金窩水電站引水隧洞涌水塌方段處理技術(shù)

孫近福

(遼寧省湯河水庫管理局,遼寧 遼陽 111000)

1 工程概述

金窩水電站位于大渡河中游右岸支流喇嘛溝河段上，地處四川省雅安市石棉縣，該電站是田灣河水力資源梯級開發(fā)中的第三級，是一座引水式電站。電站裝機2臺，單機容量140 MW，總裝機容量280kW[1]。該水工隧洞開挖斷面呈馬蹄形，開挖尺寸為4.40×6.20 m。隧洞軸線方向為S83°55ˊ33"E，垂直埋深160-600 m，巖性為二疊系上統(tǒng)淺變質(zhì)云母石英巖片巖，呈中厚層狀，巖層產(chǎn)狀為EW/S∠65°-N80°W/SW∠70°。其中層面裂隙除外，主要發(fā)育3組構(gòu)造裂隙：①N10°E/NW∠72°-75°；②N20°E/SE∠85°-75°；③SN/E∠25°。該段洞線與地層呈小角度相交，巖石較新鮮，但受層面裂隙及構(gòu)造裂隙的切割，巖體多為中厚層狀一鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖以Ⅲ類為主，Ⅳ類次之[2]。

2 塌方情況描述

引水隧洞開挖至7+363時，頂拱出現(xiàn)一斷層，斷層周邊巖體破碎，受地下水影響(掌子面出水量達(dá)2700-2000 m3/h)，在斷層揭露后，斷層中先有呈泥夾石狀的散體物流出，隨后邊頂拱及掌子面塌方、掉塊現(xiàn)象十分嚴(yán)重。在塌方初期，我部對塌方體進行了清運，由于塌方處涌水較大，塌方越來越頻繁，塊體越來越大，單塊達(dá)4 m3以上，頂拱及右側(cè)邊墻塌落高度及深度達(dá)15 m左右的空腔，形式如圖一所示，并造成3榀鋼支撐被砸壞[3]。為確保施工安全及避免塌方塊體對支護段造成更大破壞，首先對已支護段鋼支撐進行加固處理，并在右側(cè)開挖一導(dǎo)洞進行排水。考慮到該段巖體裂隙發(fā)育，巖塊間夾泥，受水流沖刷后，結(jié)構(gòu)松散。對塌方段采用管棚超前支護的施工措施[4]。

3 處理措施

結(jié)合引水隧洞塌方情況，對塌方段按以下步驟進行處理：①對塌方體進行裝運，查明塌方段具體情況；②增加Φ25，L=3.5m的隨機錨桿對引7+363-7+390段鋼支撐進行加固，噴C20混凝土對鋼支撐及掌子面塌方體進行封閉(包括由于塌方造成鋼支撐侵占斷面的部位)，防止掌子面塌方范圍進一步擴大；③沿著水流，良好的巖體位置，斜向上由右側(cè)邊墻打一導(dǎo)洞至右側(cè)掌子面，以此方法導(dǎo)排滲水，導(dǎo)洞尺寸為寬2×2m，依據(jù)圍巖具體情況采取錨桿、管棚、鋼支撐等方式支護同時對空腔進行回填，保證施工安全[5]；④在掌子面涌水減小后，對塌方空腔用C20混凝土進行回填；⑤采用管棚支護，對塌方巖體進行固結(jié)；⑥視灌漿效果，在塌方體進行開挖清運前，應(yīng)對相鄰已支護段增設(shè)鋼支撐及錨桿進行加固處理，鋼支撐跟進支護，同時噴C20混凝土對掌子面及時進行封閉；⑦在第一個塌方段完成施工后，首先鉆孔并且預(yù)埋灌漿導(dǎo)管，加固邊墻保證穩(wěn)定，下一循環(huán)按同種施工方法進行施工，采取0.5m間距的鋼架進行支撐，架立鋼支撐前，應(yīng)噴射C20混凝土對掌子面進行封閉噴層厚度為10 cm；⑧上述工序完成后，根據(jù)圍巖情況選用Φ25，L=5 m錨桿進行超前支護，錨桿間距范圍為0.4 -0.5 m，同時完成鋼架支撐，間距0.5 m，同類型巖石情況均采取該方法。⑨在進行塌方段引水隧洞永久襯砌前，應(yīng)對塌方段邊頂拱進行固結(jié)，再將侵占設(shè)計斷面的鋼支撐進行拆除；⑩導(dǎo)水洞在引水隧洞襯砌前，利用φ530 mm鋼管(配相應(yīng)蝶閥)將水引出，并根據(jù)需要埋設(shè)灌漿管，再對導(dǎo)洞采用C20混凝土回填及灌漿處理。

4 施工方法

4.1 塌方體清運

由于塌方段滲水量較大，在洞內(nèi)積成泥石流狀，對此我方采用ZL50裝載機配合一輛20 t自卸車及兩輛10 t自卸車對塌方體進行了裝運，渣料運至蝶閥室交通洞洞外渣場。

