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左岸导流洞K0+420m---K0+550m洞段塌方处理措施及方案
1.工程概况
1.1施工简况
左岸导流洞K0+420m---K0+550m洞段分三层进行开挖施工,上半洞、下半洞Ⅱ层、和下半洞Ⅲ层开挖分别于2005年4月12日---6月17日、8月15日---8月28日和10月6日---10月31日完成,支护工作在3-10天内完成,上半洞支护系统锚杆(5m长)1165根,随机锚杆1107根,下半洞Ⅱ层支护锚杆517根、随机锚杆85根和锚筋桩50根,下半洞Ⅲ层支护锚杆514根。全洞段已喷护钢纤维混凝土约10cm,局部挂网。
左岸导流洞K0+430m---K0+550m洞段在约50天内,先后发生9次塌方,上游面塌方始于2005年10月26日,先由K0+450m—K0+455m右边墙因欠挖处理引发,2005年11月7日塌方向两端延伸至K0+426m—K0+462m,2005年11月13日,塌方进一步朝下游面扩展至K0+460m—K0+480m,2005年12月15日K0+430m—K0+500m塌方向顶拱方向进一步扩大；受上游面塌方影响,下游面也相继发生5次塌方,2005年11月2日导流洞左顶拱K0+500m—K0+525m出现塌方,2005年11月4日延伸至K0+560m,2005年11月14日K0+535m—K0+550m洞段塌方进一步扩大,2005年11月23日在K0+500m—K0+540m再次出现塌方。 截止目前,上下游面塌方均已堵塞隧洞,塌渣体堆积普遍高于设计顶拱设计高程,塌方形成的塌穴进出口塌落高度约为10m,估计塌穴高度普遍大于10m,局部达到20m以上。
1.2工程地质条件
左岸导流洞沿线地形陡峻,自然边坡约40-70度,为反向坡,进口位于解放沟勘探吊桥下游约40m-50m处,基岩裸露；出口段位于Ⅳ、Ⅵ号山梁拉裂变形岩体下部相对完整的岩体内,隧洞垂直埋深约30m-330m.隧洞沿线出露基岩主要为三叠系中上统杂谷脑组第二段第6、7、8层及煌斑岩脉,岩性分别为薄-中厚层条带状大理岩、厚层块状条纹状大理岩、薄-中厚层状条带大理岩.其中,第6层层理较发育,夹有分布连续,性状软弱的薄层状绿片岩,层面结合较差。第8层底部也夹有较
多的绿片岩,因此也存在结合较差的软弱面。
K0+430m---K0+550m洞段围岩为第8层薄-中厚层大理岩夹薄层绿片岩,其中K0+440m---K0+480段绿片岩夹层相对较发育,岩层产状N200-450E/NW∈450-500,与洞轴线方向近平行,且发育有宽约1.2m-1.5m的煌斑岩脉,与大理岩呈断层接触;fd24小断层和层间挤压错动带、层面裂隙及第②组反倾向裂隙和第③组NW向高倾角裂隙较发育,且该洞段地下水相对发育。受上述结构面的组合切割,岩体完整性较差,呈次块-镶嵌结构,部分呈碎裂结构。
2.塌方成因分析及施工对策
左岸为反向坡,自然边坡高陡,岸坡岩体地应力较高,结构面发育,岩体卸荷强烈,深部卸荷拉裂缝发育,工程地质条件复杂。 K0+430m---K0+550m洞段岩层走向近平行洞轴线,裂隙相对较发育,特别是中陡倾角的层面裂隙和反倾向裂隙较发育,形成围岩不利组合。由于导流洞规模较大,边墙高达20m,两组裂隙切割形成的三角体、楔形体存在向洞内滑移的潜在因素,尤其是层面结合较差的绿片岩、煌斑岩脉等软弱面的存在及小断层分布,加上地下水和高应力的作用,导致左右边墙失稳,进而引起顶拱塌方。
