郭 益， 劉 忠 軍

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

固增水電站引水隧洞T7+873～T7+892塌方段位于5號(hào)施工支洞上游,尤以T7+892處的靠山側(cè)邊墻坍塌為甚,塌方空腔深達(dá)4.62 m。在坍塌段處理過程中頂拱巖石連續(xù)出現(xiàn)塌方,致使已施工完成的超前導(dǎo)管全部損壞,塌方范圍較大，渣料體積達(dá)500 m3之多,頂拱空腔深約11 m，導(dǎo)致T7+873～T7+892段支撐用的工字鋼變形,靠山側(cè)拱腳膨脹出約1.5 m,頂拱塌方下沉約0.3 m。開挖時(shí)，經(jīng)地質(zhì)工程師現(xiàn)場(chǎng)勘查確認(rèn):T7+873～T7+892段均為Ⅴ類圍巖,掌子面巖體由薄層板巖夾薄層-中層變質(zhì)砂巖構(gòu)成,掌子面內(nèi)壁巖體破碎,完整性較差,褶皺與順層擠壓破碎帶發(fā)育,多見碎裂巖石，導(dǎo)致給隧洞施工方案的制定增加了難度，無法指導(dǎo)后續(xù)正常施工。闡述了對(duì)固增水電站引水隧洞塌方與變形支護(hù)方案進(jìn)行的研究。

2 施工工藝和方法

2.1 施工工藝流程

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終確定的塌方、變形處理采用的施工工藝流程為:跟管加工→跟管鉆進(jìn)→錨筋束安裝→錨筋束注漿→鎖腳、鎖腰錨桿施工→空腔回填→掌子面管棚施工→塌方洞渣清理→素噴混凝土→掛網(wǎng)工字鋼架設(shè)噴射混凝土→系統(tǒng)錨桿施工→超前支護(hù)→下一循環(huán)施工。

2.2 加強(qiáng)支護(hù)處理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,T7+873～T7+892段靠山側(cè)邊墻及拱腳受巖層擠壓已向隧洞中心線收斂變形約1.5 m,其拱頂均存在下沉現(xiàn)象,掌子面塌方嚴(yán)重,靠掌子面段工字鋼受巖層擠壓彎曲變形較大。為防止T7+873～T7+892段靠山側(cè)及頂拱受外力擠壓再次發(fā)生變形塌方，經(jīng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)勘查后最終決定采用以下加強(qiáng)支護(hù)方案:

(1)對(duì)T7+873～T7+892段頂拱及靠山側(cè)垂直于巖壁進(jìn)行跟管鉆進(jìn),L=20 m(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔情況可調(diào)整跟管鉆進(jìn)的深度),內(nèi)插錨筋束后灌漿,然后將錨筋束與工字鋼連接形成整體以防止頂拱及靠山側(cè)邊墻再次收斂變形。

(2)對(duì)于T7+873～T7+892段每榀工字鋼靠河側(cè)增設(shè)了φ25 mm,L=6 m 2根鎖腳及2根鎖腰錨桿進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),以防止靠河側(cè)工字鋼變形傾覆。T7+873～T7+892段加強(qiáng)支護(hù)情況見圖1。

圖1 T7+873～T7+892段加強(qiáng)支護(hù)示意圖

(3)對(duì)于掌子面頂拱空腔采用跟管鉆進(jìn),回填M20砂漿,高度約為2～3 m,回填分兩次進(jìn)行。

(4)對(duì)于掌子面頂拱120°范圍采用φ108 mm管棚,L=10 m,環(huán)向間距0.5 m進(jìn)行支護(hù),管棚內(nèi)插錨筋束并注漿。掌子面加強(qiáng)支護(hù)情況見圖2。

圖2 掌子面加強(qiáng)支護(hù)示意圖

2.3 所采用的加強(qiáng)支護(hù)施工工藝

(1)跟管加工。鑒于塌方變形段巖體破碎,松散巖體范圍較廣,成孔困難,需要采用φ108 mm,L=1 m,壁厚6.5 mm的鋼管跟進(jìn)鉆孔施工,鋼管需加工φ8 mm的注漿孔并施打?qū)Υ┛?空間角度形成90°,孔距30 cm。跟管情況見圖3。

