黃金坪水電站導(dǎo)流洞塌方處理

姚文炎炎，李傲松

（四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川 康定 626001）

1 工程概況

黃金坪水電站施工導(dǎo)流采用全年圍堰擋水，隧洞過流方式。在大渡河右岸布置1條導(dǎo)流洞，平面上呈雙彎道，洞身斷面為城門洞型，斷面凈尺寸為15.0 m×16.0 m（寬×高）。進(jìn)口高程1 412.50 m，出口高程1 408.50 m，縱坡約為5.78‰。進(jìn)水塔頂高程1 442.0 m，塔高35.5 m。

進(jìn)口段 （0+000～0+123.14）：0+000～0+110 m 洞向S83°W，0+110～0+123.14 m為導(dǎo)流洞的圓弧段。進(jìn)口洞段巖體垂直埋深40～93 m，地層巖性為石英閃長巖或斜長花崗巖，圍巖由弱風(fēng)化弱卸荷漸變?yōu)槲L(fēng)化或新鮮巖體。進(jìn)口段發(fā)育有22條小斷層，部分?jǐn)鄬悠扑閹捲?0～20 cm，性狀較差。其中f11-28斷層性狀最差，規(guī)模最大，該斷層產(chǎn)狀N15°W/NE∠56°，寬50～80 cm，破碎帶組成物為角礫巖、1～5 cm厚連續(xù)斷層泥組成，破碎帶潮濕。部分?jǐn)鄬佑袧B水現(xiàn)象。由于斷層裂隙發(fā)育，且多在洞壁及頂拱形成不利組合，對洞室頂拱及側(cè)壁穩(wěn)定不利，需要采取工程處理措施，該洞身段巖體以塊裂～碎裂結(jié)構(gòu)為主，以圍巖Ⅳ類為主，局部為Ⅲ2類，斷層帶和接觸破碎帶為Ⅴ類圍巖。

2 塌方情況

導(dǎo)流洞0+120處，由于受f23，f23′，f28和f26斷層影響，尤其f23和f23′斷層直接通向石梯子溝頂部，巖體極為破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，穩(wěn)定性極差，甚至部分用塑料管碰觸巖面即發(fā)生塌落，在2008年11月29日18:30左右剛開挖到該處時，事前施工的超前支護(hù)（超前小導(dǎo)管）由于巖體太破碎松散無自穩(wěn)能力，無法支撐上部巖體的重量，出現(xiàn)大塌方，掌子面向上游，塌方高度約7 m，縱向約8 m。在12月2日設(shè)計、業(yè)主、監(jiān)理到塌方現(xiàn)場勘查后確定采用拱上拱的方案，經(jīng)過施工單位的觀察確定塌方初步穩(wěn)定后，于12月6日進(jìn)行第一次內(nèi)拱施工。在晚上6:00左右，在剛噴完混凝土后又再次出現(xiàn)了大塌方，在第一次塌方的基礎(chǔ)上向0+120 m下游方向擴(kuò)大了，這次塌方后，一直未穩(wěn)定，到12月8日上午，將支護(hù)好的拱架砸3榀，塌方體已堆至拱部設(shè)計開挖線以上。目前根據(jù)兩次塌方堆積體估算，塌方量約2 895 m3。

3 塌方分析及處理原則

經(jīng)現(xiàn)場查勘表明，此次塌方主要是地質(zhì)缺陷造成。塌方的處理必須建立在對塌方正確認(rèn)識的基礎(chǔ)上，如果方案不當(dāng)或失敗，不但導(dǎo)致更大的經(jīng)濟(jì)損失，而且可能造成人員傷亡，故一般的處理原則是先鞏固后方，防止塌方擴(kuò)大，然后以安全的后方為依托或掩護(hù)再向前進(jìn)行處理。經(jīng)驗認(rèn)為塌方發(fā)生后在一定時間內(nèi)就會趨于穩(wěn)定，形成自然拱，而自然拱的高度、寬度與普氏平衡拱理論計算結(jié)果基本相符。

3.1 普氏平衡拱理論

前蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn)·M普洛托雅克諾夫（簡稱普氏）以松散理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為在松散介質(zhì)中開挖隧道后，隧道上方將形成拋物線的平衡拱，平衡拱高度h為：