从塌方成因分析和塌穴进出口典型塌方断面表明的隧洞顶拱塌落拱为”人”字型结构,且处于相对稳定期进行综合分析:目前塌穴处于暂时的稳定,这是因为塌穴内塌渣体充填,使得”人”字型两侧的支座相对稳定,从而形成了暂时的平衡,因此确保在塌方处理过程中, ”人”字型拱两侧支座的稳定,是本次塌方处理是否顺利完成的关键所在。为此针对此次塌方,拟采取以下措施,以确保塌方处理及后期施工运行安全。
1).在进入塌穴上下游方向各10m范围,采用衬砌混凝土进行锁口,防止进入塌穴进行塌方处理施工时塌穴回塌,并形成一段安全棚护,便于人员设备的展开；
2).进行塌穴内塌渣体固结或在塌渣体顶部浇筑盖板混凝土,以便对塌方形成的”人”字型塌落拱对撑,并通过设计开挖顶拱线上部形成由”人”字型塌落拱两侧墙(板)和顶部盖板混凝土或塌渣固结拱组成的近似三角形空腔,保证塌落拱的稳定；
3).对”人”字型塌落拱的两侧墙(板)进行锚喷支护施工,进一步稳定已形成的塌落拱,防止塌渣开挖过程中, 两侧墙(板)失稳,造成新的塌方；
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4).对塌方段盖板混凝土及塌渣固结拱下部的边墙进行固结灌浆、锚喷支护,确保塌落拱拱脚的稳定；
5).对塌方处理通过地段,及时跟进衬砌钢筋混凝土,自上而下”逆作法”分层浇筑混凝土,初拟按上导洞、中导坑、下导坑高度分别为7.0m、8.0m、5.8m三层进行开挖及衬砌；
6).衬砌混凝土施工完成后,对盖板混凝土上部空腔,回填粘土水泥膏浆,防止空腔内积水恶化围岩周边条件,造成边坡失稳,危及大坝施工和运行安全。
3.塌方处理主要施工措施及方法
3.1锁口混凝土施工要点
1）利用20#工字钢制作园孤拱架,采用φ48钢管搭设排架固定拱架，边墙及顶拱采用”2015”小钢模拼装模板，利用塌渣形成的斜坡道搭设排架浇筑边顶拱混凝土形成锁口；
2)在锁口混凝土K0+420m一侧和K0+560m一侧预埋两排插筋,排距40cm,间距1.0m,埋入混凝土内1.0m,外露1.0m,以便与上下游衬砌段混凝土锚接；
3)锁口混凝土浇筑时,在边墙布置间、排距1.0m*1.0m的锚筋,锚筋长3.0m,深入岩石内2.25m,外露0.75m,将锁口混凝土与边墙锚固在一起；
4)为便于锁口混凝土斜坡道下部混凝土与上部浇筑混凝土相接后形成整体,锁口段上部混凝土浇筑时,钢筋埋入斜坡道塌渣内10cm,钢筋头摸黄油并加塑料套保护；
5)锁口斜坡道以下混凝土施工,在塌方段下导坑开挖前并完成斜坡道出渣后及时完成,底板混凝土在塌方段下导坑混凝土衬砌完成后进行。
3.2采用盖板混凝土通过塌方段施工要点
3.2.1施工方案
1）坍塌区基本自稳后，当塌穴内塌渣体低于设计顶拱线时,利用钢支撑架设型钢挑梁形成棚架，棚架上部铺设铁皮,形成保护并作为盖板混凝土施工模板,浇筑盖板混凝土；当塌穴内塌渣体高于设计顶拱线时,利用塌渣体作为底模,浇筑盖板混凝土。
2）在混凝土盖板的保护下，进行导流洞塌方段上导洞加固、塌渣体开挖及洞室混凝土衬砌。
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3.2.2主要施工措施
1)塌方段处理采取先护顶，再自上而下开挖、支护、衬砌混凝土的程序进行。 为防止塌方体出渣过程中侧墙坍塌，引起导流洞洞顶出现新的塌方,开挖塌渣体前,首先对导流洞侧墙进行固结灌浆。边墙固结灌浆花管按1m×1m间排距梅花型布置，孔深深入边墙塌方体内5～6m。灌浆水灰比采用1:1、0.8:1、0.6:1三级，必要时,按水泥重量比掺加3％水玻璃。
2）塌方处理前，在进入塌穴端部安装两榀钢支撑，间距1.0m，钢支撑采用Φ25@100连接筋加固，并布置锁脚锚杆，长度5.0m，外露0.3m，与钢支撑牢固焊接，作好进入塌穴前的准备。
