不良地质条件下山体内弧形闸门竖井塌方处理措施.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER80第 40卷第 2期0 引言 地下洞室开挖过程中塌方是最常见的一种地质灾害1。塌方处理原则是：加固尚未破坏的岩体，防止塌方发展；先处理顶部，再处理其他部位；处理 1 个部位立即加固 1 个部位，加固完成后再处理其他部位。有地下水出露地段，一定要先切断地下水来源，然后再处理塌方2。轿子山水库泄洪隧洞闸门竖井塌方冒顶，下游侧倒悬体失稳，边坡垮塌，塌方处理面临的首要问题是如何防止二次开挖过程中倒悬体（两面临空）再次失稳。这个问题核心归根到底是如何加固坍塌的倒悬体。锚筋桩在工程广泛运用于加固边坡、洞顶围岩。锚筋桩在强风化砂岩边坡支护应用中，可发挥有效的抗拉与抗弯作用，充分利用桩体各项性不良地质条件下山体内弧形闸门竖井塌方处理措施李春雁1，梅德波2，陈忠润3（1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明 650000；2.云南省水利水电勘测设计院有限公司，云南昆明 650021；3.云南能源职业技术学院，云南 曲靖 655000）摘要：轿子山水库山体内弧形闸门竖井塌方，竖井下游侧倒悬体失稳，边坡垮塌冒顶。如何有效处理塌方，加固已失稳的倒悬体，防止二次开挖时竖井倒悬体再次坍塌，确保闸门竖井建成后安全运行是关键。在塌方处理中先对井内坍塌漏斗进行回填，后用混凝土梁+锚筋桩+固结灌浆联合从井口对下部岩体进行加固，再用锚喷支护+固结灌浆对井壁进行加固的措施，有效处理了塌方冒顶，联合支护对坍塌体起到良好的加固作用。关键词：弧形闸门竖井；塌方冒顶；锚筋桩；混凝土梁；固结灌浆中图分类号：TV698.2+5文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)02-0080-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.02.020Measures for Dealing with Collapse of Radial Gates and Vertical Shafts in Mountainous Areas under Poor Geological ConditionsLI Chunyan1,MEI Debo2,CHEN Zhongrun3(1.Yunnan Institute of Water&Hydropower Engineering Investigation,Design and Research,Kunming 650000,China;2.Yunnan Institute of Water&Hydropower Engineering Investigation,Design and Research,Kunming 650021,China;3.Yunnan Vocational Institute of Energy Technology,Qujing 655000,China)Abstract:The vertical shaft of the arc-shaped gate inside the Jiaozishan Reservoir collapsed,causing the inverted suspension on the downstream side of the shaft to become unstable,and the slope to collapse and fall.How to effectively deal with collapse,reinforce the unstable inverted suspension,prevent the inverted suspension of the shaft from collapsing again during secondary excavation,and ensure the safe operation of the gate shaft after construction is the key.In the collapse treatment,the collapse funnel inside the well is first backfilled,and then the lower rock mass is reinforced from the wellhead using a combination of concrete