摘 要：自强水电站地下厂房尾水隧洞开挖断面尺寸5.6m×5.3m（宽×高），岩性为P2c+d厚层灰岩、T1y3泥岩和泥灰岩。施工过程中出现5次大的塌方，其中尾主0＋115.3至尾主0＋130.0桩号段在开挖及一期支护完成后，在进行底板清理，准备钢筋混凝土永久衬砌的过程中出现大规模的失稳破坏，长度约15m，塌方量约2950m3，顶部塌空高度约32m。为此特制定了洞身塌方处理措施，先固结塌方体，后开挖的总体方案，并采用了灌浆固结塌方体、喷锚支护、钢拱架、回填灌浆等技术措施，成功地处理了塌方，保证了施工进度，可为以后类似工程塌方治理提供借鉴。
关键词：尾水洞 ，塌方处理 ， 回填灌浆 ， 施工技术
1. 工程概况
自强水电站枢纽工程位于贵州省贵阳市与毕节地区织金县交界凹河处。电站枢纽工程由拦河坝、引水系统、地下厂房等建筑物组成。拦河坝为重力坝，引水发电系统布置在右岸，由塔式进水口、有压隧洞、压力钢管等建筑物组成，地下厂房位于东风电站库尾凹河左岸。电站装机3台，总装机容量18MW，引用流量10.26m3/s，额定水头207m。
地下厂房布置在凹河左岸山体内，为地下厂房，埋深150～170m，距岸最短距离为260m，主厂房轴线方向N17.5°E，开挖外形轮廓尺寸为50.1×13.2×19.85m（长×宽×高），出线系统位于进厂交通洞出口▽975.0高程平台，包括主变场、中控楼和开关站，总尺寸为41.5×21.9m（长×宽）。引水系统从桩号引3+628.687m以90°竖井变向为N57.5°E经“卜”形分岔进入地下厂房，竖井至厂房段长约238m，压力钢管主管内径1.8m。三条尾水洞合并成一条尾水洞进入下游河道，尾水洞总长约268.26m，其中尾水主洞长218.26m，城门洞形，开挖断面尺寸5.6m×5.3m（宽×高），一期支护根据围岩类别，支护厚度分别为10cm、20cm,混凝土衬砌厚度50cm。开挖采用导洞先行，扩挖跟进的方式进行。开挖过程中出现5次大的塌方，其中尾主0＋115.3至尾主0＋130.0桩号段在开挖及一期支护完成后，在进行底板清理，准备钢筋混凝土永久衬砌的过程中出现大规模的失稳破坏，长度约15m,塌方量约2950m3，顶部塌空高度约32m。
2. 工程地质
尾水主洞全长218.26m，隧洞穿越地层为P2c+d厚层灰岩、T1y3泥岩和泥灰岩，岩层倾角8°，地层分界线多在隧洞顶部附近起伏变化。由于缓倾角软质岩层间结合差、节理裂隙较发育，在施工中极易发生顶拱失稳坍塌，危害性很大。
尾水主洞尾主0+000～0+093段围岩以Ⅲ～Ⅳ类为主，开挖较顺利；尾主0+093至出口地质条件复杂，以Ⅴ类或不良地质洞段为主，围岩稳定性差，该部分洞段均采取了较强的一期支护（超前锚杆、系统锚杆、钢支撑、挂网喷混凝土等）。根据开挖隧洞揭露的地质情况，在桩号尾主0+093、尾主0+165分别发育f2、f3断层，受两断层夹持及P2c+d厚层灰岩限制，致使该部位发育宽度较大的风化深槽，开挖揭露该风化深槽以第四系粘土夹风化残留泥岩为主，结构松散，呈碎裂～散体结构，洞室围岩基本无自稳能力。
3.塌方经过及前期处理情况
尾水主洞开挖从2010年2月开始至2010年9月结束，开挖方向从进口与出口两个工作面同时进行。在前期洞挖过程中，由于地质勘探未查明断层和破碎带的存在，施工当中事先没有采取得力开挖、支护措施，类似小规模的塌方在该洞室开挖中时有发生，并未引起足够重视，自2010年2月开始至同年5月，一直采用常规施工方法，即喷混凝土、挂钢筋网、超前锚杆和常规锚杆，架钢支撑等治理塌方的方案，边塌方边出渣。
