顏英軍

(中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

橙子溝水電站引水隧洞塌方地質(zhì)分析及處理措施

顏英軍

(中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

以橙子溝水電站引水隧洞下半洞開挖后在樁號引14+434～引14+481.7 m段發(fā)生的特大型塌方為例,從工程地質(zhì)條件和應力變化以及地下水等方面對塌方的原因進行分析,在此基礎上提出了塌方的處理措施,即大管棚配合小管棚(自進式注漿錨桿)、小間距鋼支撐與噴錨支護相結合的施工方法,為類似工程施工、塌方處理提供參考。

橙子溝水電站;塌方;大管棚配合小管棚

1 塌方基本情況概述

在水工隧洞施工中,由于工作面狹窄、勞動條件差、工序多、干擾大等特點,特別容易發(fā)生安全事故[1-3]。在圍巖地質(zhì)條件較差、斷面較大的情況下,通常采用的是臺階擴大方法,即將整個洞室分成上、下兩個臺階,一般首先采用鉆爆臺車(或者其他設備)進行上臺階全斷面的開挖支護,然后再進行下臺階的擴大開挖。這種開挖方法通常在上半洞開挖過程中是最困難的,塌方的情況時有發(fā)生。而在下半洞擴挖過程中,如果對上半洞存在的問題認識不夠重視,且圍巖應力再次進行應力重分布,往往也會發(fā)生很大的安全事故。

橙子溝水電站位于白龍江上,甘肅省隴南市境內(nèi),為徑流引水式水電站。引水隧洞沿右岸布置,全長約17.2 km,屬特長有壓引水洞,縱向坡比為0.194 3%。引水隧洞為圓形斷面,Ⅲ、Ⅳ類圍巖采用鋼筋混凝土全斷面襯砌,開挖洞徑為11.3 m、11.7 m、12.1 m,襯砌后洞徑均為10.5 m,洞內(nèi)流速3.01 m/s;Ⅱ類圍巖采用底部素襯及頂部噴混凝土襯砌,開挖洞徑為12.56 m,襯砌后洞徑為12.26 m,洞內(nèi)流速2.21 m/s。由于洞徑大,開挖過程中采用臺階擴大方法,將整個洞室分為上、下兩個半洞,首先采用鉆爆臺車進行上半洞240°的開挖、一期臨時支護施工,待上半洞實現(xiàn)貫通后,再進行下半洞擴大開挖。2008年11月,隧洞工程開始施工,共分為6個施工支洞、12個掌子面同時開挖;至2011年9月,上半洞開挖實現(xiàn)全面貫通,隨后進行下半洞開挖及混凝土襯砌施工;2014年8月施工完成。2012年2月11日9:30,引水隧洞6#施工支洞控制段上游側樁號引14+460～引14+480 m段發(fā)生大規(guī)模塌方,長度約20 m。塌方發(fā)生后,將本已挖通的5#、6#施工支洞控制段之間又堵實。隨后,觀察一段時間,待塌方穩(wěn)定后,見范圍分別向上、下游進行延伸,樁號為引14+434～引14+481.7 m,長度共約47.7 m。

2 基本地質(zhì)條件

引水隧洞橫穿右岸山體,屬傍山隧洞。洞室沿途圍巖巖性主要為中厚層灰?guī)r、石英云母片巖。其中,中厚層灰?guī)r巖性致密、較堅硬;石英云母片巖巖質(zhì)較軟弱,片理發(fā)育,局部呈片理化千枚夾層。巖體中斷裂較發(fā)育,裂隙以層面裂隙為主,其它組裂隙雖然發(fā)育但延伸短。斷層主要為層間擠壓帶。

引水隧洞地下水按其埋藏類型可分為覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙水兩類。其中,覆蓋層孔隙水主要埋藏于坡積松散堆積體中,受季節(jié)降水影響較大,含水層水量較豐富,以下降泉形式出露;基巖裂隙水主要接受大氣降水補給,含水性不均一,在引水洞過溝段及斷裂通過處,沿裂隙密集帶、斷層破碎帶附近呈脈狀分布或出現(xiàn)集中滲水現(xiàn)象。