圖3 跟管示意圖

(2)跟管鉆進(jìn)。采用100B型鉆機(jī)進(jìn)行處理,孔深10～20 m,孔徑為110 mm。鉆孔過程中采用偏心鉆具、跟管鉆進(jìn)。對(duì)T7+873～T7+892段進(jìn)行加固時(shí)使用錨筋束與跟管配套施工,其孔位主要布置在靠山側(cè)邊墻及頂拱范圍,每榀工字鋼環(huán)向孔位為2/3根,交錯(cuò)布置,孔位方向垂直于巖壁。對(duì)于T7+878、T7+879樁號(hào)頂拱范圍采用φ108 mm跟管鉆進(jìn)1根回填管及1根排氣管,鉆孔角度約為20°,孔深根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。鉆孔過程中,對(duì)所鉆進(jìn)的巖層變化情況、鉆進(jìn)狀況(鉆壓、鉆速)和某些特殊狀況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)施工記錄。

①孔內(nèi)清理。鉆進(jìn)超過設(shè)定水深后不能馬上止鉆,需要穩(wěn)鉆1～2 min以免洞底呈尖形而達(dá)不到設(shè)計(jì)孔徑。鉆孔孔壁不宜有沉渣或泥土和水面的黏滯,務(wù)必清洗干凈。鉆孔完成后,采用高壓空氣(風(fēng)壓為0.2～0.4 MPa)將孔內(nèi)的石粉以及泥土和水全部排除出孔外,以減少對(duì)水泥砂和孔室?guī)r體的黏接力度。由于塌方區(qū)為松散破碎的炭質(zhì)板巖區(qū),遇水極易軟化而塌孔,故要求嚴(yán)禁使用高壓水流進(jìn)行沖刷。

②驗(yàn)收。鉆孔完成并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)督員檢測(cè)合格后,方可實(shí)施下道工序。對(duì)于孔徑、孔深的檢查,通常根據(jù)設(shè)計(jì)孔深、鉆機(jī)磨損情況和標(biāo)準(zhǔn)鉆桿在現(xiàn)場(chǎng)施工人員和監(jiān)理單位旁站人員在場(chǎng)的情況下驗(yàn)孔,要求驗(yàn)孔過程中鉆機(jī)平順推進(jìn),不產(chǎn)生撞擊及震動(dòng),采用鉆具驗(yàn)收孔深且孔深達(dá)到設(shè)計(jì)要求的深度,并用高壓風(fēng)吹孔檢驗(yàn)錨孔孔位與傾斜度,直至鉆孔驗(yàn)收合格為止。

(3)錨筋束的安裝。錨筋束由三根φ25 mm鋼筋,一根φ20 mm注漿管,一根φ20 mm通氣管組成,采用三根φ25 mm鋼筋圍繞注漿管呈品字形排列。由于現(xiàn)場(chǎng)鋼筋原材高度為9 m且受施工作業(yè)面的空間限制,錨筋束鋼筋必須通過套筒連接并將連接接頭錯(cuò)開。沿錨筋束軸線方向每隔約2 m設(shè)置一套錨筋束的定位支架,支架均使用φ6.5 mm圓鋼塊現(xiàn)場(chǎng)制造以確保錨筋束的保護(hù)層厚度適當(dāng)。

施工前,首先要保證每根鋼筋接頭的順直,除銹、除污垢,在安放錨筋束前仔細(xì)核實(shí)錨孔序號(hào),確定無誤后由人工緩慢將錨筋束插入φ108 mm跟管中。

(4)錨筋束的灌漿。

①灌漿材料。選擇強(qiáng)度等級(jí)不小于P.042.5的普通硅酸鹽水泥,并滿足有關(guān)規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

②灌漿參數(shù)。注漿成型水灰比為1∶1、0.5∶1,開灌水灰比為1∶1,灌漿的目的是使泥漿在較疏松的巖石中擴(kuò)散充填,將較破碎的巖石固結(jié),有利于相鄰孔在鉆進(jìn)時(shí)減少落塊,從而避免出現(xiàn)卡鉆或落鉆等現(xiàn)象,亦可加快施工進(jìn)度。

