洞松水电站引水隧洞塌方及涌水处理

总第40总第40期施工技术与管理2010年第1期---洞松水电站引水隧洞塌方及涌水处理发布时间:2010-11-5来源:《施工技术与管理》作者：四川省水利电力工程局叶明亮梁超曹军摘要本文介绍洞松水电站引水隧洞在开挖掘进中，针对塌方所采取的注浆小管棚处理措施；特别是涌水引起大塌方洞段的超前大管棚结合固结、回填灌浆的处理措施，取得良好效果。值得类似隧洞工程塌方处理借鉴。关键词小管棚超前大管棚涌水引水隧洞塌方灌浆1概述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，是硕曲河乡城县河段水能规划“一库五级”中的第四级电站。电站装机容量180MW（3X60MW）,设计引用流量102.3m3/s，额定水头197m。电站为引水式电站，引水隧洞为有压洞，长18084.06m,设计底坡i=0.365%，进口高程2741m,为平底马蹄形。V类围岩洞段开挖断面52.86m2,C25钢筋混凝土衬砌厚度80cm；W类围岩洞段开挖断面46.27m2,C25钢筋混凝土衬砌厚度60cm。该工程首部枢纽工程及引水隧洞（桩号0+062〜3+000）段由我局于承担施工，总工期2年。隧洞工程地质条件硕曲河在乡城〜洞松河段属高山宽谷区，河谷相对宽阔，仅近厂区约2km河段地形狭窄，区内山高谷深，岭谷高差1500〜2000m以上。总体上来说，右岸为近南北向的条形山，左岸以宽缓的冰碛、冰水堆积阶地为主，硕曲河沿右岸山脊坡脚通过，河流呈蛇形弯曲，水流较急，漫滩不发育，两岸零星分布有I级河流阶地。引水线路所在的右岸，地面高程3250〜2740m，相对高差达510m，主要发育有1、2、3号冲沟，展布方向以NE-SW向为主，沟谷中第四系覆盖层较发育，最大厚度达15m左右（拉洼雄沟），沟内均有常年流水。其中以2号冲沟——拉洼雄沟切割较深，延伸较长，规模较大，冲沟两侧堆积有较厚的坡洪积物。另外，在黑达村对岸存在一个大的弧形岸坡，岸坡前缘为较厚的冰碛、冰水堆积物，岸坡后部为厚度较大的坡残积物。引水隧洞主要穿越三叠系上统图姆沟组地层，为深灰色变质砂岩与板岩互层，以薄层泥质、砂质板岩为主，层理、裂隙发育，局部发育软弱结构面，岩体破碎；局部夹有流纹岩、千枚岩和中基性火山岩及灰岩透镜体；地下水发育。引水线路沿线受区域南北向构造控制，地质构造主要表现为南北向的褶皱和断裂，次为北东、北西向的断裂。引水线路区内发育规模较大的断层8条，其中区域性大断层有索让断裂（F）、普鲁边松断裂（F）、乡城断4849裂（F），这三条断裂走向基本与洞轴线平行，破50碎带宽度20〜80m不等。隧洞主要傍山通过，侧向埋深180〜600m，垂直埋深150〜500m，以板岩和变质砂岩为主，岩层陡倾，存在缓倾角结构面，洞顶和洞壁岩体存在沿结构面跨坍的机率大。截止2010年9月15日本标段已掘进隧洞围岩分类详见表1。主要施工方案1#支洞在主洞1+978.84m桩号处与主洞相接，支洞进口底板高程2761.8m，与主洞底板交点高程2733.78m,1#支洞全长406.65m，平均纵坡-6.9%,支洞断面4.5X5.3m（宽X高）。0+062〜3+000