2010年6月5日尾水主洞在开挖至尾主0+153m桩号段时，左侧顶拱出现塌方，垮塌高度约23m，垮塌方量约850 m3，造成已开挖洞段全部堵死约12m，由于塌方位置仍在不断向下掉块，为保证人员设备安全，出现垮塌后，工作面马上暂停施工。
2010年7月29日尾水主洞在进行尾主0＋115.3～0＋130段（该段已按设计要求架设了钢支撑、超前锚杆、喷混凝土一期支护）底板清理为永久混凝土衬砌作准备时，于上午10点左右突然在尾主0＋117桩号段发生垮塌，原一期支护的钢支撑全部被挤压变形、破环，后随着二次开挖的进行，发现本次大规模的失稳破环塌方共计沿洞长有15m，塌方量约2950m3，顶部塌空形成一个约32m的空腔。
4. 塌方原因分析
经现场考察和综合分析，两次主要大的塌方，主要是由于受不良地质影响，再加上前期支护不到位、爆破控制不严，致使塌方形成。其中尾主0+153m桩号段掌子面全部为P2c+d厚层灰岩，岩质坚硬，必须爆破开挖，其上部为第四系粘土夹风化残留泥岩，形成上软下硬的不利结构，其分界线正好在隧洞顶拱位置，覆盖层开挖暴露后失稳造成严重塌方。尾主0＋117桩号段开挖及一期支护完成后，未及时进行永久钢筋混凝土的衬砌，加之雨季降水量多造成粘土夹风化残留泥岩软化坍塌。
5. 综合处理方案
5.1 技术要求
5.1.1 测量放线要求
采用TCR305型全站仪进行测量放样，用红漆标注开挖轮廓线和锚杆位置点。
5.1.2 爆破控制
在处理塌方时，最担心的是爆破振动，破坏塌方体内部结构，使之失稳。爆破时，必须视具体情况和具体部位考虑药量及爆破方式，一般在顶拱靠近塌方体的特殊部位，采用单孔电雷管起爆，药量控制在0.2kg左右。一次开挖进尺控制在0.4～0.7m。
5.1.3 喷射混凝土配合比控制
（1）喷射混凝土抗压强度测试。C25混凝土实测抗压强度为26、27、30MPa。
（2）锚杆拉拨测试。设计每根不小于320kN，实测为350、330、370kN。
（3）喷射混凝土严格按照配合比进行。
5.2 施工方案及施工工艺流程
经过对塌方段现场多次考察、深入分析及反复论证后处理方案如下。
5.2.1尾主洞0＋153桩号垮塌段施工方案
尾主洞0＋153桩号垮塌段，将塌方渣体清除完毕后，在掌子面安装模板，混凝土泵管伸入塌方洞内充填砼，连同垮塌空腔及掌子面全部充填，待混凝土达到一定强度后，按设计开挖断面尺寸将掌子面砼爆破清除，开挖成型后，立即架设钢支撑，然后对该部位进行永久钢筋混凝土衬砌。混凝土衬砌时在垮塌位置预埋3至4根灌浆管，在衬砌混凝土达到一定强度后对垮塌部位进行回填灌浆充填密实。处理方案见图5-1。
图5-1 尾主0+153桩号段塌方处理示意图
5.2.2尾主洞0＋117桩号垮塌段施工方案
尾主洞0＋117桩号垮塌段为Ⅴ类围岩，地质条件复杂，围岩稳定性差，该部分洞段开挖时均采取了较强的一期支护（超前锚杆、系统锚杆、钢支撑、挂网喷砼等），根据现场实际情况，因垮塌范围不详，为避免盲目出渣、强行掘进再次扰动造成更大的塌方或冒顶塌方，对垮塌区采取固结灌浆，使塌方渣体形成一个整体，提高岩体的强度级别。
施工工艺流程:封闭坍塌面→注浆封闭坍塌岩渣→超前锚杆→塌方体开挖→喷C25混凝土封闭→自钻式锚杆锚固→钢拱架支护→网片制安→喷锚施工→混凝土衬砌→回填混凝土→回填灌浆。
5.3 施工方法
5.3.1封闭坍塌面
