寺坪電站引水隧洞坍塌冒頂綜合處理施工技術

  摘要: 湖北省??悼h寺坪水電站引水隧洞洞室圍巖為頁巖,砂質巖,一般為薄層狀結構,易風化,裂隙發(fā)育,巖體完整性差,局部較破碎;洞室圍巖類別一般為Ⅲ類,部分為Ⅳ、Ⅴ類圍巖,局部易發(fā)生掉塊和塌方等工程地質問題。隧洞出口壓力鋼管段在洞挖施工中于2005年3月17日和7月30日先后兩次發(fā)生坍塌冒頂事故。通過對坍塌冒頂區(qū)域上部進行回填和固結灌漿后,在洞內(nèi)坍塌體頂部打管棚超前支護,然后采取“短進尺、強支護”的措施,邊清挖、邊用鋼拱架跟進支護,得以安全順利穿越隧洞坍塌冒頂段。就引水隧洞坍塌冒頂綜合處理施工技術進行探討。

  關 鍵 詞: 引水隧洞;坍塌冒頂;灌漿;物探測試;鋼拱架支護;坍塌清挖

  1 概述

  寺坪電站引水隧洞全長413.275m,由上平段、上彎段、斜井段、下彎段、下平段和壓力鋼管段構成。其中K0+290.8~K0+413.275m為壓力鋼管段,由平彎段和直管段組成,斷面為城門洞型,開挖斷面尺寸7.1m×7.1m。坍塌冒頂發(fā)生在壓力鋼管K0+342~K0+320m段。

  2 第1次坍塌冒頂處理

  引水隧洞出口壓力鋼管K0+342~K0+320m段2005年3月17日第1次發(fā)生坍塌冒頂時,坍塌區(qū)域貫穿整個山脊,在山頂形成一個12m×8m×4m(長×寬×深)的塌坑,塌坑四周伴有誘導裂隙出現(xiàn)。

  坍塌冒頂處理方案分3步進行:①對上部塌陷區(qū)物探測試后進行清挖處理,防止塌方進一步擴大;②先在洞頂進行塌方范圍回填灌漿,再對冒頂塌方坑封閉及塌陷區(qū)周邊進行固結灌漿,然后開始上部塌陷區(qū)清挖,并對清挖邊坡進行支護,確保施工安全;③對洞內(nèi)塌體進行清挖處理,支護封閉洞內(nèi)坍塌段側墻及頂拱。

  2.1 防止塌方進一步擴大的施工措施

  2.1.1 坍塌體上部處理

  為防止雨水下滲,對坍塌體上部用彩條布遮蓋;對于塌體頂部誘導裂隙采用M10砂漿進行封閉,防止雨水進入造成裂縫的繼續(xù)擴散;在塌體上部坡面距裂縫1.5~2m人工開挖截水溝,防止雨季地表積水匯入塌坑。

  2.1.2 加強洞內(nèi)塌方部位下游15m支護

  引水隧洞壓力鋼管段K0+342~K0+370m段已按設計要求安裝鋼格柵和固定錨桿,鋼格柵采用鋼筋骨架型式,間距1.0m,部分鋼格柵立柱采用Ⅰ20型鋼,并在鋼格柵和圍巖之間掛網(wǎng)格為20cm×20cm的φ6.5鋼筋網(wǎng),兩側墻回填C20混凝土,回填厚度小于20cm處和起拱線以上采用C20細石混凝土噴護。

  2.1.3 坍塌區(qū)域物探測試

  為便于分析引水隧洞塌方松散體的范圍,采用高密度電法測試,通過冒頂區(qū)、延伸區(qū)、完整區(qū)巖體電性差異,來了解松散體縱向和水平方向的延伸范圍。由于高密度電法測試只能檢測30m深度以內(nèi)松散體的延伸范圍,在上部坍塌體回填灌漿結束后,又采用跨孔聲波法檢測30m以下松散體的延伸范圍。

  2.2 上部塌陷的處理

  上部塌陷區(qū)處理按以下步驟進行:

  2.2.1 頂部減載清理

  根據(jù)物探測試的松散體范圍,首先對頂部進行減載清理到弱風化層,初步確定清理高度5m,清理范圍距松動區(qū)外1~1.5m。為保證施工安全,清理先從塌陷區(qū)左右兩側進行抽槽開挖,再對上下游邊坡自上而下分梯段進行開挖,梯段高度2~2.5m;左右兩側及下游開挖邊坡坡比為1∶1.5,為盡量減少施工難度和對上游自然邊坡的擾動,上游開挖邊坡坡比為1∶0.75~1∶1。

