拉西瓦水电站左岸高线上坝交通洞塌方处理.docx

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拉西瓦水电站左岸高线上坝交通洞塌方处理

拉西瓦水电站左岸高线上坝交通洞塌方处理

姜东民1，刘志新1，杜　永2

（1．中国水电西北勘测设计研究院，西安　710065；　

2．中国水利水电第四工程局，青海　贵德　811700）

　　关键词：

拉西瓦；交通隧洞；塌方处理

　　摘　要：

拉西瓦水电站左岸高线公路交通隧洞开挖施工，在掘进至K1＋308m时因地质原因出现顶部大塌方，塌方方量约1000m3，文章从塌方处理设计计算和施工2方面作以简要介绍，提供了塌方设计计算和施工的新思路。

Upperaccesstunnel　collapsetreatment　forLaxiwahydropowerstation

JIANGDong－min1，LIUZhi－xin1，DUYong2

（1．ChinaHydroNorthwestInvestigationDesign＆ResearchInstitute，

Xi＇an　710065；

2．ChinaHydroConstructionBureauNo4，Guide　811700，China）

　　KeyWords：

Laxiwa；accesstunnel；collapsetreatment

　　Abstract：

DuringexcavationoftheleftupperaccesstunneloftheLaxiwahydropowerstation，duetogeo－logicreasonalargecollapseofabout1000m3occurredatstationNo．K1＋308m．Abriefdescriptionisgivenin2respectsofdesigncalculationandconstructionofcollapsetreatmentandnewconceptfordesigncalculationandconstructionofcollapsetreatmentispresented．　　

1　概述

　　拉西瓦水电站左岸高线公路主要承担施工期主体工程混凝土骨料运输、开挖出渣、缆机设备运输及电站运行期上坝交通任务，全长2611m（K0＋810～K3＋421m）。

因受拉西瓦地区地形及地质限制，K0＋810m至坝肩布置为交通隧洞形式。

考虑到伊黑龙F1断层的影响，K0＋810～K1＋104．9m段采用上下行单车道分离的双洞线型式，K1＋104．7m桩号以后路段为单洞双车道型式。

双车道交通洞开挖尺寸为12m×10．15m（宽×高），隧洞通过地区围岩类型多为Ⅱ～Ⅳ类围岩，局部为Ⅴ类围岩。

2　塌方经过

　　双车道交通洞开挖施工至K1＋308．0m桩号处遇到经强烈地质作用的地层，地层岩性为泥质板岩、长英砂岩及帘石化灰岩互层，单层厚度一般为30～60cm，岩层产状：

NE20°～60°、SE34°，岩体受F1区域断层的影响，及次级结构面与层间挤压带的相互切割，呈碎裂结构，围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类，地层内物质均为无胶结的、块体均匀的碎块岩。

岩块直径约8～10cm，呈散粒状堆积，成洞条件差。

当交通洞开挖至K1＋308m时，隧洞掌子面出现塌方，继而塌方向掌子面顶拱及前方和已开挖面方向扩大，塌方趋势呈漏斗状，塌方方量约1000m3，在K1＋308区阶段；②分析计算、制定处理施工方案阶段；③处理施工后期观测资料分析阶段。

　　在第一阶段中，根据洞顶坍塌高度反算洞顶竖向荷载，对坍塌洞段及有坍塌趋势洞段选定支护及加固型式，根据计算拟采用对边墙、顶拱钢支撑加固、对顶拱加撑钢立柱加强、对初期喷混凝土加厚等措施稳定隧洞岩体，控制坍塌趋势的发展。

　　在隧洞坍塌发生后，由散粒物质构成的围岩区段形成塌方区。

靠近坍塌区的隧洞周围岩体虽未坍塌，但因隧洞围岩为Ⅳ～Ⅴ类岩石，自身稳定性较差，加之受坍塌区影响围岩卸荷严重，原有裂隙普遍张开，围岩有进一步坍塌的趋势。

为避免这种趋势的发展，限制围岩的进一步变位，进而利用围岩残存的自身承载力，设计考虑在坍塌附近区段设置由临时钢拱架、边墙钢支架及喷混凝土组成的施工期承载结构抵抗围岩压力。

