洞松水电站引水隧洞塌方及涌水处理

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，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+0623+000）段由我局于承担施工，总工期2年。1.2 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15002000m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32502740m，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2080m不等。隧洞主要傍山通过，侧向埋深180600m，垂 直埋深150500m，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。1.3 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 + 0623 + 000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段引水隧洞施工分三个作业面同时施工，进口工作 面承担0+0620+978.84段隧洞，长度916.84m； 1#施工支洞下游作业面施工隧洞1+978.843+000 段，长度1021.16m； 1#施工支洞上游作业面施工隧 洞 0+978.841+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0.81.8mIII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。2 塌方体处理措施2.1 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 350S1423 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46m，部分顶拱以 上形成塌腔，空腔高度26m。邻近塌方体已支护 好的洞段墙拱变形。2.2 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25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0 48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 4060打一排Q 48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0.30.5MPa,水灰比1:10.5： 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6080cm 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25钢筋连接，间距 均为50cm,与钢拱架焊接牢固。拱架锁脚锚杆25、 L=4.5m，均匀布置在直墙段；顶拱上布置系统锚杆 Q 25, L=4.5m，间距1.5m；布6.5钢筋网片，15 X15 cm,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Q 48灌浆管，长度6m，每个断面布 置2个灌浆孔，排距2m,利用Q 48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 0.30.5Mpa,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25、L=6m的锚杆，锚头与拱架焊牢。2.3 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。3 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/h850.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。3.2 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/h600.m3/h。3.3 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1220m。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+666.6S1+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48, L=4.5m注浆管棚上），并打10 根25, 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e 25钢筋连 接，间距50cm，局部出现拉 裂缝部位补挂* 6.5200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 e 150 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e 20300，前端管 口用 e 6.5 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e 100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。塌体与顶拱结合部位砌砂袋止浆 内墙。主要目的是增加固结灌浆压力和防止浆液外塌方处理示意图闵古应屯巾醜型am料* 鉅欄靭ML；I流。（5）超前大管棚施工采用 e 127 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。 e 127 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e 127无缝钢管（地质导管）， 间距0.3m, 180范围内布设，L=20m,倾角35，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e 12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0.10.5Mpa,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35min,（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 e 48, 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 e 48、 L=4.5m钢管，中间加e 28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 e 48、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e 25, 与拱架焊接牢固， 间距 0.5m； 钢筋网片 e 6.515cmX15cm；系统锚杆e 25, L=4.5m，间距 1.5m，排距对应钢拱架布设。锁脚锚杆10根e 25, 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积体，不易 成孔且钢筋锁脚锚杆灌注质量难以保证，故在该松 散部位（无涌水）采用自进式中空锚杆。拱顶及 边墙喷射C20砼，厚度20cm；拱脚基础C20砼 0.8mX0.3mX0.3mo（10）变形洞段的加固处理 待完成塌方段的掘进及临时支护工作后再掘 进约 5m 的围岩段，反回来处理已支护变形段：先 关闭e 150的导水管闸阀，对整个变形段及受此次 涌水浸泡后上部形成孔腔部位进行回填灌浆，花管 直径选择e 48的小导管，管长选择L=1.0m，间距 1.5m，范围选择此区间的拱顶及左右边墙。浆液选 择 1：1 的纯水泥浆，压力要大过地下水压力，初 步选择0.4MPa。回填灌浆完后即对该段全断面进行 固结灌浆处理，e 48的花管，L=3.0m,间距1.5m, 梅花型布置， 1：0.51：1 纯水泥浆，压力选择 0.10.3Mpa。此段固结灌浆完成后，再适当打一 些排水孔，孔径e 48,孔深3m,如果渗水量较少， 则表明灌浆比较成功，即可进行加固工字钢的拆 除，当然拆除时间要选择在固结灌浆约7天后进行。4 结束语在隧洞施工遇一般塌方时，小管棚施工速度虽比较 缓慢，但循序渐进的施工方法有效的保障了作业环境的安全。在涌水大塌方处理中采用超前大管棚固 结灌浆的施工方案，既保证了施工安全，解决了大 量渗水问题，又以最短的时间度过了涌水塌方段， 但缺点是成本较高。在本工程隧洞施工中，面对极端复杂的地质条 件（W、V类围岩隧洞占隧洞全长约94%）、地下 水特别丰富（多次突发大涌水）、支洞为倒坡等等 不利情况，项目部制定的一系列的有效施工技术措 施，成功解决隧洞掘进施工中的难点，特别是对于 塌方、涌水的处理措施，值得类似工程借鉴参考。