1、引水隧洞清水溝段塌方處理施工方案李清泰刊登于鐵道建筑技術（中鐵十四局集團一公司山東日照276826）【摘要】本文詳細介紹了開建橋水電站引水隧洞清水溝段塌方的基本情況、坍方原因分析和塌方處理施工方案，該方案安全、合理，處理效果良好。【關健詞】施工概述，塌方處理，技術總結1.工程概況開建橋電站為引水式發電站引水隧洞全長3488m，結構型式為圓形，洞身直徑 6.2M 和 6.5m 兩種。隧洞所處為典型的高山地貌,山勢陡峭、溝谷縱橫，其中隧3+235 隧 3+248段位于清水溝溝底。該段隧洞縱向中心線和溝底縱向中心線成400 角交叉穿過，其中隧3+241 隧 3+246 位于溝低中心地段。隧洞洞身上拱
2、部1200 以下巖層為粉質砂巖和泥巖互層，巖層垂直于隧洞軸線方向由右側向左側向下傾斜，傾角約 400，沿線路方向巖層由小里程向大里程方向向下傾斜，傾角約300（開挖方向大里程向小里程）。洞頂 1200 范圍為清水溝溝底覆蓋層。清水溝位于兩山之間為典型的斷層沖溝，溝內常年流水，汛期經常形成泥石流，洞頂溝身右側有一處山體巖崩形成的松散堆積體，約6000m3，山體自然坡度約600 800，溝底常年洪水沖積形成的較厚的覆蓋層，洞頂覆蓋層厚度1113 米（實測），主要為孤石、卵石夾少量泥、細砂。卵石、石粒徑1cm 2.5m 不等，清水溝溝底常年流水，枯水期流量達到60m3/min以上。覆蓋層自穩能力極差
3、，加上地表水涌入和巖層裂隙水的滲入，造成洞頂一開挖形成臨空面極易形成塌方。2.施工過程2005 年 12 月 12 日開始對該段的洞身進行開挖，開挖前提出的?150mm長管棚方案因成本因素未獲得通過，經業主、監理方專家共同討論確定了以下方案：施工按照兩臺階法開挖，開挖進尺50cm，開挖后立即噴射C20 砼封閉，然后施做全環格柵拱架（縱向間距75cm），兩拱架之間設縱向連接鋼筋，格柵拱架施做完成后，掛鋼模板澆筑C20 砼臨時支護。上拱部采用25 雙層超前錨桿支護（錨桿長2m，環向間距 30cm），施工嚴格遵循“弱爆破、少擾動、短進尺、快封閉、勤量測”原則。開工后，首先進行了隧3+235 隧 3+
4、238 段原施工單位塌方段的處理。采取了引排水、工字鋼桁架支撐、噴錨及掛板砼臨時支護等綜合措施；之后進行了6 次開挖，每次進尺0.8m 1.2m,共掘進 6m，剩余約 7m。該段開挖采取了雙層超前錨桿、噴砼、立格珊拱架、縱環向連接筋和掛板砼等綜合支護措施，其中隧3+241 隧 3+243 段發生兩次上拱部局部塌方，采用噴射砼封閉，掛鋼模板泵送澆筑砼的措施順利通過。2006 年 1 月 21 日，開挖隧 3+243 隧 3+244 段，該段左側上拱部2/3 全部進入清水溝底，爆破完成約3min 后，洞頂開始塌方，超前錨桿全部被塌方體砸掉，該次頂部塌空區高約2.6m；1 月 23 日下午，頂部及左
5、側邊墻再次發生塌方，該次頂部塌空區高約3.5m；1 月 25 日下午準備采用挖掘機在塌方體上部平整出作業平臺，作業完成20s后，上拱部及邊墻再次發生較大面積的塌方，該次頂部塌空區高增至4.7m，之后春節期間又發生兩次較小規模的塌方，頂部塌空區高增至5.9m，累計塌方體積約500m3。根據現場勘察，塌方體主要由粒徑1cm5cm 的卵石、粒徑50cm 250cm 的磨圓度較好的孤石及粉細砂、少量土組成，加上大量裂隙水和兩處集中涌水作用，更增大了再次塌方的可能性。3.塌方原因分析3.1 該段覆蓋層為洪積體，主要構成為磨圓度較好的卵石和孤石及少量細砂、泥土，且沉積年代較短，各成分間的粘結力極差，巖層幾
