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水工隧洞施工中大规模塌方问题和处理方案

来源:原创论文网 添加时间:2020-12-24

  摘    要: 水工隧洞工程施工过程中,塌方是遇到的常见事故,造成塌方的原因多且复杂。本文针对水工隧洞施工过程中发生的大规模塌方问题,结合水工隧洞塌方具体情况和对塌方发生的原因,提出了有效的处理方案,很好地解决了塌方体安全治理问题,可为类似工程塌方治理提供借鉴。

  关键词: 水工隧洞; 大规模塌方; 工程实例; 处理方案;

  Abstract: Collapse is a common accident in the construction process of hydraulic tunnel engineering,and the causes are multiple and complex.Aiming at the large-scale collapse occurred in the process of hydraulic tunnel construction,combined with the specific situation of hydraulic tunnel collapse and its causes,this paper proposes an effective treatment scheme,which well solves the problem of safety control of the collapse body,providing a reference for the treatment of similar collapse in constructions.

  Keyword: hydraulic tunnel; large-scale collapse; engineering example; treatment scheme;

  1、 引言

  LXBEQ-BS供水工程位于辽宁省朝阳市境内,主体工程包括隧洞、取水井及进排气井。隧洞工程主洞长15.7km,其中桩号J12+119—J23+726为有压输水隧洞,纵坡i=0.091%,主洞采用钻爆法开挖施工,断面型式为圆形,成洞洞径为5.62m,尾部设67.5m高洞径为5.62m输水竖井(下部)和154m高洞径为1.4m的进排气井(上部);桩号J23+726—J25+798为无压输水隧洞,纵坡i=0.091%,隧洞断面为圆拱直墙,成洞断面尺寸为4.6×4.25m。2019年7月20日,现场抽水作业时发现桩号J16+295位置处塌方,现场实地查勘初步测算确定塌方范围为J16+295—J16+260,约35m,其中上游方向塌方堆渣体沿洞轴线延伸约5m长,滑塌堆积渣体粒径较大,个别约1m3,下游方向塌方堆渣体沿洞轴线延伸约8m长。常见的塌方形式有泥石流状塌方,拱顶塌方,侧墙塌方等等,按照常规塌方处理方法需先封闭掌子面,在采用超前小导管灌浆、支护后进行渣体开挖[1]。由于本次塌方范围大且塌方体情况复杂,为防止二次塌方不可冒进,对渣体表面封闭后要对端头临近部位加固,需对塌方体的分布范围及揭露的塌腔深度等详细情况掌握后才能制定有效处理方案,本次塌方处理采用探孔勘探方式掌握塌方体详细情况,针对性地制定具体处理方案解决塌方问题。
 

水工隧洞施工中大规模塌方问题和处理方案
 

  2、 塌方处理

  2.1、 塌方地质情况

  查看开挖阶段地质资料确定塌方洞段围岩类别为Ⅴ类,该段洞室主要岩性为白垩系下统义县组火山角砾熔岩,灰褐色,熔岩角砾结构,洞室上部岩性为白垩系下统义县组熔凝灰岩,灰白色,凝灰质结构,块状构造,抗风化能力差,且风化之后渣体呈碎块或散体状,该段洞室节理裂隙较发育,多呈微张状,岩屑充填,节理之间相互切割形成不利组合,节理面起伏粗糙,洞室岩体较破碎整体完整性差,部分沿结构面存在滴渗水。

  2.2 、塌方原因分析

  J16+295—J16+260段于2017年3月份开挖、初期支护完成。该段开挖施工过程中鉴于围岩条件较差,按照设计要求进行了加强支护,且为避免洞室失稳引起塌方,需在初期支护完成后两年内尽快完成二次衬砌,后期由于剩余开挖洞段受不良地质条件影响导致整体开挖进度滞后,进而导致衬砌工期滞后,塌方段未进行二次衬砌支护。由于该段开挖、支护完成时间距塌方时间间隔较久,约28个月,且围岩情况本身较差,加之岩体存在渗水现象,熔凝灰岩在遇水-失水交替过程中崩解,导致洞室岩体整体完整性越来越差,而且该段钢拱架在长时间内不断蠕变累积中受力变形,最终导致洞室失稳出现塌方[3]。

