青龍電站引水隧道涌水塌方段處理技術

彭強 高俊

隧道施工難免會穿越復雜的地質情況,時常會遇到塌方的事故,但是塌方同時出現涌水,就會給塌方處理施工帶來很大的困難,如果施工處理方法和工序操作不當,會引起更大的垮塌,青龍電站引水隧洞塌方涌水的處理采用了綜合治理方法,治水和支護相結合,從根本上治理了涌水坍塌。

1 工程概況

青龍水電站位于四川省九寨溝縣境內的白水江上,為低閘引水式電站。電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠房樞紐組成。

引水隧洞位于白水江左岸,最新調整后的長度約14 078.769km,進水口底板高程1 257.0 m,調壓井中心底板高程1 234.1 m,平均縱坡1.627‰,隧洞斷面為馬蹄形,設計結構斷面6.5 m×8.5 m。Ⅱ類圍巖噴10 cm微纖維混凝土永久襯砌,Ⅲ類圍巖噴15 cm微纖維混凝土永久襯砌;Ⅳ類圍巖用50 cm厚鋼筋混凝土永久結構襯砌;Ⅴ類圍巖用70 cm厚鋼筋混凝土永久結構襯砌;Ⅳ,Ⅴ類圍巖頂拱回填灌漿,周邊固結灌漿。

根據青龍電站引水隧洞軸線優(yōu)化圍巖分類,Ⅳ,Ⅴ類圍巖洞段累計總長約2 794 m。

2 涌水及塌方描述

引水隧洞4號施工支洞主洞上游引8+229～引8+227樁號掌子面頂部及靠山體側拱腰部出現多處涌水點,涌水夾泥渾濁。掌子面涌水呈股狀大量涌出并引起掌子面大面積坍塌,坍塌體約90 m3,且8+228.7樁號1榀鋼支撐明顯扭曲變形。

掌子面中部出露寬為1.5 m～2.0 m的擠壓破碎帶,涌水點位于破碎帶內。表觀呈噴射狀,軟弱夾層在涌水的作用下不斷崩塌,塌方向左側、頂拱、前進軸線三個方向發(fā)展,在涌水的作用下,掌子面頂拱塌方后形成3.0 m寬、2.5 m深、4 m高塌方空腔(面對掌子面觀察),同時掌子面左右側拱腰上部出現新的股狀涌水,通過現場估測涌水總涌水流量達0.04 m3/s。小規(guī)模坍塌不斷,并導致引8+229～引8+261.5段噴混凝土支護多處出現開裂,引8+261.5～引8+250樁號7榀鋼支撐變形,已噴護混凝土局部出現1 cm～2 cm明顯裂縫、局部噴混凝土掉塊,掌子面右側鋼支撐有側向位移,引8+229～引8+275樁號已進行初期支護段噴混凝土表面開始出現濕潤。

3 坍塌原因分析

分析地質縱剖面圖,該段施工隧洞屬魏家半山過堆積體段,洞向為S26°50′00″E。巖性以薄層～薄板狀灰?guī)r為主,巖層總體產狀為 N20°W/NE∠35°(部分 65°～70°),巖層走向與洞軸線平行。巖體中除層面裂隙發(fā)育外,該段隧洞上伏覆蓋層厚100 m～150 m,基巖頂面起伏變化大,最薄處厚約65 m,巖體風化卸荷強烈,屬薄層～碎裂結構,圍巖極不穩(wěn)定,以Ⅴ類圍巖為主,其中7+860 m～7+965 m和8+295 m～8+375 m段以Ⅳ類圍巖為主。該段地質構造復雜,褶曲發(fā)育,地下水活動強烈。

該隧洞上游段,自進主洞以來,以Ⅳ類圍巖為主,由于圍巖巖體的地質原因,結構面多,隱微裂隙發(fā)育,局部裂隙中夾風化巖屑,鉆孔成孔困難,使得鉆孔爆破和錨桿造孔的錨桿安裝異常困難,嚴重影響了施工效率,大部分采用鋼拱架加網噴混凝土支護。通過現場查勘,引8+222.6掌子面揭露,為淺灰色花崗斑巖,層裂、面輕～中銹,兩側擠壓破碎,寬 1 m～2 m,涌水大,鑲嵌、塊裂結構。由于該段地質狀況復雜,加之采用全斷面開挖,使得臨空面積大,支護不能及時完成,加之涌水的不斷出現,是造成坍塌的主要原因。

4 涌水塌方段治理及施工技術

通過原因分析,制定了可靠安全的治理措施。涌水是造成坍塌的主要隱患,引8+222.6樁號掌子面涌水點處于擠壓破碎帶地下水的排泄區(qū),采用導排的方法引排涌水到隧洞內靠河側排水溝內排出,避免工作面和施工完成段大面積淋水。

