水电站5#隧洞塌方处理方案的选择与应用

1.1工程概况xx水电站位于xx省xx县境内的xx河（雅砻江支流）上，是xx河六个梯级电站中的第三级。采用低闸引水式发电，电站装机4台，单机容量60MW，总装机容量240MW。主要由首部枢纽、引水系统、地面厂房系统等建筑物组成。引水系统由引水隧洞、调压室、压力管道组成。引水隧洞布置在xx河右岸，全长18.7m，为有压圆形洞，大部分地段采取挂网喷锚临时支护措施。1.2工程地质概况工程区位于“川滇菱形”断块内的次级断块“稻城断块”东缘，受次级断块“稻城断块”边界断裂带的影响和控制，地质构造较复杂。引水隧洞发育4条规模较大横切隧洞的断层—圆宝山、尼都、机落、茶布朗断层，破碎带一般宽约20~40m，机落断层宽达100~200m，由碎裂岩、糜棱岩、角砾岩、少量断层泥、裂隙密集带组成。隧洞区层间剪切错动带及各类结构面均较发育，地层揉皱强烈。引水隧洞沿线出露岩性主要为奥陶系下统瓦厂组（O1W）板岩夹变质石英砂岩、千枚岩、人公组（O1r）的变质石英砂岩夹板岩、千枚岩，少量三叠系下统领麦沟组（T1l）的板岩夹千枚岩、硅质板岩，志留系（S1）的板岩夹千枚岩、硅质岩，岩层总体产状：N30°~40°W/SW∠30°~50°。整个洞段Ⅳ类围岩约占65%，Ⅲ类围岩约占30%，Ⅴ类围岩约占5%。2.1塌方情况简介隧洞开挖至桩号13+058m处时发生塌方，随后施工单位采取了格栅拱架的支护措施。但由于顶拱不断掉块，为保证施工人员的安全，格栅拱架支撑到13+060m时就停止了，持续掉块的状态延续了近2个月，塌方一直延伸至13+066m处，13+058～13+060m段的格栅拱架也被压垮。塌方块体充满了整个端面并封闭了塌腔，据施工人员粗略测量，自左拱角至右边墙形成一高约10m的塌腔，为一大型塌方。塌方纵剖面见图1塌腔h=8.2m塌碴13+058m13+066m图1塌方纵剖面示意图2.2塌方原因分析经业主、设代组、监理和施工单位四方联合进行多次现场调查分析后认为隧洞塌方主要有地质因素和施工原因引起的：⑴地质因素：该塌方段地层岩性为炭质板岩、炭质千枚岩，岩性软，层间结合差；岩层总体产状为N80°E/SE∠45°,洞轴线沿水流的方向为143°,岩层倾下游偏内侧；该段发育一顺层面的挤压性断层破碎带，主错带宽约4m，破碎带物质为碎裂岩、糜棱角砾、石英团块等，大部分呈碎块状、碎屑状；岩体稳定性很差，判定围岩类别为Ⅴ类。⑵施工原因：主要是首次塌方时，施工单位没有采取及时有效的支护措施，从而导致塌方的扩大。3.1塌方段处理方案一：大管棚法施工3.1.1支护型式临时支护采用“管棚+钢拱架+系统锚杆+钢纤维喷射混凝土支护”的方法。支护工艺流程为：喷5cm混凝土--钢拱架架立--系统锚杆--20cm厚钢纤维喷射混凝土管棚参数：孔深，桩号13+058往下游15m。采用Φ114×6热轧无缝钢管，每节长5m，以长150mm的丝扣连接，打设仰角5～8°。管棚沿拱部180°范围布置，间距0.4m，布置37根。钢管内配置等长度的3×Φ22钢筋束，钢筋束侧边布置Φ25PVC注浆管，具体见钢筋束布置图—图2。钢筋接头采用对焊焊接，管壁上间距200mm钻Φ20小孔。钢管中注水泥-水玻璃浆液，注浆初压力0.5～1Mpa，终压力2.0～2.5Mpa，注浆半径不小于1.0m。注浆结束后用M10水泥砂浆充填，以增强钢管强度和刚度。管棚端部应与格栅钢架焊接使钢架与管棚共同形成棚架支护体系。止浆墙采用钢纤维喷混凝土，混凝土厚度20cm。钢拱架主要参数：钢拱架采用I20工字钢制作，间距0.5m。每榀钢架底角各设Φ22、L=3.0m锚杆。相邻钢架用Φ22mm钢筋焊接，间距为1.0m，每圈20根。