寺坪电站引水隧洞坍塌冒顶综合处理施工技术（曹振中,张俊伟）

时间：2021-01-14 08:05:42　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要: 湖北省保康县寺坪水电站引水隧洞洞室围岩为页岩，砂质岩，一般为薄层状结构，易风化，裂隙发育，岩体完整性差，局部较破碎;洞室围岩类别一般为Ⅲ类，部分为Ⅳ、Ⅴ类围岩，局部易发生掉块和塌方等工程地质问题。隧洞出口压力钢管段在洞挖施工中于2005年3月17日和7月30日先后两次发生坍塌冒顶事故。通过对坍塌冒顶区域上部进行回填和固结灌浆后，在洞内坍塌体顶部打管棚超前支护，然后采取“短进尺、强支护”的措施，边清挖、边用钢拱架跟进支护，得以安全顺利穿越隧洞坍塌冒顶段。就引水隧洞坍塌冒顶综合处理施工技术进行探讨。

关键词: 引水隧洞;坍塌冒顶;灌浆;物探测试;钢拱架支护;坍塌清挖

中图分类号: TV223.3+ 4 文献标识码: A

1 概述

寺坪电站引水隧洞全长413.275m，由上平段、上弯段、斜井段、下弯段、下平段和压力钢管段构成。其中K0+290.8～K0+413.275m为压力钢管段，由平弯段和直管段组成，断面为城门洞型，开挖断面尺寸7.1m×7.1m。坍塌冒顶发生在压力钢管K0+342～K0+320m段。

2 第1次坍塌冒顶处理

引水隧洞出口压力钢管K0+342～K0+320m段2005年3月17日第1次发生坍塌冒顶时，坍塌区域贯穿整个山脊，在山顶形成一个12m×8m×4m（长×宽×深）的塌坑，塌坑四周伴有诱导裂隙出现。

坍塌冒顶处理方案分3步进行:①对上部塌陷区物探测试后进行清挖处理，防止塌方进一步扩大;②先在洞顶进行塌方范围回填灌浆，再对冒顶塌方坑封闭及塌陷区周边进行固结灌浆，然后开始上部塌陷区清挖，并对清挖边坡进行支护，确保施工安全;③对洞内塌体进行清挖处理，支护封闭洞内坍塌段侧墙及顶拱。

2.1 防止塌方进一步扩大的施工措施

2.1.1 坍塌体上部处理

为防止雨水下渗，对坍塌体上部用彩条布遮盖;对于塌体顶部诱导裂隙采用M10砂浆进行封闭，防止雨水进入造成裂缝的继续扩散;在塌体上部坡面距裂缝1.5～2m人工开挖截水沟，防止雨季地表积水汇入塌坑。

2.1.2 加强洞内塌方部位下游15m支护

引水隧洞压力钢管段K0+342～K0+370m段已按设计要求安装钢格栅和固定锚杆，钢格栅采用钢筋骨架型式，间距1.0m，部分钢格栅立柱采用Ⅰ20型钢，并在钢格栅和围岩之间挂网格为20cm×20cm的φ6.5钢筋网，两侧墙回填C20混凝土，回填厚度小于20cm处和起拱线以上采用C20细石混凝土喷护。

2.1.3 坍塌区域物探测试

为便于分析引水隧洞塌方松散体的范围，采用高密度电法测试，通过冒顶区、延伸区、完整区岩体电性差异，来了解松散体纵向和水平方向的延伸范围。由于高密度电法测试只能检测30m深度以内松散体的延伸范围，在上部坍塌体回填灌浆结束后，又采用跨孔声波法检测30m以下松散体的延伸范围。

2.2 上部塌陷的处理

上部塌陷区处理按以下步骤进行:

2.2.1 顶部减载清理

根据物探测试的松散体范围，首先对顶部进行减载清理到弱风化层，初步确定清理高度5m，清理范围距松动区外1～1.5m。为保证施工安全，清理先从塌陷区左右两侧进行抽槽开挖，再对上下游边坡自上而下分梯段进行开挖，梯段高度2～2.5m;左右两侧及下游开挖边坡坡比为1∶1.5，为尽量减少施工难度和对上游自然边坡的扰动，上游开挖边坡坡比为1∶0.75～1∶1。