4.2 噴混凝土

采用干噴機進行噴射作業(yè)，混凝土在蝶閥室交通洞外進行拌制，采用ZL50裝載機運料。由于洞內(nèi)積水較深，為方便施工，在洞內(nèi)搭設(shè)鋼架平臺放置噴射機，直接用裝載機料斗堆放噴射料。

4.3 錨桿施工

首先采用手風(fēng)鉆(YT28型)進行造孔，然后進行錨桿安裝，錨桿使用的藥卷浸水約2.5min，插至孔底，并且及時將錨桿插入，進行攪拌約30-60s。

4.4 鋼支撐施工

鋼支撐根據(jù)斷面尺寸分段制作，頂拱分1段，左右邊墻各1段(邊墻鋼支撐根據(jù)實際情況現(xiàn)場切割，待底部堆渣清理完成后再延長至底板)。鋼支撐采用h=20cm工字鋼制作而成，鋼支撐的定位利用錨桿進行，可將鋼支撐調(diào)整合適后焊在錨桿上。鋼支撐段間拼裝采用焊接形式，接頭先行對焊，然后在腹板兩側(cè)、下翼緣綁焊Φ25鋼筋加強。

4.5 開挖

在進行塌方體清理時，可采用裝載機配合人工進行開挖，若需爆破，應(yīng)嚴(yán)格控制裝藥量，降低爆破振動影響。在進行全斷面開挖時，爆破鉆孔深度不超過1m，單段起爆藥量不超過7kg。開挖渣料用ZL50裝載機在4#支洞與主洞相交處裝20t自卸汽車運往洞外渣場。對于導(dǎo)水洞，在鉆爆后人工利用鋤頭、鍬進行扒渣，將石渣扒至主洞內(nèi)，再采用ZL50裝載機裝運至洞外渣場[6]。

4.6 導(dǎo)水洞安全支護

導(dǎo)水洞開挖應(yīng)視圍巖情況采用鋼管棚、h=20 cm的鋼支撐、Φ25，L=2 m或1.5 m錨桿進行支護。由于導(dǎo)水洞涌水量較大，無法噴混凝土對圍巖及鋼支撐進行封閉，在鋼管棚上鋪設(shè)木材，鋼支撐利用鋼筋及型鋼進行加固，同時在鋼支撐外圍采用塊石進行填充，以減少頂部巖石塌方對鋼拱架的沖擊。

4.7 空腔混凝土回填

在塌腔內(nèi)沿軸線方向預(yù)埋2根φ125 mm泵管，泵管埋設(shè)盡可能貼近塌腔頂部，并根據(jù)需要埋設(shè)灌漿管，為增強回填混凝土的承載力，在空腔內(nèi)放置一些工字鋼及鋼筋，堆渣與頂部空腔采用木模進行封堵。混凝土采用JDY350攪拌機現(xiàn)場拌制，人工上料，利用HB-80混凝土輸送泵入倉，由于空腔內(nèi)無法振搗，混凝土采用C20一級配[7]。

4.8 管棚及邊頂拱固結(jié)灌漿

管棚布置在隧洞頂拱150度范圍內(nèi)，用地質(zhì)鉆機鉆孔，孔徑為130 mm，孔間距0.4 m，然后采用偏心鉆向鉆孔內(nèi)壓入鋼管而形成鋼管群體。為增加鋼管的剛度，向鋼管內(nèi)插入鋼筋并注入水泥漿，鋼管采用ф114×10熱軋無縫鋼管。示意圖見圖1。

圖1 管棚布孔示意圖

4.8.1 施工工藝

塌方段管棚施工的工藝流程如圖2所示。

圖2施工工藝示意圖

4.8.2 測放孔位

按設(shè)計要求與結(jié)合現(xiàn)場實際情況測放孔位。

4.8.3 管架平臺搭設(shè)

1)搭設(shè)的架管平臺要有足夠的強度，平臺應(yīng)滿足鉆機施工的需要。

2)分層搭設(shè)頂拱的平臺，確保鉆機有足夠使用空間。

4.8.4 鉆機就位

牢固安放好鉆機的位置，確保管棚的質(zhì)量。

1)鉆機安裝保證位置準(zhǔn)確、平穩(wěn)固定。

2)試運轉(zhuǎn)鉆機，校核開孔鉆具軸線和開孔角度。應(yīng)卡牢鉆機，然后緊固螺桿。

4.8.5 鉆孔及跟管

4.8.5.1 鉆孔基本技術(shù)參數(shù)