式中：b——平衡拱的半跨度，m；fm——巖石堅固性系數(shù)。

土層：fm=tgφ；巖石：fm=R/10。其中：φ——土的摩擦角；R——巖石的抗壓極限強(qiáng)度，MPa，取值應(yīng)考慮巖石天然層理、裂隙及節(jié)理的影響。

在隧道側(cè)壁穩(wěn)定時，即拱部塌方時，平衡拱寬度就是開挖寬度，即b=bt。當(dāng)側(cè)壁不穩(wěn)定時，平衡拱寬度為：

式中：Ht——隧道凈高，m；bt——隧道凈寬之半，m。

3.2 塌方穩(wěn)定分析及處理

對塌方后的穩(wěn)定情況能否做出正確的判斷是制定處理方案的關(guān)鍵，否則，不是冒險就是加大投入。一般情況下，塌方發(fā)生后1～2 d就基本穩(wěn)定，除個別掉小塊外，不再有大的坍塌，這時可根據(jù)平衡拱公式確定塌方高度，與現(xiàn)場對照，如果計算與實際基本相符，則說明塌方已經(jīng)基本穩(wěn)定，否則就要慎重對待。

經(jīng)過平衡拱穩(wěn)定分析，確定塌方穩(wěn)定后，即可著手進(jìn)行處理：

1）對塌穴進(jìn)行噴射混凝土處理。噴混凝土后，即使塌穴有危石或個別坍塌亦會及時發(fā)現(xiàn)，噴射混凝土在圍巖面形成一保護(hù)層，亦是判斷塌方穩(wěn)定與否的最有效、最直接的參照或依據(jù)。

2）即可出渣，出渣范圍依據(jù)即將準(zhǔn)備襯砌的范圍確定，為了安全，不宜太長，邊出渣邊對側(cè)壁進(jìn)行支護(hù)。

3）塌方段的永久支護(hù)結(jié)構(gòu)及施工順序的確定是最后一個關(guān)鍵。通常塌方段的支護(hù)結(jié)構(gòu)從上至下依次為回填、護(hù)拱、襯砌，直觀上施作護(hù)拱然后在護(hù)拱保護(hù)下施作襯砌是安全的，而實質(zhì)上施作護(hù)拱本身就極為困難而且危險極大。

實踐證明先施作襯砌，然后施作護(hù)拱及回填是既安全又經(jīng)濟(jì)的辦法。但這種方法有一個前提，就是開挖寬度不再擴(kuò)大（極個別除外），襯砌的加強(qiáng)可采取增加鋼軌或型鋼及提高混凝土標(biāo)號的方法來實現(xiàn)。襯砌澆筑后，平衡拱的拱腳就受到約束，塌方就更進(jìn)一步穩(wěn)定了，往后的施工就更安全了。

4 塌方處理

1）塌體面噴C25混凝土62.1 m3，在導(dǎo)流洞0+120，0+121，0+122，0+123，0+125，0+128，0+130等 5 處打了 70 根φ32自進(jìn)式錨桿共795 m，35根φ32自進(jìn)式錨桿（花管）共135 m，并且對其進(jìn)行了注漿，防止塌方范圍擴(kuò)大和保證作業(yè)人員的施工安全。

2）完成上述工作后，還需進(jìn)行地質(zhì)鉆探，探明塌方高度、空腔范圍、堆積體厚度等實際情況。經(jīng)過鉆探施工，探明塌方段實際情況后，研究、比選塌方處理方案。

為保證快速、安全通過塌方段，最后決定采取大管棚施工方案，然后采用型鋼鋼架及時跟進(jìn)支護(hù)，加密縱向連接鋼筋間距，形成強(qiáng)有力的初期支護(hù)系統(tǒng)。

5 總體實施方案

洞內(nèi)封堵塌體面，注漿固結(jié)塌體，管棚施工，分步開挖通過塌方區(qū)，然后使用水灰比為0.5∶1的水泥漿注漿回填空腔（通過物探檢測空腔狀況，由監(jiān)理工程師審批后，再進(jìn)行回填）。

5.1 封堵塌體面

為了防止對塌體進(jìn)行固結(jié)注漿時漿液往外滲和迅速恢復(fù)正常隧道施工，必須對塌體面進(jìn)行封堵。為減少噴射混凝土的工作量，用細(xì)碴填補(bǔ)塌體表面大塊石的空洞，用人工對塌體表面進(jìn)行簡單修整，然后封閉塌體面，先塌方體表面施工40 cm厚M7.5漿砌片石，在漿砌片石施工完畢后再自上而下，噴射10 cm厚的C25混凝土。