承载结构承受的竖向荷载为坍塌趋势的全部岩体重量，即作用在拱架上的单宽竖向力W＝γ×h＝250kN／m；（其中h为坍塌趋势高度，参照已坍塌洞顶的高度取h＝10m；γ为岩体容重，取γ＝25kN／m3）。

　　另此，在顶拱的中部设一排钢立柱，支撑洞顶岩体重量，后期待混凝土衬砌施工完毕后再切除钢立柱。

钢立柱承受的岩体重量为洞顶上部楔形漏斗状岩体重量。

考虑洞顶岩体内摩擦角大于45°，取楔形岩体两侧夹角为45°，则钢立柱顶单宽岩体重量为W1＝γ×h×h×π×1／4＝1963．5kN／m。

　　在第二阶段中，首先按管棚施工法安排坍塌区及碎块岩区段的施工工序，根据施工工序及各阶段围岩条件，核算各施工阶段围岩、支护的应力水平及稳定安全系数，以校核处理方案的可行性。

　　在塌方区段，围岩为散粒状岩块，未经处理的坍塌物呈自然状态堆积在隧洞内。

堆积物对侧墙及掌子面形成堆积压力后，隧洞暂时处于稳定状态。

堆积物上方形成自然塌落拱，拱高10m，基本与洞宽相同。

此时，若不对围岩进行加固处理而直接靠施工期临时支撑防护向前掘进，则洞顶上方不稳定岩体的重量将会全部作用在临时支撑上，使单薄的支撑结构失稳。

随着开挖的进展，侧墙在失去堆积压力后，墙端支撑塌落拱座的岩块会随之坍塌，导致塌落拱进一步发展，支撑上的荷载逐渐加大，支撑防护体系也会因250kN／m的巨大荷载压力而垮塌，失去防护作用。

因此，切实可行的方法是首先将洞顶及拱肩部位松散的围岩用水泥浆灌浆成为具有一定胶结强度的整体，使洞顶形成由花管、水泥结石、初期支护等组成的具有较高承载能力的组合拱防护体系，而后逐步设置由钢支腿和喷厚混凝土组成的对拱座具有支撑能力的侧墙防护结构。

按照安排的施工顺序，先期仅开挖隧洞上半部分碎块岩体，拱肩以下仍保留堆积物，洞顶不稳定岩体产生的竖向荷载由组合拱承担并传至拱肩部位。

当坍塌区组合拱全部形成后，即可在两侧边墙分别逐段进行边墙施工。

在边墙堆渣清理干净而侧墙钢支腿喷混凝土衬砌尚未形成时，侧墙岩块将向洞内变形，侧墙顶部拱座随之下沉，边墙对组合拱的支撑能力下降，拱上荷载将沿纵向向两侧传递，拱圈和侧墙应力将重新调整，此时是组合拱受力最不利状态。

针对这种工况，设计应用结构力学方法（平面双铰拱）和三维有限元方法对这种工作状态进行了结构应力分析，计算中取拱上竖向荷载q＝240kN／m2，组合拱平均厚度e＝2m，侧墙钢支腿、厚喷混凝土施工按3m一个循环，侧墙综合厚度D1＝0．2m。

混凝土弹性模量E＝1．55×104MPa，泊桑比μ＝0．16；围岩弹性模量E＝1．4×103MPa，泊桑比μ＝0．25；计算结果见表1。

　　由表1可见2种方法得到的拱内应力水平接近。

根据上述计算结果，设计对塌方区处理结构做了如下要求：

①为保证组合拱厚度达到2m，施工中应采用有一定仰角的钻孔进行灌浆。

钻孔的平均深度4m、仰角30°（灌浆后形成的组合拱厚度e＝4m×sin30°＝2m），按单孔灌浆有效半径r＝0．8m考虑，灌浆孔间距应小于0．5m，以使组合拱灌浆结石连成整体；②为使灌浆后形成的组合拱水泥结石强度达到2m拱厚所对应的压应力σ＝0．97MPa，按照其它工程的实验资料［1］水泥灌浆的最终工作压力应大于0．2MPa、水灰比小于0．5∶1；③根据计算，当组合拱厚度e＝2m时，拱下缘未出现拉应力。

