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小断面洞室中较大涌水及塌方处理 鹏， 胡 忠 良， 姜邓明( 中国水利水电第七工程局有限公司 二分局，四川 成都 611730)摘 要: 甲米一级水电站 1#支洞控制段下游 k1 881 k1 893 5 处于地震滑坡体影响带内，在施工过程中发生了较大涌水、塌方，通过合理地组织施工、有效的后勤保障，采用注入水泥浆-水玻璃固结渣体的方式，达到了预期效果。关键词: 甲米一级水电站; 涌水; 塌方; 水泥浆; 水玻璃; 处理中图分类号: tv52; tv554文献标识码: b文章编号: 1001-2184( 2012) 06-0027-041 工程概况甲米一级水电站位于四川省凉山州盐源县盐塘河干流甲米河上，取水枢纽位于盐塘河甲米村 上游约 5 3 km; 厂区位于桃子乡跨 棉 村，距 盐 源 县城约 67 km，距西昌市区约 220 km。甲米一级 水电 站 为 日 调 节 引 水 式 电 站，装 机 容 量 3 12mw，设计水头 90 m，设 计 引 用 流 量 45 45 m3 / s。电站枢纽建筑物由首部枢纽、引水系统、厂区枢纽三部分组成。拦河闸坝由泄洪冲沙闸段及左右侧非溢流坝 段组成，拦河闸坝基置于沙卵石地基上，最大坝高12 49 m，坝顶全长 95 72 m。泄洪冲沙闸段位于主河床上，由闸室、消力池和海漫三部分建筑物组成，闸坝堰型为平底宽顶堰，闸底板高程 2 149 8 m，由 5 孔净宽 11 m 的露顶式 闸 孔 组 成，闸 段 总 长 69 72 m，闸墩 为 整 体 式，分 2 箱，左 侧 3 孔 为 一箱，右侧 2 孔为一箱。引水建筑 物由电站进水口、压 力 隧 洞、调 压 井、压力管道组成。为便于分段施工，引水隧洞共 设置了 5 条支洞。引水隧洞断面为马蹄形，开挖 直径上半圆 为 6 2 m，下半部分侧拱半径为 6 2 m，圆心 角 30，底 部 为 平 底，底 宽 4 36 m。对 于 类围岩段，设计采用喷 0 1 0 15 m 厚的 素混凝土或喷锚挂网支护; 对于类、类围岩， 设计采用双层钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度 40 50 cm，必要时作固结灌浆处理; 对于混凝土衬砌段 隧洞，顶拱 120范围内进行回填灌浆处理。河甲米河段，属川西南山地褶皱高山、峡谷地貌。区内出露地层有二叠系上统峨眉山玄武岩和二叠 系乐平组，三叠系下统青天堡组、中统盐塘组、白 山组、下博大组和上中博大并组，第 四 系 残 坡 积 层。与本工程密切相关的较大断裂有查瓦甲米断 裂和麦架坪断裂，其中甲米断裂为南北向构造，出 露长度为 32 km，倾 向 e，倾 角 60 70，该 断 层 轴线与本工程近于平行，与引水隧洞、坝址相距 3 7 km，与厂区相距约 7 km。麦架坪断裂为南东向，出 露 长 度 为 42 km，走 向 n40 50 e，倾 角60 70，断层的伴生成分以南北、东西两组扭节理常见，该断层轴线距本工程坝址区约 12 km，距厂区约 1 3 km。2 11#支洞地质条件及评价第一段: 0 + 000 1 + 300，段长 1 300 m，洞线基岩垂直埋深 65 166 m，轴线方向 s6429w，与岩层走向夹角 86。围岩为三叠系中统白山组( t2b) 灰岩、白云质灰岩，岩石倾向坡外。进口 20m 边坡岩体结构松散，节理裂隙发育。由于 该 段洞室埋深较浅，受风化卸荷影响，结构面多呈卸荷微张，个别张开宽度达 5 20 cm，岩体完整性差， 具碎裂结构，以类围岩为主，属不稳定岩体。由 于该洞段岩层裂隙倾角较缓、走向与洞轴线夹角 中等，受局部结构面不利组合及缓倾角结构面切 割，围岩稳定性差，易产生顶拱掉块、楔型失稳体及局部小规模塌方等。