6、乎無自穩能力，洞身上部占整個洞高1/22/3 的部分位于堆積體中開挖形成臨空面后極易塌方。3.2 堆積體內的大量裂隙水的作用，加上洞頂溝底右側巖堆的壓力作用，加劇了塌方的形成。3.3 盡管對該段地質情況開挖前就有深入的了解，由于單純從施工自身成本角度考慮，未采用較為穩妥的管棚方案，雖然采用了雙層超前錨桿支護，但由于堆積體自身結構的特殊性，支撐效果極為有限。施工過程中大量卡鉆、實際打入的有效錨桿良不足設計方案的1/2，且分布極不均勻，根本達不到預想的效果。3.4 二次塌方后，采用挖掘機平整塌方體，破壞了塌方后的臨時穩定，是造成再次塌方直接原因。3.5 原定的兩臺階法開挖方案，開挖上臺階時整個隧洞
7、拱部形成臨空面較大，易形成較大塌方，如采取側壁導坑法或半邊開挖，即使塌方規模也比較有限。4.塌方處理方案4.1 方案形成此次塌方的塌穴斷面為5.3m6.4m(塌方體底以上寬 高)，高是塌體寬度的1.1 倍，尚未形成自然穩定的自然拱（一般為寬度的4 倍以上）。如果采取讓其繼續塌落，直至冒頂。然后再從覆蓋層頂部向下處理的方案。對于人員和機械設備的安全是最保險的，但該方案由于塌方范圍較大，塌體方量較大，處理周期較長。業主和監理部均不傾向于該方案。為了盡可能的縮短施工周期，加快施工進度，我部考慮采用從底部通過方案。4.2 底部通過方案根據近段時間的觀察，塌體每次塌方之后有一段時間的穩定，且在底部不擾動
8、的情況下，短時間內不易形成較大范圍的塌方。為此，確定塌方處理方法的基本原則是：先治水，不清碴，對塌穴不擾動，堆渣穩定塌穴；封閉塌穴面，支撐二次穩定塌穴；塌穴外側擋護，噴混合料，降低高度，再次穩定塌穴；掛板砂泵送砼形成臨時支護；拱架支撐，保證永久襯砌安全。先在洞頂采取截水和封閉水的措施，同時洞內人為將塌體坡面回填至開挖輪廓線以上一定高度，并噴射微纖維砼（封閉裂隙水效果較好），然后利用塌穴臨時穩定期再塌穴內安裝鋼支撐并安裝輸送泵管，再在塌穴外利用塌方體作為作業平臺，堆沙袋作為擋護，用噴漿機向塌穴內吹入砂+水泥+粉煤灰的混合料（加少量水以利于固結），完成后分2-3 次澆筑砼至塌方頂，最后清除塌方體，
9、在砼外側立拱架進行二次支護，以加強永久性襯砌的支承力。4.3 塌方處理方法4.3.1 頂部截、排水在清水溝洞頂上游的100m 處設一道漿砌石截水墻，預埋兩根100PVC水管，將水引至塌方點的下游。以下部分砌筑約60m 長的漿砌片石水溝，將水引至交通洞口溝內。利用兩臺15kw 水泵將清水溝內塌方體上游兩池積水基本抽排干凈，人工平整洞頂已開挖和未開挖部分，用40cm 厚漿砌片石封閉，并抹一層防水砂漿，減少地表水的滲透。（見圖1）4.3.2 塌體反壓為保證塌體的穩定性，在塌體坡腳處設一個反壓平臺，平臺高2m、寬 3m，長 7m，坡度 30o。施工方法是從洞外挖碴，分層填筑壓實。（見圖2）4.3.3
10、空隙填充反壓平臺填筑完成后，從平臺頂開始沿塌體坡面堆砂袋至塌體頂部，砂袋填三層。自塌體頂部距離臨時支護 3m 開始按照 1：0.5 坡度堆砂袋至開挖拱頂，主要起擋碴和砼作用。然后用噴漿管向擋碴砂袋和塌體坡面的空隙內用噴漿機吹砂+粉煤灰+水泥（重量比為10：1：1，根據現場情況自行配置，達到既降低成本又保證可噴并有一定的連接強度即可）。4.3.4 塌體砼護殼的設置根據現場的實際情況，在吹（砂粉煤灰水泥）上面分2-3 次澆筑砼護殼。護殼砼采用泵送砼標號C20，為確保護殼砼能夠填滿塌空區，在堆碼編織袋時，預埋兩根不同長度的輸送泵管，A 管長 1.5m，B管長 3.0m。澆筑前在砂面上放一層弧形鋼管網