  2.2.2 封閉灌漿

  沿冒頂塌坑(半徑R=9m)布設一圈固結灌漿孔,分兩序固結,共布設28個固結灌漿孔,灌漿孔底距洞頂1~2m。

  2.2.3 松動區(qū)外5m范圍內(nèi)固結灌漿

  上部塌陷區(qū)清挖減載后,沿開挖線外側設置截水溝,確保外來水不侵入塌陷區(qū),同時沿塌陷區(qū)范圍澆10cm厚C25壓漿板混凝土,然后對松動區(qū)沿裂隙松動圈(上下裂縫兩側)5m范圍進行固結灌漿,灌漿深度按清挖高度確定。固結灌漿孔排距3m,呈梅花型布置,孔深距洞頂1m,孔數(shù)根據(jù)第1次物探測試成果決定。

  2.2.4 清挖邊坡支護

  為保證清挖邊坡的穩(wěn)定性,先將坡面噴護10cm厚C20細石混凝土,再配置雙向φ22@20cm×20cm鋼筋、澆筑40cm厚C20W6F100混凝土對清挖邊坡進行保護。上部塌陷區(qū)開挖邊坡的預固結灌漿、排水、支護施工逐層進行,并根據(jù)物探檢測和開挖揭示的地質情況調(diào)整清理高度和清理范圍。

  2.2.5 坍塌頂面處理

  塌陷區(qū)頂部減載清挖、支護完成和洞內(nèi)坍塌體處理結束后,在清挖平臺至坍塌頂面區(qū)域澆筑2m厚的鋼筋混凝土將塌坑上方進行全封閉。

  2.3 洞內(nèi)坍塌體處理

  2.3.1 坍塌體清挖處理
 
  完成上部塌陷區(qū)清挖處理、支護和固結灌漿后,分上下兩層開挖進行洞內(nèi)坍塌體的處理,按先護頂后開挖的原則進行施工,頂部清理范圍高于設計開挖輪廓線2.0m。開挖清理前,視坍塌體穩(wěn)定情況,可對塌體預注漿加固。為確保施工安全,坍塌體采用液壓式鑿巖機分層開挖,每次循環(huán)進尺0.75m,拱頂和側墻跟進支護,嚴禁爆破處理。

  2.3.2 洞內(nèi)鋼筋混凝土頂拱封閉

  洞內(nèi)坍塌區(qū)每循環(huán)初期支護完成后,及時對拱頂采用鋼筋混凝土封閉。在坍塌區(qū)安裝鋼拱架,鋼拱架間距0.75m,單榀鋼拱架用Ⅰ20型鋼制作。施工時先安裝鋼拱架兩側立柱,澆筑側墻混凝土然后安裝鋼拱架頂拱和φ28@20cm×20cm鋼筋,立模澆筑頂拱混凝土。洞內(nèi)左右側墻錨桿根據(jù)變形監(jiān)測結果可在支護混凝土澆筑后施工。

  2.3.3 灌漿處理措施

  (1)灌漿處理原則。上部塌陷區(qū)按初步確定的5m清理高度處理后,在洞頂進行塌方范圍回填灌漿處理,再進行塌坑周邊封閉固結灌漿和裂縫松動圈固結灌漿。

 ?。?)灌漿處理程序。引水隧洞塌方灌漿處理程序為:冒頂塌方范圍清挖減載→截、排水溝及壓漿板混凝土澆筑→冒頂塌方范圍物探測試→洞內(nèi)清理→洞內(nèi)塌方段回填灌漿→塌陷區(qū)周邊固結灌漿→冒頂塌方范圍固結灌漿→待齡10d→引水隧洞塌方段擴挖襯砌加固。

 ?。?)灌漿布置。①洞內(nèi)回填灌漿。上部塌陷區(qū)清挖至穩(wěn)定邊坡后,在洞頂進行回填灌漿。由于洞頂塌方體巖石松散,擬采用跟管鉆機進行造孔,深入塌方巖體內(nèi)3m,孔間距3m,孔位布置見圖1(略)。②松動體固結灌漿。洞內(nèi)回填灌漿完成后,進行冒頂塌方巖體固結灌漿:封閉頂部塌坑(半徑R=9m),布設一圈固結灌漿孔,分兩序固結,孔距2m,共布設28個固結灌漿孔,灌漿孔底洞頂100cm,孔深約40~42m;沿裂縫松動圈(上、下裂縫線兩側)5m范圍內(nèi)進行固結灌漿,孔排距3m,梅花形布設。

 ?。?)灌漿方法。固結灌漿均采取分段固結,第1段深度為1.5m,埋設1m的孔口管,以下每5m為一段,最大段長不超過7m;由于現(xiàn)場地質條件復雜,塌方區(qū)巖體松散,裂隙發(fā)育,因此灌漿鉆孔結束后不進行沖洗,直接進行回填、固結灌漿。
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  封閉孔灌漿壓力0.1~0.2MPa,具體灌漿壓力根據(jù)現(xiàn)場情況可適當調(diào)整。

