黄金坪水电站导流洞塌方处理

姚文炎炎，李傲松

（四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川 康定 626001）

1 工程概况

黄金坪水电站施工导流采用全年围堰挡水，隧洞过流方式。在大渡河右岸布置1条导流洞，平面上呈双弯道，洞身断面为城门洞型，断面净尺寸为15.0 m×16.0 m（宽×高）。进口高程1 412.50 m，出口高程1 408.50 m，纵坡约为5.78‰。进水塔顶高程1 442.0 m，塔高35.5 m。

进口段 （0+000～0+123.14）：0+000～0+110 m 洞向S83°W，0+110～0+123.14 m为导流洞的圆弧段。进口洞段岩体垂直埋深40～93 m，地层岩性为石英闪长岩或斜长花岗岩，围岩由弱风化弱卸荷渐变为微风化或新鲜岩体。进口段发育有22条小断层，部分断层破碎带宽在10～20 cm，性状较差。其中f11-28断层性状最差，规模最大，该断层产状N15°W/NE∠56°，宽50～80 cm，破碎带组成物为角砾岩、1～5 cm厚连续断层泥组成，破碎带潮湿。部分断层有渗水现象。由于断层裂隙发育，且多在洞壁及顶拱形成不利组合，对洞室顶拱及侧壁稳定不利，需要采取工程处理措施，该洞身段岩体以块裂～碎裂结构为主，以围岩Ⅳ类为主，局部为Ⅲ2类，断层带和接触破碎带为Ⅴ类围岩。

2 塌方情况

导流洞0+120处，由于受f23，f23′，f28和f26断层影响，尤其f23和f23′断层直接通向石梯子沟顶部，岩体极为破碎，风化强烈，稳定性极差，甚至部分用塑料管碰触岩面即发生塌落，在2008年11月29日18:30左右刚开挖到该处时，事前施工的超前支护（超前小导管）由于岩体太破碎松散无自稳能力，无法支撑上部岩体的重量，出现大塌方，掌子面向上游，塌方高度约7 m，纵向约8 m。在12月2日设计、业主、监理到塌方现场勘查后确定采用拱上拱的方案，经过施工单位的观察确定塌方初步稳定后，于12月6日进行第一次内拱施工。在晚上6:00左右，在刚喷完混凝土后又再次出现了大塌方，在第一次塌方的基础上向0+120 m下游方向扩大了，这次塌方后，一直未稳定，到12月8日上午，将支护好的拱架砸3榀，塌方体已堆至拱部设计开挖线以上。目前根据两次塌方堆积体估算，塌方量约2 895 m3。

3 塌方分析及处理原则

经现场查勘表明，此次塌方主要是地质缺陷造成。塌方的处理必须建立在对塌方正确认识的基础上，如果方案不当或失败，不但导致更大的经济损失，而且可能造成人员伤亡，故一般的处理原则是先巩固后方，防止塌方扩大，然后以安全的后方为依托或掩护再向前进行处理。经验认为塌方发生后在一定时间内就会趋于稳定，形成自然拱，而自然拱的高度、宽度与普氏平衡拱理论计算结果基本相符。

3.1 普氏平衡拱理论

前苏联学者M·M普洛托雅克诺夫（简称普氏）以松散理论为基础，认为在松散介质中开挖隧道后，隧道上方将形成抛物线的平衡拱，平衡拱高度h为：

式中：b——平衡拱的半跨度，m；fm——岩石坚固性系数。

土层：fm=tgφ；岩石：fm=R/10。其中：φ——土的摩擦角；R——岩石的抗压极限强度，MPa，取值应考虑岩石天然层理、裂隙及节理的影响。

在隧道侧壁稳定时，即拱部塌方时，平衡拱宽度就是开挖宽度，即b=bt。当侧壁不稳定时，平衡拱宽度为：

式中：Ht——隧道净高，m；bt——隧道净宽之半，m。

3.2 塌方稳定分析及处理

对塌方后的稳定情况能否做出正确的判断是制定处理方案的关键，否则，不是冒险就是加大投入。一般情况下，塌方发生后1～2 d就基本稳定，除个别掉小块外，不再有大的坍塌，这时可根据平衡拱公式确定塌方高度，与现场对照，如果计算与实际基本相符，则说明塌方已经基本稳定，否则就要慎重对待。

经过平衡拱稳定分析，确定塌方稳定后，即可着手进行处理：

1）对塌穴进行喷射混凝土处理。喷混凝土后，即使塌穴有危石或个别坍塌亦会及时发现，喷射混凝土在围岩面形成一保护层，亦是判断塌方稳定与否的最有效、最直接的参照或依据。