围岩类别工作面“■-III围岩类别工作面“■-III类围岩洞段W］类围岩洞段w2类围岩洞段V类围岩洞段合计隧洞进口395172.4169.67371#支洞上游123.5140347.4610.91#支洞下游119.617.2162328626.8合计119.6535.7474.48451974.7百分比6.1%27.1%24.0%42.8%100%表1-1已掘进隧洞围岩分类表面承担0+062〜0+978.84段隧洞，长度916.84m；1#施工支洞下游作业面施工隧洞1+978.84〜3+000段，长度1021.16m；1#施工支洞上游作业面施工隧洞0+978.84〜1+978.84段，长度1000.00m。隧洞开挖采用全断面钻爆、周边孔光面爆破，装载机装渣，自卸汽车出渣，小型挖掘机开挖排水沟、处理拱顶安全，循环进尺0.8〜1.8m°III类围岩采用喷锚、挂网支护；W类围岩在加大喷混凝土厚度、加密锚杆基础上，增加型钢支撑（间距0.8〜1.2m）；V类围岩采用0.6m型钢支撑，其他支护措施进一步加强。塌方体处理措施塌方情况及原因分析在洞松水电站引水隧洞的施工过程中，曾遇多处因地质围岩差而引起的塌方情况，如S0+763、S2+406.5、S2+538.1、S1+702.6等多处塌方和S1＋350〜S1＋423的三次塌方。塌方洞段一般遇有断层，岩石为薄层状板岩和千枚岩，与水平面夹角较小，接近平行，坍塌石碴薄层碎块状，部分石块手捏即碎，强度极低。加上掌子面有渗水，岩石遇水后风化严重，稳定性极差，故出现坍塌。塌方体石碴封闭了掌子面，堆积长度约4〜6m，部分顶拱以上形成塌腔，空腔高度2〜6m。邻近塌方体已支护好的洞段墙拱变形。塌方段处理措施（1）增加护拱,防止进一步变形墙拱变形洞段加钢护拱加强支撑，以防止支护好的洞段继续变形，拱架间用①25钢筋焊接，间距50cm，护拱脚用型钢连接，护拱紧贴砼面，用木楔将空隙部分塞紧，塌方处理完后拆除加强支撑护拱；（2）封闭掌子面除部分掌子面少量空隙外，塌方体多将掌子面堆满，伴有间断塌方。先对未填满部位用用装载机将石渣辅以人工土袋封闭，并在松散堆积体和土袋上喷C20砼止浆墙，厚度20cm；（3）注浆小管棚施工在顶拱钻超前048小管棚，管棚向上倾斜3〜5°,长度6m,间距30cm，管棚内注浆，利用管棚灌浆固结松散碴体，管棚注浆完成后，松碴体得到一定固结。小管棚的布设间距较小，且设有灌浆的小孔，注浆小管棚自身具有一定的承载力，同时水泥注浆通过小管棚的小孔使钢管周边形成一定胶结圈，从而形成上半拱的胶结拱壳，具有较好的自稳能力。（4）塌方体回填、固结灌浆施工在掌子面顶拱上的坍塌体向上仰角40°〜60°打一排Q48小导（花）管5根，长度6m,其中一根作回浆和排气管，对空腔进行回填、固结灌浆。部分孔灌浆过程中吸浆量较大，可适当加一定数量的细砂，施灌过程中采用待凝灌浆，并加3%的速凝剂，灌浆压力0.3〜0.5MPa,水灰比1:1〜0.5：1。由于塌方体为泥质粉砂岩，遇水部分已泥化，部分塌方体灌浆吃浆量小，不得不尽量加大灌浆压力，甚至封闭的掌子面不断冒浆。仰角导管灌浆结束后，空腔得到一定回填，回浆管返浆后可停止灌浆，并可计算出灌浆高度，是决定下一步开挖是否可行的依据。（5）塌方体开挖与支护灌浆结束12小时后，利用小管棚作棚架支撑，清除塌方石碴，欠挖部位不能放炮，拱脚不够部位用挖机硬挖或风镐人工凿打。开挖进尺60〜80cm后，利用已有台车（门架）安装钢支撑，并按V类围岩加强支护参数施工，钢支撑采用I18工字钢，尽量贴近掌子面，拱架间采用①25钢筋连接，间距均为50cm,与钢拱架焊接牢固。拱架锁脚锚杆①25、L=4.5m，均匀布置在直墙段；顶拱上布置系统锚杆Q25,L=4.5m，间距1.5m；布①6.5钢筋网片，@15X15cm,并满喷C20砼。（6）墙拱变形段处理措施度过塌方段后，反过来处理变形段，在墙拱变形段顶拱布置Q48灌浆管，长度6m，每个断面布置2个灌浆孔，排距2m,利用Q48灌浆管对变形段进行固结灌浆，位置可适当延长。砂浆水灰比2:1、1：1、0.5：1,灌浆压力0.3〜0.5Mpa,压力可根据现场情况作适当调整。