11、，其弧度同開挖線一致。鋼筋網利用20 鋼筋，鋼筋布置為 20150*150mm。第一次澆筑1m 厚，待砼有一定強度后再進行第二次砼澆筑，一直將塌空區澆滿。（見圖 2）4.3.5 塌體開挖塌體開挖分上下斷面分部進行。4.3.5.1 上半部塌體開挖支護上半部斷面塌體開挖采用弧形開挖，保留核心土的方法。弧形開挖完成后，立兩榀格柵拱架，并用1025 鎖拱錨桿固定。4.3.5.2 下半部開挖支護下半部用挖掘機和自卸汽車一次性出碴。然后移動臺車架靠近掌子面，在邊坡上支兩榀鋼柵拱架，和上拱部拱架連接成整體。并用12 根鎖拱錨桿固定。然后利用格柵拱架掛鋼模板板澆筑支護砼。砼采用C20，摻減水劑。機械拌和、人工
12、澆筑，澆筑時摻加速凝劑，摻量為水泥用量的4%局部有成股狀流水或涌水時可根據情況在砼摻加水玻璃。4.3.6 注意事項4.3.6.1 施工過程中一定要設立專人值班，認真觀察塌方段圍巖變化，發現險情，立即撤離人員。4.3.6.2向塌空區填沙袋及吹砂時，人員盡量不要進入塌空區范圍。擋碴沙袋始終高于塌空區內部1.0m 以上，以阻擋隨時塌落的孤石。4.3.6.3 注意加強洞頂和洞內的圍巖量測。及時發現情況，及時處理。4.3.6.4 鋼筋網一定在開挖輪廓線以外，防止侵入永久襯砌斷面。4.3.6.5 澆筑砼時，要主要觀察砂袋擋墻的穩定，防止砼壓力過大擠垮砂袋擋碴墻。必要時采取加固措施。5.人力、設備及材料見附
13、表表 1主要勞動力的組合表 2主要施工機械配置表表 3主要材料需用量表表 1主要勞動力的組合序號勞動力組成人數（人）勞 動 力 職 責備注1 施工負責人1 全面指揮協調2 技術負責人1 方案落實3 工班長1 跟班作業4 安全員1 安全監測5 炮工8 打錨桿和后續洞挖6 木工4 掛板砼、支模7 砼工16 掛板砼澆筑，泵送砼澆筑8 鋼筋工4 鋼筋網制安及局部鋼支撐加固9 雜工16 各班輔助工作10 空壓機司機1 保證空壓機正常工作11 電工1 負責供電正常12 砌石工8 洞頂防、排水表 2主要施工機械配置表序號機械名稱型號數量備注1 空壓機20m3 1 臺2 空壓機12m3 1 臺序號機械名稱型號
14、數量備注3 風槍YT-28 3 臺4 噴漿機1 臺5 臺車架自制1 臺6 砼輸送泵HBT60 1 臺7 挖掘機PC130 1 臺8 裝載機ZL40 1 臺9 污水泵15kw 2 臺10 自卸汽車5T 4 臺11 砼罐車6m3 5 臺12 鋼筋彎曲機GW-40 1 臺13 鋼筋切斷機GQ-40 1 臺14 電焊機BX-500 1 臺表 3主要材料需用量表序號材料類別型號數量備注1 編織袋3500 個2 PVC 管100350m 3 電纜30mm2 450m 4 砂子細200m3 5 水泥P.O32.5 20t 6 鋼筋22 2t 7 拱架自制6 榀8 砼C20 150m3 9 架管50600m
15、10 掛板3015 200m2 6.結束語本文所介紹的開建橋水電站引水隧洞塌方處理方案經過業主和監理的共同認可，并付諸實施。2006 年 2 月 30 日正式開始塌方處理，2006 年 3 月 20 日安全、順利的通過了塌方區，歷時20 天。該段的塌方處理為我們積累了一定的施工經驗，可作為類似工程塌方處理提供參考。同時，整個過程也告訴我們，對于軟弱圍巖尤其類似這種堆積體的隧洞開挖，首先必須進行詳細的地質調查，在此基礎上，確定開挖方案時必須堅持安全、穩妥的原則，既要考慮施工的直接成本，更要兼顧因措施不當造成的間接損失。地質不良地段且富水的隧洞開挖，除了堅持“弱爆破、少擾動、短進尺、強支護、快封閉