  固結灌漿采用單孔灌注、分序進行,先施工邊排,再施工中排,分段灌漿逐級升壓。邊排灌漿第1段壓力定為0.2MPa,考慮隨孔深不斷增加,漿液自重壓力不斷增大,10m范圍內(nèi)壓力可不變,超過10m后每增加1段壓力增加0.05MPa。中間排灌漿第1段壓力為0.3MPa,10m范圍內(nèi)壓力可不變,超過10m后每增加1段壓力增加0.05MPa。

  水泥漿液的水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1共4個等級,固結灌漿開灌漿液水灰比為3∶1,回填灌漿開灌水灰比為2∶1。

  變漿標準:單孔注入量達300L以上或灌注時間已達1h以上,而灌漿壓力或注入率均無變化,或變化不顯著時,改為濃一級水灰比的漿液灌漿。當每灌注孔段注入率大于0.4L/min時,延續(xù)灌注30min即可結束,采用0.5∶1水泥漿液進行封孔。

  2.4 坍塌冒頂處理安全監(jiān)測

  為了掌握引水隧洞上部塌陷區(qū)清挖邊坡和洞室圍巖變形情況,保證人員設備安全,對清挖邊坡和洞室支護結構復核提供依據(jù),對開挖清理后的邊坡和洞室圍巖采用收斂計進行收斂變形監(jiān)測。

  3 第2次坍塌冒頂處理

  2005年7月30日,引水隧洞壓力鋼管段K0+320m以上再次發(fā)生坍塌冒頂,經(jīng)過方案的可行性和經(jīng)濟成本等方面進行比較論證,最終確定采取管棚超前支護方法處理第2次坍塌冒頂。

  3.1 管棚施工方法

  灌漿孔沿洞室周邊間距50cm環(huán)狀布置,鉆孔傾角5°,原則上洞頂孔向上傾斜、側壁孔沿兩側傾斜。暫布孔23個(施工中根據(jù)實際斷面尺寸增減布孔個數(shù)),分3序從洞頂沿兩側施工,管棚造孔孔位布置見圖2(略)。

  3.1.1 管棚施工程序

  跟管鉆機造孔→下設灌漿花管→拔出跟管套管→孔口封閉→回填灌漿。

  3.1.2 管棚施工技術

 ?。?)松散體貼面混凝土澆筑。為防止回填灌漿時漿液外串、方便跟管鉆機拔管,在施工前需沿洞內(nèi)塌方松散體頂拱周圈澆筑一層厚50cm的貼面C15混凝土,寬度0.8m。松散體表面堆碼充填石渣的編制袋阻漿及支承上部混凝土,待混凝土達到70%以上強度后再進行造孔及灌漿作業(yè)。

  (2)灌漿花管制作。灌漿花管采用φ80mm無縫鋼管制作,單根總長15m,絲扣連接。底端用鋼板焊接封閉,管身呈梅花型鉆設直徑10mm的小孔,每環(huán)均勻鉆設3孔,除起端2.0m不鉆小孔外,環(huán)間距按50cm控制。灌漿花管起始端頭采用鋼板焊接封閉,開口處焊接一個φ25mm倒把接頭作為進漿管口。
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 ?。?)造孔。采用跟管鉆機造孔,孔徑110mm,鉆孔傾角5°,單孔孔深按15m控制。

  (4)埋設灌漿花管。在鉆孔達到孔深拔出鉆桿后,進行灌漿花管埋設。從跟管套管內(nèi)下設至孔底后,拔出鉆孔套管,并對灌漿花管采用水泥水玻璃砂漿或水泥卷進行孔口封閉。

 ?。?)回填灌漿。采用孔口封閉、純壓式灌漿。①灌漿水灰比:回填灌漿采用1∶1、0.5∶1兩級水灰比,以1∶1開灌。當1∶1漿液灌入300L后換用0.5∶1漿液灌注。②灌漿壓力:按管口壓力0.1~0.2MPa控制。③結束標準:在規(guī)定的壓力下,注入率不大于1L/min延灌5min結束。

  3.2 洞內(nèi)坍塌體清挖處理

  為保持管棚的穩(wěn)定和洞內(nèi)坍塌體清挖支護施工安全,坍塌體清挖支護前,在管棚的末端即下游1m范圍用鋼格柵和襯砌混凝土支護作為管棚支撐,將懸臂狀態(tài)的管棚改變?yōu)楹喼ЫY構,使其處于合理的受力狀態(tài)。洞內(nèi)坍塌體清挖支護施工方法與第1次基本相同。

  4 結語

  地下工程施工經(jīng)常遇到的隧洞坍塌冒頂、圍巖擠壓膨脹等不良地質條件,只要進行周密的地質勘探工作,并在此基礎上審慎地選定切實可行的施工方案,終能順利通過不良地質洞段。
  原作者: 曹振中 張俊偉
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