在变形严重钢支撑附近增加①25、L=6m的锚杆，锚头与拱架焊牢。实施效果从塌方体开挖揭露水泥的结石和石碴固结情况观查，加固达到预期效果，管棚拱效应较好，能有效地承受来自塌方体上部空腔塌碴带来的冲击，变形也得到了有效控制。实践证明,对洞内断层破碎带塌方体采用小管棚注浆加固松碴体,结合回填灌浆和强有力的支护措施，是处理普通塌方的有效手段。大塌方伴随涌水事故处理3.1涌水发生情况2009年9月初，在引水隧洞1+654.20桩号掘进工作面处，左拱顶部位（高程约2738m）出现小面积塌方，并伴有小股地下水渗出，立即采取增打排水孔及喷射砼封闭塌方，同时采取工字钢进行支护。约在3小时后，拱顶位置突然出现较大涌水，造成已经施工小管棚的掌子面塌方。涌水水量呈现逐步加大的变化趋势，涌水初期，集水井的水泵排水量仅为250.00m3/h足以排除涌水，并增加排水设备，洞内最高达到了500.m3/h左右的总排水量也未能达到排水要求，最终隧洞全工作面被淹没，涌水从1#支洞洞口自流排出，部分抽排水设备被淹没水中。在1#支洞洞口（高程2761.8m）测量自然流出最大水量约为800m3/h〜850.m3/h,且受乡城县地处边远山区无法购买水泵及排水管路等因素影响，造成洞内被涌水淹没。实施排水项目部立即组织购买抽水设备进行强排，在经过近1个月的洞内抽排水抢险，洞内积水被排干露出施工工作面，此时排水量长期维持在550.m3/h〜600.m3/h。大塌方体的处理实施方案左侧掌子面附近已完成支护的工字钢支撑已经产生明显的变形，喷射的砼部分出现裂缝，裂缝中有大量的地下水分多处涌出。顶拱出现大面积坍塌，塌方体封闭掌子面，堆积长度约12〜20m。经业主、设计、监理、施工代表共同讨论研究，其处理方案与施工方法为：（1）对变形洞段加固处理由于涌水已从喷砼支护洞段裂缝间渗出，说明支护砼后面已被水洗空，且S1+666.6〜S1+656.2段工字钢棚架产生了变形，已存在安全隐患，应对变形段进行加固处理。即在原每榀工字钢拱架部位再叠加一榀116工字钢加强支护，因塌方体堆渣必须在掌子面处理完成后方可清除，故该叠加的116工字钢护拱不能一次全面施工，只能采用上、下半拱分别完成，上半拱116工字钢底置于沿洞轴线两边墙分别设置的纵向型钢上（纵向型钢采用118工字钢，固定于①48,L=4.5m注浆管棚上），并打10根①25,L=4.5m自进式锚杆锁脚（因内部已被水流冲刷掏空，钢筋锁脚锚杆砂浆灌注质量难以得到

保证，故采用自进式中空锚杆）。型钢间用e25钢筋连接，间距50cm，局部出现拉裂缝部位补挂*6.5@200钢筋网，喷C20砼10cm厚。（2）引排涌水对地下涌水采取的措施原则是“先引后堵”。即在S1+660.0附近左边墙钻设大孔径排水孔，孔深以穿透原喷射砼为宜，将内部积水的压力释放，然后在集中涌水部位布置e150钢管多根，钢管的钻进深度以能最大限度引出地下水为宜。钢管外接闸阀，闸阀至少能承受40m水头，钢管前段制作成网孔状以利水流能过滤渗出，网孔直径为e20@300，前端管口用e6.5钢筋作成网状，以防石渣堵塞管道，网格间距40mm。排水管的数量以地下水引出不出现射流状为准。采用钢管接闸阀的目的是以便度过塌方段后返回来处理、加固此段，一般是采用固结灌浆，灌浆前关闭闸阀，使内外压力平衡，且防止浆液被水流带走。（3）探清拱顶以上松散体在塌方处的顶部用小导管向上探进，主要目的是探明洞顶上面堆渣厚度，如果上部堆渣较厚则可直接采用固结灌浆的处理方式。同时在塌方上端钻设e100钢管两排用以引水，钢管长4.0m，管距约50cm，穿进位置选在前端原已安装完成的钢拱架退后第二榀，主要布设在拱顶左边上半弧段，减小塌方处理的灌浆难度。