16、、勤量測”的原則外，還要充分考慮地下水的影響，有條件的注意提前做好引排水的施工。針對青藏高原氣候區曾達電站氣溫低、干燥爆冷等特點,以及小斷面引水隧洞在支洞口部位特有的瓶頸效應,以不利于通風、排煙、出渣和工程安全及勞動保護等不利因素為出發點 對開挖巖面由于粉塵和煙霧污染致使圍巖和支護結合不緊密等問題,通過采用混合式通風和中部增設通風中繼站、柴油機凈化裝置,加大排煙風機的風量,噴霧灑水,縮短出渣時間提高光面爆破效果減少渣塊的大塊率合理調度,及時進行拱頂噴漿封閉減少未噴面受污染的持續時間噴漿前采取高壓風、水沖洗等措施,實現了該引水隧洞中施工效益、質量、安全的目標.1 工程概況及施工特點曾達電站位于四
17、川省甘孜藏族自治州色達縣境內,以發電為主.無壓引水隧洞長3173.55m,自0+050 至 3+22355,城門洞型,比降 0.1%,直墻凈高 2.9 3.64m,凈寬 34m,用素混凝土襯砌 洞頂采用M10 砂漿噴護.分別在 0+936 處設 1 號支洞、2+244 處設 2 號支洞 為圓拱直墻式,底寬 3m,直墻高3.05m,拱半徑 2.194m.工程位于青藏高原氣候區,冬寒夏涼,四季不分明,晝夜溫差大.5 9 月是夏半年,受西南季風的影響 常伴有對流性降水的天氣過程,雷暴和冰雹頻繁.10 月至次年4 月是冬半年,受青藏高原冷氣壓和西風急流的控制,氣溫低,干燥爆冷.多年平均氣溫-0.1,歷
18、年極端最高氣溫23.7,歷年極端最低氣溫-36.3.曾達電站引水隧洞施工有以下特點：a.隧洞斷面小，不利于通風、排煙.曾達電站地處高原寒冷地區,海拔高(工程位置3300m 以上),空氣稀薄(含氧量較正常降低45以上).根據引水隧洞原設計方案,由支洞進入主洞的施工區長度達1156m(見圖 1),通風較為困難,兼之支洞斷面設計遠較主洞小(支洞斷面 12m2,主洞斷面19m2),每一支洞斷面必須承擔主洞兩個工作面的通風、排煙及出渣任務，使支洞成為咽喉部位,易形成“瓶頸效應”,即主洞兩個工作面2 19m2=38m2的通風、排煙呈“倒漏斗”狀從支洞部位排出必然導致洞內煙塵含量大,氧氣供給不足,通風時間延
19、長.按輕、熱空氣在空間上部,重、冷空氣在空間下部的空氣動力學原理,煙塵主要在隧洞上部(即拱頂部位)流通,在主洞與支洞部位形成“瓶頸效應”而在主洞內循環(見圖2),不能有效地流向支洞方向,使通風作業的效果較差,通風效率降低.b.隧洞斷面不利于開挖出渣.施工所需的各種管道(包括進風管、回風管、高壓給水管、高壓供風管、反坡施工排水管道、順坡施工排水溝槽以及架空動力及照明電力線路等)布置后,洞內凈空斷面滿足不了人員通行和車輛運輸通行的正常空間需要,施工出渣運輸車輛、人員、材料在支洞中通行和會讓錯車時必然在施工支洞部位嚴重堵塞.c.隧洞斷面小，不利于工程安全和勞動保護.如前所述,支洞斷面過小,通風困難,洞內煙塵含量大,氧氣供給不足,使施工作業條件惡化甚至不能保證基本的人員施工環境需要,易釀成安全事故(如人員窒息,神經麻痹,矽肺病等)和工程事故.可見，做好施工通風設計，對開挖巖面做好預防和糾正油煙污染措施,對保證工程安全和質量有著重要的意義.來源:考試大-巖土工程師考試
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