郝春游 張 淼 皮 漫

（中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710065）

1 隧洞概況

某中型工程水電站引水發(fā)電隧洞總長11.12km，洞徑8 m，由岸塔式進(jìn)水口、壓力引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道組成。豎井位于調(diào)壓井下游側(cè)，樁號PS0+240～PS0+351，包括：上彎段，長37.7 m；豎直段，長35.7 m；下彎段，長37.7 m；總長111.1 m。

2 豎井塌方情況

隧洞于2010年6月開始開挖施工，于2013年2月全線貫通。豎井下彎段在隧洞貫通后頂拱一直不穩(wěn)定，出現(xiàn)多次比較嚴(yán)重塌方，并且小的掉塊也時常發(fā)生。主要塌方如下：

（1）2013年3月11日第一次塌方，掉落石渣約900m3，隨后偶爾發(fā)生掉塊。

（2）雨季來臨后，于2013年6月30日此部位第二次塌方，掉落石渣約2500m3。

（3）013年9月26日第三次塌方，掉落石渣約300m3，下彎段施工腳手架被砸垮變形。側(cè)壁掉塊現(xiàn)象仍時有發(fā)生，豎井施工停止。

3 豎井地質(zhì)介紹

豎井部位圍巖以I V類為主，以砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖的水平互層分布，砂巖最小層厚10cm，泥巖最小層厚1cm，層厚不均勻，且變化較大，裂隙發(fā)育，裂面普遍夾有泥質(zhì)。局部伴有地下水滲漏，圍巖總體穩(wěn)定性較差，局部屬不穩(wěn)定圍巖，下彎段之后的下平段洞室再開挖時頂拱及邊墻不時發(fā)生小塌方或掉塊現(xiàn)象。豎井部位的地質(zhì)描述見圖1。

4 塌方處理方案

每次塌方后，都制定了詳細(xì)的方案，但因工人撤場，現(xiàn)場人員不足等原因，未能及時實施。為防止下彎段塌方繼續(xù)向下游下平段延伸，僅在下彎段之后襯砌一倉6 m長下平段，樁號：PS0+357～PS0+363段。等到第三次塌方基本穩(wěn)定后，于2013年10月6日，施工方組織人員從上彎段處搭設(shè)平臺，人員通過吊籃靠近塌腔部位，錄取視頻資料及目測塌方范圍。從現(xiàn)場初步了解到：下彎段頂部空腔體寬12.5 m，長約17 m，從下彎段洞軸線到塔腔頂部高約于23.5 m，估計塌方3686m3。根據(jù)現(xiàn)場詳細(xì)情況，制定了三套方案。