灌漿壓力為0.2～0.4 MPa,水壓視吸漿量情況和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工程師指示進(jìn)行調(diào)節(jié)。

③孔口封閉。由于采用的是有壓灌漿施工工藝,因此錨筋束孔口需承受灌漿壓力。故在封閉段內(nèi)側(cè)(距孔口1～1.3 m)塞入軟質(zhì)材料后灌水泥漿液封閉孔口,封閉長(zhǎng)度不小于1 m，待封閉段水泥漿液滿足強(qiáng)度要求后再進(jìn)行灌漿作業(yè)。

④灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

a.若灌漿過程中圍巖發(fā)生較大的掉塊或漏漿時(shí)應(yīng)停止注漿。

b.若灌漿量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)量時(shí)應(yīng)停止注漿并排查原因。

c.當(dāng)灌入漿量不再增加、灌漿壓力持續(xù)超過設(shè)計(jì)值時(shí)結(jié)束灌漿。

(5)特殊情況的處理。灌漿時(shí)極有可能出現(xiàn)漿液漏失的情況。當(dāng)漏漿、吸漿量大時(shí)應(yīng)及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工程師,按照監(jiān)理工程師的指示采取越級(jí)變漿、間歇灌漿法或反復(fù)注漿法嚴(yán)格控制灌漿質(zhì)量,確保灌漿飽滿。

對(duì)于注漿成型過程中發(fā)生的如停水、斷電等特殊情況導(dǎo)致灌漿中斷時(shí),應(yīng)優(yōu)先選用高壓風(fēng)對(duì)錨洞進(jìn)行吹孔[2]；而對(duì)于不具備高壓風(fēng)吹孔要求的錨洞，應(yīng)與監(jiān)理工程師商定后選用低壓水流沖孔。

(6)系統(tǒng)支護(hù)。錨筋束及砂漿回填施工完成后,應(yīng)按照設(shè)計(jì)藍(lán)圖要求施工系統(tǒng)錨桿。為增加工字鋼的穩(wěn)定性,在系統(tǒng)錨桿的基礎(chǔ)上每榀工字鋼增加四根φ25 mm,L=6 m的鎖腰錨桿。鎖腰錨桿應(yīng)使用“L”型鋼筋與工字鋼焊接,其靠山側(cè)可利用錨筋束加固工字鋼,在端頭焊接“L”型鋼筋與工字鋼連接。

(7)掌子面支護(hù)。針對(duì)掌子面塌方渣體空腔或松散體高度約為11 m的實(shí)際情況,采用了M20砂漿回填部分空腔的方式進(jìn)行治理,回填高度約為2～3 m,將回填灌漿孔設(shè)置在T7+878、T7+879頂拱處,單個(gè)斷面跟管鉆進(jìn)2個(gè)孔(進(jìn)漿孔1個(gè),排氣孔1個(gè)),長(zhǎng)度約為5～10 m(鉆孔長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整),間隙分層回填砂漿,砂漿由3號(hào)拌和站供料,混凝土泵送至頂拱空腔,回填完成后,在灌漿孔內(nèi)插入錨筋束，待襯砌完成后采用采用回填灌漿的方式將空腔回填密實(shí)。

掌子面回填砂漿完成后,在T7+876頂拱120°范圍施工一環(huán)φ108 mm管棚,L=10 m,間距0.5 m布置,鉆進(jìn)角度為10°,管棚入原狀巖層3 m后進(jìn)行插錨筋束及灌漿施工。

