引水隧洞清水沟段塌方处理施工方案

引水隧洞清水沟段塌方处理施工方案李清泰刊登于《铁道建筑技术》（中铁十四局集团一公司山东日照276826）【摘要】本文详细介绍了开建桥水电站引水隧洞清水沟段塌方的基本情况、坍方原因分析和塌方处理施工方案，该方案安全、合理，处理效果良好。【关健词】施工概述，塌方处理，技术总结1.工程概况开建桥电站为引水式发电站引水隧洞全长3488m，结构型式为圆形，洞身直径6.2M和6.5m两种。隧洞所处为典型的高山地貌,山势陡峭、沟谷纵横，其中隧3+235～隧3+248段位于清水沟沟底。该段隧洞纵向中心线和沟底纵向中心线成400角交叉穿过，其中隧3+241～隧3+246位于沟低中心地段。隧洞洞身上拱部1200以下岩层为粉质砂岩和泥岩互层，岩层垂直于隧洞轴线方向由右侧向左侧向下倾斜，倾角约400，沿线路方向岩层由小里程向大里程方向向下倾斜，倾角约300（开挖方向大里程向小里程）。洞顶1200范围为清水沟沟底覆盖层。清水沟位于两山之间为典型的断层冲沟，沟内常年流水，汛期经常形成泥石流，洞顶沟身右侧有一处山体岩崩形成的松散堆积体，约6000m3，山体自然坡度约600～800，沟底常年洪水冲积形成的较厚的覆盖层，洞顶覆盖层厚度11～13米（实测），主要为孤石、卵石夹少量泥、细砂。卵石、石粒径1cm～2.5m不等，清水沟沟底常年流水，枯水期流量达到60m3/min以上。覆盖层自稳能力极差，加上地表水涌入和岩层裂隙水的渗入，造成洞顶一开挖形成临空面极易形成塌方。2.施工过程2005年12月12日开始对该段的洞身进行开挖，开挖前提出的Ø150mm长管棚方案因成本因素未获得通过，经业主、监理方专家共同讨论确定了以下方案：施工按照两台阶法开挖，开挖进尺≯50cm，开挖后立即喷射C20砼封闭，然后施做全环格栅拱架（纵向间距75cm），两拱架之间设纵向连接钢筋，格栅拱架施做完成后，挂钢模板浇筑C20砼临时支护。上拱部采用ф25双层超前锚杆支护（锚杆长2m，环向间距30cm），施工严格遵循“弱爆破、少扰动、短进尺、快封闭、勤量测”原则。开工后，首先进行了隧3+235～隧3+238段原施工单位塌方段的处理。采取了引排水、工字钢桁架支撑、喷锚及挂板砼临时支护等综合措施；之后进行了6次开挖，每次进尺0.8m～1.2m,共掘进6m，剩余约7m。该段开挖采取了双层超前锚杆、喷砼、立格珊拱架、纵环向连接筋和挂板砼等综合支护措施，其中隧3+241～隧3+243段发生两次上拱部局部塌方，采用喷射砼封闭，挂钢模板泵送浇筑砼的措施顺利通过。2006年1月21日，开挖隧3+243～隧3+244段，该段左侧上拱部2/3全部进入清水沟底，爆破完成约3min后，洞顶开始塌方，超前锚杆全部被塌方体砸掉，该次顶部塌空区高约2.6m；1月23日下午，顶部及左侧边墙再次发生塌方，该次顶部塌空区高约3.5m；1月25日下午准备采用挖掘机在塌方体上部平整出作业平台，作业完成20s后，上拱部及边墙再次发生较大面积的塌方，该次顶部塌空区高增至4.7m，之后春节期间又发生两次较小规模的塌方，顶部塌空区高增至5.9m，累计塌方体积约500m3。根据现场勘察，塌方体主要由粒径1cm～5cm的卵石、粒径50cm～250cm的磨圆度较好的孤石及粉细砂、少量土组成，加上大量裂隙水和两处集中涌水作用，更增大了再次塌方的可能性。3.塌方原因分析3.1该段覆盖层为洪积体，主要构成为磨圆度较好的卵石和孤石及少量细砂、泥土，且沉积年代较短，各成分间的粘结力极差，岩层几乎无自稳能力，洞身上部占整个洞高1/2～2/3的部分位于堆积体中开挖形成临空面后极易塌方。3.2堆积体内的大量裂隙水的作用，加上洞顶沟底右侧岩堆的压力作用，加剧了塌方的形成。3.3尽管对该段地质情况开挖前就有深入的了解，由于单纯从施工自身成本角度考虑，未采用较为稳妥的管棚方案，虽然采用了双层超前锚杆支护，但由于堆积体自身结构的特殊性，支撑效果极为有限。施工过程中大量卡钻、实际打入的有效锚杆良不足设计方案的1/2，且分布极不均匀，根本达不到预想的效果。