5.2 注漿固結(jié)塌方堆積體

在做好封堵塌體面的前提下，采用注漿的方法自下而上地對拱部以上塌方堆積體進(jìn)行注漿固結(jié)。

拱部以上塌體按間排距0.4 m×0.4 m梅花形布設(shè)注漿孔位。注漿管采用φ50無縫鋼管，如果鋼管無法頂進(jìn)時改用φ32自進(jìn)式錨桿，花管注漿孔間距15 cm。為保證注漿固結(jié)范圍處于同一斷面上，注漿管長度采用4～8 m不等，據(jù)現(xiàn)場施工作業(yè)空間而定，自下而上注漿管由短變長，注漿完全有效固結(jié)塌體高度，拱部不少于6 m，兩側(cè)拱腰不少于4 m。注漿深度做好記錄，在開挖至已固結(jié)還剩不少于1 m時，再施作下循環(huán)注漿管，這樣循環(huán)直至塌體全部完成。

注漿材料采用水泥、水玻璃漿混合而成的雙液漿，摻磷酸氫二鈉作緩凝劑，自下而上進(jìn)行注漿。所用漿液水灰比采用 1∶1，0.8∶1，0.5∶1 等 3 個比級。

5.3 管棚施工方法

根據(jù)方案評審會議的建議，超前支護(hù)修改為φ108鋼管管棚，壁厚6 mm，外插角5°～10°，管棚環(huán)向間距為40 cm，鋼管內(nèi)安裝3φ32鋼筋束，管棚長度初步定為L=10～20 m。由于在管棚施工前塌方堆積體中已打入一部分自進(jìn)式錨桿，塌方時埋入堆積體中拱上拱工字鋼，在管棚施工時如遇上述錨桿和工字鋼，無法鉆進(jìn)可以調(diào)整管棚位置，管棚一次打入的具體長度根據(jù)現(xiàn)場的作業(yè)空間決定。

采用KBY-80/70注漿機(jī)注漿，其中水泥漿水灰比為1∶1，0.8∶1，0.5∶1 等 3 個等級，水泥漿由稀到濃逐級變換，注漿壓力0.5～1.0 MPa，注漿前先噴混凝土厚度10 cm，封掌子面。

管棚施工工藝流程：施工準(zhǔn)備（場地平整、施工平臺架設(shè)）→鉆孔就位（校正角度）→上鉆具和套管→鉆進(jìn)→退鉆桿和鉆具→安裝花管與鋼筋束→封閉管尾→注漿施工。施工工藝說明：

1）施工準(zhǔn)備。在掌子面施作管棚鉆機(jī)工作平臺，在管棚起始端設(shè)防護(hù)墻，防止?jié){液溢出。防護(hù)墻要有足夠抵抗注漿壓力的厚度，采用噴混凝土防護(hù)。

2）管棚定位。在實際施工中，水平鉆孔彎曲變形是難以避免的，為此給以適當(dāng)?shù)纳咸Я浚?0～30 cm）和上抬角度防止侵入設(shè)計斷面。上抬角度的設(shè)置除考慮防止管棚侵入設(shè)計斷面外，考慮到管棚鉆機(jī)工作所需空間。因此上抬角度設(shè)置則與鉆入深度有關(guān)。充分考慮到上抬量和上抬角度后，正確算出各鉆孔孔口位置，利用測量儀器定出鉆孔的位置和傾角。

3）管棚施工。利用管棚鉆機(jī)液壓旋轉(zhuǎn)推進(jìn)鉆孔到設(shè)計深度，每鉆入一節(jié)續(xù)接下一節(jié)鉆桿。開孔時，使釬頭緊貼巖面低壓沖擊，平穩(wěn)緩慢推進(jìn)既可，正常鉆進(jìn)時Pf=1～2 kN，轉(zhuǎn)速n不大于90 r/min，風(fēng)量為11～13 m3/min。

采用φ146偏心鉆具帶動導(dǎo)管鉆進(jìn),導(dǎo)管前端戴管靴導(dǎo)住偏心鉆具,導(dǎo)管跟著鉆具直接跟進(jìn)。撥管采用專用撥管千斤頂及油泵,先將千斤頂?shù)牡装逯糜趲r面靠深填實,用卡瓦卡住導(dǎo)管及千斤頂頂板再升動油泵、千斤頂,導(dǎo)管順著千斤頂?shù)纳狄还?jié)一節(jié)的撥出。利用高壓水、風(fēng)將孔內(nèi)余碴清理干凈，以防塞管時卡管。裝入花管與鋼筋束，花管連接采用螺紋連接，相鄰鋼管接頭錯開1 m以上，花管內(nèi)裝入3φ32鋼筋束。

