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摘要：引水发电隧洞塌方段处理方案的科学选择，根据现场实际采用喷封闭C20砼、超前注浆管棚、灌浆、钢拱架支护跟进的方法快速通过塌方段。
关键词：引水发电隧洞 施工塌方小管棚处理
一、工程简介
张掖黑河宝瓶河水电站地处甘肃省肅南裕固族自治县和青海省祁连县之间的黑河的潘家河沟至夹道沟河段内。工程采用引水式开发方式，主要任务是发电，电站总装机容量为123MW，属中型三等工程，其主要建筑物级别为3级，工程所处区内山高坡陡，海拔高程均在2475m以上。坝址距下游发电厂房（左岸）8.0km。
引水发电洞进水口布置在坝体上游左岸的山坡上，为有压竖井式进水口，进口底板高程2491.00m,设计引用流量为98m3/s；进水口前布置有3孔直拉式拦污栅，单孔孔口尺寸为4.0m×10.0（宽×高），栅后接喇叭口段和闸室段。闸室段设置检修平板钢闸门1道，孔口尺寸为6.0m×6.0m（宽×高）。进口段总长19.5m，闸室后经15m长的渐变段与直径φ5.8m的引水隧洞洞身相接，主要由引水发电洞、调压井和压力管道等建筑物组成。全长约7500m，底板纵向坡降0.1%。
二、塌方概况
在2010年10月22日上午，施工队伍在引水发电隧洞桩号4+383～4+384.2段拱架喷射混凝土时，拱部及左侧开始出坍塌，将一榀拱架上部砸毁，为避免出现大面积塌方，施工队伍在未修补拱架的情况下及时喷射混凝土，但在喷射混凝土过程中时有碴体掉落。直至下午14点20分左右，拱架边墙部分混凝土将要喷完，拱部再次出现滑塌，且塌方体数量较多，将未喷拱架砸毁、开挖台车掩埋。此时塌方位置向上游延伸至桩号4+375，下游桩号4+385～4+391段拱架拱部均出现现时拱架下沉、混凝土掉快现象。下午16点时，塌方体已将台车堆满淹没，整个掌子面完全封闭。
10月23日业主单位、设计单位、监理单位、施工单位针对此处塌方召开了现场会议，会议决定：为确保施工安全，避免塌方继续向下游扩散，决定将桩号4+415～4+391段已支护钢拱架段落内部加设钢拱架加强支护，同时每榀拱架采用12根6m长Φ28锚杆固定，喷射20cm厚C20 混凝土封闭。
10月24日晚，在完成桩号4+391～4+397段加强拱架支护后，准备进行桩号4+391～4+389段拱架支护时，桩号4+384.2～4+391段拱架拱部全部压开，压开拱架托在已坍塌碴体上方；10月25日10点30左右，桩号4+384.2～4+391段已支护拱架全部砸毁，碴体全部涌出，涌出碴体将桩号4+391～4+397段沿斜坡填满。此时，桩号4+415～4+397段拱部出现掉快、开裂现象。为了施工安全，现场由业主、监理、设计单位、施工单位确定首先将桩号4+432～4+397段及时支护加强拱架，防止塌方进一步扩大。
截止10月25日上午，此部位塌方体已将桩号4+383～4+391段全部及桩号4+391～4+397段大部分填满，且此过程中已运出碴体将近100车，总坍塌方量1500m3。
根据地质设计图纸和对现场揭露岩层显示，该洞段洞顶埋深120～248m，岩体极其破碎，层间错动及揉皱较发育，围岩塑性变形大，于隧洞稳定极为不利，为极不稳定的Ⅴ类围岩。
三、处理方案