第二段: 1 + 300 1 + 545，段 长 245 m，围 岩 为三叠系中 统 盐 塘 组 ( t2y) 长 石 岩 屑 砂 岩、泥 质 灰岩，灰紫色粉砂岩夹长石石英砂岩，与隧洞轴线 夹角 58，垂直埋深 97 m，岩石呈 弱 风 化，节 理 发2区域地质构造工程区位于横断山脉北西侧雅砻江右岸盐塘收稿日期: 2012-10-15sichuan water power27邓 鹏等: 小断面洞室中较大涌水及塌方处理2012 年第 6 期涌水量约 400 m3 / h，顶拱以下涌渣量 450 m3 ，隧洞右侧顶拱、边墙四处射水、溢水。育，地面为一冲沟，预测地下水活动中等。岩体完整性差，具碎裂结构，以类围岩为主，属不稳定 岩体。由于该洞段岩层裂隙倾角较缓、走向与洞 轴线夹角中等，受局部结构面不利组合及缓倾角 结构面切割，围岩稳定性差，易产生顶拱掉块、楔 型失稳体及局部小规模塌方等。第三段: 1 + 545 2 + 387，段 长 842 m，围 岩 为三叠系中 统 盐 塘 组 ( t2y) 含 云 灰 岩、长 石 岩 屑 砂岩，与灰色粉砂岩互层，局部夹紫灰色粉砂岩， 与隧 洞 轴 线 夹 角 为 52，于 稳 定 有 利，垂 直 埋 深150 390 m，局部洞段地下水较发育，存在掉块、楔型的顺层挤压破碎带。2 2 地下水情况洞顶为常 年 流 水 冲 沟，裂 隙 发 育，地 下 水 丰富，受地震影响，原有裂隙贯通性较好，形成管道 状裂隙水，塌方段离冲沟沟底不远，仍在冲沟汇集 地表水及地下水的范围，裂隙水的补给源为分水 岭地段的地下水及冲沟汇集两侧地表水的入渗。2 3 地震影响情况( 1) 1#支洞控制段下游至 2#支洞控制段上游东线附近 的 山 体 受 1976 年两次中强地震 ( 6 7级) 的影响 较 严 重，导致洞室围岩裂隙 贯 通 性 提升，岩体完整性变差，向松弛或半松弛状态转化。( 2) 与 地震滑坡体的关系。涌 水 塌 方 段 k1881 k1 893 5 距 1976 年地震滑坡体上游边线 约 400 m。3 涌水、塌方段施工情况隧洞涌水、塌方段 k1 881 k1 893 5 左侧为灰岩，较为完整，右侧为红色泥岩并夹有泥层，成层状向左侧 呈 60 倾角并与右边墙呈楔形切割， 岩石十分破碎，遇水泥化，施工过程中局部有点状 渗水，按类围岩支护。2010 年 9 月 5 日凌晨 6 00 左右，1#支洞控制 段下游 k1891 k1 893 5 出渣刚刚完成、准备进 行掌子面清理时，掌子面右侧及顶拱发生垮塌，伴 有较大涌水，涌渣基本呈碎粒状结构，绝大部分粒 径小于 10 cm 并含有黄泥，k1891 k1893 5 顶拱 出现直径约 2 5 m 左右的“漏斗”状塌腔，空腔内 不断掉渣，塌腔不断扩大并造成 k1881 k1893 5 右侧边墙及顶拱垮塌，k1 881 k1 868 右侧边墙 及顶拱开裂。至 8 00，人员设备已无法进入工作 面，漏斗被涌渣全部封堵，涌渣堆至桩号 k1 865，4涌水、塌方段的施工特点由于隧洞断面小、洞线长，距支洞口 900 m 且有两道直角转弯，通风散烟难度大; 集水坑布置与施工交通通道有较大干扰，故只能采用分级抽水 方式将水抽排至洞外。由于涌水涌渣量大且含有泥浆，集水 坑 将 被 迅速淤满，需分级设置集水坑并随时清理。由于隧洞断面小，不能开展多工序平行作业， 为保证塌方处理进度，对施工组织要求高，必须提 前考虑各工序间的连接时间及影响因素。由于塌方部位顶拱、边墙四 处 射 水、溢 水，施 工环境恶劣，工人不能按正常施工安排作业时间， 喷射混凝土、灌浆难度大。55 1塌方处理的施工方案排水供电措施根据甲米水电站区域地质描述及前期施工情况，项目部编制了出现特大、较大涌水的施工预 案，事先已配 置 了 部 分 108、159 钢 管、11 kw、22 kw 潜水泵及电缆电线，在涌水出现 3 h 后，即开始着手增加抽水管线，相继在两天时间内由支洞口向引 水隧洞内安装了 108、159 各 一 趟 排 水管。