小斷面有壓引水隧洞塌方處理技術(shù)

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴陽，550081)

1 工程概況

山西省小浪底引黃工程位于山西省運(yùn)城市，是自黃河干流上的小浪底水利樞紐工程向山西省涑水河流域調(diào)水的大型引調(diào)水工程。工程年引水量為2.47億m3，設(shè)計流量20m3/s。工程主要解決運(yùn)城市區(qū)及其周邊縣城的生活、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水，工程社會效應(yīng)和意義重大。

小浪底引黃工程(引水干線部分)施工II標(biāo)負(fù)責(zé)的引水壓力管道是連接調(diào)壓井和地下泵站之間的有壓引水隧洞，主管段的施工范圍為S5+853.966～S6+011.142，長157.176m，設(shè)計徑向尺寸為2.90m，開挖斷面為馬蹄形。隧洞反向掘進(jìn)施工至S5+880.00樁號時處于斷層破碎帶內(nèi)，斷層破碎帶影響范圍大，開挖過程中S5+881.00～S5+873.80段頂拱及側(cè)壁坍塌嚴(yán)重，最深處垮塌約6.0m～7.0m，兩側(cè)壁底部有多處渾濁涌水，并且洞室結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，存在很大的安全隱患。

2 地質(zhì)情況說明

引水壓力管道地處板澗河下游與黃河小浪底庫區(qū)交匯的三角形地帶，隧洞圍巖巖溶發(fā)育，多中等透水性。引水壓力管道樁號S5+880.00～S5+870.00洞段處于斷層破碎帶，圍巖以淺黃色薄層～厚層含泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)條帶白云巖夾泥質(zhì)軟弱夾層，較軟巖～中硬巖，結(jié)構(gòu)破碎，剪切破壞很嚴(yán)重，剪切面平直粗糙，沿斷層破碎帶多處涌水，涌水點(diǎn)主要集中在掌子面兩側(cè)下部，涌水量大于200m3/h，受斷層影響頂拱連續(xù)坍塌嚴(yán)重，孤石懸空，最大塌空區(qū)約長6m、寬7m、高6.5m，圍巖極不穩(wěn)定，為特殊不良地質(zhì)洞段；樁號S5+870.00～S5+853.966洞段圍巖為灰黃色淺灰色中厚層白云巖，中硬巖，圍巖結(jié)構(gòu)破碎，裂隙發(fā)育，裂隙面平直粗糙，泥質(zhì)物充填，掌面左側(cè)底部較大涌水，頂拱坍塌嚴(yán)重，圍巖極不穩(wěn)定，為Ⅴ類圍巖。

3 方案對比和介紹

塌方后，參建各方高度重視，立即安排人員進(jìn)行值守和觀察。由于塌方體極不穩(wěn)定，在出渣過程中頂拱及側(cè)墻出現(xiàn)掉塊、垮塌現(xiàn)象，需立即采取封閉和脫空處理措施。

3.1 管棚超前支護(hù)法處理

在常規(guī)的塌方處理中采取“管棚超前支護(hù)法”施工，是將掌子面封閉后，在隧洞起拱線以上布設(shè)管棚(φ108mm×6mm，L=12.0m，采用花管注漿)，管棚采用壓注水泥漿進(jìn)行圍巖加固。管棚施工及注漿施工難度大，耗時較長，造價高，處理完成后再進(jìn)行掘進(jìn)開挖施工，無法滿足節(jié)點(diǎn)目標(biāo)要求。

3.2 混凝土回填配合超前小導(dǎo)管加固處理技術(shù)

由于小浪底引黃工程施工工期緊張，同時引水壓力管道S5+880.00～S5+853.966段圍巖條件差，已開挖掌子面隨時可能出現(xiàn)掉塊、垮塌現(xiàn)象，存在較大安全隱患，作業(yè)人員無法直接進(jìn)入掌子面進(jìn)行施工。為保證施工安全，經(jīng)參見各方現(xiàn)場研究，考慮隧洞斷面小，采取“先穩(wěn)定塌方區(qū)域，再穩(wěn)定推進(jìn)”的原則，進(jìn)行引水壓力管道剩余洞段的施工。即將塌方段空腔及底部采用用C20混凝土回填完成后，再重新鉆爆開挖，出渣完成后加強(qiáng)支護(hù)，并在塌空區(qū)往前掘進(jìn)開挖時采用I16工字鋼加強(qiáng)支護(hù)和在頂拱起拱線以上增設(shè)超前小導(dǎo)管的措施進(jìn)行處理。