3.4二次塌方后，采用挖掘机平整塌方体，破坏了塌方后的临时稳定，是造成再次塌方直接原因。3.5原定的两台阶法开挖方案，开挖上台阶时整个隧洞拱部形成临空面较大，易形成较大塌方，如采取侧壁导坑法或半边开挖，即使塌方规模也比较有限。4.塌方处理方案4.1方案形成此次塌方的塌穴断面为5.3m×6.4m(塌方体底以上宽×高)，高是塌体宽度的1.1倍，尚未形成自然稳定的自然拱（一般为宽度的4倍以上）。如果采取让其继续塌落，直至冒顶。然后再从覆盖层顶部向下处理的方案。对于人员和机械设备的安全是最保险的，但该方案由于塌方范围较大，塌体方量较大，处理周期较长。业主和监理部均不倾向于该方案。为了尽可能的缩短施工周期，加快施工进度，我部考虑采用从底部通过方案。4.2底部通过方案根据近段时间的观察，塌体每次塌方之后有一段时间的稳定，且在底部不扰动的情况下，短时间内不易形成较大范围的塌方。为此，确定塌方处理方法的基本原则是：先治水，不清碴，对塌穴不扰动，堆渣稳定塌穴；封闭塌穴面，支撑二次稳定塌穴；塌穴外侧挡护，喷混合料，降低高度，再次稳定塌穴；挂板砂泵送砼形成临时支护；拱架支撑，保证永久衬砌安全。先在洞顶采取截水和封闭水的措施，同时洞内人为将塌体坡面回填至开挖轮廓线以上一定高度，并喷射微纤维砼（封闭裂隙水效果较好），然后利用塌穴临时稳定期再塌穴内安装钢支撑并安装输送泵管，再在塌穴外利用塌方体作为作业平台，堆沙袋作为挡护，用喷浆机向塌穴内吹入砂+水泥+粉煤灰的混合料（加少量水以利于固结），完成后分2-3次浇筑砼至塌方顶，最后清除塌方体，在砼外侧立拱架进行二次支护，以加强永久性衬砌的支承力。4.3塌方处理方法4.3.1顶部截、排水在清水沟洞顶上游的100m处设一道浆砌石截水墙，预埋两根Ф100PVC水管，将水引至塌方点的下游。以下部分砌筑约60m长的浆砌片石水沟，将水引至交通洞口沟内。利用两台15kw水泵将清水沟内塌方体上游两池积水基本抽排干净，人工平整洞顶已开挖和未开挖部分，用40cm厚浆砌片石封闭，并抹一层防水砂浆，减少地表水的渗透。（见图1）4.3.2塌体反压为保证塌体的稳定性，在塌体坡脚处设一个反压平台，平台高2m、宽3m，长7m，坡度30o。施工方法是从洞外挖碴，分层填筑压实。（见图2）4.3.3空隙填充反压平台填筑完成后，从平台顶开始沿塌体坡面堆砂袋至塌体顶部，砂袋填三层。自塌体顶部距离临时支护3m开始按照1：0.5坡度堆砂袋至开挖拱顶，主要起挡碴和砼作用。然后用喷浆管向挡碴砂袋和塌体坡面的空隙内用喷浆机吹砂+粉煤灰+水泥（重量比为10：1：1，根据现场情况自行配置，达到既降低成本又保证可喷并有一定的连接强度即可）。4.3.4塌体砼护壳的设置根据现场的实际情况，在吹（砂＋粉煤灰＋水泥）上面分2-3次浇筑砼护壳。护壳砼采用泵送砼标号C20，为确保护壳砼能够填满塌空区，在堆码编织袋时，预埋两根不同长度的输送泵管，A管长1.5m，B管长3.0m。浇筑前在砂面上放一层弧形钢管网，其弧度同开挖线一致。钢筋网利用Φ20钢筋，钢筋布置为Φ20＠150*150mm。第一次浇筑1m厚，待砼有一定强度后再进行第二次砼浇筑，一直将塌空区浇满。（见图2）4.3.5塌体开挖塌体开挖分上下断面分部进行。4.3.5.1上半部塌体开挖支护上半部断面塌体开挖采用弧形开挖，保留核心土的方法。弧形开挖完成后，立两榀格栅拱架，并用10Φ25锁拱锚杆固定。4.3.5.2下半部开挖支护下半部用挖掘机和自卸汽车一次性出碴。然后移动台车架靠近掌子面，在边坡上支两榀钢栅拱架，和上拱部拱架连接成整体。并用12根锁拱锚杆固定。然后利用格栅拱架挂钢模板板浇筑支护砼。砼采用C20，掺减水剂。机械拌和、人工浇筑，浇筑时掺加速凝剂，掺量为水泥用量的4%局部有成股状流水或涌水时可根据情况在砼掺加水玻璃。4.3.6注意事项4.3.6.1施工过程中一定要设立专人值班，认真观察塌方段围岩变化，发现险情，立即撤离人员。4.3.6.2向塌空区填沙袋及吹砂时，人员尽量不要进入塌空区范围。