在排水管未形成之前，利 用 108 供 风 管 作为临时排水管使用。排水采用分级抽排，涌水洞室段作为抽水点， 先将涌水桩号 k1 498 ( 该段曾出现较大涌 水，设 置有集水坑) ，再将此部位抽排至交叉口集水坑， 最后抽排至洞外。在变压器至交叉口间增加了一趟 3 150 mm2 + 1 120 mm2 供电线路，将支洞上下游工作 面供电线路分开，从而减少了各工作面的用电负 荷。5 2道路修整方案由于该段洞室右侧边顶拱为泥岩，泥化严重，道路 承 载 能 力、通行能力无法满足施工要求，因此，采用装载机将洞段淤泥清理，并 采 用 粒 径 为40 80 mm 粗骨料 多 层 铺 填，厚 80 180 mm，并 收集块石，在道路水沟侧堆码砌筑。5 3塌方处理塌方段及影响段分三段、三种形式施工，第一段为桩号 1 865 3 1 868 9，第 二 段 为 桩 号28sichuan water power第 31 卷总第 155 期四川水力发电2012 年 12 月1 868 9 1 881，第三段为桩号 1 881 1 893 5。5 3 1桩号 1 865 1 868 段处理方案受 k1 892 5 k1 894 5 段 涌 水、塌 方 影 响，桩号 k1 868 右侧边墙及顶拱已出现开裂，需先对该部位锁扣，以保证塌方影响段不至于向上游扩展。处理措施: 增设 25、l = 3 m 系统锚杆，间排 距 1 m。5 3 2桩号 1 868 9 1 881 段处理方案 在该段设置 25 格栅拱架，间距 1 m，25、l= 3 m 锁脚锚杆锚固，挂设 6 5 20 cm 钢筋网， 喷射 c20 混凝土封闭，厚度 20 cm。5 3 3桩号 1 881 1 893 5 段处理方案 由于该段右侧顶拱及边墙已垮塌，整 个 隧 洞掌子面涌水，在涌水的带动下，不停有渣体滑落， 处理难度大，处理时间长。该塌方部位处于地震 滑坡体影响范围内，存在较大安全隐患。( 1) 处理 方 案: 分三个大循环对塌方段进行 处理，每个 循 环 采 用 89 钢 管 排 水，48 钢 管 排 水，注浆方式为先固结渣体，在洞顶形成受力拱圈 后分层开挖、支护至原开挖工作面。( 2) 施工步骤( 图 1) :小导管按 15、30、45 推入渣体内，特别沿顶拱、右侧边墙部位多安装小导管，且尽量使小导管置于设计边线以外，长度达到设计边线外部 2 m 以 上，外露 50 cm，并分类编号标识，小 导 管 间 排 距 为 30 60 cm。喷射 c20 混凝土封闭堆渣表面，封闭范围 为顶拱以下 3 m。由于堆渣体表面、上 部 顶 拱 仍 有涌水，在靠近喷射面 15 m 部位设置进料平台， 将两台喷 浆 机 置 于 其 上，在拌制混凝土时按 40 kg / m3 添加速凝剂，随拌随用，封闭混凝土厚度 10 cm，喷射时间为 5 10 h。顶拱部位由于涌水大，喷射混凝土 无 法 有 效富集、凝结，故采用堆码砂袋封闭，缝隙部位采 用棉纱封堵，可使较大部分涌水从钢管、渣体下部 排出。c20 喷射混凝土封闭渣 体 约 8 h 后，开 始 对小导管注浆。注浆顺序: 先右后左、先 下 后 上， 由远及近，小导管内无水或少量涌水的先注浆，涌 水量大的小导管后注浆，按小导管长度 5 m、4 m、3 m、2 m 的顺序注浆，采用此方法，可将远端的渣 体固结，迫使部分涌水在远端垂直向下侵入渣体 内，使涌水从渣体下部排出，同时减少近端渣体内 的涌水量，以便于固结。对于小导管内水流量大 的不再注浆，作为排水管使用。 喷护完成 后，割 除 小导管端头镦锉部位， 以便于灌浆过程中快速安装灌浆管。( 4) 水泥浆-水玻璃注浆。注浆前，分别采用 1 1、0 8 1、0 6 1 的水泥浆液进行灌浆试验，并在拌制好的水泥浆液内掺加水玻璃( n = 2 5 2 8、m = 1 4 g / cm3 ) 。