1)孔徑：直徑130mm或114mm。

2)開孔角度：處于由隧道半徑和隧道中心線所構(gòu)成的平面內(nèi)，且向外呈發(fā)射狀與隧洞中心線呈5。-10。的夾角。

3)孔深：根據(jù)實際地質(zhì)情況進行鉆進，孔深3-9m。

4.8.5.2 鉆孔及跟管

采用回轉(zhuǎn)跟管鉆進，此方法適用于巖體破碎，坍孔、卡鉆現(xiàn)象嚴(yán)重的洞段[8]。

1)設(shè)備：300型地質(zhì)鉆機。

2)機具：ф114合金鉆頭，ф130合金鉆頭。

3)鉆進方法：先用ф130釬頭超前鉆進掏孔，再采用ф114合金鉆頭邊回轉(zhuǎn)鉆進邊跟管。

4.8.5.3 套管

1)ф114熱軋無縫鋼管，壁厚10mm，長度1.5m。

2)鋼管管身設(shè)置ф8 mm間距20cm呈梅花形布置的出漿孔。

4.8.6 注漿

1)鋼筋束下入結(jié)束后，即可通過導(dǎo)管中的插入的注漿管進行注漿。

2)設(shè)備機具：100/3.5砂漿泵，100/10灌漿泵3SNS。

3)漿液材料：不低于32.5的普通硅酸鹽水泥，為防止?jié){液流串過遠(yuǎn)，造成大量的漿液浪費，可摻入漿液量0.5%-3%的水玻璃、適量液體速凝劑和細(xì)砂。

4)漿液水灰比：1:1、0.5:1(重量比)。

5)注漿壓力：0.5-1.2MPa。

6)注漿操作：先用1∶1稀漿濕潤灌漿通道后，換用0.5∶1濃漿間歇灌注。注入率小于5L/min時持續(xù)灌注10min即可結(jié)束。

4.8.7 管棚頂部及邊墻灌漿

利用混凝土回填預(yù)埋的灌漿管對上部墟渣進行固結(jié)灌漿，對于邊墻部位可采用手風(fēng)鉆鉆孔埋設(shè)灌管，孔深3m。灌漿采用P.O.32.5水泥，水灰比為0.5:1，并摻入漿液量0.5%-3%的水玻璃及適量液體速凝劑。

4.8.8 下鋼筋

在完成管棚注漿結(jié)束前，在管內(nèi)插入ф32鋼筋采用濃漿進行封孔。

4.9 鋼支撐拆除

頂拱進行鉆孔，孔徑50mm，孔深4m，埋設(shè)孔口管對圍巖進行固結(jié)灌漿，待7天強度后才能進行鋼支撐拆除。首先將鋼支撐覆蓋的混凝土人工鑿除，再將侵占斷面的鋼支撐用電焊或氣焊割除。

4.10 導(dǎo)水洞封堵

導(dǎo)水洞內(nèi)φ530mm排水鋼管分節(jié)在導(dǎo)洞內(nèi)進行組裝，接頭采用膠皮綁扎連接，在進行導(dǎo)流前，應(yīng)根據(jù)洞內(nèi)垮塌情況在高處埋設(shè)φ48mm回填灌漿管及排氣管。之后在鋼管接頭兩端采用編織帶裝噴混凝土料搭設(shè)圍堰作為兩端模板(里側(cè)圍堰應(yīng)搭至拱頂)，再進行水下混凝土澆筑，使水完成通過排水鋼管引出。導(dǎo)水洞采用分段進行封堵，每段長度不大于10m，并分段埋設(shè)灌漿管及排氣管，對已澆筑段上部空腔進行回填灌漿，最后在導(dǎo)水洞出口所處倉位襯砌時，先將排水管閥門關(guān)閉，再進行該段混凝土襯砌[9]。

5 施工安全措施

1)塌方段結(jié)構(gòu)斷面內(nèi)施工時設(shè)專人觀察安全，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)不安全狀況，馬上通知人員撤離。

2)施工現(xiàn)場做好照明工作，使施工人員能對現(xiàn)場狀況能夠清楚地觀察。

3)開挖時嚴(yán)格控制循環(huán)進尺，堅持分部開挖及支護，并注意觀察。

4)為避免掌子面出現(xiàn)塌滑，要求對掌子面及時進行噴混凝土封閉。

5)由技術(shù)人員對施工人員進行技術(shù)交底，使其清楚施工程序、施工方法、注意事項。

6)每道工序?qū)嵤┖笥涩F(xiàn)場管理人員進行檢查，合格后方可進行下一道工序。

7)嚴(yán)禁強令冒險作業(yè)和違章作業(yè)。

6 結(jié) 語

隧洞施工受復(fù)雜地質(zhì)情況影響，時常遇到塌方事故。若發(fā)生坍塌事故，首先對周邊位置采取必要加固措施，放置塌方繼續(xù)進行，確保一個安全的工作環(huán)境。與此同時，應(yīng)及時組織人員對塌方事故進行調(diào)查，確定造成塌方的原因，塌方位置巖石的性質(zhì)，地質(zhì)情況及地下水的情況，根據(jù)調(diào)查過程得出造成塌方的原因，及時制定出可行的塌方處理方案。本次引水隧洞塌方處理所采用的管棚超前支護方案，取得了良好的處理效果，確保了后期工程的順利進行。

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