水電站5#隧洞塌方處理方案的選擇與應用

1.1工程概況xx水電站位于xx省xx縣境內的xx河（雅礱江支流）上，是xx河六個梯級電站中的第三級。采用低閘引水式發(fā)電，電站裝機4臺，單機容量60MW，總裝機容量240MW。主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)、地面廠房系統(tǒng)等建筑物組成。引水系統(tǒng)由引水隧洞、調壓室、壓力管道組成。引水隧洞布置在xx河右岸，全長18.7m，為有壓圓形洞，大部分地段采取掛網噴錨臨時支護措施。1.2工程地質概況工程區(qū)位于“川滇菱形”斷塊內的次級斷塊“稻城斷塊”東緣，受次級斷塊“稻城斷塊”邊界斷裂帶的影響和控制，地質構造較復雜。引水隧洞發(fā)育4條規(guī)模較大橫切隧洞的斷層—圓寶山、尼都、機落、茶布朗斷層，破碎帶一般寬約20~40m，機落斷層寬達100~200m，由碎裂巖、糜棱巖、角礫巖、少量斷層泥、裂隙密集帶組成。隧洞區(qū)層間剪切錯動帶及各類結構面均較發(fā)育，地層揉皺強烈。引水隧洞沿線出露巖性主要為奧陶系下統(tǒng)瓦廠組（O1W）板巖夾變質石英砂巖、千枚巖、人公組（O1r）的變質石英砂巖夾板巖、千枚巖，少量三疊系下統(tǒng)領麥溝組（T1l）的板巖夾千枚巖、硅質板巖，志留系（S1）的板巖夾千枚巖、硅質巖，巖層總體產狀：N30°~40°W/SW∠30°~50°。整個洞段Ⅳ類圍巖約占65%，Ⅲ類圍巖約占30%，Ⅴ類圍巖約占5%。2.1塌方情況簡介隧洞開挖至樁號13+058m處時發(fā)生塌方，隨后施工單位采取了格柵拱架的支護措施。但由于頂拱不斷掉塊，為保證施工人員的安全，格柵拱架支撐到13+060m時就停止了，持續(xù)掉塊的狀態(tài)延續(xù)了近2個月，塌方一直延伸至13+066m處，13+058～13+060m段的格柵拱架也被壓垮。塌方塊體充滿了整個端面并封閉了塌腔，據施工人員粗略測量，自左拱角至右邊墻形成一高約10m的塌腔，為一大型塌方。塌方縱剖面見圖1塌腔h=8.2m塌碴13+058m13+066m圖1塌方縱剖面示意圖2.2塌方原因分析經業(yè)主、設代組、監(jiān)理和施工單位四方聯(lián)合進行多次現(xiàn)場調查分析后認為隧洞塌方主要有地質因素和施工原因引起的：⑴地質因素：該塌方段地層巖性為炭質板巖、炭質千枚巖，巖性軟，層間結合差；巖層總體產狀為N80°E/SE∠45°,洞軸線沿水流的方向為143°,巖層傾下游偏內側；該段發(fā)育一順層面的擠壓性斷層破碎帶，主錯帶寬約4m，破碎帶物質為碎裂巖、糜棱角礫、石英團塊等，大部分呈碎塊狀、碎屑狀；巖體穩(wěn)定性很差，判定圍巖類別為Ⅴ類。⑵施工原因：主要是首次塌方時，施工單位沒有采取及時有效的支護措施，從而導致塌方的擴大。3.1塌方段處理方案一：大管棚法施工3.1.1支護型式臨時支護采用“管棚+鋼拱架+系統(tǒng)錨桿+鋼纖維噴射混凝土支護”的方法。支護工藝流程為：噴5cm混凝土--鋼拱架架立--系統(tǒng)錨桿--20cm厚鋼纖維噴射混凝土管棚參數：孔深，樁號13+058往下游15m。采用Φ114×6熱軋無縫鋼管，每節(jié)長5m，以長150mm的絲扣連接，打設仰角5～8°。管棚沿拱部180°范圍布置，間距0.4m，布置37根。鋼管內配置等長度的3×Φ22鋼筋束，鋼筋束側邊布置Φ25PVC注漿管，具體見鋼筋束布置圖—圖2。鋼筋接頭采用對焊焊接，管壁上間距200mm鉆Φ20小孔。鋼管中注水泥-水玻璃漿液，注漿初壓力0.5～1Mpa，終壓力2.0～2.5Mpa，注漿半徑不小于1.0m。注漿結束后用M10水泥砂漿充填，以增強鋼管強度和剛度。管棚端部應與格柵鋼架焊接使鋼架與管棚共同形成棚架支護體系。止?jié){墻采用鋼纖維噴混凝土，混凝土厚度20cm。鋼拱架主要參數：鋼拱架采用I20工字鋼制作，間距0.5m。每榀鋼架底角各設Φ22、L=3.0m錨桿。