1、处理方案选择原则。
(1)安全性。确保施工安全与运营安全,围岩累计变形量不大于10cm,衬砌完工后隧道不渗不漏。
(2)可操作性强。要充分考虑现场机械装备状况和操作人员的技能水平,并尽可能降低施工难度。
(3)灵活性好。根据断面形状和尺寸,因地制宜地选择施工方案,而不局限于一种固定的模式,一旦一种方案不能实时或实时效果差时,能较好地转换为替代方案。
(4)具有可连续性。需兼顾塌方段前后的施工方案的不同,能顺利地进行施工工艺、工序的转换。
(5)经济性强。即在保证安全、质量条件下的投入最节约。
(6)处理施工方案科学。首先保留并加固坍塌体,防止坍方扩大,然后施做套拱和超前小管棚,保证正洞开挖施工安全;管棚施做完成后挖除坍塌体,进入隧道正常开挖、支护工序,并对隧道基底进行注浆加固处理;塌方洞段通过后,进行拱部坍腔回填处理。 2、为了保证处理此段落塌方施工人员安全，防止塌方进一步扩大，将桩号4+432～4+391段落的一次支护进行加固处理：首先将该段加设I16型钢拱架支撑，补打随机锚杆固定拱架、喷射20cm厚混凝土加固处理，并且进行固结灌浆，灌浆范围为拱墙。固结灌浆分为两个次序进行，孔排距1.5m，孔深2.0～4.0m，呈梅花型布置。共分一个灌浆区段，按照隧洞走向右侧为开始，Ⅰ序孔为右侧孔，Ⅱ序孔为左侧孔。例如：孔编号G1-I-2，表示所在区段为固结灌浆G1区段；I表示为一序孔；2表示为一序孔中的第二孔。固结灌浆从上游往下游进行，先一序孔，后二序孔，同序孔中先侧墙底孔，最后拱墙顶孔。
3、处理施工工艺流程：封闭断面 围岩固结灌浆 注浆管棚施工
台阶出碴及拱架架立 核心土出碴拱架底拱封闭拱架支撑加固。
⑴.首先封闭塌方断面的松碴，喷厚20cmC20砼，防止断面灌浆过程中漏浆。
⑵.为了保证施工作业安全从桩号4+391处开始向塌方方向顶拱范围进行固结灌浆，灌浆范围为拱墙及拱顶，灌浆管加工型式同超前注浆管棚相同；孔环向间距、排距1.0m～1.5m，固结灌浆管长4.5m，仰角45度，呈梅花型布置。
固结灌浆管加工形式图
⑶.全断面施工φ48mm、长3.0m的超前注浆小导管管棚，排距根据每循环进尺而定，环向间距10cm，仰角7°～10°，向塌方虚碴灌浆，起到固结松动围岩和断面支撑作用，为了防止管尾相交废孔，应确保减少钻孔方向偏差。
⑷.采用上下导坑预留核心土的方式清理封闭塌方断面的松碴，每清理60cm支立2榀I16型钢拱架封闭，上导坑拱架底部采用I16型钢铺垫，避免拱脚产生集中应力导致拱架下沉，同时方便下导坑开挖时拱腿连接，上导坑每榀拱架采用8根6m长Φ28锚杆锁脚固定拱架，拱架间采用Φ25螺纹钢筋相连，间距30cm，拱架内外双层φ8mm@20cm×20cm钢筋网片，喷C20砼到30cm。
⑸.上导坑开挖高度3.4m（底脚位于圆心位置，方便挖机扒碴及下到坑拱架施工），下到坑开挖高度3.2m,均按直墙形式开挖；待上导坑掘进3m左右，下到坑开挖支护紧跟施工，支护形式与上导坑相同。
四、施工方法
1．喷封闭C20砼
隧洞塌方面封闭桩号为4+391～4+397段碴体斜坡面，喷厚20cmC20砼，防止断面灌浆过程中漏浆。封闭喷射C20砼作业一次进行。喷射时遵循先下后上、先凹后凸的原则，采用螺旋式喷射方式，喷头与岩面距离控制在80～100㎝，喷射角度尽量与岩面垂直，并根据回弹量大小予以调整。
