西安市黑河金盆水利樞紐溢洪洞陡坡段冒頂塌方處理方案綜述

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　1　工程概況
　　金盆水利樞紐溢洪洞是黑河水庫的主要泄水建筑物, 位于大壩石岸。全長522. 544m , 由進(jìn)口引渠段、溢流閘室段、洞內(nèi)陡坡段、反弧段、平洞段及出口明涵段、擴(kuò)散段和挑流鼻坎段組成。各洞身斷面均為圓拱直墻形, 開挖斷面由進(jìn)口段B×H =14. 7×17. 8m變?yōu)槎钙露文┒薆×H= 13. 20×14. 80m。
　　工程所在區(qū)域基巖為前震旦系寬坪群大鎮(zhèn)溝組(A nzKd)變質(zhì)巖, 巖性以云母石英片巖(Se)、綠泥石片巖(Sc) 及鈣質(zhì)石英巖(Q u) 為主, 間有沿后期斷裂而侵入的石英巖脈(q)、云煌斑巖脈(x) 及斜長斑巖脈(N ) 分布。
　　洞室以強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖為主, 間有部分綠泥片巖和少量鈣質(zhì)石英巖。大部分是巖體破碎、易風(fēng)化的軟弱基巖, 風(fēng)化嚴(yán)重, 裂隙發(fā)育。斷層數(shù)量多, 并且相互交錯, 地質(zhì)勘探不能詳細(xì)提示地層狀況, 其中影響較大的F5 斷層寬度1. 5m , 影響帶16m。在隧洞開挖掘至0+ 090 時發(fā)現(xiàn)一條新的斷層, 寬度1m。F5 斷層與該斷層互相切割, 其充填物均為斷層泥、角礫巖、石、屑, 微膠結(jié)散粒結(jié)構(gòu), 遇水極易軟化塌陷, 嚴(yán)重時呈流淌狀, 屬極不穩(wěn)定的V 類圍巖。
　　全洞地質(zhì)條件差, 不穩(wěn)定性的(ì 類) 和極不穩(wěn)定的(í 類)占50% 以上。洞身開挖斷面大, 成洞條件差。陡坡段坡比為1: 2 (≈ 26. 7°) , 不能使用大型開挖及混凝土施工設(shè)備, 施工效率低, 進(jìn)度慢。陡坡段沿線側(cè)墻高度、底寬和頂拱圓半徑逐漸變化為異型漸變段, 施工難度大。
　　2　陡坡段塌方情況
2. 1　塌方經(jīng)過
溢洪洞陡坡段上中導(dǎo)洞貫通時間為2000 年9 月6 日。由于地質(zhì)勘探未查明無名斷層的存在, 施工當(dāng)中事先沒有采取得力措施, 導(dǎo)致了首次塌方。由于類似小規(guī)模的塌方在以往洞室開挖中時常發(fā)生, 并未引起足夠重視。自2000 年9 月至2000年11 月, 一直采用常規(guī)施工方法, 邊塌方邊出渣, 自地表鉆孔下錨束, 洞內(nèi)再用混凝土澆筑后張拉懸吊混凝土治理塌方的方案。2001 年3 月14 日, 錨束鉆孔已完成, 洞內(nèi)繼續(xù)出渣時發(fā)生了大規(guī)模冒頂塌方。山體表面出現(xiàn)一直徑約10m、深約15m 的塌落坑體。經(jīng)現(xiàn)場考察和綜合分析, 該段主要是由于受F5 斷層影響, 再加上邊塌方邊出渣, 致使塌方形成的空腔已與地表相溝通導(dǎo)致冒頂。洞頂距地面高差約85m。塌方造成0+ 084～ 0+ 095m處全部封死, 形成邊同拱架、架管在內(nèi)以粘土片石為主組成的塌方體約3000m3。同時, 受F5 斷層和下游塌落體影響,在0+ 069～ 0+ 084 段頂部F5 斷層與無名斷層形成三角體, 該三角體圍巖處于極不穩(wěn)定狀態(tài), 急需進(jìn)行加固處理。
 
　　2. 2　先期處理措施
　　2. 2. 1邊塌方邊出渣強(qiáng)行掘進(jìn)
　　鑒于首欠塌方規(guī)模不大, 且方量小, 為爭取工程進(jìn)度, 從2000 年9 月12 日開始, 采取邊塌方邊出渣, 邊噴錨支護(hù)方法,歷時兩個月時間, 先后立拱架13 榀。試圖一舉通過塌方體,因施工擾動, 不僅沒能有效遏制塌方, 而且加劇了冒頂?shù)漠a(chǎn)生。
　　2. 2. 2預(yù)應(yīng)力錨束加固
　　在洞室進(jìn)行塌方處理的同時, 對塌腔頂部采取預(yù)應(yīng)力錨束進(jìn)行加固。在地面相應(yīng)位置造Ф110 錨束孔17 個, 然后每孔分別采用7 束7×Ф5 (100t 級) 松弛鋼鉸線穿至堆渣頂部, 并以塌方體為支撐, 用C20 一級配微膨脹混凝土回填。由于此時未塌方巖體已不穩(wěn)定, 再加上造孔擾動, 正當(dāng)造孔完成穿錨束時出現(xiàn)冒頂塌方。
　　2. 2. 3膨脹混凝土回填地表塌坑
為防止地表水滲入, 用膨脹混凝土回填地表塌坑, 采用人工削坡方式, 將地表層塌方四周的倒坡或直立坡削至1: 0. 1～0. 2 的正坡, 再用混凝土填充(見圖1) , 共計回填混凝土1050m 3。
 