对塌方段尾水主洞0+177洞内渣体表面喷射C25细石混凝土，封闭掌子面，喷射厚度20～30cm。使其保持相对稳定，同时已可减少顶拱固结灌浆时向下渗漏。
5.3.2注浆固结坍塌岩渣
对坍塌段顶拱进行固结，注浆管采用3～6米长φ40钢花管，注浆孔深2～4米，0.1～0.6MPa的压力进行固结灌浆，孔深逐渐增加，压力随孔深逐渐增大，直至穿越塌方段。灌浆时可适当掺加水玻璃或速凝剂，灌浆时严格按照相应技术规范进行施工。通过灌浆提高塌方渣体的整体强度。
5.3.3 开挖施工
（1）塌方段考虑到地质条件很差，经常性发生塌方掉块，为减少爆破施工对围岩稳定的影响，采用强支护、小药量、短进尺方法依次进行。一次开挖进尺为1～1.5m。采用钻孔台车，手风钻造水平孔，边墙布置光爆孔一次性开挖。
（2）塌方段开挖采用反铲（0.3m3）挖掘、风镐配合施工方法。
（3）塌方渣体清除。由于堆积物主要为粘土夹风化块石，含泥量较大，开始的回填灌浆效果不明显，浆液将槽钢、拱架和架管填充密实，与部分片石形成固结圈，未达到理想的固结范围。出渣时，先用气割切除拱架与架管，并保留中间堆积物，装载机装12t自卸汽车出渣。塌方体出渣一次控制进尺在1~1.5m，出渣完成后立即进行钢支撑支护，而后进行永久混凝土的衬砌施工。
5.3.4自钻式超前锚杆
由于该段成孔条件差，所以均采用自钻式锚杆，超前锚杆φ25，L=3m，间距7～15cm，沿拱周边布置，与洞轴线夹角60°。
5.3.5架设钢支撑
进行注浆固结和施作超前支护后，采用短进尺施工方案，长度为1米。每开挖循环控制在1~1.5米以内，短进尺，弱爆破。钢拱架采用I20号工字钢加工制作，间距为30cm。考虑到拱角承重，且开挖时难以达到新鲜完整基岩，采用锁角锚杆对拱角进行固定，每个拱角为4根φ25×3.5m锚杆，拱架与拱架之间用φ25螺纹钢焊接，间距为30cm，钢筋焊在拱架上部，形成一排纵向连系筋。
5.3.6二次衬砌
对塌方进行初步处理后，应及时进行钢筋混凝土衬砌，进尺控制在1~3m。
5.3.7塌腔回填
洞内临时顶拱混凝土浇筑完成后，对顶拱上面较大脱空部位进行混凝土回填，以保证顶拱受力均匀性和防止再次塌方对顶拱造成影响，保证隧洞上半洞的稳定。顶拱以上空腔部位混凝土回填采用C20泵送混凝土。
5.3.8回填灌浆
常规回填灌浆在衬砌混凝土达到70%的强度后进行施工。采用YT28型风钻从预埋管内钻孔，然后记录混凝土厚度和脱空情况。脱空大于5cm的孔，埋设钢管（1寸）作为灌浆管；脱空小于5cm的孔，则直接用灌浆栓塞灌浆。
6 结语
（1）对于隧洞施工，必须掌握详实的地质资料和做好施工过程中的超前地质预报工作，并针对不同地质情况制定洞挖方案和支护措施，防止因工程措施不当和盲目冒进施工而引起塌方。
（2）洞室塌方时不可盲目出渣、强行掘进。首先应对塌方体进行表面封闭，使其保持相对稳定，尽可能减少扰动次数，避免造成冒顶塌方;其次，应对塌方体进行固结灌浆，使塌方渣体形成一个整体，提高岩石的强度级别，这是塌方处理的基础和关键。
（3）自钻式锚杆在塌方段的成功应用，对阻止塌方体下滑、有效防止二次塌方起到了重要作用，是塌方处理的前提和关键。
（4）根据隧洞通水后的现场观察，回填灌浆的37榀拱架与混凝土连成一体，强度明显提高，没有出现渗水和变形现象，为自强水电站的按期发电奠定了坚实的基础。
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