隧洞大塌方与软岩变形处理

.洞松水电站引水隧洞软岩变形及大塌方处理n 刘学宗（中铁十八局洞松水电站项目部）【摘 要】本文介绍洞松水电站引水隧洞开挖支护施工中，针对软岩变形及隧洞大塌方采取的一系列施工措施，特别是锚筋束工艺及超前大管棚结合回填、固结灌浆工艺等，确保了工程质量和施工安全。1 概述1.1工程概况洞松水电站位于甘孜藏族自治州乡城县硕曲河中下游的香巴拉镇、尼斯乡及洞松乡境内，为引水式电站，装机容量180MW（360MW），设计引用流量102.3m3/s，额定水头197m，引水隧洞为有压洞，全长17862.31m，设计底坡i=3.65，开挖为马蹄形断面，永久衬砌为C25钢筋混凝土圆形断面衬砌，过流面半径为R=3.14m。该工程引水隧洞6#、7#施工支洞对应的主洞（S12+078.25S16+978.25）段由中铁十八局集团公司承建，总工期为2 年。1.2引水隧洞工程地质条件该段引水隧洞垂直埋深380490m，侧向水平埋深大于200m，围岩为图姆沟组地层，为新鲜泥质板岩、砂质板岩夹炭质板岩，以中硬软质岩为主，呈极薄中厚层状，层面裂隙、构造裂隙发育，岩层走向与洞轴线呈小角度相交（7#洞及6#洞下游交角20，6#洞上游交角10），地下水活动弱，围岩属不稳定围岩，顶拱及边墙发生垮塌的机率较大，截止2011年6月10日本标段已开挖的隧洞围岩分类详见表1-1。1.3主要施工方案 本标段控制洞段为S12+078.25S16+978.25，共分四个作业面同时施工，6#施工支洞上游控制洞段为S12+078.25S13+744.74,洞长1666.4m ，6#洞下游控制洞段为S13+744.74S14+768.6，洞长1023.86m；7#上游控制洞段为S14+768.6S15+828.07，洞长1059.47m，7#洞下游控制洞段为S15+828.07SS16+978.25，洞长1150.18m。表1-1已开挖隧洞围岩分类情况洞松C标已开挖围岩统计表工作面围岩类别III类围岩IV1类围岩IV2类围岩V类围岩合计6#上游0116.25344.470460.476#下游0855.95172.53105.81134.287#上游0478.37430.130.1938.577#下游0477.62376.60854.22合计01928.191323.7135.93387.54百分比(%)056.92 39.08 4.01 100.00 隧洞开挖采取全断面钻爆，光面爆破开挖，装载机装渣，自缷汽车出渣，小型挖掘机配合，视围岩情况，循环进尺为0.81.8m，本标已开挖隧洞围岩无III类围岩，IV1类围岩支护方式为边顶拱34.5m系统锚杆挂钢筋网结合喷砼支护，IV2类围岩采取I16工字钢拱架间距1.01.2m结合锚杆、钢筋网喷16cm厚砼联合支护，V类围岩采取I18工字钢拱架间距0.60.8m结合锚杆、钢筋网喷18cm厚砼联合支护，围岩破碎自稳差时，采取增加超前注浆小导管加强支护。2 隧洞临时支护变形处理 2.1发生临时支护变形的原因2009年8月份6#洞上游施工至桩号S13+585.25时，隧洞围岩，为炭质板岩、千枚岩，层理发育，呈极薄片状，属软质中硬质岩，强度低，定为IV2类围岩，开挖后临时支护方案为：钢拱架：I16型钢拱架间距1.2m，连接钢筋25，L=1.2m，间距0.5m，拱部及边墙均匀布置，与钢拱架焊接牢固；锚杆：顶拱系统锚杆25，L=4.0m，间距1.5m，排距对应拱架布置，两边墙锁脚锚杆25，L=4.0m，各5根均匀布置；挂网：钢拱架之间挂6.515cm15cm钢筋网；喷砼：开挖后先对开挖面素喷35cm厚的C20砼，拱架及挂钢筋网后再喷C20砼，总厚度为20cm；拱脚砼：拱脚浇筑30cm30cm120cm的C20砼。