　　因F5 斷層與一橫切洞室的高傾角無名斷層切割隧洞頂形成極不穩(wěn)定的三角體, 首先在上半洞洞底兩側(cè)墻部位砌M 1094×100cm 漿砌石擋墻, 插入鋼筋, 澆筑C20 混凝土。鋼拱架采用18# 工字鋼加工制作, 側(cè)墻模板采用常規(guī)辦法支撐加固, 頂拱曲面混凝土模板采用14# 槽鋼對口焊接彎制, 模板支撐和頂拱支撐見圖2。待側(cè)墻拆模后, 在兩側(cè)墻各布置18 根Ф2520t級, 孔深10. 5m 預(yù)應(yīng)力錨桿。防止頂拱下滑。
　　2. 2. 5固結(jié)灌漿加固
　　對塌方渣體自地表和洞內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿。首先, 在洞內(nèi)渣體表面噴射C25細(xì)石砼, 封閉掌子面, 噴射厚度20～ 30cm , 然后, 用0. 1～ 0. 6Mpa 的壓力進(jìn)行固灌。由于造孔困難, 固灌孔深逐漸增加, 壓力隨孔深逐漸增大, 直至穿越塌方段。地表灌漿仍利用原錨束孔, 采用0. 6～ 018Mpa 的壓力, 自下而上分段灌注。灌漿時嚴(yán)格按照相應(yīng)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行施工, 共灌注水泥1050t。通過灌漿使塌方渣體的整體強(qiáng)度有了明顯提高。
　　2. 2.6超前管棚支護(hù)
　　用100B 潛孔鉆沿頂拱上沿造孔26 個, 孔深12～ 14m , 間距0. 5m , 孔與洞軸線夾角5°～ 10°, 孔徑Ф110, 插入Ф69 鋼管,管長13m , 基本穿插越塌方區(qū), 孔內(nèi)注入M 25 水泥砂漿形成管棚。
　　3　綜合處理方案
　　3. 1　施工方法
　　經(jīng)過對塌方段現(xiàn)場多次考察, 深入分析, 反復(fù)論證后決定采用先固結(jié)塌方體, 后開挖的總體方案。在施工過程中始終貫徹短掘進(jìn)、強(qiáng)支護(hù)、勤觀測的總體原則, 進(jìn)尺控制在0. 5m 以內(nèi), 盡量避免爆破作業(yè), 及時進(jìn)行噴錨支護(hù), 具體施工工藝流程如下:
　　灌漿固結(jié)塌方體→超前管棚支護(hù)→“D”形掏槽法開挖→C25 混凝土封閉→自鉆式錨桿錨固→鋼拱架支護(hù)→網(wǎng)片制安→混凝土噴護(hù)→回填灌漿
　　3. 1. 1開挖施工
采用EX200 反鏟挖掘、風(fēng)鎬配合施工方法。首先用反鏟挖兩個拱角, 兩側(cè)寬度小于3m , 以反鏟能正常作業(yè)為準(zhǔn)。其次滯后挖中間部分, 使中間預(yù)留1. 2～ 2m 的施工平臺。 這樣做的好處有二: 一是預(yù)留部分對掌子面起一定支撐作用, 防止掌子面坍塌, 二是可代替腳手架, 便于安裝拱架。開挖順序見圖3。
 