2．超前注浆管棚
为了更快、更好、更安全的完成处理任务，在现今塌方断面松碴处向塌方面全断面施工超前注浆小导管管棚，向塌方虚碴灌浆，起到固结松动围岩和断面支撑作用，再进行后续工作，架立钢拱架。
（1）管棚加工：超前注浆管棚采用Ф48mm无缝钢管，长4.5m，前端制成尖状。前段4.0m钻Ф6mm小孔，孔距30cm，梅花型错开布置。
管棚加工形式图
（2）本段塌方处设置的超前注浆管棚，排距根据实际情况布置3.0m，管棚环向间距10cm，外插角7°～10°。
（3）管棚顶入长度不小于管长的90%。管棚制作尾部宜采用套丝并与注浆器相配套，方便于灌浆。
3.灌浆施工
本方案的灌浆内容包括：桩号4+391～432段落的固结灌浆、超前注浆小导管灌浆及桩号4+391至上游的塌方段及围岩固结灌浆。
（1）灌浆材料
①水泥
固结灌浆使用新鲜、无污染的42.5#合格水泥，且存放时间不大于3个月。
②灌浆用水
灌浆用水直接使用经过沉淀后的河水。
③外加剂
根据现场塌方的情况和此次灌浆目的，需要在水泥浆液中掺入速凝的外加剂，我单位采用水玻璃溶液来达到预期速凝的效果。
（2）施工工艺措施：
①钻孔前进行孔位、深度、孔径、钻孔顺序的确定及检查工作，采用风枪施钻，钻机安装应平整稳固，孔径及位置严格按要求施工。钻孔过程中进行孔斜测量，并控制好孔斜。孔钻好后，利用风枪将灌浆管送入孔内。
②注浆浆液采用水泥1：水0.8：水玻璃0.05（重量比）的水泥灰浆。注浆压力不大于0.6MPa，注漿压力达到0.6MPa关闭注浆器阀门，停止注浆，如在灌浆过程中发现灌浆压力一直持续不变，且管内继续吃浆，对该管停止注浆。
③灌浆方法
A.采用孔内循环灌浆法。当灌浆孔发生相互串浆时，可采用群孔并联灌浆或将漏浆口堵死，但孔数不宜多于3个，并应控制压力。
B.灌浆在规定压力下，当注入率不大于0.4L/min时，继续灌注10min，灌浆即可结束。
C.灌浆结束后，先将管口闸阀关闭后再停机，待洞内无返浆时，拆除管口闸阀。灌浆完成后，视情况割除灌浆管，使其不侵入二次衬砌净空。
4.钢拱架施工
在洞外按照设计要求断面钢拱架进行加工，上导坑每榀拱架共分2段，长度不同，交错布置，避免连接板位于同一位置；下导坑共2段直腿，洞内拱架通过测量后安装，测出隧洞中线，找出各单元节点的标高后，将各段按顺序安装就位，再检查钢拱架轮廓尺寸，按照设计要求进行调整，拱架采用Φ28mm长6.0m锁脚锚杆固定，每段6根，焊接牢固；钢拱架采用I16工字钢加工，间距为30cm。喷厚30cmC20砼后再进行塌方面核心土的出碴工作。
五、结束语
通过以上处理措施的实施,安全通过了塌方洞段,经量测表明,该段下沉、收敛情况稳定,支护结构表面无明显裂纹现象。运用上述方法,对宝瓶引水隧道桩号4+383处塌方开挖处理效果好、施工进度快、工程成本低、安全性高。在今后的隧道施工中,应加强地质超前预探、预报工作,对隧道前方岩性进行准确预测,并提前做好穿越塌方洞的应急预案,防止大面积塌方和涌水的发生。转
参考文献：
【1】吴焕通 崔永军 主编 《隧道施工及组织管理指南》人民交通出版社2005年第一版
【2】朱永全 宋玉香主编普通高等学校土木工程专业新编系列教材《隧道工程》中国铁道出版社2005年9月第一版