每榀格栅钢架分4个单元，单元间用钢板绑焊连接，钢板规格A3、δ=10mm。系统锚杆：采用Φ25mm，L=4m锚杆，间排距1.5*1.5m，梅花式布置。钢纤维喷射C20混凝土20cm。φ25PVC注浆管钢筋束3*φ22//\/φ114热轧无缝钢管\图2钢筋束布置图3.1.2管棚施工工艺⑴管棚施工顺序。工作面封闭（10cm厚C20喷混凝土支护）工作台架设，管棚定位并确定轴向标志，架设钻机，钻孔施工，高压风清管，置入钢筋，注浆，清拆工作面转入开挖施工程序。⑵施工程序为保证施工人员和设备安全并为下一步注浆提供条件，对工作面进行C20喷混凝土进行封闭，采用脚手架搭设工作平台，测量放样定点；因该段垮塌松散体夹杂有大小不均的各类岩石，且岩石的可钻性在5～6m之间，直接施工进入和成孔后再置入ф108钢管这种施工工艺无法实施，故采用ф110偏心锤跟进管钻进施工工艺完成；管棚钻孔达到设计深度退出偏向时，将管内碎石、粉尘采用高压风清除，然后置入ф28钢筋于ф108钢管中，最后用止浆阀封孔灌浆，使管棚圆周50cm范围内达到固结。3.2塌方处理方案二：超前小导管法施工3.2.1施工程序（见图3）打超前小导管预固结灌浆开挖上台阶架设上台阶拱支撑 下台阶开挖架设竖支撑打锁脚锚杆挂网喷混凝土3.2.2施工方法⑴打超前小导管并进行预固结灌浆搭接长度不小于1.5m。采用超前小导管边钻边灌浆的施工方法；自进式锚杆规格为ф25，L=4m，1.2*1.2m。⑵人工开挖上台阶并架设上台阶拱支撑。采用人工凿挖法开挖，上台阶预留土心以便施工，循环进尺控制在1.0m之内。拱支撑采用I20工字钢制作，拱支撑的中心间距为0.5m；工字钢架设时要将两榀拱支撑焊缝焊好，并用2cm厚的连接板加强连接；拱支撑安装到位后及时焊接ф25、环向间距为50cm的连接筋。⑶下台阶开挖、架设竖支撑仍然采用人工凿挖法开挖，遇到大孤石放小炮，每循环进尺不超过1.0m。竖支撑采用I20工字钢制作，工字钢间距与上台阶顶拱的工字钢间距一致，并焊接牢固；竖支撑安装连接后，仍采用ф25钢筋连接成一个整体。⑷打锁脚锚杆、挂网喷混凝土普通径向锁脚锚杆在一定程度上起固定拱脚的作用，选用ф25钢筋，长度一般控制在3m以内，露出部分的长度控制在20～30cm，将露出部分与型钢的拱脚焊接牢固。网片采用Φ6.5钢筋制作，间距@20cm*20cm，钢筋网应铺设在纵向连接筋与岩面之间，与围岩的间隙不大于5cm，同时将钢筋网通过焊接与型钢连接为整体。混凝土喷护厚度为20cm，喷射混凝土面必须保证平整，最好将整个第一次支护的受力骨架覆盖，使第一次支护形成一个受力整体。经过造价比较得出以下结论：采用大管棚法施工，每进尺一延米造价约3万元；采用超前小导管法施工，每进尺一延米造价约1.5～2万元。从进度分析，采用大管棚法施工，组织设备、材料、人员时间长，进度较为缓慢；采用超前小导管法施工，不需要大型设备，可及时组织材料、人员进行施工。从施工方面考虑，采用大管棚施工，因钻机工作平台为洞渣填筑，平台顶部渗水较严重，钻机在斜坡上就位困难，钻孔方向不易控制；洞渣在钻机振动力作用下产生下沉现象，因钻机造孔方向是由机身确定的，不能由钻臂调节，机身下沉后钻孔方向产生偏斜，加之塌方体内岩性软硬不一，体内被埋的格栅钢架对钻进影响较大，致使钻头和套管经常被卡，施工难度较大；采用超前小导管法施工，基本不存在造孔难、钻孔方向不易控制的问题。根据上述比较情况，为早日通过塌方段，决定选用超前小导管法处理此塌方。用浅孔小炮分区进行，导洞高度约3.5～4m，顶部采用超前锚杆、注浆小导管或灌浆固结支护，型钢支撑跟进支护，待导洞通过塌方段后再进行下部开挖，并将该部分型钢与上半部分焊接牢固。塌方段工程地质条件差、成洞困难，采用超前小导管法施工，钢拱架与喷锚网喷构成了