頂拱灌漿完成并等強(qiáng)7 d后,先在最上游相鄰的三榀不侵占隧洞內(nèi)襯砌混凝土斷面的鋼拱架中間部位布置長(zhǎng)度為6 m的錨桿進(jìn)行加固,錨桿的間排距約為1.5 m,成環(huán)向布設(shè),其外露鋼筋端頭應(yīng)與鋼拱架連接緊密,以保證鋼拱架的穩(wěn)固，然后向下游方向架立鋼拱架并在頂拱180°范圍布置直徑為6 m的超前小導(dǎo)管進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)固定。在鋼拱架180°范圍鋪設(shè)雙層φ6.5 mm鋼筋網(wǎng),并布設(shè)縱向連接鋼筋,采用逐榀澆筑混凝土的方式進(jìn)行封閉。對(duì)于鋼拱架模板支立過程中的渣料處理分頂拱與邊墻兩層完成,待頂拱處的渣料處理完畢、盡快安裝頂拱鋼架底腳位置的鎖腳錨桿,再處理連接邊墻位置的鋼支架。型鋼拱架應(yīng)座落在隧洞巖石基礎(chǔ)上,以保證型鋼拱支架的穩(wěn)固與安全。在架立鋼拱過程中,應(yīng)對(duì)其侵占的襯砌截面部分采用人工風(fēng)鎬修補(bǔ)。

(8)開挖進(jìn)尺。掌子面支護(hù)施工完成后進(jìn)行清渣,由于洞室坍塌段的圍巖破碎,需采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行施工。預(yù)留核心土法施工能夠更有效地防止洞身開挖后產(chǎn)生較大的收斂和沉降,因此，核心土斷面的大小應(yīng)按照環(huán)形開挖斷面積的百分之五十、以便于作業(yè)人員作業(yè)進(jìn)行施工,將每循環(huán)掘進(jìn)的長(zhǎng)度控制在0.5～1 m范圍。每次施工后及時(shí)進(jìn)行支護(hù),實(shí)現(xiàn)“早噴錨”。初期支護(hù)的順序?yàn)?初噴混凝土→打系統(tǒng)錨桿→掛網(wǎng)→架立鋼支撐→打鎖腳錨桿→再次噴混凝土(滿足設(shè)計(jì)厚度)。

初噴混凝土厚5 cm,密封巖面,以避免圍巖松散變形造成坍塌。噴射混凝土完成后,持續(xù)推進(jìn)并控制好風(fēng)壓、水壓,以保證噴射混凝土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。錨桿施工一般采用測(cè)量定位,以便在錨桿安裝后與鋼支撐連接在一起,進(jìn)而構(gòu)成整個(gè)受力構(gòu)件。而網(wǎng)片則根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝,牢固并緊靠巖面。鋼支撐立架必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求立架,拱架連接板處用螺栓連接好并擰緊使拱架更牢固,在需要時(shí)可采用焊接連接，以確保初支的穩(wěn)定性，待系統(tǒng)支護(hù)完成后進(jìn)入下道工序。

3 針對(duì)塌方采取的施工措施及塌方的預(yù)防

3.1 施工措施

對(duì)于塌陷洞段,應(yīng)采取“管超前、嚴(yán)灌漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支撐、快封堵”的施工治理原則。首先,應(yīng)盡快處理從整體圍巖段中涌出的塌陷體及鄰近的塌陷掌子面;隨后跟進(jìn)注漿并封堵崩塌體掌子面；之后，對(duì)坍塌體采用固結(jié)的方式灌漿并待渣體固結(jié)且足夠自穩(wěn)時(shí),再采用人工配合風(fēng)鎬的方式開始施工;挖至靠近塌方段掌子面時(shí)施工超前小管棚,之后按順序?qū)λ蕉芜M(jìn)行治理。在挖掘過程中,采用鋼拱架與錨噴結(jié)合混凝土支護(hù)的施工方法進(jìn)行掘進(jìn),最后對(duì)空腔采用回填混凝土與砂漿的方式完成塌方段的處理。坍塌處理時(shí)要嚴(yán)格按照“小塌清,先支后清”和“大塌穿,先棚后穿”的原則[3]，其中“小塌清,先支后清”系指水工隧洞挖掘時(shí)坍塌數(shù)量相對(duì)較小的情況,此時(shí)可先將坍塌頂拱支護(hù)穩(wěn)固,隨后再將坍塌體全部清理，但必須確保坍塌頂拱支護(hù)的穩(wěn)固,否則有可能會(huì)繼續(xù)發(fā)生塌落、掉塊砸傷施工人員的情況。一般情況下,隧洞在出現(xiàn)首次坍塌后,由于頂拱兩側(cè)不平衡,假如不及時(shí)進(jìn)行塌方段的頂部支護(hù),就可能使坍塌的部位失去平衡而導(dǎo)致再次發(fā)生坍塌。