经 现场试验，采用 0 8 1 的水泥浆液，每 180 l 水泥 浆液中掺入 8 4 kg 水玻璃，均 匀 搅 拌 后，能 使 水 泥浆在 90 s 内 凝 结。灌浆搅拌设备采用双层高 速搅拌桶，水泥浆液在第一层搅拌桶内搅拌均匀 后，放入第二层搅拌桶继续搅拌。在搅拌过程中， 加入水玻璃，搅拌约 30 s，利用三缸式注浆机向塌 方体内注浆，注浆压力最高为 0 3 mpa。刚 开 始 灌注时，有较多水泥浆液将被涌水带出塌方体外， 这属于正常现象。此时需连续注浆，一般三盘后( 每盘 180 l 水泥浆) ，相邻注浆管内涌水将逐步 变小，直至涌水消失。采用间隙灌浆以确保灌浆部位均 匀 固 结，图 1 施工步骤示意图( 3) 处理措施:将 l = 6 m、89 钢 管前端加工成锥形，在钢管前段 2 m 范围管身上，按间距 50 cm、排距 5cm 加工 直 径 2 cm 的 小 孔，梅 花 形 布 置; 将 l = 6m、48 钢管前段加工成锥形，在钢管管身上按间距 20 cm、排距 4 cm，加工直径 8 mm 的小孔，梅花形布置。小孔置 于 钢 管 前 段 1 m，小 导 管 长 度 分别为 2 m、3 m、4 m、5 m( 图 1) 。在顶拱以下 3 m 范 围 内，采 用 挖 机 将 89排水钢管按 5、15、30推入渣体及垮塌边墙范围内，采用 yt 28 手风钻将不同长度的部分 48sichuan water power29邓 鹏等: 小断面洞室中较大涌水及塌方处理2012 年第 6 期同时保证相邻灌浆管不被浆液封堵。当相邻小导管水量减小后，清洗已注浆小导管，对水量减小的 小导管注浆。灌注过程中，应随时测量水泥浆浆 液浓度，观察涌水变化情况，以便及时调整灌浆小 导管。随着灌浆面积扩大，涌水外排的方式出现 了变化，部分涌水通过排水管流出，部分涌水通过 设置在顶部的小导管流出，渣体下部涌水量明显 增加。采用此种注浆方式可将塌方体设计边线以 外的渣体形成至少厚达 2 m 的混凝土胶结体，并 以此形成拱圈承力层，可阻挡上部掉渣，保证下部 拱架安装。注浆时间: 外侧每个大循环( 约 4 m) 连续 作业可在 72 h 左右完成，靠近掌子面大循环灌浆 需要 100 h 完成。( 5) 灌浆完 成 后 8 h，开 始 开 挖 工 作，开 挖 时 按照小循环、短 进 尺、人工风镐开挖方式，上 部 3 m 严禁 放 炮 作 业，每 次 开 挖 进 尺 50 100 cm，采 用 i14 工字钢拱架支护，间距 50 cm，并按 类围 岩挂网喷混凝土，采用 l = 4 5 m、25 锚杆，锚杆 按 15下倾角施工( 图 2) 。支护过程中，必须由专人对两级排水坑不停进行清理; 刚开始施工时，由于未考虑到该因素，导致 集水坑被堵，水泵被掩埋、堵塞，从而影响到施工 进度。( 8) 将上部塌方按循环处理完成后，开 始 下 接拱架。由于右侧为红色泥岩并夹有黄泥层，在 涌水作用下，自稳能力差，因此分三次开挖、下接， 每次开挖前，先采用小导管灌浆固结岩壁，且在岩 壁上设置排水孔( 图 3) 。图 3 开挖支护示意图6施工过程中的质量安全控制措施( 1) 安排专职安全员对施工过程中进行变形观测和记录，及时发现可能发生二次危害的部位并予以及时处理;( 2) 塌方 处 理 过 程 中，在隧洞设计断面的基 础上，将洞型增加 20 cm。在安装拱架时，必须精 确测量，确保不产生欠挖;( 3) 14 工字钢拱架应采用弯弧机加工。由 于洞内涌水量大，前段处理时，整个工作面均处于 水流笼罩下，接头部位应采用螺栓连接;( 4) 洞口配置一台 2 55 kw 轴流式鼓风机， 向掌子面 24 h 供风，灌浆按 4 班配置作业工 人， 支护按 3 班配置作业工人，每 3 h 轮换一次。