3 塌方段地質(zhì)分析

研究表明,影響隧洞圍巖穩(wěn)定性的主要因素有工程地質(zhì)條件、地下水以及開挖前后應力的變化。

3.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)施工揭露的地質(zhì)情況來看,引水隧洞塌方段巖性為灰黑色石英云母片巖,一般單層厚度2～5 cm,局部夾灰黑色灰?guī)r,其中片巖巖質(zhì)軟弱,灰?guī)r較堅硬,軟弱相間,巖層之間粘結力差,完整性差。巖層產(chǎn)狀為NW275°NE∠70°,傾角較陡。洞軸線方向為SW238.14°,走向與洞向夾角較小,為36.84°。裂隙發(fā)育,以層理為主,主要發(fā)育的結構面有:①NW275°NE∠70°(巖層);②NE80°SE∠65°;③NE15°SE∠87°。巖層受剪性裂隙切割后,破壞了巖體原有的結構,使得圍巖的穩(wěn)定性變差。

在層狀巖體中開挖洞室,變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及不利裂隙組合等因素控制,其破壞形式主要有:沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。在傾斜狀巖層中,通常表現(xiàn)為沿傾斜方向一側巖層彎曲塌落,另一側巖體滑移等現(xiàn)象,形成不對稱的塌落拱。塌方段圍巖巖性為石英云母片巖,屬層狀巖體,且為傾斜狀巖層。圍巖中片理和節(jié)理裂隙發(fā)育,受隧洞開挖的影響,巖體產(chǎn)生向隧道內(nèi)的變形,在沒有有效約束的情況下,層間節(jié)理首先破壞,同時受層間節(jié)理破壞的影響,變形的增長導致巖層最終剪切破壞。

3.2 圍巖應力的變化

隧洞開挖前,巖體受到天然應力作用而處于相對平衡狀態(tài)。隧洞在上半洞開挖后,洞壁巖體因失去了原有巖體的支撐,破壞了原來的平衡狀態(tài),向洞內(nèi)空間脹松變形,其結果是改變了相鄰質(zhì)點間的相對平衡關系,引起應力、應變和能量的調(diào)整,以達到新的平衡,形成新的應力狀態(tài)。由于開挖后在洞壁的應力集中最大,當其超過圍巖屈服極限時,洞壁圍巖就由彈性狀態(tài)改變?yōu)樗苄誀顟B(tài),并在圍巖中形成塑性松動圈。塑性松動圈的出現(xiàn),使圈內(nèi)一定范圍內(nèi)的應力因釋放而明顯降低,最大應力集中由原來的洞壁移至彈、塑性圈交界處,使彈性區(qū)的應力明顯升高。在上半洞開挖完成后,圍巖進行一次應力重分布,而且采取了有效的支護措施,經(jīng)過一段時間后,達到一定的平衡狀態(tài);而在下半洞開挖完成后,隧洞斷面擴大,由之前的上半圓變?yōu)槿珗A,相應的圍巖應力再次進行分布,塑性松動圈也隨之變大。因此,在下半洞開挖后,圍巖再次進行應力重分布,而在應力發(fā)展、導致圍巖產(chǎn)生塑性變形的過程中,未采取有效防止變形的措施,也是塌方形成的重要原因。

3.3 地下水

塌方段位于羊寺壩溝中心上游側,該溝底寬為40～100 m,基本呈“U”字型,在引水隧洞經(jīng)過處上覆巖層厚度約為50 m,為季節(jié)性流水。塌方段裂隙發(fā)育,以片理為主,且偏離傾角較陡,一般情況下擠壓較緊密,貫通性一般,為地下水儲存和運移提供了較好的通道。隧洞開挖后,地下水失去屏障,立即滲入洞內(nèi),表現(xiàn)為大部分洞段在拱頂部位及左壁均存在滲水—串珠狀滴水現(xiàn)象,且為季節(jié)性滲水,一般在汛期滲水量明顯變大,而在枯水期則水量變小。由于地下水的作用,使得片巖發(fā)生軟化,穩(wěn)定性變差。因此,地下水是促使塌方生成的潤滑劑和助推劑。

4 塌方處理措施

4.1 處理措施的選擇

隧洞塌方發(fā)生后,首先對其附近存在安全隱患的洞段采取有效措施,防止塌方范圍進一步擴大,為塌方處理提供安全的空間。在加固變形段的同時,業(yè)主組織設計、監(jiān)理、施工等單位的專家進行現(xiàn)場調(diào)查研究,根據(jù)塌方的規(guī)模、性質(zhì)、圍巖情況以及地下水狀況分析造成塌方的原因,及時制定塌方段的加固處理方案。