4 小斷面隧洞塌方處理技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及工期要求，項目部經(jīng)研究決定采取了混凝土回填配合超前小導(dǎo)管加固處理的措施。

4.1 塌方回填處理

(1)由于塌方部位地質(zhì)條件差，在掌子面兩側(cè)下部涌水點(diǎn)集中，涌水量>200m3/h，為避免S5+881.00～S5+873.80段側(cè)墻再次出現(xiàn)垮塌，同時鑒于洞渣孔隙率大，排水性能好，有利于地下水的排出，垮塌渣體暫時不進(jìn)行清除，采用挖掘機(jī)將垮塌渣體修整形成約2m高的施工平臺。

(2)為方便塌空區(qū)域泵送C20混凝土回填，在塌空區(qū)域布設(shè)2根φ125mm泵送混凝土管(L=9.0m，外露3m，高度方向錯開布置)，泵送混凝土管深入頂拱垮塌區(qū)域，保證回填的密實(shí)程度。由于隧洞為有壓引水隧洞，隧洞支護(hù)質(zhì)量直接影響后期運(yùn)行安全，故同時在塌空區(qū)域預(yù)埋設(shè)5根φ48mm(L=8.0m)回填灌漿管，保證后期回填灌漿質(zhì)量。

(3)為了確保施工人員安全，從已完成鋼支撐支護(hù)的位置回退1m進(jìn)行模板安裝，并在回退范圍內(nèi)環(huán)向布設(shè)EVA復(fù)合防水板，確保新澆混凝土與原噴射混凝土分隔開，便于后期混凝土拆除。

(4)由于隧洞塌方量大，若全部采用混凝土回填，回填成本及后期開挖工程量都較大，為減少混凝土回填以及后期混凝土開挖量，在布設(shè)EVA復(fù)合防水板下部區(qū)域堆積約2m高沙袋，同時達(dá)到減少模板安裝工程量的作用。

(5)通過預(yù)埋的φ125mm泵送混凝土管對塌空區(qū)域采用C20混凝土泵送回填澆筑，將整個塌空區(qū)域回填密實(shí)，回填時先采用坍落度較大的混凝土回填深入較低的泵送混凝土管，有利于填充空隙。

4.2 回填混凝土開挖和一期支護(hù)

(1)混凝土回填完成14d后，采用鉆爆法對回填成整體的塌方區(qū)重新進(jìn)行爆破開挖，為保證設(shè)計凈空半徑，同時對該區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)，開挖時適當(dāng)進(jìn)行擴(kuò)挖。為保證施工安全，采取短進(jìn)尺、弱爆破的方式施工，每輪進(jìn)尺控制在0.5m～1m。開挖徑向尺寸由原來的2.9m調(diào)整為3.1m；鋼拱架由原設(shè)計的I14工字鋼調(diào)整為I16工字鋼，同時緊跟掌子面支護(hù)，鋼拱架間距調(diào)整為30cm；連接筋采用φ32螺紋鋼，環(huán)向間距調(diào)整為0.2m，將鋼拱架焊接成整體；每榀鋼拱架布設(shè)12根φ22、L=3.0m鎖腳錨桿與拱架焊接牢固，鎖腳錨桿間排距1.0m。

(2)開挖完成后及時進(jìn)行回填灌漿，將頂拱可能存在的空腔回填密實(shí)，保證后續(xù)施工安全。

(3)加強(qiáng)監(jiān)控量測工作，埋設(shè)變形觀測點(diǎn)，以監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，如發(fā)現(xiàn)異常及時采取相應(yīng)應(yīng)急措施，及時撤離并研究解決方案。

圖1 塌方區(qū)域處理示意(單位：m)

4.3 小斷面隧洞加固處理技術(shù)

4.3.1 超前小導(dǎo)管支護(hù)原理

超前小導(dǎo)管是穩(wěn)定開挖工作面的一種非常有效的輔助施工方法。在軟弱及破碎巖層施工中，超前小導(dǎo)管對松散巖層起到加固作用，注漿后增強(qiáng)了松散、軟弱圍巖的穩(wěn)定性，有利于完成開挖后與完成初期支護(hù)時間內(nèi)圍巖的穩(wěn)定，不至于圍巖失穩(wěn)破壞直至坍塌。