3)已浇盖板混凝土段在导流洞侧墙固结灌浆结束后分段进行开挖,分段长度控制在1.0m 左右,并及时在钢支撑顶部架立复拱对已浇盖板混凝土进行顶撑,在盖板混凝土保护下,每完成6.0m洞段的处理,及时安排混凝土衬砌。
4) 塌穴内塌渣体低于设计顶拱线时,利用塌穴前端架立的钢支撑作为型钢挑梁的支点,按以下施工程序进行施工:a利用安装的钢支撑架立型钢形成挑梁；b对已经坍塌的边墙进行固结灌浆加固,必要时补浇混凝土,对未坍塌的边墙视情况,采取锚杆或锚筋桩锁定；c在挑梁上铺设铁皮，形成简易棚护；d在简易棚护的保护下出渣；e架立下一榀钢支撑顶撑挑梁；f按b—e程序循环施工，完成塌方段衬砌分段长度的施工(6.0m),浇筑盖板混凝土；g按照上述程序进入下一循环,通过塌方段。
5）按上导洞、中导坑、下导坑三级台阶清理洞内塌渣。首先进行边墙至顶拱7.0m部分施工，安排塌渣清理超前边顶拱混凝土衬砌2-3个作业段；中导坑开挖时预留中部核心堆渣,作为施工通道,挖除两侧墙的堆渣。上导洞已衬砌混凝土的稳定通过上导洞边墙混凝土施工预埋的穿缝插筋、边墙插筋和出渣过程中及时架立的型钢支架来承担。下导坑施工时,开挖由洞里向洞外全断面掘进,边底板混凝土及时跟进衬砌。
6） 上导洞边顶拱混凝土浇筑完成后，进行中导坑开挖时，如果采用预留核心堆渣不能形成交通通道时,分左右两个半洞交错进行开挖和衬砌。
3.3采用预注浆形成塌方段顶拱稳定圈通过塌方段施工要点
3.3.1施工方案说明
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本次导流洞K0+430m---K0+550m洞段塌方的形成历时较长,塌穴内堆渣经多次塌方形成,塌方形成后,上下游塌穴口处坍塌高度已达10m以上,且塌穴内堆渣体高度均高于设计顶拱线,因此初步推测,塌穴内堆渣体高于顶拱的洞段占绝大多数；另一方面,塌方多由边墙失稳而引发,因此,边墙的坍塌的深度可能相对较大。从导流洞开挖后揭露的地质条件和塌穴的基本稳定分析,塌穴顶部之所以稳定,主要是”人”字型塌落拱两侧墙(板)相互咬合,塌穴内堆渣体阻止了”人”字型塌落拱两侧墙(板)支座的滑落。为此,在塌方处理过程中,通过对支座部位塌渣体进行固结灌浆,在塌穴内塌渣体开挖过程中,不扰动”人”字型塌落拱支座具有十分重要的意义。因此,当塌穴内塌渣体高度较大时,拟采取固结灌浆对塌渣体进行固结,一方面在设计开挖顶拱线以上形成3-5m稳定拱圈,稳定”人”字型塌落拱,在稳定拱圈的保护下,进行导流洞塌方段上导洞加固、塌渣体开挖及洞室混凝土衬砌；另一方面,通过灌浆,稳定”人”字型塌落拱支座。
3.3.2施工方案及措施
1)利用塌渣体前架立的钢支撑,按1:1的角度上挑中空自进式锚杆,锚杆长控制在5m左右,确保灌浆时,出浆点高于设计顶拱3-5m；
2)采用素喷混凝土封闭掌子面,喷护混凝土厚度控制在10cm左右；
3)按水灰比1:1控制进行灌浆,灌浆时,从最低处布置的灌浆管由高处逐步灌注,灌浆高程超出顶拱1-2m后,浆液内掺加3%水玻璃,以缩短浆液凝结时间,限制浆液扩散范围；
4)根据灌浆量及浆液在顶拱面的上升速度,判断浆液注入高度,或设观测管判断浆液高度,决定终止灌浆施工；
5)灌浆结束后,待凝8-12个小时后,进行开挖出渣施工；
6)开挖循环进尺按1.0m控制,并架立钢支撑进行强支护；
7)钢支撑顶部布置超前锚杆跟进施工,超前锚杆长按4.5m控制,上挑角度10-15度, 超前锚杆搭接长度按1.0m控制,尾部与钢支撑焊接牢固；
8)完成塌方段处理6m后,及时对上导洞边顶拱进行钢筋混凝土衬砌；