2.2.2 封闭灌浆

沿冒顶塌坑（半径R=9m）布设一圈固结灌浆孔，分两序固结，共布设28个固结灌浆孔，灌浆孔底距洞顶1～2m。

2.2.3 松动区外5m范围内固结灌浆

上部塌陷区清挖减载后，沿开挖线外侧设置截水沟，确保外来水不侵入塌陷区，同时沿塌陷区范围浇10cm厚C25压浆板混凝土，然后对松动区沿裂隙松动圈（上下裂缝两侧）5m范围进行固结灌浆，灌浆深度按清挖高度确定。固结灌浆孔排距3m，呈梅花型布置，孔深距洞顶1m，孔数根据第1次物探测试成果决定。

2.2.4 清挖边坡支护

为保证清挖边坡的稳定性，先将坡面喷护10cm厚C20细石混凝土，再配置双向φ22@20cm×20cm钢筋、浇筑40cm厚C20W6F100混凝土对清挖边坡进行保护。上部塌陷区开挖边坡的预固结灌浆、排水、支护施工逐层进行，并根据物探检测和开挖揭示的地质情况调整清理高度和清理范围。

2.2.5 坍塌顶面处理

塌陷区顶部减载清挖、支护完成和洞内坍塌体处理结束后，在清挖平台至坍塌顶面区域浇筑2m厚的钢筋混凝土将塌坑上方进行全封闭。

2.3 洞内坍塌体处理

2.3.1 坍塌体清挖处理

完成上部塌陷区清挖处理、支护和固结灌浆后，分上下两层开挖进行洞内坍塌体的处理，按先护顶后开挖的原则进行施工，顶部清理范围高于设计开挖轮廓线2.0m。开挖清理前，视坍塌体稳定情况，可对塌体预注浆加固。为确保施工安全，坍塌体采用液压式凿岩机分层开挖，每次循环进尺0.75m，拱顶和侧墙跟进支护，严禁爆破处理。

2.3.2 洞内钢筋混凝土顶拱封闭

洞内坍塌区每循环初期支护完成后，及时对拱顶采用钢筋混凝土封闭。在坍塌区安装钢拱架，钢拱架间距0.75m，单榀钢拱架用Ⅰ20型钢制作。施工时先安装钢拱架两侧立柱，浇筑侧墙混凝土然后安装钢拱架顶拱和φ28@20cm×20cm钢筋，立模浇筑顶拱混凝土。洞内左右侧墙锚杆根据变形监测结果可在支护混凝土浇筑后施工。

2.3.3 灌浆处理措施

（1）灌浆处理原则。上部塌陷区按初步确定的5m清理高度处理后，在洞顶进行塌方范围回填灌浆处理，再进行塌坑周边封闭固结灌浆和裂缝松动圈固结灌浆。

（2）灌浆处理程序。引水隧洞塌方灌浆处理程序为:冒顶塌方范围清挖减载→截、排水沟及压浆板混凝土浇筑→冒顶塌方范围物探测试→洞内清理→洞内塌方段回填灌浆→塌陷区周边固结灌浆→冒顶塌方范围固结灌浆→待龄10d→引水隧洞塌方段扩挖衬砌加固。

（3）灌浆布置。①洞内回填灌浆。上部塌陷区清挖至稳定边坡后，在洞顶进行回填灌浆。由于洞顶塌方体岩石松散，拟采用跟管钻机进行造孔，深入塌方岩体内3m，孔间距3m，孔位布置见图1（略）。②松动体固结灌浆。洞内回填灌浆完成后，进行冒顶塌方岩体固结灌浆:封闭顶部塌坑（半径R=9m），布设一圈固结灌浆孔，分两序固结，孔距2m，共布设28个固结灌浆孔，灌浆孔底洞顶100cm，孔深约40～42m;沿裂缝松动圈（上、下裂缝线两侧）5m范围内进行固结灌浆，孔排距3m，梅花形布设。

（4）灌浆方法。固结灌浆均采取分段固结，第1段深度为1.5m，埋设1m的孔口管，以下每5m为一段，最大段长不超过7m;由于现场地质条件复杂，塌方区岩体松散，裂隙发育，因此灌浆钻孔结束后不进行冲洗，直接进行回填、固结灌浆。