超前小導(dǎo)管注漿適用于隧道拱部軟弱圍巖，松散、無粘結(jié)土層、自穩(wěn)能力差的砂層及砂礫(卵)石層級破碎巖層。

通過超前小導(dǎo)管注漿能改變圍巖狀況及穩(wěn)定性，漿液注入軟弱、松散地層或含水破碎圍巖裂隙后，能與之緊密接觸并凝固。漿液以充填，劈裂等方式，置換土顆粒間和巖石裂隙中的水分及空氣后占據(jù)其位置，經(jīng)過一定時間凝結(jié)，將原有的松散土顆?；蛄严赌z結(jié)成一個整體，形成一個結(jié)構(gòu)新、強(qiáng)度大、防水性能良好的固結(jié)體，使得圍巖松散破碎狀況得到大幅度改善。

4.3.2 隧洞開挖施工措施

(1)自塌方掌子面樁號開始，為避免再次出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，造成成本、進(jìn)度、質(zhì)量等損失，在頂拱起拱線以上增設(shè)一排超前小導(dǎo)管(φ42，L=4.5m)，環(huán)向間距20cm～30cm，外傾角5°～10°，搭接長度不小于1.0m。

(2)采取短進(jìn)尺、弱爆破的方式施工，每輪進(jìn)尺控制在0.5m～1m。開挖徑向尺寸由原來的2.9m調(diào)整為3.1m；鋼拱架由原設(shè)計的I14工字鋼調(diào)整為I16工字鋼，同時緊跟掌子面支護(hù)，鋼拱架間距調(diào)整為50cm；連接筋采用φ32螺紋鋼，環(huán)向間距0.2m，將鋼拱架焊接成整體；每榀鋼拱架布設(shè)12根φ22、L=3.0m鎖腳錨桿與拱架焊接牢固，間排距1.0m；掛設(shè)鋼筋網(wǎng)φ8@20cm×20cm。

(3)小導(dǎo)管和拱架施工后，人工將洞壁兩側(cè)石渣清理干凈，并采用噴C20混凝土20cm回填密實(shí)，以確保上部回填混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(4)加強(qiáng)監(jiān)控量測工作，以監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，如發(fā)現(xiàn)異常及時采取相應(yīng)應(yīng)急措施，并研究解決方案。

(5)后期襯砌時，擴(kuò)挖部分與二期襯砌同時澆筑完成。

圖2 塌空區(qū)前方施工示意(單位：m)

5 塌方處理結(jié)果

在施工過程中進(jìn)行變形觀測，該地段圍巖為Ⅴ類，埋深50m～300m，最大允許變形值U0=0.005×5.8m=29mm。根據(jù)一個月的實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，累計變形值U=1.54mm，小于Uo，變形速率小于0.2mm/d，且趨于穩(wěn)定，根據(jù)《水利水電工程錨噴技術(shù)規(guī)范》(SL 377-2007)監(jiān)控設(shè)計規(guī)定，圍巖趨于穩(wěn)定，可進(jìn)行下道工序施工。

通過以上施工技術(shù)措施歷時25d成功穿越塌方段，在后續(xù)洞段施工中，再未發(fā)生塌方情況。在塌方段處理投入情況見表1。

表1 塌方段處理工程量

對預(yù)埋回填灌漿管，進(jìn)行回填灌漿，灌漿成果如表2。

表2 回填灌漿成果

6 結(jié)語

隧洞塌方是一種常見的工程現(xiàn)象，塌方會給施工帶來很大安全隱患和重大經(jīng)濟(jì)損失，塌方一旦發(fā)生，要及時采取合理的處理方法和措施，避免塌方擴(kuò)大。本次塌方處理后，經(jīng)監(jiān)控量測分析最大變形值和日變形值均滿足規(guī)范要求，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時在施工過程中未發(fā)生任何安全事故，在保證施工進(jìn)度的同時，保證了隧洞施工安全?；靥罨炷僚浜闲?dǎo)管進(jìn)行小斷面塌方處理，具有工序簡單、安全可靠、進(jìn)度快、成本低的特點(diǎn)，可為類似工程塌方處理提供借鑒。