但作为安全储备，设计仍要求在清渣工作完成后，在组合拱下部增设Ⅰ18间距为50cm的支护钢拱架，并挂网喷混凝土使钢拱架作为组合拱的一部分，以防止因施工中灌浆形成的组合拱厚度达不到2m而产生的高应力（组合拱厚度减为1m时，最大压应力σ＝1．69MPa、拉应力σ＝1．33MPa）；④设计是以3m一个循环进尺更换一侧侧墙支腿的工况进行计算，故施工中侧墙支腿更换进尺应小于3m。

在此工况下，0．2m厚侧墙计算最大竖向压应力σ＝0．27MPa，即单宽侧墙应承载54kN竖向力。

因此，设计采用Ⅰ18间距为50cm的钢支腿及0．2m厚的喷混凝土作为侧墙承载结构。

4　塌方区处理措施

4．1　塌方区控制、稳定措施

　　为了使塌方区域不继续扩大，对塌方区域已开挖段K1＋308～K1＋292m，按照设计方案采取以下控制、稳定措施（见图1）：

（1）对初期支护的钢支撑进行加固、喷混凝土加厚，提高初期支护的承载力。

对于塌方区域内坍塌虚渣以上的钢支撑Ⅰ18，首先采用角钢∠75°进行剪刀撑连接，使钢支撑形成整体共同承受围岩变形应力，同时对间距大于1m的钢支撑采取加密处理，使间距控制在0．5～0．6m之间，以提高钢支撑的承载力，钢支撑安装时打安锁脚锚杆进行加固。

对因围岩变形引起的破裂、脱壳的喷护混凝土进行清除同时对原有喷护混凝土，采用喷钢纤维混凝土进行加厚喷护，喷层厚度以覆盖钢支撑为标准，使喷护混凝土与钢支撑形成一个整体的薄壳，共同承受围岩变形应力，防止塌方区域继续扩大。

为了减轻顶拱钢支撑受力，在隧洞中部立一排直径为500mm的钢管柱，间距为1～1．5m，对顶拱钢支撑进行支撑，后期待混凝土衬砌施工完毕后再切除钢立柱以免影响交通。

由于塌方区顶拱部位坍塌最为严重，顶拱钢支撑变形最大、最多（钢支撑最大变形下沉85cm），因此对顶部变形较大的拱架采取分次间隔更换的方式进行处理，最终将超出混凝土衬砌断面的变形拱架全部更换完毕，以免影响后期混凝土施工。

对于顶部坍塌形成的空洞，采取在钢支撑外侧铺设钢筋网25＠15，同时在钢支撑内侧焊接废旧钢模板，并埋设6″混凝土进浆管，进行高流态自密实混凝土浇筑的方法进行处理，使钢支撑与焊接钢模板及浇筑混凝土形成一个整体，以提高顶部支撑的承载力，同时防止顶部坍塌空洞处围岩继续坍塌；

（2）稳定隧洞两侧边墙及塌方影响区。

由于在塌方区段，围岩为散粒状岩块，未经处理的坍塌物自然状态堆积在隧洞内。

堆积物对侧墙及掌子面形成堆积压力后，隧洞暂时处于稳定状态。

经过上述加固、补强措施后，即可对两侧边墙部位的虚渣进行清理，施工拱肩以下两侧边墙的混凝土，使拱肩以下两侧边墙形成固定端，以增强整个支护的承载力，稳定塌方区域。

为了遏止塌方趋势，对K1＋292～K1＋280m段，采用钢模台车进行边墙与顶拱一次性混凝土衬砌。

5　塌方段开挖施工措施

　　塌方区域加固、稳定措施处理完毕后，对于塌方段的开挖采取分区、短进尺、弱爆破、强支护、管棚法进行施工。

开挖分区共分为2个区：

拱肩以上为Ⅰ区，拱肩以下为Ⅱ区。

5．1　Ⅰ区施工措施

5．1．1　施工顺序

5．1．2　施工方法

（1）花管打安、注浆。

首先由测量人员测放出顶拱开挖设计轮廓线，然后沿设计轮廓线在拱肩以上部位打设3″花管2排，第一排孔布设于设计开挖线外20cm处，倾角为30°；第二排孔布设于设计开挖线处，倾角为5°～10°，花管间距50cm、梅花型布置。