2）即可出渣，出渣范围依据即将准备衬砌的范围确定，为了安全，不宜太长，边出渣边对侧壁进行支护。

3）塌方段的永久支护结构及施工顺序的确定是最后一个关键。通常塌方段的支护结构从上至下依次为回填、护拱、衬砌，直观上施作护拱然后在护拱保护下施作衬砌是安全的，而实质上施作护拱本身就极为困难而且危险极大。

实践证明先施作衬砌，然后施作护拱及回填是既安全又经济的办法。但这种方法有一个前提，就是开挖宽度不再扩大（极个别除外），衬砌的加强可采取增加钢轨或型钢及提高混凝土标号的方法来实现。衬砌浇筑后，平衡拱的拱脚就受到约束，塌方就更进一步稳定了，往后的施工就更安全了。

4 塌方处理

1）塌体面喷C25混凝土62.1 m3，在导流洞0+120，0+121，0+122，0+123，0+125，0+128，0+130等 5 处打了 70 根φ32自进式锚杆共795 m，35根φ32自进式锚杆（花管）共135 m，并且对其进行了注浆，防止塌方范围扩大和保证作业人员的施工安全。

2）完成上述工作后，还需进行地质钻探，探明塌方高度、空腔范围、堆积体厚度等实际情况。经过钻探施工，探明塌方段实际情况后，研究、比选塌方处理方案。

为保证快速、安全通过塌方段，最后决定采取大管棚施工方案，然后采用型钢钢架及时跟进支护，加密纵向连接钢筋间距，形成强有力的初期支护系统。

5 总体实施方案

洞内封堵塌体面，注浆固结塌体，管棚施工，分步开挖通过塌方区，然后使用水灰比为0.5∶1的水泥浆注浆回填空腔（通过物探检测空腔状况，由监理工程师审批后，再进行回填）。

5.1 封堵塌体面

为了防止对塌体进行固结注浆时浆液往外渗和迅速恢复正常隧道施工，必须对塌体面进行封堵。为减少喷射混凝土的工作量，用细碴填补塌体表面大块石的空洞，用人工对塌体表面进行简单修整，然后封闭塌体面，先塌方体表面施工40 cm厚M7.5浆砌片石，在浆砌片石施工完毕后再自上而下，喷射10 cm厚的C25混凝土。

5.2 注浆固结塌方堆积体

在做好封堵塌体面的前提下，采用注浆的方法自下而上地对拱部以上塌方堆积体进行注浆固结。

拱部以上塌体按间排距0.4 m×0.4 m梅花形布设注浆孔位。注浆管采用φ50无缝钢管，如果钢管无法顶进时改用φ32自进式锚杆，花管注浆孔间距15 cm。为保证注浆固结范围处于同一断面上，注浆管长度采用4～8 m不等，据现场施工作业空间而定，自下而上注浆管由短变长，注浆完全有效固结塌体高度，拱部不少于6 m，两侧拱腰不少于4 m。注浆深度做好记录，在开挖至已固结还剩不少于1 m时，再施作下循环注浆管，这样循环直至塌体全部完成。

注浆材料采用水泥、水玻璃浆混合而成的双液浆，掺磷酸氢二钠作缓凝剂，自下而上进行注浆。所用浆液水灰比采用 1∶1，0.8∶1，0.5∶1 等 3 个比级。

5.3 管棚施工方法

根据方案评审会议的建议，超前支护修改为φ108钢管管棚，壁厚6 mm，外插角5°～10°，管棚环向间距为40 cm，钢管内安装3φ32钢筋束，管棚长度初步定为L=10～20 m。由于在管棚施工前塌方堆积体中已打入一部分自进式锚杆，塌方时埋入堆积体中拱上拱工字钢，在管棚施工时如遇上述锚杆和工字钢，无法钻进可以调整管棚位置，管棚一次打入的具体长度根据现场的作业空间决定。

采用KBY-80/70注浆机注浆，其中水泥浆水灰比为1∶1，0.8∶1，0.5∶1 等 3 个等级，水泥浆由稀到浓逐级变换，注浆压力0.5～1.0 MPa，注浆前先喷混凝土厚度10 cm，封掌子面。

管棚施工工艺流程：施工准备（场地平整、施工平台架设）→钻孔就位（校正角度）→上钻具和套管→钻进→退钻杆和钻具→安装花管与钢筋束→封闭管尾→注浆施工。施工工艺说明：

