大渡河黃金坪水電站導(dǎo)流洞上游塌方段的處理

祝家杰，代 鑫

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

黃金坪水電站系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫22級”的第11級電站，總裝機容量850 MW。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，洞身斷面為城門洞形，斷面凈尺寸為15.0m×16.0m(寬×高)。導(dǎo)流洞工程于2008年4月開工，2011年11月實施截流。

2 導(dǎo)流洞上游段塌方情況及原因

2.1 導(dǎo)流洞上游段地質(zhì)條件

導(dǎo)流洞上游段(0+000～0+123.14m)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。斷層發(fā)育共計22條，部分?jǐn)鄬悠扑閹捲?0～20cm左右。洞室整體干燥，經(jīng)勘探平硐HPD11開挖揭露，部分?jǐn)鄬訋в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。

2.2 塌方情況簡述

2008年11月29日18:30左右，洞挖掌子面剛從下游方向開挖到0+120m樁號時，盡管之前已進行了錨桿超前支護，但由于開挖后的頂拱巖體太破碎松散、自穩(wěn)能力差，最終發(fā)生了大塌方，塌方方向為掌子面向上游，塌方高度約7m，縱向約8m。2008年12月2日，業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理工程師及施工單位代表到塌方現(xiàn)場察勘并經(jīng)專題會議討論后，確定對塌方段頂拱采用拱上拱支護的加固方案。然而，在進行塌方段的第一次內(nèi)拱施工剛完成噴混凝土覆蓋后，塌方部位出現(xiàn)第二次塌方，在原先塌方的基礎(chǔ)上向0+120～0+130m下游方向擴大。2008年12月8日上午，塌方體將之前已安裝固定完畢的拱架砸壞了3榀，并堆積至拱部設(shè)計開挖線以上。根據(jù)兩次塌方堆積體估算，塌方量總計約2 900m3。

2.3 塌方原因分析

經(jīng)參建各方討論分析，導(dǎo)致導(dǎo)流洞上游段發(fā)生塌方的原因主要是不良地質(zhì)因素導(dǎo)致:導(dǎo)流洞經(jīng)過擠壓破碎帶、節(jié)理密集帶等軟弱帶，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，且部分洞段地下水豐富。本次塌方的0+112～0+122m段位于f23、f'23斷層影響帶范圍內(nèi)，洞頂塌方沿斷層面向下游方向下滑，塌方體呈松散石渣狀，左側(cè)邊墻部位有明顯滲水。

3 塌方段處理方案

塌方發(fā)生后，為了在保證安全的前提下盡快恢復(fù)導(dǎo)流洞上游方向洞挖施工，經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計、承包人四方代表會議討論研究，決定塌方段按以下步驟進行處理:封閉塌體面→對塌方體進行注漿固結(jié)→對塌方段及上游洞段進行管棚支護→注漿回填塌方部位上方的空腔→塌方段施工排水孔→確認(rèn)安全后分步開挖塌方堆積體并通過塌方區(qū)→完成塌方段的邊頂拱加強支護(含鋼支撐、加密錨桿、噴混凝土等)→塌方處理結(jié)束、恢復(fù)向上游掘進施工。

3.1 封閉塌體面

為了避免在對塌方體進行固結(jié)注漿時漿液往外滲，加強對上部塌方體的支撐，為后續(xù)的塌方處理施工提供工作面，必須對塌體面進行噴混凝土封閉。為減少噴混凝土的工程量、節(jié)約費用，先用細(xì)渣填補塌方體表面大塊石之間的孔洞，人工對塌體表面進行簡單修整，并在塌方體底部周邊砌筑M7.5漿砌片石以保證底部不發(fā)生滑動。在完成上述處理工序后，再對塌體面實施素噴混凝土(厚度10cm)封閉。

3.2 對塌方堆積體實施注漿固結(jié)

在完成塌方體的表面封閉施工后，采用注漿的方法自下而上地對拱部以上塌方堆積體進行固結(jié)，以提高塌方體的自穩(wěn)能力。

具體的施工過程為:對拱部以上塌體按間排距0.4m×0.4m呈梅花形布設(shè)注漿孔位，注漿管采用φ32自進式錨桿(花管注漿孔間距15cm)。為保證注漿固結(jié)范圍處于同一斷面，注漿管長度采用3～15m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，要求注漿完全有效固結(jié)塌體高度拱部不少于6m、兩側(cè)拱腰不少于4m。