9）按上导洞、中导坑、下导坑三级台阶清理洞内塌渣。首先进行边墙至顶拱7.0m部分施工，安排塌渣清理超前边顶拱混凝土衬砌2-3个作业段；中导坑开挖时预留中部核心堆渣,作为施工通道,挖除两侧墙的堆渣。上导洞已衬砌混凝土 5
的稳定通过上导洞边墙混凝土施工预埋的穿缝插筋、边墙插筋和出渣过程中及时架立的型钢支架来承担。下导坑施工时,开挖由洞里向洞外全断面掘进,边底板混凝土及时跟进衬砌。
10） 上导洞边顶拱混凝土浇筑完成后，进行中导坑开挖时，如果采用预留核心堆渣不能形成交通通道时,分左右两个半洞交错进行开挖和衬砌。
3.4水泥粘土膏浆施工要点
导流洞K0+430m---K0+550m洞段塌方形成的穴较大,为防止衬砌混凝土完成后,因大坝蓄水,致使顶拱混凝土上部空腔内积水,从而恶化围岩周边条件,造成边坡失稳,影响大坝安全,拟采用价格低廉的水泥粘土膏浆进行灌注。
水泥粘土膏浆浆材主要由粘土(重量比占75%)、水泥(重量比占20%)、粉煤灰(水泥重量的20%)及水玻璃等组成,水泥膏浆固结体强度初拟按7.5-10MPa控制。 灌浆通过预埋管或钻孔形成进浆通道,采用SNS双浆泵或混凝土泵(必要时)进行灌注,埋管或钻孔与空腔连通后,根据空腔高度控制出浆管口高程,沿洞轴线方向,每个灌浆断面拟布置3-4根灌浆管,灌浆管深入空腔后,在顶拱上部形成错落有致的分布,以便于灌浆时排气、回浆,防止因灌浆中断后造成灌浆管堵塞,影响灌浆效果。
水泥粘土膏浆由洞外设集中制浆站拌制,洞内设一个中转站, 便于掺加水玻璃等速凝材料,采用混凝土泵送时,可掺加砂子和细细石。
回填灌浆在衬砌砼达到70%的设计强度后进行，采用填压式灌浆方式。由低向高分层进行，从出浆口埋管最低处起灌,灌浆过程中相邻灌浆管出现串孔串浆现象，当被串孔排出浓浆时将其堵塞。因故中断灌浆时及早恢复灌浆，如中断时间超过30min，则重新扫孔疏通进行复灌，此时若灌浆孔不吸浆，则在相应孔序灌浆完成后重新就近钻孔进行灌浆。灌浆压力采用 0.3～0.5Mpa。
回填灌浆结束标准采用在达到灌浆设计压力时，灌浆孔停止耗浆并继续灌注5min结束，每孔灌浆结束后，关闭孔口阀门，闭浆8小时。
灌浆结束后，将钻孔内污物及时排除，采用浓浆将全孔封堵密实和抹平，露出衬砌混凝土表面的埋管应割除。
水泥粘土膏浆回填灌浆工艺见框图
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水泥粘土膏浆回填灌浆工艺框图
3.5施工安全措施
1）加强边坡和洞内变形观测，发现异常，立即反馈；
2）出渣过程中，安排专人对顶拱、边坡进行观察，若出现裂缝、异常响动等塌方前兆，及时通知现场施工人员迅速撤退；
3）严格按既定方案施工，现场不得擅自更改；
4）保证塌方处理保持良好的照明及交通顺畅；
5）拆除残留支护时，设法割断，禁止拉拽，以防止引起相邻段变形；
6）塌方体开挖过程中，对支护结构经常检查，保证其处于良好受力状态；
7）保证洞内动力电缆及照明线路的铺设安全；
8）建立交接班制，技术人员和工人要一道参与交接班。交接班时应检查顶 7
板、支撑、塌渣、洞壁、照明、机械设备等安全设施情况；
9）设置专职安全员，监视工作面及人员的安全； 10）塌方段处理过程中，相邻段不得从事爆破作业。 3.6施工进度计划
塌方段处理施工进度计划见导流洞K0+420m---K0+550m洞段塌方处理进度计划表。 3.7施工资源配置 3.7.1劳动力配置 劳动力配置见表1
表1 劳动力配置表
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3.7.2施工机械设备配置表
表2主要施工机械设备表
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