花管长度3～6m，孔眼直径1～2cm、间距5cm。

花管造孔采用100B潜孔钻，由于塌方区岩石非常破碎，基本呈散粒堆积体，因此对于造孔困难的部位，采取将花管安装于100B潜孔钻上，直接冲击顶入虚渣体内。

对于能造孔的部位，采取先造孔后安插的方法。

花管安装完毕，对其周围采用喷混凝土进行封闭，然后分2序进行注浆。

浆液比级采用1∶1、0．8∶1、0．5∶1，灌浆压力采用0．1～0．5MPa，灌浆结束标准采用固结灌浆结束标准。

（2）开挖、支护。

灌浆结束后待凝48h方可进行开挖施工，开挖前人工先将顶部虚渣扒成开挖平台，然后人工蹬渣进行钻爆施工。

开挖进尺控制在0．5～1m，出渣采用反铲扒渣，最后进行挂钢筋网、安装钢拱架、喷钢纤维混凝土支护。

支护钢拱架采用Ⅰ18，间距为50cm，钢拱架尽量顶住花管并与之焊接在一起。

喷护采用钢纤维混凝土，喷厚以覆盖钢拱架为标准。

5．2　Ⅱ区施工措施

5．2．1　施工顺序

　　两侧边墙清理（开挖）—→边墙钢支撑安装、挂钢筋网喷护混凝土—→Ⅱ区中部剩余岩体清理（开挖）—→边墙、顶拱混凝土衬砌。

5．2．2　施工方法

　　由于塌方虚渣从掌子面K1＋308m自然堆至K1＋292m部位，两侧边墙几乎被虚渣所覆盖，因此Ⅱ区开挖在K1＋308～K1＋292m段，基本为虚渣挖运，但为了保证施工时两侧边墙的稳定，施工时先清理单侧边墙处的虚渣，并对边墙钢支撑进行加固和补喷混凝土处理，然后再清理另一侧边墙并加固钢支撑和补喷混凝土，最后对中部剩余虚渣进行清运。

边墙清理进尺控制在1．5m范围之内，两侧边墙清理错开距离控制在3m范围之内，以确保施工安全。

K1＋308m向前开挖也采取同样的施工方法，当Ⅰ区开挖到坚硬完整的岩石地段时，再向前开挖10m即可停止Ⅰ区掘进，待Ⅱ区也处理到该部位时，隧洞恢复全断面开挖掘进。

5．2．3　施工期及后期观测

　　为了确保施工期及后期（混凝土衬砌前）隧洞安全，在Ⅰ区开挖部位距掌子面20m处，布设收敛观测断面，收敛观测点布设3个，一个布设于顶拱处，另2个布设于拱肩上部50cm处，待Ⅱ区开挖到该断面时，再在两侧边墙各布设2个观测点，其中一个布设于距底板1．5m处，另一个布设于拱肩下部1m处，经过长期观测，顶拱观测点沉降4．5mm；拱肩观测点向外位移3．5mm；拱肩下部1m处观测点向内位移3mm；距底板1．5m处观测点观测值为0mm，这充分说明塌方处理设计及施工措施是成功的。

6　经验与教训

（1）地下工程施工前必须要有清楚、可靠、完整的地质资料作为施工指导。

（2）塌方处理设计为施工提供了科学依据，使塌方处理建立在科学、有序的基础上，从而加快了施工进度，同时也确保了施工安全。

　　（3）经过实践检验，塌方处理措施是可行的，在塌方控制和塌方区继续开挖掘进上效果显著。

　　（4）隧洞开挖混凝土及时衬砌很重要，开挖初期支护仅能确保开挖期间的施工安全，对于地质不良地段，混凝土及时跟进衬砌显得尤为重要。

参考文献

［1］谷建国，姜东民．快速锚固技术在预应力锚索施工中的应用［J］．水力发电，1998，

（2）：

37－39．