封闭孔灌浆压力0.1～0.2MPa，具体灌浆压力根据现场情况可适当调整。

固结灌浆采用单孔灌注、分序进行，先施工边排，再施工中排，分段灌浆逐级升压。边排灌浆第1段压力定为0.2MPa，考虑随孔深不断增加，浆液自重压力不断增大，10m范围内压力可不变，超过10m后每增加1段压力增加0.05MPa。中间排灌浆第1段压力为0.3MPa，10m范围内压力可不变，超过10m后每增加1段压力增加0.05MPa。

水泥浆液的水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1共4个等级，固结灌浆开灌浆液水灰比为3∶1，回填灌浆开灌水灰比为2∶1。

变浆标准:单孔注入量达300L以上或灌注时间已达1h以上，而灌浆压力或注入率均无变化，或变化不显著时，改为浓一级水灰比的浆液灌浆。当每灌注孔段注入率大于0.4L/min时，延续灌注30min即可结束，采用0.5∶1水泥浆液进行封孔。

2.4 坍塌冒顶处理安全监测

为了掌握引水隧洞上部塌陷区清挖边坡和洞室围岩变形情况，保证人员设备安全，对清挖边坡和洞室支护结构复核提供依据，对开挖清理后的边坡和洞室围岩采用收敛计进行收敛变形监测。

3 第2次坍塌冒顶处理

2005年7月30日，引水隧洞压力钢管段K0+320m以上再次发生坍塌冒顶，经过方案的可行性和经济成本等方面进行比较论证，最终确定采取管棚超前支护方法处理第2次坍塌冒顶。

3.1 管棚施工方法

灌浆孔沿洞室周边间距50cm环状布置，钻孔倾角5°，原则上洞顶孔向上倾斜、侧壁孔沿两侧倾斜。暂布孔23个（施工中根据实际断面尺寸增减布孔个数），分3序从洞顶沿两侧施工，管棚造孔孔位布置见图2（略）。

3.1.1 管棚施工程序

跟管钻机造孔→下设灌浆花管→拔出跟管套管→孔口封闭→回填灌浆。

3.1.2 管棚施工技术

（1）松散体贴面混凝土浇筑。为防止回填灌浆时浆液外串、方便跟管钻机拔管，在施工前需沿洞内塌方松散体顶拱周圈浇筑一层厚50cm的贴面C15混凝土，宽度0.8m。松散体表面堆码充填石渣的编制袋阻浆及支承上部混凝土，待混凝土达到70%以上强度后再进行造孔及灌浆作业。

（2）灌浆花管制作。灌浆花管采用φ80mm无缝钢管制作，单根总长15m，丝扣连接。底端用钢板焊接封闭，管身呈梅花型钻设直径10mm的小孔，每环均匀钻设3孔，除起端2.0m不钻小孔外，环间距按50cm控制。灌浆花管起始端头采用钢板焊接封闭，开口处焊接一个φ25mm倒把接头作为进浆管口。

（3）造孔。采用跟管钻机造孔，孔径110mm，钻孔倾角5°，单孔孔深按15m控制。

（4）埋设灌浆花管。在钻孔达到孔深拔出钻杆后，进行灌浆花管埋设。从跟管套管内下设至孔底后，拔出钻孔套管，并对灌浆花管采用水泥水玻璃砂浆或水泥卷进行孔口封闭。

（5）回填灌浆。采用孔口封闭、纯压式灌浆。①灌浆水灰比:回填灌浆采用1∶1、0.5∶1两级水灰比，以1∶1开灌。当1∶1浆液灌入300L后换用0.5∶1浆液灌注。②灌浆压力:按管口压力0.1～0.2MPa控制。③结束标准:在规定的压力下，注入率不大于1L/min延灌5min结束。

3.2 洞内坍塌体清挖处理

为保持管棚的稳定和洞内坍塌体清挖支护施工安全，坍塌体清挖支护前，在管棚的末端即下游1m范围用钢格栅和衬砌混凝土支护作为管棚支撑，将悬臂状态的管棚改变为简支结构，使其处于合理的受力状态。洞内坍塌体清挖支护施工方法与第1次基本相同。

4 结语

地下工程施工经常遇到的隧洞坍塌冒顶、围岩挤压膨胀等不良地质条件，只要进行周密的地质勘探工作，并在此基础上审慎地选定切实可行的施工方案，终能顺利通过不良地质洞段。

作者简介: 曹振中，男，葛洲坝集团第二工程有限公司，工程师。

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