开挖支护经过上游弯道后，隧洞围岩走向发生较大变化，岩层走向与洞轴线呈夹角较小（5），几乎与洞轴线平行，开挖后围岩应力平衡被打破，应力释放造成洞室临时支护变形。2.2临时支护变形处理措施2.2.1初期变形及处理方案最初出现变形的部位是S13+601S13+533段，变形导致喷砼出现大量裂痕、脱落、掉块，立即采取加强支护措施：随机布设28，L=6m的锁脚锚杆，拱脚采用同型号的工字钢连接，拱架之间平行布28钢筋，间距20cm，分布筋16，间距20cm 底板浇30cm厚的C25砼形成支护闭合环。2.2.2变形加剧及处理方案以上加强支护处理完后，对该段加强收敛观测，但经收敛观测结果分析显示，临时支护蠕变形仍未停止，且有加速变形趋势，拱顶部位变形最大速率8.47mm/d，累积变形最大值达320.67mm，两边墙变形最大速率9.07 mm/d，累积最大变形值达393.21mm，主要反应在桩号S13+545.05附近，变形表现为：型钢拱架严重扭曲，喷护砼大量开裂，大部分系统锚杆及锁脚锚杆与拱架的焊接处被拉脱的现象。由于变形情况已较严重，因此立即停止掌子面的开挖施工，首先对变形部位钢拱架采取I16型钢八字支撑结合砂浆锚筋束施工，锚筋束为3根28的钢筋焊接成束，长1519m，间距1m，为保证注浆饱满，锚筋束施工采取升浆法施工，且继续对变形段未浇筑底板砼的进行砼浇筑，形成闭合支护环。如图：2.2.3隧洞变形最终处理方案S13+601S13+533变形段，在以上措施实施后，临时支护变形基本得到控制，但在掌子面开挖爆破过程中及锚筋束施工过程中对围岩产生一定的扰动，围岩蠕变松驰半径已大于锚筋束长度，监测数据波动较大，变形极不规律曾出现过负增长的情况，锚筋束施工完成后，监测数据显示变形趋于稳定，变形速率均在1.3mm/d左右。桩号S13+490向上游方向为2010年3、4月份所施工，按IV2类断面开挖，按V类围岩标准支护（I18工字钢拱架，间距1m，锚杆长度为6m）该段未施作型钢八字撑及锚筋束，变形较为明显：拱架扭曲，喷砼大量裂痕、部分脱落，变形速率为3.02mm/d。业主、设计、监理及施工单位多次对6#洞上游的隧洞变形情况进行分析，并邀请相关专家组进行研究，经反复论证确定对变形段首先进行永久砼衬砌。永久砼浇筑时不能拆除起到支承作用的八字型钢支撑，由于八字型不能拆除的限制，砼浇筑不能采用钢模台车施工，只能采用脚手架结合组合模板施工，砼浇筑分两部分进行，先浇筑底拱，再浇筑边顶拱的施工顺序，如图：进入砼衬砼施工阶段，围岩未受到扰动，该段变形速率降到0.12mm/d左右。变形段永久砼衬砌后，及时对该段进行了回填灌浆，并加强对永久衬砌结构中的钢筋进行钢筋应力监测，前期监测结果显示钢筋处于受压状态，经长期监测钢筋受压累计值达 51.88 KN后，已趋于稳定状态，隧洞变形已得到基本控制。 2.3 6#洞上游临时支护变形分析与总结6#洞上游引起临时支护变形的主要原因围岩类型及产状，该洞段围岩均为炭质板岩，岩体呈薄片状，遇水膨胀，岩体间没有粘接能力，且岩层走向几乎平行于洞轴线，开挖后围岩应力释放，临时支护难以抵抗围岩应变，使临时支护产生了变形，且随着洞室开挖爆破对围岩产生了扰动，加剧了变形。针对此类围岩，在开挖爆破施工中，易对洞室围岩造成扰动，引起临时支护发生变形，而且变形起动后，采取加强临时支护措施几乎不能遏制变形的发展。经总结，最有效的方案是及时完成永久混凝土的衬砌，针对6#洞上游围岩的特殊性，在后期洞挖掘进施工时必须采取“边开挖边衬砌”步步为营，稳扎稳打的总体施工方案。