塌方處理的方法很多,最常用的有盾構法、管棚法、臺階法等[5]。合適的處理方案可以有效快捷地對塌方事故進行處理,而不恰當?shù)姆桨?輕則增加經(jīng)濟損失,重則造成人員傷亡。在本次塌方處理時,施工單位初始提出進行分段除渣、立設鋼支撐加固,逐步往前推進的方案。但在方案實施時,首先對塌方部位進行除渣,采用自卸汽車出了70多車渣后,發(fā)現(xiàn)渣體還在不停往下滑動,看不到塌方的頂部。根據(jù)除渣后在下游側露出的空洞,爬到渣堆上部查勘,目測塌方深度大,可能在15～20 m。另外,根據(jù)勘測資料,該段屬于過羊寺壩溝段上游側,上覆巖層厚度為50多米,且在巖層上部還存在厚為10 m左右的松散覆蓋層。因此,判定強除渣并不是可取的方案,其可能會造成更大規(guī)模的塌方,乃至冒頂。于是,重新討論制定方案,決定采用大管棚配合小管棚(自進式注漿錨桿),將渣體進行一定范圍的固結后,再進行除渣,立設小間距的鋼拱架并掛網(wǎng)噴錨支護,較為安全地穿過了該段。

4.2 塌方處理措施的實施

4.2.1 塌方段下游側鋼支撐變形段加固

為了確保在塌方處理過程中有一個安全的作業(yè)空間,防止塌方范圍進一步擴大,首先,監(jiān)理組織業(yè)主、設計、施工單位人員對現(xiàn)場塌方段附近存在安全隱患的洞段進行排查,經(jīng)排查后發(fā)現(xiàn)樁號引14+540～14+600 m 、引14+670～14+710 m、引14+760～14+794 m段之前所立設的鋼支撐存在不同程度的扭曲變形,劃定為加固處理段。處理措施為:采用噴射砼(C20)將之前鋼支撐表面不平的部位進行噴平;對鋼支撐與巖面之間脫空的部位布設連接鋼筋(Φ25鋼筋)和掛鋼筋網(wǎng)(Φ6.5@15×15 cm),并將其噴射砼填充密實。

4.2.2 塌方段處理

塌方段的處理分為以下幾個步驟(見圖1)。

(1) 加固塌方段下游側。對塌方段下游側14+481.7～14+490.7 m段拱頂120°范圍進行固結灌漿(見圖2、圖3)。固結灌漿孔徑為90 mm,環(huán)向間距為250 cm,環(huán)間排距為250 cm,孔向平行于洞軸線,鉆孔長度為9～10 m,仰角40°～45°,分Ⅰ、Ⅱ序造孔灌漿施工。

圖1 塌方段縱剖面示意圖

Fig.1 Sketch map of landslide section

圖2 塌方段下游側固結灌漿孔位布置示意圖

Fig.2 Grouting hole layout diagram of landslide sectiondownstream consolidation

(2) 管棚施工(見圖2、圖3)。在拱頂120°范圍布設,管棚鋼管采用DN108 mm套管,長度為6～9 m,環(huán)向間距為50 cm,環(huán)間排距為350 cm,仰角為5°～10°。為了增大管棚剛度,在其內(nèi)置入3根Φ25 mm鋼筋束,分Ⅰ、Ⅱ序造孔、套管安裝、注水泥漿。這樣做的效果主要是在管棚頭部對渣體進行固結,而不像一般的花管棚,其是在管棚附近形成一個固結渣體的承載拱[6-8],承載上部渣體的重量。因此,可以將管棚假定為一端為固定段、一端自由端的懸臂梁,承受上部渣體的荷載。