3.2 隧洞塌方的預(yù)防措施

(1)認(rèn)真做好隧洞沿線巖體的地質(zhì)勘查與設(shè)計(jì)工作。在隧洞勘察設(shè)計(jì)過程中,要求深入細(xì)致、全方位地對(duì)其進(jìn)行研究并探索隧洞所在區(qū)域的水文條件和巖體情況,全方位熟悉和掌握隧洞主軸和出入口區(qū)的地貌資源,分析和探討隧洞所跨越埡口、破碎山體、溝谷等的狀況,從而最大程度地掌握可能引起坍塌的惡劣地質(zhì)狀況。在進(jìn)行洞線選址工作時(shí),應(yīng)盡量避免斷裂、軟弱破裂帶、地下水等惡劣地貌段,若不能避免時(shí),應(yīng)事先準(zhǔn)備相應(yīng)的施工方法和技術(shù)措施[4],并選用適當(dāng)?shù)氖┕し绞?做好施工組織設(shè)計(jì),從而有效指導(dǎo)隧洞施工。

(2)根據(jù)塌方程度采取有針對(duì)性的解決措施。對(duì)于小區(qū)域的坍塌,由于其破壞面積相對(duì)較小，應(yīng)盡可能地采取徹底處理的解決方法。必須重新調(diào)整支護(hù)的措施防止隧洞內(nèi)坍塌的風(fēng)險(xiǎn),預(yù)防因塌方進(jìn)一步擴(kuò)大引起的嚴(yán)重坍塌發(fā)生。因?yàn)樗矶粗谐霈F(xiàn)一次塌方后整條隧洞都會(huì)受到影響,若不能進(jìn)行及時(shí)的加固，很容易出現(xiàn)二次大規(guī)模的塌方。對(duì)于較大規(guī)模的坍塌,在一段時(shí)間內(nèi)很難完成處理工作,所以，在出現(xiàn)小坍塌后應(yīng)先打開塌方隧洞,再通過超前支護(hù)的方式對(duì)隧洞兩端進(jìn)行保護(hù),使隧洞均衡受力以防止坍塌進(jìn)一步延伸，再通過鋼拱架保護(hù)的方法[5]對(duì)隧洞頂部加以保護(hù)。

(3)加固未發(fā)生塌方的洞段。在每次隧洞坍塌發(fā)生后，必須對(duì)尚未坍塌的區(qū)域施以有效的加強(qiáng)措施，以達(dá)到鞏固的目的。對(duì)隧洞中尚未坍塌區(qū)域的加強(qiáng)保護(hù)可以采用由大口徑鋼管和工字鋼制成的鋼拱架進(jìn)行加固,并采用該方法對(duì)隧洞中的軟弱區(qū)域進(jìn)行支護(hù)。此外,對(duì)隧洞中不穩(wěn)固的圍巖也需要進(jìn)行有效的加強(qiáng)保護(hù),如果隧洞地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,在采取對(duì)巖體進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)時(shí)可以采用鋼筋混凝土襯砌的方法對(duì)隧洞圍巖結(jié)構(gòu)加以鞏固。

4 結(jié) 語

綜上所述,隧洞施工前探明隧洞掘進(jìn)前方巖體的地質(zhì)條件是關(guān)鍵,亦是整個(gè)工程建設(shè)順利與否的前提;在塌方處理的施工過程中，應(yīng)注意施工環(huán)境和圍巖的改變,科學(xué)合理地制定有效的治理措施與方法。固增水電站引水隧洞塌方段治理采用的處理措施通過多次優(yōu)化,有效地保證了實(shí)施過程中的施工安全，提升了實(shí)施效能,為該電站順利實(shí)現(xiàn)發(fā)電目標(biāo)提供了有利條件,所取得的經(jīng)驗(yàn)對(duì)類似塌方的處理工作具有一定的參考意義。