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：引水发电隧洞 施工塌方小管棚处理
一、工程简介
张掖黑河宝瓶河水电站地处甘肃省肅南裕固族自治县和青海省祁连县之间的黑河的潘家河沟至夹道沟河段内。工程采用引水式开发方式，主要任务是发电，电站总装机容量为123MW，属中型三等工程，其主要建筑物级别为3级，工程所处区内山高坡陡，海拔高程均在2475m以上。坝址距下游发电厂房（左岸）8.0km。
引水发电洞进水口布置在坝体上游左岸的山坡上，为有压竖井式进水口，进口底板高程2491.00m,设计引用流量为98m3/s；进水口前布置有3孔直拉式拦污栅，单孔孔口尺寸为4.0m×10.0（宽×高），栅后接喇叭口段和闸室段。闸室段设置检修平板钢闸门1道，孔口尺寸为6.0m×6.0m（宽×高）。进口段总长19.5m，闸室后经15m长的渐变段与直径φ5.8m的引水隧洞洞身相接，主要由引水发电洞、调压井和压力管道等建筑物组成。全长约7500m，底板纵向坡降0.1%。
二、塌方概况
在2010年10月22日上午，施工队伍在引水发电隧洞桩号4+383～4+384.2段拱架喷射混凝土时，拱部及左侧开始出坍塌，将一榀拱架上部砸毁，为避免出现大面积塌方，施工队伍在未修补拱架的情况下及时喷射混凝土，但在喷射混凝土过程中时有碴体掉落。直至下午14点20分左右，拱架边墙部分混凝土将要喷完，拱部再次出现滑塌，且塌方体数量较多，将未喷拱架砸毁、开挖台车掩埋。此时塌方位置向上游延伸至桩号4+375，下游桩号4+385～4+391段拱架拱部均出现现时拱架下沉、混凝土掉快现象。下午16点时，塌方体已将台车堆满淹没，整个掌子面完全封闭。
10月23日业主单位、设计单位、监理单位、施工单位针对此处塌方召开了现场会议，会议决定：为确保施工安全，避免塌方继续向下游扩散，决定将桩号4+415～4+391段已支护钢拱架段落内部加设钢拱架加强支护，同时每榀拱架采用12根6m长Φ28锚杆固定，喷射20cm厚C20 混凝土封闭。
10月24日晚，在完成桩号4+391～4+397段加强拱架支护后，准备进行桩号4+391～4+389段拱架支护时，桩号4+384.2～4+391段拱架拱部全部压开，压开拱架托在已坍塌碴体上方；10月25日10点30左右，桩号4+384.2～4+391段已支护拱架全部砸毁，碴体全部涌出，涌出碴体将桩号4+391～4+397段沿斜坡填满。此时，桩号4+415～4+397段拱部出现掉快、开裂现象。为了施工安全，现场由业主、监理、设计单位、施工单位确定首先将桩号4+432～4+397段及时支护加强拱架，防止塌方进一步扩大。
截止10月25日上午，此部位塌方体已将桩号4+383～4+391段全部及桩号4+391～4+397段大部分填满，且此过程中已运出碴体将近100车，总坍塌方量1500m3。
根据地质设计图纸和对现场揭露岩层显示，该洞段洞顶埋深120～248m，岩体极其破碎，层间错动及揉皱较发育，围岩塑性变形大，于隧洞稳定极为不利，为极不稳定的Ⅴ类围岩。
三、处理方案
1、处理方案选择原则。
(1)安全性。确保施工安全与运营安全,围岩累计变形量不大于10cm,衬砌完工后隧道不渗不漏。