注漿材料采用純水泥漿，漿液水灰比采用1∶1、0.8∶1、0.5∶1三個比級，最大灌漿壓力 1MPa。漿液變換按由稀到濃逐級變換。

(1)當(dāng)注漿壓力保持不變、注入率持續(xù)減小時，或當(dāng)注入率不變而壓力持續(xù)升高時，不改變水灰比;

(2)當(dāng)某級漿液注入量已達300L以上，或注漿時間已達30min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，改濃一級水灰比;

(3)當(dāng)注入率大于30L/min時，可根據(jù)具體情況越級變濃;

(4)當(dāng)在最濃0.5∶1情況下注漿至2 000L時，可采取待凝停止處理。

(5)在注漿最大設(shè)計壓力下，當(dāng)注入率不大于1L/min后，繼續(xù)注漿30min即可結(jié)束。

3.3 對塌方段上部頂拱進行管棚支護

根據(jù)專題會議上各方的討論意見，決定對塌方段上部頂拱實施管棚支護，具體規(guī)格為:φ108鋼管管棚，壁厚6mm、外插角5°～10°，管棚環(huán)向間距為40cm，鋼管內(nèi)安裝3φ32鋼筋束，管棚長度初步定為10～20m?？紤]到之前塌方堆積體中已打入一部分自進式錨桿和塌方時埋入堆積體中拱上拱工字鋼，在管棚鉆孔過程中如遇錨桿或工字鋼而無法鉆進時，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。

管棚鉆孔完畢后，采用黑旋風(fēng)三缸注漿泵實施注漿作業(yè)，水泥漿水灰比為 1∶1、0.8∶1、0.5∶1三個比級。水泥漿由稀到濃逐級變換，即先注入稀漿，然后逐級變濃至0.5∶1的水灰比為止，注漿壓力0.5～1.0MPa，注漿前先噴混凝土厚10cm封閉掌子面。

3.3.1 管棚施工工藝流程(見圖1)

圖1 管棚施工流程

3.3.2 管棚施工工藝

(1)施工準(zhǔn)備。首先，在掌子面前方架設(shè)管棚鉆機工作平臺，在清除部分影響管棚作業(yè)的塌方堆積體后，把管棚起始端周邊用噴混凝土全部封閉，以防止管棚注漿過程中高壓水泥漿液溢出而影響注漿效果。

(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，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，需在確定孔位時考慮適當(dāng)?shù)纳咸Я?10～30cm)和上抬角度，以免管棚侵入后續(xù)的隧洞設(shè)計襯砌斷面內(nèi)。另外，還需要考慮到管棚鉆機工作所需的空間。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，鉆機在預(yù)定的位置就位，按計劃的上抬角度來固定鉆進方向。

(3)管棚施工。①鉆孔:利用管棚鉆機液壓旋轉(zhuǎn)跟管鉆進到設(shè)計深度，每鉆入一節(jié)續(xù)接下一節(jié)鉆桿。②鉆進方法:開孔時，使釬頭緊貼巖面低壓回旋沖擊，平穩(wěn)緩慢推進即可，正常鉆進時Pf=1～2kN。③轉(zhuǎn)速:正常鉆進:n≯90r/min;風(fēng)量11～13m3/min。④跟管:采用φ108偏心鉆頭帶動管棚鉆進，套管前端戴管靴套住偏心鉆頭，跟著鉆頭直接跟進。⑤拔出鉆桿:鉆桿撥出采用專用拔管機，先將千斤頂?shù)牡装逯糜趲r面并固定牢靠，用卡瓦卡住鉆桿及千斤頂頂板再升動油泵、千斤頂，鉆桿順著千斤頂?shù)纳狄还?jié)一節(jié)地?fù)艹?。⑥清?利用高壓水、風(fēng)將孔內(nèi)余渣清理干凈。⑦裝入鋼筋束:管棚內(nèi)裝入3φ32鋼筋束。

(4)堵孔止?jié){。在安裝完鋼筋束后，需要進行堵孔作業(yè)方可開始實施注漿。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1.5m范圍內(nèi)不設(shè)置注漿孔，孔口用厚3～5mm鋼板鑿孔焊接與注漿管等直徑的小導(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)長度不小于1m，確保封堵質(zhì)量。鋼管與孔壁之間封堵見圖2。

(5)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。

3.4 分步開挖通過塌方區(qū)

