橙子沟水电站引水隧洞塌方地质分析及处理措施

颜英军

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

橙子沟水电站引水隧洞塌方地质分析及处理措施

颜英军

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

以橙子沟水电站引水隧洞下半洞开挖后在桩号引14+434～引14+481.7 m段发生的特大型塌方为例,从工程地质条件和应力变化以及地下水等方面对塌方的原因进行分析,在此基础上提出了塌方的处理措施,即大管棚配合小管棚(自进式注浆锚杆)、小间距钢支撑与喷锚支护相结合的施工方法,为类似工程施工、塌方处理提供参考。

橙子沟水电站;塌方;大管棚配合小管棚

1 塌方基本情况概述

在水工隧洞施工中,由于工作面狭窄、劳动条件差、工序多、干扰大等特点,特别容易发生安全事故[1-3]。在围岩地质条件较差、断面较大的情况下,通常采用的是台阶扩大方法,即将整个洞室分成上、下两个台阶,一般首先采用钻爆台车(或者其他设备)进行上台阶全断面的开挖支护,然后再进行下台阶的扩大开挖。这种开挖方法通常在上半洞开挖过程中是最困难的,塌方的情况时有发生。而在下半洞扩挖过程中,如果对上半洞存在的问题认识不够重视,且围岩应力再次进行应力重分布,往往也会发生很大的安全事故。

橙子沟水电站位于白龙江上,甘肃省陇南市境内,为径流引水式水电站。引水隧洞沿右岸布置,全长约17.2 km,属特长有压引水洞,纵向坡比为0.194 3%。引水隧洞为圆形断面,Ⅲ、Ⅳ类围岩采用钢筋混凝土全断面衬砌,开挖洞径为11.3 m、11.7 m、12.1 m,衬砌后洞径均为10.5 m,洞内流速3.01 m/s;Ⅱ类围岩采用底部素衬及顶部喷混凝土衬砌,开挖洞径为12.56 m,衬砌后洞径为12.26 m,洞内流速2.21 m/s。由于洞径大,开挖过程中采用台阶扩大方法,将整个洞室分为上、下两个半洞,首先采用钻爆台车进行上半洞240°的开挖、一期临时支护施工,待上半洞实现贯通后,再进行下半洞扩大开挖。2008年11月,隧洞工程开始施工,共分为6个施工支洞、12个掌子面同时开挖;至2011年9月,上半洞开挖实现全面贯通,随后进行下半洞开挖及混凝土衬砌施工;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侧桩号引14+460～引14+480 m段发生大规模塌方,长度约20 m。塌方发生后,将本已挖通的5#、6#施工支洞控制段之间又堵实。随后,观察一段时间,待塌方稳定后,见范围分别向上、下游进行延伸,桩号为引14+434～引14+481.7 m,长度共约47.7 m。

2 基本地质条件

引水隧洞横穿右岸山体,属傍山隧洞。洞室沿途围岩岩性主要为中厚层灰岩、石英云母片岩。其中,中厚层灰岩岩性致密、较坚硬;石英云母片岩岩质较软弱,片理发育,局部呈片理化千枚夹层。岩体中断裂较发育,裂隙以层面裂隙为主,其它组裂隙虽然发育但延伸短。断层主要为层间挤压带。

引水隧洞地下水按其埋藏类型可分为覆盖层孔隙潜水和基岩裂隙水两类。其中,覆盖层孔隙水主要埋藏于坡积松散堆积体中,受季节降水影响较大,含水层水量较丰富,以下降泉形式出露;基岩裂隙水主要接受大气降水补给,含水性不均一,在引水洞过沟段及断裂通过处,沿裂隙密集带、断层破碎带附近呈脉状分布或出现集中渗水现象。

3 塌方段地质分析

研究表明,影响隧洞围岩稳定性的主要因素有工程地质条件、地下水以及开挖前后应力的变化。

3.1 工程地质条件

根据施工揭露的地质情况来看,引水隧洞塌方段岩性为灰黑色石英云母片岩,一般单层厚度2～5 cm,局部夹灰黑色灰岩,其中片岩岩质软弱,灰岩较坚硬,软弱相间,岩层之间粘结力差,完整性差。岩层产状为NW275°NE∠70°,倾角较陡。洞轴线方向为SW238.14°,走向与洞向夹角较小,为36.84°。裂隙发育,以层理为主,主要发育的结构面有:①NW275°NE∠70°(岩层);②NE80°SE∠65°;③NE15°SE∠87°。岩层受剪性裂隙切割后,破坏了岩体原有的结构,使得围岩的稳定性变差。

在层状岩体中开挖洞室,变形破坏主要受岩层产状及不利裂隙组合等因素控制,其破坏形式主要有:沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。在倾斜状岩层中,通常表现为沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落,另一侧岩体滑移等现象,形成不对称的塌落拱。塌方段围岩岩性为石英云母片岩,属层状岩体,且为倾斜状岩层。围岩中片理和节理裂隙发育,受隧洞开挖的影响,岩体产生向隧道内的变形,在没有有效约束的情况下,层间节理首先破坏,同时受层间节理破坏的影响,变形的增长导致岩层最终剪切破坏。