  2.3 、塌方处理方案

  2.3.1 、表面封闭

  避免引发进一步滑塌,目前堆积的滑塌体暂不大规模清理,只清理其表面大块径并整修,喷射10—20cm素喷混凝土封闭表面,同时为下一步施工搭建作业平台。

  2.3.2 、端头临近部位加固与保护

  在做好各项安全防护和管理措施的条件下,结合开挖阶段支护设计型式,首先对J16+295断面向下游方向后退1—2榀不侵占隧洞衬砌混凝土断面的型钢拱架部位布设Φ22mm,长度L=2.5m径向锚杆进行加固,径向锚杆的间距为1.5m,环向240°范围布设,全长粘接,外露端头与型钢拱架焊接连接牢固,确保起始端头部位型钢拱架稳定。考虑到隧洞周边岩石比较松散的实际情况,径向锚杆选用自钻式锚杆。

  在端头部位型钢拱架加固完成后,对塌方段下游侧临近的Ⅲ类围岩未支护洞段(J16+300—J16+318)加固,加设工16型钢拱架并喷护混凝土,支护参数按有压隧洞IV类围岩支护参数,以保证后续施工安全,同时安排测量人员对该断面进行量测,确保该段加固施工后不侵占隧洞衬砌设计断面。

  根据该段揭露岩石多为块状松散体并伴有泥质填充,对J16+295—J16+300段采取径向固结灌浆以加固本段隧洞周边岩体,如遇虚渣采用砂浆灌注。根据现场锚喷支护的实际情况并结合隧洞固结灌浆布孔原则,环向间距3m,每环布设6/7个孔(不包含底板部位)。初拟灌浆钻孔深度为3m(隧洞松动圈范围),钻孔采用气腿式手风钻;灌浆压力初拟1MPa(根据现场实际情况调整)。钻孔和灌浆过程中如成孔困难可采取反复扫孔灌注的工艺措施解决。

  顺利通过该变形及塌方洞段后,对上游端头部位未变形的型钢拱架采取相同的加固措施。

  2.3.3、 探孔勘探

  待加强洞室段加固完成后,采用XY-150型水平钻机钻孔勘探,掌握塌方体的分布范围及揭露的塌腔深度等详细情况,具体见图1所示。

  根据现场情况,结合超前勘探综合分析,可以断定塌方体纵长度约40m,塌方最大高度约12m,渣体堆积最大高度约12m。

  2.3.4 、塌方段处理

  根据勘探结果,采取小钢管棚护,分台阶预留核心土渐进式开挖处理方案。本施工方案关键在于每一循环的棚护、清渣与支护环节相互紧密配合,清渣采取分台阶预留核心土渐进式开挖方法,系统支护结合清渣分为上下两部分,具体施工顺序如下:

  图1 J6#上游塌方段探孔及塌方预测示意图
图1 J6#上游塌方段探孔及塌方预测示意图

  J16+295—J16+318段型钢拱架径向加固(包含径向固结灌浆)→J16+296第一排小钢管棚护→超前预注浆→径向灌浆加固→台阶法清渣→渣体表面封闭→断面修整及变形钢拱架拆除→重新安装钢拱架→挂网及连接筋→喷射混凝土→下一循环超前支护[2]。

  2.3.5 、小钢管棚护

  对逆水流方向向上游从J16+295断面后退1-2榀型钢拱架已加固开始设置第一排超前支护作为后续施工安全保护,布设4.5m长度Φ42mm小钢管,其环向间距为30cm,排距0.5m,分布范围为顶拱部位180°。通过小钢管对洞室上部虚渣体固结灌浆,在洞室上部形成拱壳状结构,减缓塌腔部位岩体脱落产生的冲击荷载及保护下部作业人员安全。

  2.3.6、 超前预注浆

  由于塌方段前方多为虚渣堆积体或空腔,为保证施工安全,利用上一工序布设的小钢管对塌方段进行超前预注浆,并结合现场实际情况安排灌浆工艺。灌浆施工流程:孔位标识→钻机就位→钻孔→布设小钢管→灌浆设备准备→灌浆→封孔。

  (1)利用前期布设的小钢管进行灌浆加固,孔深约4m,Ф42mm小钢管入岩端50cm做成尖锥状,尾端50cm长度搭接,其余部分采用梅花形间距为30cm布设Ф8mm灌浆孔。

  (2)超前预注浆采用纯压灌浆法,灌浆压力不超过0.5MPa,浆液水灰比为0.5:1(重量比)。

  (3)在小钢管孔口安装球形阀门,当灌浆结束后,关闭阀门,起到止浆塞作用。

  (4)由于塌方段灌浆压力变化不明显,根据会商要求,当每个灌浆孔灌注量达到3.0t时,灌浆即可结束。

  (5)灌浆应连续,如因故堵塞中断,采取灌注旁侧邻近孔位。

  (6)质量检查

  由于该灌浆部位为塌方段,灌浆前方多为虚渣堆积体,且上部存在较大空腔,根据现场实际施工情况,灌浆结束后无法进行压水试验检查,故对灌浆部位不进行质量检查,结合下一循环开挖掘进情况判断超前注浆效果。