(2)可操作性强。要充分考虑现场机械装备状况和操作人员的技能水平,并尽可能降低施工难度。
(3)灵活性好。根据断面形状和尺寸,因地制宜地选择施工方案,而不局限于一种固定的模式,一旦一种方案不能实时或实时效果差时,能较好地转换为替代方案。
(4)具有可连续性。需兼顾塌方段前后的施工方案的不同,能顺利地进行施工工艺、工序的转换。
(5)经济性强。即在保证安全、质量条件下的投入最节约。
(6)处理施工方案科学。首先保留并加固坍塌体,防止坍方扩大,然后施做套拱和超前小管棚,保证正洞开挖施工安全;管棚施做完成后挖除坍塌体,进入隧道正常开挖、支护工序,并对隧道基底进行注浆加固处理;塌方洞段通过后,进行拱部坍腔回填处理。 2、为了保证处理此段落塌方施工人员安全，防止塌方进一步扩大，将桩号4+432～4+391段落的一次支护进行加固处理：首先将该段加设I16型钢拱架支撑，补打随机锚杆固定拱架、喷射20cm厚混凝土加固处理，并且进行固结灌浆，灌浆范围为拱墙。固结灌浆分为两个次序进行，孔排距1.5m，孔深2.0～4.0m，呈梅花型布置。共分一个灌浆区段，按照隧洞走向右侧为开始，Ⅰ序孔为右侧孔，Ⅱ序孔为左侧孔。例如：孔编号G1-I-2，表示所在区段为固结灌浆G1区段；I表示为一序孔；2表示为一序孔中的第二孔。固结灌浆从上游往下游进行，先一序孔，后二序孔，同序孔中先侧墙底孔，最后拱墙顶孔。
3、处理施工工艺流程：封闭断面 围岩固结灌浆 注浆管棚施工
台阶出碴及拱架架立 核心土出碴拱架底拱封闭拱架支撑加固。
⑴.首先封闭塌方断面的松碴，喷厚20cmC20砼，防止断面灌浆过程中漏浆。
⑵.为了保证施工作业安全从桩号4+391处开始向塌方方向顶拱范围进行固结灌浆，灌浆范围为拱墙及拱顶，灌浆管加工型式同超前注浆管棚相同；孔环向间距、排距1.0m～1.5m，固结灌浆管长4.5m，仰角45度，呈梅花型布置。
固结灌浆管加工形式图
⑶.全断面施工φ48mm、长3.0m的超前注浆小导管管棚，排距根据每循环进尺而定，环向间距10cm，仰角7°～10°，向塌方虚碴灌浆，起到固结松动围岩和断面支撑作用，为了防止管尾相交废孔，应确保减少钻孔方向偏差。
⑷.采用上下导坑预留核心土的方式清理封闭塌方断面的松碴，每清理60cm支立2榀I16型钢拱架封闭，上导坑拱架底部采用I16型钢铺垫，避免拱脚产生集中应力导致拱架下沉，同时方便下导坑开挖时拱腿连接，上导坑每榀拱架采用8根6m长Φ28锚杆锁脚固定拱架，拱架间采用Φ25螺纹钢筋相连，间距30cm，拱架内外双层φ8mm@20cm×20cm钢筋网片，喷C20砼到30cm。
⑸.上导坑开挖高度3.4m（底脚位于圆心位置，方便挖机扒碴及下到坑拱架施工），下到坑开挖高度3.2m,均按直墙形式开挖；待上导坑掘进3m左右，下到坑开挖支护紧跟施工，支护形式与上导坑相同。
四、施工方法
1．喷封闭C20砼
隧洞塌方面封闭桩号为4+391～4+397段碴体斜坡面，喷厚20cmC20砼，防止断面灌浆过程中漏浆。封闭喷射C20砼作业一次进行。喷射时遵循先下后上、先凹后凸的原则，采用螺旋式喷射方式，喷头与岩面距离控制在80～100㎝，喷射角度尽量与岩面垂直，并根据回弹量大小予以调整。
2．超前注浆管棚