4.1 噴錨支護(hù)方案

考慮到工期緊，為加快施工進(jìn)度，提出了噴錨支護(hù)方案。具體步驟如下：

（1）分別從豎井正下方及下平段搭設(shè)滿堂架，對塌腔部位逐步進(jìn)行噴錨支護(hù)。

（2）清理底部石渣，開始從下彎段及上彎段同時澆筑襯砌混凝土。

（3）襯砌后，對空腔進(jìn)行回填混凝土。

圖1 豎井段地質(zhì)描述平面圖

圖2 豎井下彎段塌方噴錨支護(hù)示意圖

圖3 豎井下彎段塌方填混合料示意圖

（4）最后進(jìn)行灌漿等工序施工，見圖2。

4.2 填混凝土方案

出于安全考慮，采取保守施工，提出填混凝土方案，以便安全施工，詳細(xì)步驟如下：

（1）下彎段末端進(jìn)行封堵。

（2）從上彎段開始回填常態(tài)混凝土，填至塌腔頂部停止，方量約7040m3。

（3）從底部下彎段開始開挖、支護(hù)、襯砌等工序施工。

（4）豎井段其他部位襯砌等工序施工。

（5）最后進(jìn)行灌漿等工序施工。

4.3 填混合料方案

考慮到費用因素，采取經(jīng)濟(jì)實用型方案，提出了填混合料方案。詳細(xì)步驟如下：

（1）下平段在已襯砌混凝土基礎(chǔ)上往豎井側(cè)再澆筑一倉，保證深入塌方內(nèi)部至少2 m，并預(yù)埋混凝土泵管。

（2）當(dāng)回填石渣接近頂拱高度時，從預(yù)埋管回填混凝土，確保以后頂部回填混凝土坐落在堅硬的混凝土基礎(chǔ)上。

（3）從上彎段往塌方底部拋石渣和砂，距塌方頂部5 m停止，石渣方量約4000m3。

（4）回填塌腔部位混凝土,方量約2713m3。

（5）在回填石渣頂部澆筑兩倉全斷面混凝土（每倉洞軸線長4.5 m），澆筑前用錨桿把回填體與此部位混凝土連接起來。

（6）從下彎段出渣，一循環(huán)3 m，然后進(jìn)行襯砌，兩循環(huán)后可一次性清理底部石渣，出渣過程豎井豎直段同時襯砌施工。

（7）最后進(jìn)行灌漿等工序施工，見圖3。

5 方案比較

針對以上三種方案，從不同角度進(jìn)行分析比較，從而選擇最佳方案進(jìn)行施工。

5.1 可行性分析

若采取噴錨支護(hù)方案，優(yōu)點在于可加快施工進(jìn)度，但是施工人員必須在塌腔部位下方進(jìn)行腳手架搭設(shè)、噴錨支護(hù)等工作，施工安全風(fēng)險比較大；若采用填混合料方案，在下平段澆筑一倉混凝土過程，因襯砌需要深入下彎段2 m，施工人員在這個范圍施工存在風(fēng)險；若采用填混凝土方案，所有工序均不需要在塌腔部位下方施工，相比而言最安全。

考慮到噴錨支護(hù)方案安全風(fēng)險較大，故不采用該方案進(jìn)行對比；填混合料方案雖存在一定風(fēng)險，但若做好安全措施，風(fēng)險可以控制，因此將從其他方面再分析比較填混凝土方案和填混合料方案。

5.2 工期上分析

根據(jù)施工單位的現(xiàn)有人員、設(shè)備等因素，對填混凝土方案和填混合料方案各工序使用時間進(jìn)行分析，見表1、表2。

表1 填混凝土方案工序時間表

表2 填混合料方案工序時間表

通過表1、表2的分析可知采用填混合料方案完工需要145天，采用填混凝土方案完工需要165天，因此采用填混合料方案比采用填混凝土方案更節(jié)約時間。

5.3 造價上分析

若采用填混合料方案，重新開挖后大部分料可重復(fù)利用，造價相對較低；而若采用填混凝土方案，不但方量比較大，且因國外工程的混凝土單價比較高，相應(yīng)的費用比較大，重新開挖后又不能回收利用，因此填混合料方案比填混凝土方案更經(jīng)濟(jì)。

6 穩(wěn)定分析

采用填混合料方案存在一個重要問題，即在回填料開挖過程，底部2 m長的混凝土能否承擔(dān)空腔回填體的重量，也即是說空腔回填混凝土的穩(wěn)定是否滿足要求，是此方案的關(guān)鍵所在，因此需要通過計算進(jìn)行深入分析。

6.1 受力分析

從圖3填混合料方案可知，空腔回填體（2713m3）主要依靠下部襯砌2 m長的混凝土承重，上部左側(cè)依靠9 m長襯砌拱圈支撐。

6.2 荷載計算

因底部混凝土僅澆筑上半圓部分部分，所以可簡化成180°拱，承受回填混體的全部荷載。由隧洞襯砌體型可知：拱的厚度為0.8 m；拱半徑為4.4 m；沿洞軸線拱長為2 m。計算簡圖見圖4。

圖4 隧洞襯砌拱圈計算簡圖

6.2.1 荷載計算

（1）空腔回填體自重

T=2713×24=65112kN。

（2）180°拱線荷載

F=T/2 L=65112/（2×8.8）=3670kN/m。

其中，L為拱水平投影長度，L=2×4.4=8.8 m。

6.2.2 穩(wěn)定計算

簡化后的模型可根據(jù)《理正巖土計算5.1版》軟件進(jìn)行穩(wěn)定分析。

（1）通過軟件初步計算發(fā)現(xiàn)，拱腳抗剪不滿足要求，因此對拱加柱子，從而縮短拱長度及計算角度。

（2）第二次計算可知，各部位抗剪均滿足要求，其他項也均符合要求。

6.2.3 結(jié)果分析

通過計算結(jié)果可知：在底部開挖過程，底部2 m長的半圓形混凝土完全可支撐住塌腔部位回填的混凝土，因上部拱圈也承受部分荷載，模型計算偏安全考慮，所以回填混合料方案穩(wěn)定可靠。

7 結(jié)論

該水電站在豎井施工過程遇到很多困難，圍巖差、施工安全風(fēng)險大、進(jìn)度緩慢，嚴(yán)重制約發(fā)電目標(biāo)，特別是豎井下彎段數(shù)次塌方后，針對塌方的處理，選取既要滿足安全要求又要加快施工進(jìn)度、提高塌方處理效率的方案對整個工程影響比較重大，因此本文結(jié)合現(xiàn)場實際情況，通過分析對比認(rèn)為，填混合料方案優(yōu)于其他方案，能滿足安全、經(jīng)濟(jì)、高效等方面的施工要求，具有可行性，是最佳的施工方案。