  2.3.7 、清渣

  待每循环小钢管棚护及灌浆完成后,在小钢管棚护的保护下由桩号J16+295开始清渣,清渣采取分台阶预留核心土渐进式开挖处理方法,根据现场实际情况选择合适的开挖方式,保证短进尺、少扰动。每次清渣不得超出上部洞顶小钢管棚护的覆盖范围,每循环向前推进50—100cm,利用装载机及自卸车出渣,每循环开挖完成后及时封闭掌子面及作业平台。

  考虑可能的变形及大块夹石等因素,隧洞上部预留40cm开挖变形量,施工期间根据实际情况调整,由我部提供开挖及支护断面并经监理、设计审核。

  2.3.8 、径向灌浆加固

  前期通过小钢管对虚渣体固结灌浆,但由于小钢管与隧洞走向夹角角度较小,灌浆影响范围有限,考虑上部岩体及虚渣体可能因加固不牢造成再次失稳,影响施工安全及进度,对洞室底板以外增加径向灌浆。

  根据现场锚喷支护的实际情况并结合隧洞固结灌浆布孔原则,环间距3m,洞每环布设6/7孔。初拟灌浆钻孔深度为3m(隧洞松动圈范围),钻孔采用气腿式手风钻;灌浆压力初拟1MPa(根据现场实际情况调整)。钻孔和灌浆过程中如成孔困难可采取反复扫孔灌注的工艺措施解决。

  2.3.9、支护

  型钢架按照50cm纵向间距逐榀进行安装和径向系统支护,拱架外侧180°范围铺设双层Φ8mm钢筋网,布设Φ22mm钢筋将已完成更换的拱架纵向连接形成整体,径向锚杆顶拱180°范围内梅花形布置,长度3.5m,间距1.5m,排距50cm,完成后及时逐榀喷射混凝土和布设下一排小钢管,向上游方向依次逐榀进占施工。型钢拱架支立结合台阶法清渣分成上下两部分,塌方区域断面由全圆型改为圆拱直墙型,底部坐落底板上,沿拱脚线附近设置纵向连接工字钢,后续施工及时延长安装;底脚设置横向水平支撑,纵向采用Φ25mm钢筋连接,每榀钢拱架完成后拱腰部位布设4根锁脚锚杆并及时喷护,完成后方可进行下一循环施工。

  在保证安全、进度的前提下,每支护3m纵向长度对上部塌腔灌注细石混凝土,灌注厚度1-2m,在洞室上部形成壳体结构。

  2.3.1 0 、渣体上部空腔回填

  塌方段全部处理完成后,对渣体上部空腔二次回填处理。

  (1)处理时段在塌方段洞衬砌混凝土满足设计龄期28天后进行。

  (2)施工前,对处理范围内地表进行实地测量,以确定处理范围钻孔孔位。

  (3)钻孔直径不小于Ф200mm,为了防止钻孔过程中出现的塌孔现象,采取跟管钻孔工艺。预计钻孔深度在60—70m范围,根据现场实地量测孔深为准。

  (4)沿隧洞轴线两侧布置2排钻孔,横向排距3m,排间纵向间距3m,梅花型布设,总孔数25个孔。

  (5)利用钻孔作为施工投料孔和排气孔,施工时根据实测塌腔深度,采用由浅及深,由两端向中部合拢的分排、分序回填方式进行分次回填,塌腔范围一次灌注最大高度不超过2.5m,待初凝后继续灌注,灌注材料采用C20混凝土,充填隧洞顶部的塌腔,直至孔口填满,当塌腔最深部位孔填满至地表溢出后灌注结束。

  3、 结语

  综上所述,此次塌方主要处理过程为首先采取早封闭措施,对塌方体表面进行喷混凝土封闭,避免引发进一步滑塌,然后对端头临近部位进行加固与保护,通过探孔勘探手段对塌方体综合分析制定了详尽的处理方案,待塌方段全部处理完成后,对渣体上部空腔二次回填去除安全隐患。此次塌方处理结果是成功的,安全、迅速地通过塌方体,保证了工程的后续正常施工,同时证明所采取的塌方处理措施是可行的,可为类似工程塌方治理提供参考。

  参考文献

  [1]丘永春.不良地质条件下水工隧洞施工塌方处理[J].科技创新与应用,2015(13).
  [2]孟令滨.引水隧洞施工中遇不良地质段的处理措施分析[J].工程建设与设计,2020(6).
  [3]朱国平.隧洞塌方原因分析及处理措施[J].广东水利水电,2009(11).

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