3.2 围岩应力的变化

隧洞开挖前,岩体受到天然应力作用而处于相对平衡状态。隧洞在上半洞开挖后,洞壁岩体因失去了原有岩体的支撑,破坏了原来的平衡状态,向洞内空间胀松变形,其结果是改变了相邻质点间的相对平衡关系,引起应力、应变和能量的调整,以达到新的平衡,形成新的应力状态。由于开挖后在洞壁的应力集中最大,当其超过围岩屈服极限时,洞壁围岩就由弹性状态改变为塑性状态,并在围岩中形成塑性松动圈。塑性松动圈的出现,使圈内一定范围内的应力因释放而明显降低,最大应力集中由原来的洞壁移至弹、塑性圈交界处,使弹性区的应力明显升高。在上半洞开挖完成后,围岩进行一次应力重分布,而且采取了有效的支护措施,经过一段时间后,达到一定的平衡状态;而在下半洞开挖完成后,隧洞断面扩大,由之前的上半圆变为全圆,相应的围岩应力再次进行分布,塑性松动圈也随之变大。因此,在下半洞开挖后,围岩再次进行应力重分布,而在应力发展、导致围岩产生塑性变形的过程中,未采取有效防止变形的措施,也是塌方形成的重要原因。

3.3 地下水

塌方段位于羊寺坝沟中心上游侧,该沟底宽为40～100 m,基本呈“U”字型,在引水隧洞经过处上覆岩层厚度约为50 m,为季节性流水。塌方段裂隙发育,以片理为主,且偏离倾角较陡,一般情况下挤压较紧密,贯通性一般,为地下水储存和运移提供了较好的通道。隧洞开挖后,地下水失去屏障,立即渗入洞内,表现为大部分洞段在拱顶部位及左壁均存在渗水—串珠状滴水现象,且为季节性渗水,一般在汛期渗水量明显变大,而在枯水期则水量变小。由于地下水的作用,使得片岩发生软化,稳定性变差。因此,地下水是促使塌方生成的润滑剂和助推剂。

4 塌方处理措施

4.1 处理措施的选择

隧洞塌方发生后,首先对其附近存在安全隐患的洞段采取有效措施,防止塌方范围进一步扩大,为塌方处理提供安全的空间。在加固变形段的同时,业主组织设计、监理、施工等单位的专家进行现场调查研究,根据塌方的规模、性质、围岩情况以及地下水状况分析造成塌方的原因,及时制定塌方段的加固处理方案。

塌方处理的方法很多,最常用的有盾构法、管棚法、台阶法等[5]。合适的处理方案可以有效快捷地对塌方事故进行处理,而不恰当的方案,轻则增加经济损失,重则造成人员伤亡。在本次塌方处理时,施工单位初始提出进行分段除渣、立设钢支撑加固,逐步往前推进的方案。但在方案实施时,首先对塌方部位进行除渣,采用自卸汽车出了70多车渣后,发现渣体还在不停往下滑动,看不到塌方的顶部。根据除渣后在下游侧露出的空洞,爬到渣堆上部查勘,目测塌方深度大,可能在15～20 m。另外,根据勘测资料,该段属于过羊寺坝沟段上游侧,上覆岩层厚度为50多米,且在岩层上部还存在厚为10 m左右的松散覆盖层。因此,判定强除渣并不是可取的方案,其可能会造成更大规模的塌方,乃至冒顶。于是,重新讨论制定方案,决定采用大管棚配合小管棚(自进式注浆锚杆),将渣体进行一定范围的固结后,再进行除渣,立设小间距的钢拱架并挂网喷锚支护,较为安全地穿过了该段。

4.2 塌方处理措施的实施

4.2.1 塌方段下游侧钢支撑变形段加固

为了确保在塌方处理过程中有一个安全的作业空间,防止塌方范围进一步扩大,首先,监理组织业主、设计、施工单位人员对现场塌方段附近存在安全隐患的洞段进行排查,经排查后发现桩号引14+540～14+600 m 、引14+670～14+710 m、引14+760～14+794 m段之前所立设的钢支撑存在不同程度的扭曲变形,划定为加固处理段。处理措施为:采用喷射砼(C20)将之前钢支撑表面不平的部位进行喷平;对钢支撑与岩面之间脱空的部位布设连接钢筋(Φ25钢筋)和挂钢筋网(Φ6.5@15×15 cm),并将其喷射砼填充密实。

4.2.2 塌方段处理

塌方段的处理分为以下几个步骤(见图1)。

(1) 加固塌方段下游侧。对塌方段下游侧14+481.7～14+490.7 m段拱顶120°范围进行固结灌浆(见图2、图3)。固结灌浆孔径为90 mm,环向间距为250 cm,环间排距为250 cm,孔向平行于洞轴线,钻孔长度为9～10 m,仰角40°～45°,分Ⅰ、Ⅱ序造孔灌浆施工。