挡碴沙袋始终高于塌空区内部1.0m以上，以阻挡随时塌落的孤石。4.3.6.3注意加强洞顶和洞内的围岩量测。及时发现情况，及时处理。4.3.6.4钢筋网一定在开挖轮廓线以外，防止侵入永久衬砌断面。4.3.6.5浇筑砼时，要主要观察砂袋挡墙的稳定，防止砼压力过大挤垮砂袋挡碴墙。必要时采取加固措施。5.人力、设备及材料见附表表1主要劳动力的组合表2主要施工机械配置表表3主要材料需用量表表1主要劳动力的组合序劳动力组成人数劳动力职责备注号（人）1施工负责人1全面指挥协调2技术负责人1方案落实3工班长1跟班作业4安全员1安全监测5炮工8打锚杆和后续洞挖6木工4挂板砼、支模7砼工16挂板砼浇筑，泵送砼浇筑8钢筋工4钢筋网制安及局部钢支撑加固9杂工16各班辅助工作10空压机司机1保证空压机正常工作11电工1负责供电正常12砌石工8洞顶防、排水表2主要施工机械配置表序号机械名称型号数量备注1空压机20m31台2空压机12m31台3风枪YT-283台4喷浆机1台5台车架自制1台6砼输送泵HBT601台7挖掘机PC1301台8装载机ZL401台序号机械名称型号数量备注9污水泵15kw2台10自卸汽车5T4台11砼罐车6m35台12钢筋弯曲机GW-401台13钢筋切断机GQ-401台14电焊机BX-5001台表3主要材料需用量表序号材料类别型号数量备注1编织袋3500个2PVC管Ф100350m3电缆30mm2450m4砂子细200m35水泥P.O32.520t6钢筋Ф222t7拱架自制6榀8砼C20150m39架管Ф50600m10挂板3015200m26.结束语本文所介绍的开建桥水电站引水隧洞塌方处理方案经过业主和监理的共同认可，并付诸实施。2006年2月30日正式开始塌方处理，2006年3月20日安全、顺利的通过了塌方区，历时20天。该段的塌方处理为我们积累了一定的施工经验，可作为类似工程塌方处理提供参考。同时，整个过程也告诉我们，对于软弱围岩尤其类似这种堆积体的隧洞开挖，首先必须进行详细的地质调查，在此基础上，确定开挖方案时必须坚持安全、稳妥的原则，既要考虑施工的直接成本，更要兼顾因措施不当造成的间接损失。地质不良地段且富水的隧洞开挖，除了坚持“弱爆破、少扰动、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的原则外，还要充分考虑地下水的影响，有条件的注意提前做好引排水的施工。针对青藏高原气候区曾达电站气温低、干燥爆冷等特点,以及小断面引水隧洞在支洞口部位特有的瓶颈效应,以不利于通风、排烟、出渣和工程安全及劳动保护等不利因素为出发点,对开挖岩面由于粉尘和烟雾污染致使围岩和支护结合不紧密等问题,通过采用混合式通风和中部增设通风中继站、柴油机净化装置,加大排烟风机的风量,喷雾洒水,缩短出渣时间,提高光面爆破效果减少渣块的大块率,合理调度,及时进行拱顶喷浆封闭,减少未喷面受污染的持续时间,喷浆前采取高压风、水冲洗等措施,实现了该引水隧洞中施工效益、质量、安全的目标.1工程概况及施工特点曾达电站位于四川省甘孜藏族自治州色达县境内,以发电为主.无压引水隧洞长3173.55m,自0+050至城门洞型,比降0.1%,直墙净高2.9～3.64m,净宽用素混凝土衬砌,洞顶采用M10砂浆喷护.分别在0+936处设1号支洞、2+244处设2号支洞,为圆拱直墙式,底宽3m,直墙高拱半径2.194m.工程位于青藏高原气候区,冬寒夏凉,四季不分明,昼夜温差大.5～9月是夏半年,受西南季风的影响,常伴有对流性降水的天气过程,雷暴和冰雹频繁.10月至次年4月是冬半年,受青藏高原冷气压和西风急流的控制,气温低,干燥爆冷.多年平均气温-0.1℃,历年极端最高气温23.7℃,历年极端最低气温-36.3℃.曾达电站引水隧洞施工有以下特点：a.隧洞断面小，不利于通风、排烟.曾达电站地处高原寒冷地区,海拔高(工程位置3300m以上),空气稀薄(含氧量较正常降低45％以上).根据引水隧洞原设