相鄰鋼架用Φ22mm鋼筋焊接，間距為1.0m，每圈20根。每榀格柵鋼架分4個單元，單元間用鋼板綁焊連接，鋼板規(guī)格A3、δ=10mm。系統(tǒng)錨桿：采用Φ25mm，L=4m錨桿，間排距1.5*1.5m，梅花式布置。鋼纖維噴射C20混凝土20cm。φ25PVC注漿管鋼筋束3*φ22//\/φ114熱軋無縫鋼管\圖2鋼筋束布置圖3.1.2管棚施工工藝⑴管棚施工順序。工作面封閉（10cm厚C20噴混凝土支護）工作臺架設，管棚定位并確定軸向標志，架設鉆機，鉆孔施工，高壓風清管，置入鋼筋，注漿，清拆工作面轉入開挖施工程序。⑵施工程序為保證施工人員和設備安全并為下一步注漿提供條件，對工作面進行C20噴混凝土進行封閉，采用腳手架搭設工作平臺，測量放樣定點；因該段垮塌松散體夾雜有大小不均的各類巖石，且?guī)r石的可鉆性在5～6m之間，直接施工進入和成孔后再置入ф108鋼管這種施工工藝無法實施，故采用ф110偏心錘跟進管鉆進施工工藝完成；管棚鉆孔達到設計深度退出偏向時，將管內碎石、粉塵采用高壓風清除，然后置入ф28鋼筋于ф108鋼管中，最后用止?jié){閥封孔灌漿，使管棚圓周50cm范圍內達到固結。3.2塌方處理方案二：超前小導管法施工3.2.1施工程序（見圖3）打超前小導管預固結灌漿開挖上臺階架設上臺階拱支撐 下臺階開挖架設豎支撐打鎖腳錨桿掛網噴混凝土3.2.2施工方法⑴打超前小導管并進行預固結灌漿搭接長度不小于1.5m。采用超前小導管邊鉆邊灌漿的施工方法；自進式錨桿規(guī)格為ф25，L=4m，1.2*1.2m。⑵人工開挖上臺階并架設上臺階拱支撐。采用人工鑿挖法開挖，上臺階預留土心以便施工，循環(huán)進尺控制在1.0m之內。拱支撐采用I20工字鋼制作，拱支撐的中心間距為0.5m；工字鋼架設時要將兩榀拱支撐焊縫焊好，并用2cm厚的連接板加強連接；拱支撐安裝到位后及時焊接ф25、環(huán)向間距為50cm的連接筋。⑶下臺階開挖、架設豎支撐仍然采用人工鑿挖法開挖，遇到大孤石放小炮，每循環(huán)進尺不超過1.0m。豎支撐采用I20工字鋼制作，工字鋼間距與上臺階頂拱的工字鋼間距一致，并焊接牢固；豎支撐安裝連接后，仍采用ф25鋼筋連接成一個整體。⑷打鎖腳錨桿、掛網噴混凝土普通徑向鎖腳錨桿在一定程度上起固定拱腳的作用，選用ф25鋼筋，長度一般控制在3m以內，露出部分的長度控制在20～30cm，將露出部分與型鋼的拱腳焊接牢固。網片采用Φ6.5鋼筋制作，間距@20cm*20cm，鋼筋網應鋪設在縱向連接筋與巖面之間，與圍巖的間隙不大于5cm，同時將鋼筋網通過焊接與型鋼連接為整體。混凝土噴護厚度為20cm，噴射混凝土面必須保證平整，最好將整個第一次支護的受力骨架覆蓋，使第一次支護形成一個受力整體。經過造價比較得出以下結論：采用大管棚法施工，每進尺一延米造價約3萬元；采用超前小導管法施工，每進尺一延米造價約1.5～2萬元。從進度分析，采用大管棚法施工，組織設備、材料、人員時間長，進度較為緩慢；采用超前小導管法施工，不需要大型設備，可及時組織材料、人員進行施工。從施工方面考慮，采用大管棚施工，因鉆機工作平臺為洞渣填筑，平臺頂部滲水較嚴重，鉆機在斜坡上就位困難，鉆孔方向不易控制；洞渣在鉆機振動力作用下產生下沉現(xiàn)象，因鉆機造孔方向是由機身確定的，不能由鉆臂調節(jié)，機身下沉后鉆孔方向產生偏斜，加之塌方體內巖性軟硬不一，體內被埋的格柵鋼架對鉆進影響較大，致使鉆頭和套管經常被卡，施工難度較大；采用超前小導管法施工，基本不存在造孔難、鉆孔方向不易控制的問題。根據上述比較情況，為早日通過塌方段，決定選用超前小導管法處理此塌方。用淺孔小炮分區(qū)進行，導洞高度約3.5～4m，頂部采用超前錨桿、注漿小導管或灌漿固結支護，型鋼支撐跟進支護，待導洞通過塌方段后再進行下部開挖，并將該部分型鋼與上半部分焊接牢固。塌方段工程地質條件差、成洞困難，采用超前小導管法施工，鋼拱架與噴錨網噴構成了