（4）封闭坍塌体增设止浆墙，即塌方处理前用C20喷砼封闭坍水疣方向D-<}塌体，厚度30cm。水疣方向D-<}塌方处理示意图闵古应屯巾醜■型am料*鉅欄靭ML；『I塌方处理示意图流。（5）超前大管棚施工采用e127钢管棚布设在上半拱圈位置，管棚施工采用YXZ50A型普通地质钻机，偏心跟管法成孔，在掌子面用普通架管搭设一个工作平台，钻机在平台上可移动并调整钻设角度施工，其液压部分可根据场地就近安置。e127钢管为特制无缝钢管，1.5m一节，分内外连接丝口，每节由一个连接套相连。每根钢管在钻设前端安置一个钻头。在施工过程中如正常的地质钻孔加套管一样一节一节加长。为了加强后期的灌浆效果，钢管周壁钻设有小孔，数量不能太多（保证钢管的抗扭矩能力）。整个掌子面的钢管钻设只用了一台钻机，用时约20天，每一根钢管在钻设过程中地下水透过钢管由小变大的增加，多者达半管之多。相邻管棚接头丝口不得在同一断面上，应错缝安装，钢管前端一定长度制作成花管。管棚采用e127无缝钢管（地质导管），间距0.3m,180°范围内布设，L=20m,倾角3〜5°，

管尾与钢拱架焊接牢固。见图1。（6）超前大管棚注浆管壁布设e12眼孔（花管），通过管棚注浆对坍塌体进行固结灌浆。因塌方中有较丰富的地下水渗出，灌浆浆液尽量是浓浆，并加注水玻璃，前期可选择经验参数比，水：水泥：水玻璃=1.5：1.0：0.5，在实际施工过程中适当调整。灌浆压力初选为0.1〜0.5Mpa,根据实际情况调整，以出现少量冒浆为准，灌浆结束前必须持浆3〜5min,（根据速凝剂的凝结时间可调整）。在灌浆施工时，先施工大管棚上的第二层小花管，从地下渗水情况判断有一定效果。然后继续对大管棚进行灌浆，钢管头设了一个灌浆用的封头。灌浆顺序是从两边腰部向顶部靠拢的挤压式。整个灌浆过程中根据情况调整浆液浓度和掺加水玻璃的比例，但由于渗水量和压力较大，很难控制浆液凝结时间，大部分浆液被地下水带走。施工时段10天，水泥总耗量约3501。（7）拱顶坍塌体固结、回填灌浆在顶拱上部和边墙采用小导管（花管），对边墙和顶拱上部进行固结、回填灌浆，注浆小导管e48,L=6m，间距0.6m，施工角度40°，搭接长度2.5m。钢管同样作成花管，管口加工成锥形，灌浆压力和浆液的选择与大管棚灌浆大致相同。（8）坍塌体清除及隧洞支护灌浆工作完成后一天才开始进行掘进施工，掘进过程中采用上下导坑开挖支护，每次掘进一榀距离，开挖过程中尽量少放炮，用风镐凿除，110小挖机配合的方式进行。先用110型小挖机刨出上半拱的位置，每一次能安装一榀工字钢，由于考虑到两侧岩层是松散体，锁脚锚杆采用的是e48、L=4.5m钢管，中间加e28钢筋，并注浆固结。刚开始的两榀工字钢应特别牢固，其成为大管棚掘进过程中的支撑点。在上半拱施工掘进中出现过两次左边腰部散状体大量滑落。于是针对该部位进行密集布设e48、L=3.0m钢管并固结灌浆，当再次掘进施工时岩体表现出一定的稳定性，上导坑一直掘进了14.2m才出露较好一点的岩层，说明此区段是一个断层带，地下渗水一直往掌子面延伸，已支护段顶部呈散状渗漏，通过布设的几处变形观测点检查数据分析发现支护体变形量呈稳定状态，于是开始进行下导坑的开挖及支护施工，此后施工一直比较顺利。（9）支护参数钢拱架118工字钢，间距0.6m；连接钢筋e25,与拱架焊接牢固，间距0.5m；钢筋网片e6.5@15cmX15cm；系统锚杆e25,L=4.5m，间距1.5m，排距对应钢拱架布设。锁脚锚杆10根e25,L=4.5m，左右各5根，均匀布置，对涌水较大的孔位可采用锚固剂药卷施工（因内部局部已被水流冲刷、淘洗后，已形成较为松散的塌方堆