另外對該段采用管棚超前支護,Ⅰ18鋼拱架+掛網噴混凝土聯(lián)合支護。

1)采用管棚超前支護,管棚為φ 50,L=5 m,局部塌方處可適當加長,以搭接巖面(入巖50 cm～60 cm),布置在頂拱 120°范圍內,間距控制在30 cm,與開挖結構面成10°～15°夾角,兩輪管棚搭接長度為50 cm～100 cm。2)引 8+224.6～引8+222.6段鋼支撐在塌方前已安裝完成(管棚、鋼拱架、連接筋、鋼筋網及鎖腳錨桿),塌方使得鋼支撐局部位移,多數鋼筋網、連接筋、管棚被砸壞,視情況增設鎖腳錨桿。在頂拱120°范圍內增設Ⅰ18工字鋼縱向連接(代替被砸壞的鋼筋縱向連接),間距1.0 m;其他部位增設Ⅰ18工字鋼縱向連接(代替被砸壞的鋼筋縱向連接),間距 3.0 m。3)引 8+222.6至掌子面(約1.6 m),采用Ⅰ18鋼支撐支護,間距0.8 m,由于該段靠山側邊頂拱塌方空腔向山體側深入了5 m左右,該段鋼支撐斷面頂緊頂拱巖面,鋼支撐支撐在巖臺上,以保證其穩(wěn)定,在進行下半洞開挖完成后采用Ⅰ18鋼“換腳”。鋼支撐鎖腳固定錨桿為φ 25,L=3.0 m(塌方空腔根據情況加長設置)砂漿錨桿(難成孔部位采用同規(guī)格自進式錨桿代替砂漿錨桿),間距為1.5 m。鋼支撐之間采用型鋼或鋼筋橫向連接,頂拱120°范圍內設Ⅰ18工字鋼橫向連接,間距 1.0 m;其他部位增設Ⅰ18工字鋼縱向連接,間距3.0 m。鋼支撐之間掛φ 8@20 cm×20 cm的鋼筋網(掛鋼拱架外側),因該段淋水嚴重,在管棚上覆蓋鐵皮(σ=3 mm),噴C20混凝土至鋼支撐內緣,使管棚、鋼筋網、鋼拱架被噴混凝土包裹,形成鋼骨架混凝土拱圈。4)在掌子面左側墻布置φ 50,L=5.0 m的排水孔,對集中涌水點預留排水孔。5)對邊墻(非塌方空腔部位)部位噴混凝土回填密實,待混凝土襯砌施工階段對塌方空腔部位后期回填混凝土處理。

5 調整后施工方案

5.1 開挖

綜合考慮改為正臺階開挖、上半洞開挖施工,提高施工安全、降低施工難度,上半洞開挖高度為5.6 m,采用墊渣到距洞底板4.0 m高位置,形成施工便道及平臺,見圖 1。

上半洞開挖鉆爆臺車采用原4號支洞開挖用鉆爆臺車進行改制,以充分利用閑置資源,降低施工成本投入,鉆爆破臺車架子輪廓尺寸為5.0 m×4.5 m×4.2 m(長×寬×高),鉆爆臺車上操作平臺采用全斷面開挖用鉆爆臺車上鋼筋網。

5.2 支護

1)自掌子面向前開挖洞段,開挖后采用Ⅰ18鋼支撐支護,間距0.8 m,鋼支撐之間采用型鋼或鋼筋縱向連接,頂拱120°范圍內設Ⅰ18工字鋼橫向連接,間距1.0 m;其他部位增設Ⅰ18工字鋼縱向連接,間距3.0 m。鋼支撐鎖腳固定錨桿為φ 25,L=3.0 m砂漿錨桿(難成孔部位采用同規(guī)格自進式錨桿代替砂漿錨桿),間距為 1.5 m。在鋼拱架上掛φ 8@20 cm×20 cm的鋼筋網(掛鋼拱架外側),淋水段在管棚上覆蓋16號薄鋼板(σ=1.52 mm),噴C20混凝土至鋼支撐內緣,使管棚、鋼筋網、鋼拱架被噴混凝土包裹,形成鋼骨架混凝土拱圈。

2)在掌子面左側墻布置φ 50,L=5.0 m的排水孔,對集中涌水點預留排水孔。

通過運用該施工方案進行后期施工,在同樣地質條件下,沒有發(fā)生大面積坍塌事故,確保了施工的順利進行。

6 結語

經過這次塌方處理,得到如下經驗:1)針對不同的地質地段,應及時調整施工方案,并且支護要及時跟進。2)施工過程要及時觀測,隨時進行監(jiān)控報告,這次就是通過監(jiān)控和觀察,報告并估計了坍塌的可能性,決策果斷,停工及時,避免造成人員傷亡及機械的損失。3)對地質不良段開挖過程中盡量做好超前支護,遵循少擾動、短進尺、早支護的原則。4)對于涌水處理,要做好“導、引、排”的措施,盡量不堵,避免造成水壓過大產生坍塌。

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