)挖線以上石碴厚度大于5m。

3.3 塌方體影響段處理

待塌方洞段圍巖基本穩(wěn)定，沒(méi)有明顯垮塌聲響，不再發(fā)生垮塌時(shí)，先著手進(jìn)行塌方影響段處理。塌方影響段已將上半洞臨時(shí)支護(hù)鋼支撐延伸到下半洞開(kāi)挖線以外相對(duì)完整的巖體上，然后對(duì)塌方部位前后段受到影響的地段進(jìn)行固結(jié)加固處理，主要是1號(hào)洞上游K0+180～K0+240m段，共計(jì)60m，采取拱頂140°范圍進(jìn)行6m深的徑向小導(dǎo)管固結(jié)灌漿。小導(dǎo)管采用φ48鋼管制成花管形式，花管孔縱向間距25cm，梅花形布設(shè)。安裝小導(dǎo)管前必須由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員驗(yàn)收孔深、孔斜、孔位和管長(zhǎng)。小導(dǎo)管灌漿先進(jìn)行試驗(yàn)孔施工，由試驗(yàn)人員現(xiàn)場(chǎng)旁站，根據(jù)吃漿量和周?chē)鷰r體變化情況確定后期灌漿參數(shù)，最終灌漿壓力控制在0.35MPA以?xún)?nèi)。為保證固結(jié)效果和質(zhì)量，對(duì)初期支護(hù)噴射混凝土已經(jīng)開(kāi)裂的部位進(jìn)行補(bǔ)噴。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間情況在塌方影響段破碎部位增加L=6m深的自進(jìn)式錨桿，同時(shí)加工“L”型φ22鋼筋，將自進(jìn)式錨桿和工字鋼滿(mǎn)縫焊接牢固。具體見(jiàn)圖1。

圖1 塌方影響段支護(hù)橫斷面

塌方鎖口段樁號(hào)下游側(cè)為K0+180～K0+174m和上游段K0+135～K0+132m段，下游段工字鋼扭曲變形較大，頂部圍巖受塌方體影響呈碎塊狀堆積，必須對(duì)該段進(jìn)行加強(qiáng)處理方可保證塌方處理施工安全。為了保證塌方處理安全，在該洞段施工小導(dǎo)管前先增加6～8榀I20b工字鋼支撐，工字鋼架設(shè)在變形嚴(yán)重和塌方處理起始點(diǎn)部位，工字鋼架設(shè)完畢后再施鉆小導(dǎo)管。小導(dǎo)管型號(hào)為φ50的無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度L=6m，環(huán)向間距20cm，上層傾角30°～45°(建議該導(dǎo)管角度放大到45°，保證固結(jié)范圍、效果，同時(shí)也在搭接長(zhǎng)度范圍之內(nèi))，下層縱向傾角10°～15°左右，基本保證上下兩層鋼管前端位于同一截面上?？v向2.5m一個(gè)循環(huán)，最小搭接1.7m;為保證固結(jié)效果和質(zhì)量，對(duì)初期支護(hù)噴射混凝土已經(jīng)開(kāi)裂的部位進(jìn)行補(bǔ)噴。影響段破碎部位增加L=6m深的自進(jìn)式錨桿進(jìn)行局部加固，錨桿施鉆角度為徑向。鎖口部位支護(hù)見(jiàn)圖2。

3.4 塌方段處理

圖2 鎖口部位支護(hù)

塌方處理前，為減小加固施工處理高度，用石碴將下導(dǎo)坑填平到原上導(dǎo)坑支護(hù)拱腳的位置(下半洞160°范圍)，這樣自制的加固施工臺(tái)車(chē)和巖面之間的距離減少，降低支護(hù)高度，增加施工安全性。其次，檢查鎖口段支護(hù)是否有效，確認(rèn)安全的情況下再開(kāi)始塌方體部位的處理。由于本塌方體塌方空間過(guò)大，石碴堆積高度較大，如果采取清除石碴，則會(huì)對(duì)已經(jīng)基本穩(wěn)定的塌方體產(chǎn)生新的擾動(dòng)，開(kāi)挖過(guò)程安全隱患大，同時(shí)塌方體處理安全隱患極大，施工人員安全沒(méi)法保證。為此四方會(huì)議討論采用支護(hù)時(shí)將石碴開(kāi)挖尺寸比初期支護(hù)斷面大0.5～0.55m支護(hù)，該方法采用鋼拱架+掛網(wǎng)+噴護(hù)+系統(tǒng)錨桿和超前小導(dǎo)管聯(lián)合支撐的方式進(jìn)行處理。開(kāi)挖支護(hù)程序如圖3所示。

圖3 開(kāi)挖支護(hù)程序示意圖

3.4.1 塌方體開(kāi)挖前的準(zhǔn)備

待影響帶加固處理完畢穩(wěn)定后，從1號(hào)洞上游面K0+175未坍塌處(工字鋼坍塌末端后退3～4m)對(duì)塌方松碴體方向進(jìn)行雙層超前小管棚固結(jié)灌漿，小導(dǎo)管型號(hào)為φ50的無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度L=6m，環(huán)向間距20cm，上層縱向傾角30°～45°(該導(dǎo)管角度可以放大到45°，保證固結(jié)范圍和效果)，下層縱向傾角10°～15°左右，基本保證上下兩層鋼管前端位于同一截面上?？v向2m一個(gè)循環(huán)，最小搭接1.7m;待灌漿強(qiáng)度達(dá)到要求后，按照1.0m左右的進(jìn)尺進(jìn)行塌方體開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程中必須保留核心土，分臺(tái)階、分塊實(shí)施，并及時(shí)進(jìn)行下導(dǎo)坑支護(hù)。