圖3 塌方部位管棚布置示意圖

Fig.3 Pipe roof layout diagram of the landslide site

(3) 待管棚頭部固結后,對管棚下部的石渣逐步進行清運。然后利用管棚支撐圍巖短暫的穩(wěn)定期間,立設鋼支撐,使得管棚搭在鋼支撐上部,兩者共同承受上部巖體的荷載。鋼支撐間距為50～80 cm,其之間用工字鋼或者連接筋進行連接,掛鋼筋網(wǎng),打設鎖腳錨桿,噴射混凝土。鎖腳錨桿單雙間隔布置,共17根,采用自進式注漿錨桿,長度為3 m,雙根錨桿采用U型筋、單根進行焊接,使其與鋼支撐連接牢固。由于塌方范圍主要是在拱頂偏左側,左壁渣體厚度較厚,采用鎖腳錨桿鎖腳后,錨桿頭部仍在松散的渣體中,鎖腳的作用不明顯。支護完成一段時間后,在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)鋼支撐支腿向洞內(nèi)變形。為保證施工安全,局部又采用鎖腳錨筋樁進行加固。另外,在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn),由于上部的渣體未進行固結,管棚之間局部也有渣體滑落,形成空腔,采用噴射混凝土進行噴實,使管棚、鋼支撐以及噴射混凝土形成聯(lián)合支護體系來承受上部的荷載。鋼支撐施工完畢后,進行下一循環(huán)作業(yè),每次循環(huán)1～2 m左右,逐步往前推進。

圖4 塌方部位自進注漿錨桿布置示意圖

Fig.4 Bolt grouting into layout diagram of the landslide area

(4) 固結灌漿。鋼支撐立設完畢后,對渣體進行固結灌漿。采用自進式注漿錨桿進行(見圖4),其長度為3 m,環(huán)向間距為80 cm,排距為100 cm,拱頂仰角為60°～65°。

4.2.3 塌方段上游側的加固

由于受塌方的影響,塌方段上游側樁號引14+400～14+438 m段之前立設的鋼支撐多處發(fā)生不同程度的扭曲變形、噴射砼開裂現(xiàn)象,為保證后續(xù)砼襯砌工程施工安全,也進行了加固處理。其中引14+400～14+412 m段,主要是在鋼支撐之間進行連接筋加密、掛網(wǎng)噴護砼;14+418～14+422 m、14+425～14+438 m段,進行鋼支撐加密,即在相鄰兩榀之間增設一榀,然后進行掛網(wǎng)、噴護砼處理。

4.3 施工后的效果評價

在參建各方的共同努力下,經(jīng)過5個多月的塌方處理,較為順利地通過了該段。在處理過程中,分別在樁號引14+435 m、引14+481 m部位設置了兩個臨時監(jiān)測斷面進行收斂監(jiān)測,掌握塌方體變形的發(fā)展。從監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)來看,初期支護后的變形未出現(xiàn)異常情況。目前,該段已經(jīng)完成了下半洞的擴挖,永久混凝土襯砌施工也已完成,從現(xiàn)場觀測的情況來看,變形無大的異常。說明施工中所采用的處理措施是合理的、可靠的。

5 結論

(1) 通過對塌方段圍巖工程地質(zhì)條件、應力變化、地下水三個方面分析可以發(fā)現(xiàn),工程地質(zhì)條件是塌方產(chǎn)生的內(nèi)在因素,開挖后應力的變化以及地下水的作用是塌方產(chǎn)生的外在因素,外在因素使得原巖穩(wěn)定性變差,促成了塌方的產(chǎn)生。

(2) 塌方的處理措施有多種,采用適合工程實際的方式是工程技術人員需要長期探索的問題。本文針對橙子溝水電站引水隧洞的塌方實際,采用了超前大管棚配合小管棚(自進式注漿錨桿)、小間距鋼支撐與噴錨支護的處理方案,較為安全地通過了該塌方段。說明施工中所采用的處理方案是合理的、可靠的。

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(責任編輯：陳姣霞)

Geological Analysis and Treatment Measures of Diversion Tunnelin Chengzigou Hydropower Station

YAN Yingjun

(NorthwestEngineeringCorporationLimited,Xi’an,Shaanxi710065)

In the paper,based on the super-huge landslide in the Chengzigou Hydropower Station,the author analyzes the cause of the landslide from the engineering geological conditions and the stress variation and ground water,and the landslide treatment measures are put forward,namely reduce casing with small pipe roof(since the bolt grouting into type),small spacing steel support and the combination of spray anchor.It provides reference for similar engineering construction and landslide treatment.

Chengzigou hydropower station; landslides; fill tent with small pipe roof

2016-06-14;改回日期:2016-07-13

顏英軍(1983-),男,工程師,碩士,工程地質(zhì)專業(yè),從事地質(zhì)勘察及巖土工程研究工作。E-mail:358252613@qq.com

TV732; TV223

A

1671-1211(2017)01-0085-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.01.015

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161208.1424.028.html 數(shù)字出版日期:2016-12-08 14:24