當(dāng)塌方堆積體注漿固結(jié)已有效實施、塌方段頂拱管棚支護施工完畢、水泥漿達到強度后，可采用分步開挖的方法通過塌方區(qū)。通過塌方區(qū)時施工要按照“少擾動、短進尺、快封閉、強支護、勤觀測”的原則來進行，穩(wěn)扎穩(wěn)打，步步為營，不允許盲目冒進。為保證施工安全，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。

3.4.1 塌方堆積體開挖

開挖方法采用正臺階留核心土弧形開挖法(開挖順序見圖3)。

圖2 管棚注漿封堵示意

圖3 正臺階留核心土弧形開挖順序示意(m)

第一循環(huán)超前錨桿施作完并產(chǎn)生作用后，用人工和小型機械(視情況輔以弱爆破)開挖上臺階弧形槽①，第一循環(huán)0.7m，以后每循環(huán)0.5m。開挖完后架設(shè)I20b鋼拱架，掛鋼筋網(wǎng)噴射鋼纖維混凝土作為初期支護。在弧形槽開挖2m后，核心土②隨弧形槽同時跟進。在上臺階弧形槽①開挖完成10m后，下臺階中槽③開挖，開挖中槽時，每邊必須留不少于3m的保護平臺。對于邊墻④、⑤開挖，④和⑤不能同時在一個垂直作業(yè)面上，必須待④的初期支護產(chǎn)生作用后，才能對⑤開挖，開挖時必須短進尺(不能超過1m)，及時進行封閉支護。

3.4.2 塌方區(qū)支護

塌方區(qū)除了正常的系統(tǒng)支護外，還增加了拱架支護(每榀間距50cm)，具體參數(shù)按設(shè)計通知要求執(zhí)行。

3.4.3 環(huán)向注漿

為了確保拱部以上塌體在有效注漿后膠結(jié)成一個整體，從而對上部巖體起到拱支撐的作用，在每一循環(huán)支護完成、噴混凝土強度達到要求之后，對拱部以上塌體再進行一次環(huán)向注漿，注漿管采用φ32、L=6m自進式錨桿，間排距0.4m，梅花形布置，注漿參數(shù)與拱部以上塌體注漿參數(shù)相同。

3.5 水泥漿注漿回填空腔

待塌方段開挖通過后，為了進一步穩(wěn)定塌方段前后的圍巖，抑制塌方發(fā)展，減小后期頂拱混凝土襯砌的壓力，需對塌方段的空腔進行注漿回填，回填采用水泥漿(水灰比為1∶1)。

在注漿前，采用物探檢測手段(孔內(nèi)電視、聲波檢測)查明空腔狀況，施工單位編制注漿施工方案，報監(jiān)理工程師審批后組織施工。

3.6 對塌方段施作排水孔

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3m，使塌方段頂拱的地下水順利排出。

3.7 施工期安全監(jiān)測

塌方段施工期安全監(jiān)測有著十分重要的意義，通過對塌方段支護后的變形進行觀測(主要是拱頂沉降監(jiān)測和收斂監(jiān)測)，一旦發(fā)現(xiàn)異常變形情況，立即報告相關(guān)各方，必要時撤離工作面，以確保施工人員和施工機械的安全。

在整個塌方段的處理過程中，安全監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，未發(fā)現(xiàn)異常變形情況。

4 塌方段處理過程分析及評價

4.1 拱部以上自進式錨桿注漿施工過程分析及評價

4.1.1 施工過程分析

在塌方處理過程中，對導(dǎo)流洞上半洞上游0+122、0+124、0+125、0+128、0+130m 五個斷面拱部以上部分共施工了70根φ32自進式錨桿(長度總計795m)、35根φ32自進式錨桿(注漿花管)，總計135m。上述錨桿注漿水泥用量共計377.6t。

施工現(xiàn)場記錄顯示:

(1)0+122～0+124m段吃漿量比較大，0+125～0+130m段吃漿量較少，說明0+125～0+130m段拱頂以上是較穩(wěn)定的，而0+122～0+124m段拱頂以上可能存在空腔。

(2)面對掌子面左側(cè)的吃漿量相對右側(cè)要小，說明掌子面右側(cè)塌方情況較左側(cè)要嚴(yán)重。

4.1.2 施工效果評價

采用自進式錨桿注漿施工，有效地對拱部以上塌方堆積體進行了固結(jié)，在一定程度上提高了塌方體的自穩(wěn)能力。

4.2 管棚施工效果分析及評價

4.2.1 施工過程分析

在管棚施工前，通過測量發(fā)現(xiàn)，掌子面0+122m拱部已經(jīng)下沉，特別是拱頂處已經(jīng)下沉14cm，這給管棚的施工造成了不小的麻煩。在管棚施工過程中，重點做好了以下3方面的工作:

(1)角度的控制。由于作業(yè)空間的狹小，移機不方便，造孔難度大，而且造孔的位置已經(jīng)侵占了設(shè)計開挖線，在鉆孔過程中需要控制好角度，保證管棚的有效長度達到最長，這樣可以減少后期開挖時割除管棚以及拱架的工程量。

(2)孔位的選擇。因為掌子面里面不但有壓塌的工字鋼，還有工字鋼的連接鋼筋和前期施工的錨桿，所以給造孔帶來了難度，孔位選擇不當(dāng)，容易造成廢孔，影響施工進度。因此，通過物探手段探明里面的情況后，再確定最終的孔位并實施鉆孔，以達到盡量減少廢孔的目的，減少不必要的工期損失。

(3)對注漿施工的過程控制采用電腦智能控制手段(投入壓力、流量、密度三參數(shù)自動記錄儀)。在注漿過程中，三個參數(shù)均可以根據(jù)現(xiàn)場情況由有經(jīng)驗的帶班人員通過電腦進行適時修改，避免了注漿壓力過大可能造成漏漿、注漿壓力過小導(dǎo)致注漿可能不起作用等情況的發(fā)生。

4.2.2 施工效果評價

管棚的注漿是管棚施工中起關(guān)鍵作用的一個環(huán)節(jié)，注漿效果好可以將一些前期錨桿注漿未達到效果的地方進一步固結(jié)。更重要的是，通過注漿能固結(jié)拱頂部位松散的巖層，并且使之形成一個較穩(wěn)定的水泥殼體，為后期開挖提供很好的安全保障。據(jù)統(tǒng)計，管棚施工有效造孔15個，總長度258.6m，由拱頂中心往兩側(cè)起拱線，自上而下施工，累計完成水泥注漿649.1t。

塌方段開挖完畢后利用物探手段對塌方段頂拱圍巖質(zhì)量復(fù)查的結(jié)果顯示，本次管棚注漿取得了預(yù)期的效果，確保了塌方段開挖期間的施工安全。

5 塌方段灌漿成果檢測

受業(yè)主委托，四川中水成勘院工程有限責(zé)任公司于2010年1月對導(dǎo)流洞0+116～0+122.5m塌方段缺陷進行物探綜合調(diào)查并提交了成果報告。根據(jù)物探成果報告，施工單位根據(jù)監(jiān)理批復(fù)意見對導(dǎo)流洞塌方段進行了補強固結(jié)灌漿。2010年3月23日，物探施工單位采用鉆孔全景圖像和單孔聲波檢測方法對塌方段頂拱3.0m范圍補強固結(jié)灌漿效果進行了檢查，完成鉆孔全景圖像測試共48.3m，單孔聲波共51m。通過對黃金坪水電站導(dǎo)流洞塌方段K0+115m、K0+118m、K0+121m 斷面15個鉆孔進行全景圖像及單孔聲波測試，查明了塌方段補強固結(jié)灌漿效果。

(1)塌方段補強固結(jié)灌漿在導(dǎo)流洞拱角、拱腰、頂拱3.0m范圍內(nèi)對空洞、裂隙有明顯的填充，形成了殼體，殼體密實度較好。

(2)導(dǎo)流洞塌方段頂拱3.0m范圍補強灌漿后平均波速在2 700～4 000m/s，普遍平均波速在3 000m/s左右，局部平均波速達到3 500m/s以上。

綜合分析后認(rèn)為，對塌方段的補強固結(jié)灌漿有效地充填加固了塌方段頂拱的破碎巖體，確保了后續(xù)往上游的洞挖施工過程中不再發(fā)生類似塌方情況，保障了洞挖施工的順利推進。

6 塌方段處理的施工總結(jié)

本次塌方處理過程，在最初的拱上拱支護加固方案未能取得預(yù)期效果的情況下，參建各方立即通過專題會議進行了方案的討論調(diào)整，最終確定了以管棚支護為主、花管灌漿為輔的頂拱加固處理，然后采取分區(qū)域開挖通過塌方區(qū)，最后再返回進行加固支護，從而在確保安全的前提下圓滿完成了塌方段的處理工作，既有效控制了塌方處理的工期，也合理控制了塌方處理的費用。