图1 塌方段纵剖面示意图

Fig.1 Sketch map of landslide section

图2 塌方段下游侧固结灌浆孔位布置示意图

Fig.2 Grouting hole layout diagram of landslide sectiondownstream consolidation

(2) 管棚施工(见图2、图3)。在拱顶120°范围布设,管棚钢管采用DN108 mm套管,长度为6～9 m,环向间距为50 cm,环间排距为350 cm,仰角为5°～10°。为了增大管棚刚度,在其内置入3根Φ25 mm钢筋束,分Ⅰ、Ⅱ序造孔、套管安装、注水泥浆。这样做的效果主要是在管棚头部对渣体进行固结,而不像一般的花管棚,其是在管棚附近形成一个固结渣体的承载拱[6-8],承载上部渣体的重量。因此,可以将管棚假定为一端为固定段、一端自由端的悬臂梁,承受上部渣体的荷载。

图3 塌方部位管棚布置示意图

Fig.3 Pipe roof layout diagram of the landslide site

(3) 待管棚头部固结后,对管棚下部的石渣逐步进行清运。然后利用管棚支撑围岩短暂的稳定期间,立设钢支撑,使得管棚搭在钢支撑上部,两者共同承受上部岩体的荷载。钢支撑间距为50～80 cm,其之间用工字钢或者连接筋进行连接,挂钢筋网,打设锁脚锚杆,喷射混凝土。锁脚锚杆单双间隔布置,共17根,采用自进式注浆锚杆,长度为3 m,双根锚杆采用U型筋、单根进行焊接,使其与钢支撑连接牢固。由于塌方范围主要是在拱顶偏左侧,左壁渣体厚度较厚,采用锁脚锚杆锁脚后,锚杆头部仍在松散的渣体中,锁脚的作用不明显。支护完成一段时间后,在现场发现钢支撑支腿向洞内变形。为保证施工安全,局部又采用锁脚锚筋桩进行加固。另外,在现场发现,由于上部的渣体未进行固结,管棚之间局部也有渣体滑落,形成空腔,采用喷射混凝土进行喷实,使管棚、钢支撑以及喷射混凝土形成联合支护体系来承受上部的荷载。钢支撑施工完毕后,进行下一循环作业,每次循环1～2 m左右,逐步往前推进。

图4 塌方部位自进注浆锚杆布置示意图

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

(4) 固结灌浆。钢支撑立设完毕后,对渣体进行固结灌浆。采用自进式注浆锚杆进行(见图4),其长度为3 m,环向间距为80 cm,排距为100 cm,拱顶仰角为60°～65°。

4.2.3 塌方段上游侧的加固

由于受塌方的影响,塌方段上游侧桩号引14+400～14+438 m段之前立设的钢支撑多处发生不同程度的扭曲变形、喷射砼开裂现象,为保证后续砼衬砌工程施工安全,也进行了加固处理。其中引14+400～14+412 m段,主要是在钢支撑之间进行连接筋加密、挂网喷护砼;14+418～14+422 m、14+425～14+438 m段,进行钢支撑加密,即在相邻两榀之间增设一榀,然后进行挂网、喷护砼处理。

4.3 施工后的效果评价

在参建各方的共同努力下,经过5个多月的塌方处理,较为顺利地通过了该段。在处理过程中,分别在桩号引14+435 m、引14+481 m部位设置了两个临时监测断面进行收敛监测,掌握塌方体变形的发展。从监控量测的数据来看,初期支护后的变形未出现异常情况。目前,该段已经完成了下半洞的扩挖,永久混凝土衬砌施工也已完成,从现场观测的情况来看,变形无大的异常。说明施工中所采用的处理措施是合理的、可靠的。

5 结论

(1) 通过对塌方段围岩工程地质条件、应力变化、地下水三个方面分析可以发现,工程地质条件是塌方产生的内在因素,开挖后应力的变化以及地下水的作用是塌方产生的外在因素,外在因素使得原岩稳定性变差,促成了塌方的产生。

(2) 塌方的处理措施有多种,采用适合工程实际的方式是工程技术人员需要长期探索的问题。本文针对橙子沟水电站引水隧洞的塌方实际,采用了超前大管棚配合小管棚(自进式注浆锚杆)、小间距钢支撑与喷锚支护的处理方案,较为安全地通过了该塌方段。说明施工中所采用的处理方案是合理的、可靠的。

[1] 胡建春.长河水电站引水隧洞塌方处理方案探讨[J].科技通报,2013,29(2):112-113.

[2] 杨红星,梁川,廖书杰,等.多松多水电站引水隧洞塌方原因分析及处理方案[J].人民长江,2011,42(5):30-32.

[3] 张明高.盖下坝水电站引水隧洞塌方施工处理技术[J].水利建设与管理,2012(1):16-19.

[4] 王兰生,李天斌,李永林,等.二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题[M].北京:地质出版社,2006.

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[6] 朱锋盼,胡建华,章立峰,等.小导管注浆法在隧道塌方治理中的应用[J].中外公路,2012(4):248-250.

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(责任编辑：陈姣霞)

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

颜英军(1983-),男,工程师,硕士,工程地质专业,从事地质勘察及岩土工程研究工作。E-mail:358252613@qq.com

TV732; TV223

A

1671-1211(2017)01-0085-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.01.015

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161208.1424.028.html 数字出版日期:2016-12-08 14:24