1）施工准备。在掌子面施作管棚钻机工作平台，在管棚起始端设防护墙，防止浆液溢出。防护墙要有足够抵抗注浆压力的厚度，采用喷混凝土防护。

2）管棚定位。在实际施工中，水平钻孔弯曲变形是难以避免的，为此给以适当的上抬量（10～30 cm）和上抬角度防止侵入设计断面。上抬角度的设置除考虑防止管棚侵入设计断面外，考虑到管棚钻机工作所需空间。因此上抬角度设置则与钻入深度有关。充分考虑到上抬量和上抬角度后，正确算出各钻孔孔口位置，利用测量仪器定出钻孔的位置和倾角。

3）管棚施工。利用管棚钻机液压旋转推进钻孔到设计深度，每钻入一节续接下一节钻杆。开孔时，使钎头紧贴岩面低压冲击，平稳缓慢推进既可，正常钻进时Pf=1～2 kN，转速n不大于90 r/min，风量为11～13 m3/min。

采用φ146偏心钻具带动导管钻进,导管前端戴管靴导住偏心钻具,导管跟着钻具直接跟进。拨管采用专用拨管千斤顶及油泵,先将千斤顶的底板置于岩面靠深填实,用卡瓦卡住导管及千斤顶顶板再升动油泵、千斤顶,导管顺着千斤顶的升降一节一节的拨出。利用高压水、风将孔内余碴清理干净，以防塞管时卡管。装入花管与钢筋束，花管连接采用螺纹连接，相邻钢管接头错开1 m以上，花管内装入3φ32钢筋束。

4）堵孔止浆。堵孔质量的好坏，直接关系到注浆效果，堵孔包括钢管自身的封堵和钢管与孔壁之间空隙的封堵。

一般在钢管最外端1.5 m范围内不设置注浆孔，孔口用厚3～5 mm钢板凿孔焊接柱与浆管等直径的小导管来封堵。钢管与孔壁间空隙的封堵利用自制工具将锚固剂塞入孔口封堵，封堵材料装入孔内不小于1 m长度，确保封堵质量。

高压注浆：用注浆泵将浆液压入孔内，通过注浆孔来加固围岩。

5.4 分步开挖通过塌方区

当塌方堆积固结已有效做完，达到强度后，可采用分步开挖的方法通过塌方区。通过塌方区施工要按照“少扰动、短进尺、快封闭、强支护、勤观测”的原则来进行，绝对不能盲目冒进。视塌体固结情况，采用正台阶留核心土开挖法，开挖时辅以超前锚杆注浆加以保护。

1）开挖方法。采用正台阶留核心土弧形开挖法。见图1。

图1 正台阶留核心土弧形开挖顺序图

第一循环超前锚杆施作完并发生作用后，用人工和小型机械（视情况辅以弱爆破）.开挖上台阶弧形槽①，第一循环0.7 m，以后每循环0.5 m，开挖完后架设I20 b钢拱架，挂钢筋网喷射钢纤维混凝土作为初期支护。在弧形槽开挖2 m后，核心土②随弧形槽同时跟进。在上台阶弧形槽①开挖完成10 m后，下台阶中槽③开挖，开挖中槽时，每边必须留不少于3 m的保护平台。边墙④、⑤不能同时在一垂直作业面上开挖，必须待④的初期支护发生作用后，才能对⑤开挖，开挖时必须短进尺，不能超过1 m，及时进行封闭支护。

2）支护。除按照设计进行系统支护外，另增加拱架支护。

5.5 环向注浆

为了确保拱部以上塌体有效注浆，塌体胶结成一个整体起到拱的作用，在每一循环支护完成混凝土强度达到要求之后，环向对拱部以上塌体进行再一次注浆，注浆管采用φ32自进式锚杆，注浆参数与拱部以上塌体注浆相同。

5.6 施工期安全监测

通过对塌方段支护后的变形进行观测，作出及时有效的预报，确保施工人员和施工机械的安全。

5.7 水泥浆注浆回填空腔

在支护完成达到强度之后，为了稳定围岩，抑制塌方发展，减小衬砌的压力，需对空腔进行回填，回填采用水泥浆，水灰比为1∶1。空腔回填在塌方开挖通过以后，采用物探检测手段查明空腔状况之后，经监理审批后进行。

5.8 排水孔

在塌方处理完成之后，在拱部施作排水孔，排水孔为φ42，间排距为3 m。

6 结语

黄金坪导流洞塌方处理历时长，在黄金坪水电站建设中塌方规模和处理难度是最大的、经过认真总结塌方原因，加强观测、超前地质钻探以及严格遵循“短进尺、弱爆破、紧支护、勤量测”在隧洞大断面开挖过程中是必不可少的，同时在处理隧洞大规模塌方中，采取管棚施工方案也是切实可行的。