( 5) 靠近掌子面、集水井部位均采用电缆，并 安排专职电工随时检查;( 6) 灌浆、喷混凝土时，施工工人必须佩戴防 护眼镜、防毒口罩、橡胶手套，身穿雨衣。图 2 小导管注浆示意图( 6) 当支护完成一段后，拱顶部排水管排出 的涌水处于工人施工操作的平台上，此时采用两 种措施: 第一，将 50 软管与排水管相接，将涌水 直接导入集水坑内; 第 二，采用白铁皮制作成溜 槽，将散水集中至工作面外引排。采用此方法，可 减少或降低作业工人直接暴露于涌水下，对作业 工人起到保护作用，同时提高施工效率。( 7) 根据岩石条件，为保证交通，应将排水坑 设置于设计边线外，四周堆码砂袋。在注浆、开挖7结 语在隧洞施工过程中，必须连续开展地 质 超 前预报，判断围岩类别，采用合理的开挖、支护形式，有利于施工安全及进度控制。( 下转第 34 页)30sichuan water power王荣华等: 穿黄工程隧洞内衬超薄预应力混凝土施工工艺2012 年第 6 期部设置盛料斗的方法，泵管直接接至盛料斗，再通过盛料斗分支器和软管至各入料仓口。顺序为: 混凝土泵钢模台车顶部盛料斗盛料斗分支器250 软管各入料仓口。( 2) 振 捣。腰线以下以 50 和 35 软轴插入式振捣器振捣为主，振捣器移动的距离不超过其有效半径的 1 5 倍，并插入下层 5 cm 左右。振 捣从每个入料仓口依次进行，方向一致，振捣棒快 插慢拔，以保证混凝土上下层结合，避免漏振，并 从两侧端头模板观察其是否漏浆，以确定端部低 位预留槽底部是否已浇筑密实。浇筑顶拱混凝土时，采用封顶法施工; 顶拱混 凝土和侧墙混凝土采用同级配、不同塌落度的配 合比进行施工; 浇筑前在顶部埋设检查管，检查管 的管口应靠近管片的顶部，当检查管有浆液流出 时，即可证明顶部已填满混凝土; 混凝土振捣采用 钢模台车上固定的附着式振捣器振捣。超过 30 cm，左右两侧高差不大于 50 cm。( 3) 腰线以下严格从每个入料仓口采用插入式振捣器进行振捣，振捣依次进行，方向一致，确保不产生漏振和过振。4结 语穿黄工程隧洞内衬施工表明: 超薄预 应 力 混凝土施工是一项工艺精细、技术含量高的工作，与普通混凝土及厚度大于 65 cm 的预应力混凝土相 比，对混凝土浇筑质量提出了更高的要求。穿黄工程隧洞内衬通过调整混凝土 配 合 比、 改进模板施工工艺、入仓方法及浇筑手段等，保证 了混凝土浇筑的密实性，经后续预应力张拉施工 检验及混凝土取芯抗压试验，混凝土施工完全满 足设计要求，工程施工质量完全受控。作者简介:王荣华( 1977-) ，男，四川自贡人，工程师，项目副经理，学士，从事 水利水电工程施工技术及管理工作;李发孝( 1969-) ，男，四川郫县 人，副 分 局 长，项 目 经 理，高 级 工 程 师，学士，从事水利水电工程施工技术及管理工作;曾建军( 1972-) ，男，四川乐山人，副总工程师兼项目常务副经理， 工程师，从事水利水电工程施工技术及管理工作( 责任编辑: 胡友权)3 4质量控制措施( 1) 严格控制混凝土配合比并加强混凝土检测，不合格的料物坚决不允许入仓。( 2) 从每个入料仓口逐层下料，下 料 高 度 不檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰( 上接第 30 页)在隧洞施工过程中，有效的事故应急 预 案 能将事故造成的损失降低; 在塌方发生后，合理确定 处理方式，可以降低处理费用，节省工期;本次塌方在涌水超过 400 m3 / h，施工环境如 此恶劣的情况下，花费 35 d 即完成了塌方处理， 主要得益于合理的组织管理，有效的后勤服务保 障，处理过程中的应变措施。作者简介:邓 鹏( 1978-) ，男，四川中 江 人，工 程 师，学 士，从事水利水电工 程施工技术工作;胡忠良( 1972-) ，男，四川资中 人，工 程 师，学 士，从事水利水电工 程施工技术工作;