为了更快、更好、更安全的完成处理任务，在现今塌方断面松碴处向塌方面全断面施工超前注浆小导管管棚，向塌方虚碴灌浆，起到固结松动围岩和断面支撑作用，再进行后续工作，架立钢拱架。
（1）管棚加工：超前注浆管棚采用Ф48mm无缝钢管，长4.5m，前端制成尖状。前段4.0m钻Ф6mm小孔，孔距30cm，梅花型错开布置。
管棚加工形式图
（2）本段塌方处设置的超前注浆管棚，排距根据实际情况布置3.0m，管棚环向间距10cm，外插角7°～10°。
（3）管棚顶入长度不小于管长的90%。管棚制作尾部宜采用套丝并与注浆器相配套，方便于灌浆。
3.灌浆施工
本方案的灌浆内容包括：桩号4+391～432段落的固结灌浆、超前注浆小导管灌浆及桩号4+391至上游的塌方段及围岩固结灌浆。
（1）灌浆材料
①水泥
固结灌浆使用新鲜、无污染的42.5#合格水泥，且存放时间不大于3个月。
②灌浆用水
灌浆用水直接使用经过沉淀后的河水。
③外加剂
根据现场塌方的情况和此次灌浆目的，需要在水泥浆液中掺入速凝的外加剂，我单位采用水玻璃溶液来达到预期速凝的效果。
（2）施工工艺措施：
①钻孔前进行孔位、深度、孔径、钻孔顺序的确定及检查工作，采用风枪施钻，钻机安装应平整稳固，孔径及位置严格按要求施工。钻孔过程中进行孔斜测量，并控制好孔斜。孔钻好后，利用风枪将灌浆管送入孔内。
②注浆浆液采用水泥1：水0.8：水玻璃0.05（重量比）的水泥灰浆。注浆压力不大于0.6MPa，注漿压力达到0.6MPa关闭注浆器阀门，停止注浆，如在灌浆过程中发现灌浆压力一直持续不变，且管内继续吃浆，对该管停止注浆。
③灌浆方法
A.采用孔内循环灌浆法。当灌浆孔发生相互串浆时，可采用群孔并联灌浆或将漏浆口堵死，但孔数不宜多于3个，并应控制压力。
B.灌浆在规定压力下，当注入率不大于0.4L/min时，继续灌注10min，灌浆即可结束。
C.灌浆结束后，先将管口闸阀关闭后再停机，待洞内无返浆时，拆除管口闸阀。灌浆完成后，视情况割除灌浆管，使其不侵入二次衬砌净空。
4.钢拱架施工
在洞外按照设计要求断面钢拱架进行加工，上导坑每榀拱架共分2段，长度不同，交错布置，避免连接板位于同一位置；下导坑共2段直腿，洞内拱架通过测量后安装，测出隧洞中线，找出各单元节点的标高后，将各段按顺序安装就位，再检查钢拱架轮廓尺寸，按照设计要求进行调整，拱架采用Φ28mm长6.0m锁脚锚杆固定，每段6根，焊接牢固；钢拱架采用I16工字钢加工，间距为30cm。喷厚30cmC20砼后再进行塌方面核心土的出碴工作。
五、结束语
通过以上处理措施的实施,安全通过了塌方洞段,经量测表明,该段下沉、收敛情况稳定,支护结构表面无明显裂纹现象。运用上述方法,对宝瓶引水隧道桩号4+383处塌方开挖处理效果好、施工进度快、工程成本低、安全性高。在今后的隧道施工中,应加强地质超前预探、预报工作,对隧道前方岩性进行准确预测,并提前做好穿越塌方洞的应急预案,防止大面积塌方和涌水的发生。转
参考文献：
【1】吴焕通 崔永军 主编 《隧道施工及组织管理指南》人民交通出版社2005年第一版
【2】朱永全 宋玉香主编普通高等学校土木工程专业新编系列教材《隧道工程》中国铁道出版社2005年9月第一版
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。