3.4.2 塌方體開(kāi)挖

3.4.2.1 頂部開(kāi)挖

塌方體開(kāi)挖首先從石碴頂部開(kāi)始，頂部開(kāi)挖最大高度控制在2m左右，開(kāi)挖采用風(fēng)鎬鑿除，鑿除深度控制在0.5m左右，邊開(kāi)挖邊對(duì)開(kāi)挖面進(jìn)行素噴混凝土。人工開(kāi)挖的大量石碴采用液壓小反鏟鉤除。

3.4.2.2 兩側(cè)開(kāi)挖

在頂拱支護(hù)完成，同時(shí)中心臨時(shí)鋼支撐加固完成后，兩側(cè)首先采用液壓反鏟將大量石碴挖除，在靠近工字鋼架設(shè)位置人工采用風(fēng)鎬鑿除已被固結(jié)的侵占開(kāi)挖斷面的石碴，開(kāi)挖過(guò)程中及時(shí)對(duì)巖面進(jìn)行素噴混凝土。

3.4.3 工字鋼制安

采用雙榀I20b型工字鋼合成一榀進(jìn)行支護(hù)，工字鋼縱向中心距離為0.8m(雙榀與雙榀之間)，雙榀工字鋼之間采用40cm，φ22鋼筋焊接連接成整體，外側(cè)采用1.0m，φ22鋼筋將雙榀工字鋼連接成整體，并在工字鋼背側(cè)布設(shè)φ12的鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)規(guī)格15×15cm。在工字鋼和網(wǎng)片安裝完成后，噴護(hù)20cm厚的C20混凝土。

開(kāi)挖封閉完成后及時(shí)架設(shè)工字鋼I20b，工字鋼之間采用螺栓連接，架設(shè)完成的工字鋼連接節(jié)點(diǎn)處上下各設(shè)置1對(duì)L=9m，φ32自進(jìn)式錨桿對(duì)工字鋼進(jìn)行加固，自進(jìn)式錨桿和工字鋼之間采用墊板與工字鋼滿(mǎn)焊連接。

3.4.4 小導(dǎo)管施工

小導(dǎo)管型號(hào)為φ50的無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度L=6m，環(huán)向間距20cm，上層縱向傾角30°～45°(該導(dǎo)管角度可以放大到45°，保證固結(jié)范圍和效果)，下層縱向傾角10°～15°左右。首先在加工場(chǎng)地將小導(dǎo)管端頭加工成錐型，同時(shí)在導(dǎo)管壁上按照4孔/20cm制成花管。施工時(shí)首先采用氣腿鉆L=6m深的孔，在鉆頭抽出后及時(shí)安插小導(dǎo)管，小導(dǎo)管采用氣腿鉆作為推進(jìn)、安插動(dòng)力。施工方法示意如圖4。

圖4 小導(dǎo)管施工方法示意圖

4 施工效果總結(jié)

4.1 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

施工中嚴(yán)格按照措施要求進(jìn)行支護(hù)施工，在支護(hù)過(guò)程中存在6～10cm沉降，在邊拱支護(hù)完成后通過(guò)再次測(cè)量，沉降基本沒(méi)有，說(shuō)明本次支護(hù)達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。本次處理時(shí)間比既定的時(shí)間提前10天，取得圓滿(mǎn)結(jié)果。塌方段貫通后如圖5所示。

圖5 塌方段貫通后圖片

4.2 措施保證

a.嚴(yán)格按照塌方處理領(lǐng)導(dǎo)小組安排的人員加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理力度，跟班作業(yè)，及時(shí)解決問(wèn)題，確保施工按照每天的計(jì)劃執(zhí)行。

b.加強(qiáng)與業(yè)主、監(jiān)理和設(shè)計(jì)的聯(lián)系，及時(shí)確定支護(hù)參數(shù)方案，保證各個(gè)工序施工連貫有序進(jìn)行。

c.建立獎(jiǎng)懲措施，按旬進(jìn)行考核，考核指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)定，按計(jì)劃完成部分及時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)，否則對(duì)等進(jìn)行處罰。

d.加強(qiáng)專(zhuān)人安全監(jiān)控，安全監(jiān)控涉及整個(gè)施工作業(yè)面，對(duì)隱患大的部位加強(qiáng)監(jiān)控力度。

e.為保證計(jì)劃順利實(shí)現(xiàn)，儲(chǔ)備足夠的施工材料和配件。

5 結(jié)論與討論

本次塌方在各方強(qiáng)有力的抓循環(huán)、抓落實(shí)的管理下，以最短的時(shí)間完成了塌方處理，為工程爭(zhēng)取了時(shí)間，但以下幾方面仍然值得我們深思和探討，首先結(jié)合本工程圍巖為炭質(zhì)千枚巖的特性，上下半洞開(kāi)挖時(shí)宜將上半部分開(kāi)挖多一點(diǎn)，剩余約120°范圍的下半洞隨后開(kāi)挖，同時(shí)將腰線以下的部位適當(dāng)擴(kuò)挖，將鋼支撐延伸到下半洞開(kāi)挖線以外，減少下半洞開(kāi)挖對(duì)上半洞初期支護(hù)體的擾動(dòng);塌方處理過(guò)程中可以增加徑向小導(dǎo)管對(duì)頂部石碴進(jìn)行加厚固結(jié)。

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