　　3. 1. 2 C25 混凝土封閉
　　當(dāng)一個循環(huán)的挖掘工作完成后, 立即用C25 噴射混凝土進(jìn)行封閉, 厚度為5～ 8cm。
　　3. 1. 3自鉆式錨桿錨固
　　由于該段成孔條件差, 所以均采用自鉆式錨桿, 超前錨桿與系統(tǒng)錨桿錯排呈梅花型布置, 錨桿桿長6m , 孔深5.6m , 外露0. 4m , 間排距為0. 8×5. 6m , 超前錨桿與洞軸線夾角為60o。錨桿灌漿漿液用0. 6: 1 水泥漿, 灌漿壓力不小于0.4Mpa。
　　3. 1. 4拱架支護(hù)
　　鋼拱架為[18 槽鋼對口焊接加工成弧形, 間距為50cm?？紤]到拱角承重, 且開挖時難以達(dá)到新鮮完整基巖, 采用鎖角錨桿對拱角進(jìn)行固定, 每個拱角為4 根ф25×3. 5m 錨桿, 拱架與拱架之間用ф25 螺紋鋼焊接, 間距為30cm , 鋼筋焊在拱架上部, 形成一排縱向連系筋。在進(jìn)行到0+ 089 后, 根據(jù)地質(zhì)情況,用2ф25+ 1ф36 兩筋一管錨束代替普通錨桿鎖固拱角。
　　3. 1. 5鋼筋網(wǎng)片制安
　　鋼筋網(wǎng)采和預(yù)制好的ф6@20×20 網(wǎng)片直按置入拱架之間, 網(wǎng)片規(guī)格為0. 6×1. 0m , 網(wǎng)片與錨桿焊接牢固, 因拱架間有ф25 縱連系筋, 故采用單層網(wǎng)片。
　　3. 1. 6 C25 混凝土噴護(hù)
　　由于噴護(hù)混凝土代替了現(xiàn)澆混凝土, 噴護(hù)厚度為30cm～40cm , 達(dá)到與拱架持平, 以形成較密的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 噴護(hù)時第一次為8～ 10cm , 以后再隨進(jìn)度循環(huán)噴護(hù), 分3～ 5 次進(jìn)行, 直至與拱架齊平。
　　3. 1. 7塌方渣體清除
　　由于堆積物主要為石渣加片石, 細(xì)顆粒含量較大, 開始的回填灌漿效果不明顯, 漿液將槽鋼、拱架和架管填充密實(shí), 與部分片石形成固結(jié)圈, 未達(dá)到理想的固結(jié)范圍, 由于采用自鉆式錨桿直接注漿, 促使渣體含水率增大(8. 4×17. 3%) , 石渣基本呈松散狀。出渣時, 先用氣割切除拱架與架管, 并保留中間堆積物。兩側(cè)以人工為主, 反鏟配合出渣。
　　3. 1. 8回填灌漿
　　在已形成支護(hù)段打自鉆式錨桿, 深4m , 間排距1×1m , 采用單孔單灌法進(jìn)行回填灌漿。這樣使塌方體小空腔進(jìn)一步充填密實(shí)。并與已支護(hù)的鋼梁混凝土形成4～ 5m 厚的固結(jié)圈。保證了隧洞上半洞的穩(wěn)定。
　　3. 2　技術(shù)要求
　　3. 2. 1測量放線
　　采用TCR305 型全站儀進(jìn)行測量放樣, 用紅漆標(biāo)注開挖輪廓線和錨桿位置點(diǎn)。
　　3. 2. 2爆破控制
　　在處理塌方時, 最怕爆破振動, 破壞塌方體內(nèi)部結(jié)構(gòu), 使之失衡。但在開挖時難免遇到局部原狀基巖, 需進(jìn)行爆破時, 必須視具體情況和具體部位考慮藥量及爆破方式, 一般在頂拱靠近塌方體的特殊部位, 均采用單孔火雷管起爆, 藥量控制在0. 3kg 左右。若拱角非特殊部位一般采用非電毫秒延時起爆網(wǎng)絡(luò), 單孔藥量不超過150kg, 總藥量不超過3kg, 且必須單孔單響。
　　3. 2. 3噴射混凝土配合比
　　噴射混凝土抗壓強(qiáng)度測試:C25 混凝土實(shí)測為30Mpa、27Mpa、26Mpa
錨桿拉撥測試:設(shè)計每根不小于8t, 實(shí)測為8. 5t、8. 7 t、9. 2t、8. 1t
 
　　4　結(jié)語
　　1) 大型隧洞的前期地質(zhì)工作一定要認(rèn)真細(xì)致, 為設(shè)計施工提供詳實(shí)資料, 以減少工程投資。黑河溢洪洞采用自鉆式錨桿與普通錨桿相比較, 既增加投資130 萬元, 又影響了整個主體工程進(jìn)度。
　　2) 洞室塌方不可盲目出渣、強(qiáng)行掘進(jìn)。首先應(yīng)對塌方體進(jìn)行表面封閉, 使其保持相對穩(wěn)定, 盡可能減少擾動次數(shù), 避免造成冒頂塌方。
　　3) 固結(jié)灌漿是基礎(chǔ)。固結(jié)灌漿使塌方渣體形成了一個整體,提高了巖石的強(qiáng)度級別, 是塌方處理的關(guān)鍵。
　　4) 超前管棚是前提。沿洞頂軸線設(shè)置超前管棚, 對阻止塌方體下滑起到重要作用。
　　5) 自鉆式錨桿是關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測, 冒頂塌方介質(zhì)為粘土、沙礫、碎石、片石, 倒塌的架管、拱架, 特別是漿液分布在片石與架管、拱架之間, 而碎石與粘土沒有固結(jié), 采用自鉆式錨桿直接注漿, 經(jīng)實(shí)測雖然渣體含水率達(dá)到8. 4×17. 3% , 但掌子面仍能直立, 有效地防止塌方, 這是黑河溢洪洞塌方處理最成功的探索, 為以后處理冒頂塌方積累了成功的經(jīng)驗(yàn)。
　　6) 回填灌漿是補(bǔ)強(qiáng)。根據(jù)5 個月的現(xiàn)場觀測, 回填灌漿的12 榀拱架與混凝土邊成一體, 強(qiáng)度明顯提高, 沒有出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。對后期下底開挖與澆筑混凝土奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。