3 隧洞大塌方及处理措施3.1发生塌方的原因7#支洞对应的引水隧洞主洞下游，2009年6月6日当施工至桩号S16+018.25时，桩号15+916.25处顶拱部位发生大面积塌方，垮塌高度达5-7m，在塌方处理过程中再次出现两次较大塌方，塌方长度从桩号S15+916.25S15+977.25，总洞长61m，塌方量较大，塌方体将整个洞室完全封闭，顶部空腔大于8m。自进入主洞后，洞室围岩由泥质板岩、砂质板岩构成，属软岩中硬岩，呈薄中厚层状，隧洞垂直埋深较大，岩体裂隙较发育，岩体较破碎，完整性较差，岩层走向与洞轴线夹角较小（10），地下水活动弱，为IV1类围岩。3.2大塌方处理方案塌方发生后，经业主、设计、监理及施工单位代表现场多次勘察，共同研究讨论，采取如下处理方案：3.2.1对上游端IV1类围岩洞段进行加强支护S15+916.25向下游方向洞段发生塌方引起上游端原IV1类标准支护出现喷砼开裂、脱落等现象，为防止上游端再次发生垮塌，S15+916.25S15+907.25段按IV2类支护施工，原IV1类已开挖支护断面不予扩挖，直接架立I16工字钢拱架，间距1.0m，连接钢筋25间距50cm，系统锚杆与锁脚锚杆均25，L=4m，挂6.515cm15cm的钢筋网，喷C20砼厚20cm，该段型钢拱架均侵占永久砼衬砌结构线部分，待永久砼衬砌时再行拆除。3.2.2 封闭塌方体沿坍塌体砌筑一道1-1.5m厚的挡墙，主要目的是防止向空腔内灌注砼时浆液外流。3.2.3 超前大管棚施工沿上半拱拱圈位置布设127超前大管棚，在掌子面用脚手架搭制一个钻孔施工平台，采用YGZ80导轨式普通地质钻机，调整施工角度，偏心跟管施工成孔，127钢管为每节1.5m的无缝钢管组成，每节钢管两端均有连接丝口，施工时第一节钢管内放置一个钻头，后端钻杆也为一节一节加长。大管棚施工时相临管棚的丝口不得在同一截面上，大管棚施工间距为40cm，长度为20m/根，施工角度35管尾与拱架焊接牢固，大管棚内布置钢筋网322钢筋箍筋采用10钢筋间距20cm，为便于灌浆，在大管棚的管壁布8花孔，大管棚搭接长度为6m，在相邻两根127大管棚之间布设两根48注浆小导管，小导管施工角度2030，长度为6m，搭接长度2.4m，管壁开8花孔。3.2.4 管棚注浆管棚施工完后，须通过管棚向坍塌体进行固结灌浆，灌浆浆液水灰比为：水：水泥=0.5：1.0，灌浆压力一般初选择为0.10.5Mpa，但现场根据实际情况及时进行调整，灌浆结束前必须持浆3分钟。灌浆时先灌注小导管，小导管灌浆顺序是从两侧拱腰部位向拱顶靠拢的顺序，小导管灌浆完毕后继续进行大管棚的灌浆，大管棚灌浆顺序仍采取从两侧拱腰部位向拱顶靠拢的顺序，钢管均设有堵头防止浆液外溢。但由于塌方量较大，难以探清空腔大小，在灌浆时部分浆液流入空腔内，造成灌浆量大，施工时段增加。3.2.5 塌方段开挖支护灌浆结束12小时后开始拆除止浆墙，并按V类围岩标准断面进行开挖支护，支护参数为：I18型钢拱架，间距60cm，边接钢筋28间距50cm，与钢拱架焊接牢固；拱顶系统锚杆28，L=6m间距1.5m，排距与钢拱架对应，锁脚锚杆28，L=6m，两边墙各5根均匀布置；挂6.515cm15cm钢筋网；满喷C20砼。开挖施工时采取先开挖周边，预留核心土，待支护完毕后现挖除核心土的办法，每循环开挖进尺控制在60cm80cm，边墙及拱脚部位不能满足断面之处，不得采取爆破处理，须采用挖机挖除或人工风镐凿除，确保钢拱架能满足设计断面，3.2.6 空腔内回填砼每支护完5m后及时退回上游5m处向拱顶塌方体空腔内钻进3根127钢管作为检查孔，施工角度大于75度，深度不小于10m，检查拱顶部位是否存在空腔，若仍有空腔，再将砼泵管与检查孔钢管相连，向空腔内回填C20砼，回填砼时根据实际情况对回