4）堵孔止?jié){。堵孔質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到注漿效果，堵孔包括鋼管自身的封堵和鋼管與孔壁之間空隙的封堵。

一般在鋼管最外端1.5 m范圍內(nèi)不設(shè)置注漿孔，孔口用厚3～5 mm鋼板鑿孔焊接柱與漿管等直徑的小導(dǎo)管來封堵。鋼管與孔壁間空隙的封堵利用自制工具將錨固劑塞入孔口封堵，封堵材料裝入孔內(nèi)不小于1 m長度，確保封堵質(zhì)量。

高壓注漿：用注漿泵將漿液壓入孔內(nèi)，通過注漿孔來加固圍巖。

5.4 分步開挖通過塌方區(qū)

當(dāng)塌方堆積固結(jié)已有效做完，達(dá)到強(qiáng)度后，可采用分步開挖的方法通過塌方區(qū)。通過塌方區(qū)施工要按照“少擾動、短進(jìn)尺、快封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤觀測”的原則來進(jìn)行，絕對不能盲目冒進(jìn)。視塌體固結(jié)情況，采用正臺階留核心土開挖法，開挖時輔以超前錨桿注漿加以保護(hù)。

1）開挖方法。采用正臺階留核心土弧形開挖法。見圖1。

圖1 正臺階留核心土弧形開挖順序圖

第一循環(huán)超前錨桿施作完并發(fā)生作用后，用人工和小型機(jī)械（視情況輔以弱爆破）.開挖上臺階弧形槽①，第一循環(huán)0.7 m，以后每循環(huán)0.5 m，開挖完后架設(shè)I20 b鋼拱架，掛鋼筋網(wǎng)噴射鋼纖維混凝土作為初期支護(hù)。在弧形槽開挖2 m后，核心土②隨弧形槽同時跟進(jìn)。在上臺階弧形槽①開挖完成10 m后，下臺階中槽③開挖，開挖中槽時，每邊必須留不少于3 m的保護(hù)平臺。邊墻④、⑤不能同時在一垂直作業(yè)面上開挖，必須待④的初期支護(hù)發(fā)生作用后，才能對⑤開挖，開挖時必須短進(jìn)尺，不能超過1 m，及時進(jìn)行封閉支護(hù)。

2）支護(hù)。除按照設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)外，另增加拱架支護(hù)。

5.5 環(huán)向注漿

為了確保拱部以上塌體有效注漿，塌體膠結(jié)成一個整體起到拱的作用，在每一循環(huán)支護(hù)完成混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求之后，環(huán)向?qū)安恳陨纤w進(jìn)行再一次注漿，注漿管采用φ32自進(jìn)式錨桿，注漿參數(shù)與拱部以上塌體注漿相同。

5.6 施工期安全監(jiān)測

通過對塌方段支護(hù)后的變形進(jìn)行觀測，作出及時有效的預(yù)報，確保施工人員和施工機(jī)械的安全。

5.7 水泥漿注漿回填空腔

在支護(hù)完成達(dá)到強(qiáng)度之后，為了穩(wěn)定圍巖，抑制塌方發(fā)展，減小襯砌的壓力，需對空腔進(jìn)行回填，回填采用水泥漿，水灰比為1∶1?？涨换靥钤谒介_挖通過以后，采用物探檢測手段查明空腔狀況之后，經(jīng)監(jiān)理審批后進(jìn)行。

5.8 排水孔

在塌方處理完成之后，在拱部施作排水孔，排水孔為φ42，間排距為3 m。

6 結(jié)語

黃金坪導(dǎo)流洞塌方處理歷時長，在黃金坪水電站建設(shè)中塌方規(guī)模和處理難度是最大的、經(jīng)過認(rèn)真總結(jié)塌方原因，加強(qiáng)觀測、超前地質(zhì)鉆探以及嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、緊支護(hù)、勤量測”在隧洞大斷面開挖過程中是必不可少的，同時在處理隧洞大規(guī)模塌方中，采取管棚施工方案也是切實可行的。