beams,anchor piles,and consolidation grouting.The wellbore wall is then reinforced with anchor spraying support and consolidation grouting.This measure effectively dealt with the collapse and roof collapse,and the combined support played a good reinforcing role in the collapsed body.Keywords:vertical shaft of radial gate;roof collapse;anchor pile;concrete beam;consolidation grouting收稿日期：2023-01-06作者简介：李春雁（1981-），女，云南宣威人，高级工程师，主要从事水利工程设计工作。*李春雁，梅德波，陈忠润 不良地质条件下山体内弧形闸门竖井塌方处理措施81能，提高边坡安全系数3。例如：龙背湾水电站工程溢洪道左岸不稳定边坡，采用锚筋桩支护形式，解决了粉砂岩为主的溢洪道左岸边坡不稳定和不断垮塌的问题4。糯扎渡水电站左岸导流洞进口渐变段为平顶，埋深浅，大跨度结构，施工前期采用悬吊锚筋桩预加固洞顶5，确保大跨度平顶隧洞开挖成型。锚筋桩在上述工程中运用效果良好，该工程经过分析后，创造性的提出了采用锚筋桩+混凝土梁+固结灌浆的方法加固坍塌的倒悬体，解决了此次塌方处理的关键问题。1 工程概况轿子山水库工程是一项集镇供水、农田灌溉供水及工业供水的综合利用工程。水库正常蓄水位 2 201.5 m，总 库 容 2 033104 m3。导 流 隧 洞与泄洪隧洞采用龙抬头结合，平面上呈“Y”字型布置，钢筋混凝土衬砌。泄洪隧洞由进口引渠段、有压洞身段、竖井段、无压洞身曲线段、无压洞身直线段、出口泄槽段、消力池、出口明渠组成6。泄洪隧洞全长 575 m，进口底板高程2 153.50 m，闸门井布置于山内，竖井井口结构外边线尺寸为 8.5 m7.7 m、竖井井底结构外边线尺寸为 17.8 m8.9 m，竖井下游底部扩大，下游侧形成倒悬体。泄洪隧洞闸门井从井口至井底穿过地层由上至下为第四系残坡积（Qedl）浅紫红色、灰褐色、褐黄色含碎石砂质黏土，局部夹碎块石；侏罗系中统上禄丰组第四层（J2l4）全弱风化，灰紫色、紫色中厚层状粉砂质泥岩，夹紫灰色细粒长石石英砂岩、泥质砂岩；侏罗系中统上禄丰组第三层（J2l3）弱风化，以浅灰色、紫灰色厚层状细粒长石石英砂岩7。围岩分类自上而下分别为类、类、类围岩。2 塌方情况及原因分析2.1 塌方过程泄洪隧洞竖井自上而下全断面开挖，采用卷扬机出渣，竖井下部泄洪隧洞先于竖井开挖完成，竖井开挖至隧洞顶部约 2 m 时，约 1.5 m 高度范围未及时支护，正在进行出渣支护时，井壁发生异响，撤离工人约 7 h 后，竖井工作面发生坍塌，继而引起竖井扩大部分倒悬体失稳，竖井下游侧岩体整体下沉，地面开裂、塌陷，造成已开挖段竖井下游侧临时支护破坏。见图 1。图 1 竖井塌方破坏示意图2.2 塌方原因分析塌方后参建各方及时到现场踏勘，针对塌方现状进行原因分析。经分析塌方原因有 2 点：地质原因：由于竖井周边岩体为全强风化泥质砂岩，受裂隙切割严重，岩体较破碎，同时下游侧岩体为倾向上游的顺层坡，易产生沿层面的顺层滑动；气候原因：虽然竖井开挖支护在枯期进行，但轿子山海拔较高冬季降雨降雪量丰富，受连续降雨降雪影响，岩体容重增大，抗剪强度降低，在重力作用下产生塌滑破坏8。竖井下游侧边坡本身大部分处于全、强风化岩体中，长时间的降雨降雪使得岩体容重增大，加之倒悬体底部围岩开挖后未及时支护，暴露时间过长，从而引起岩体失稳而塌方9，短时间内竖井下游侧坍塌冒顶。2.3 塌方处理难点水工隧洞布置线路根据隧洞的用途及特点，综合考虑地形、地质、生态环境、水土保持、枢纽和隧洞沿线建筑物布置、水力学、施工及交通、运行等各种因素，通过技术经济比较选定10，导流泄洪隧洞布置具有唯一性。施工阶段水工隧洞及竖井一般不具备轴线调整和竖井位置调整可能性，只能在坍塌体内重新开挖竖井，在竖井内安装闸门。水工隧洞闸门竖井，建成后长期处于水82云南水力发电2024 年第 2 期的作用下工作11，对于井壁围岩稳定要求高。如何锚固倒悬体，防止二次开挖过程中倒悬体再次失稳，是轿子山水库泄洪隧洞闸门竖井塌方冒顶处理的重点也是难点。3 泄洪隧洞竖井塌方处理措施3.1 专项处理总体方案塌方冒顶发生后，参建各方多次组织专家到现场踏勘，并召开专项会议12，按照塌方处理原则，针对竖井的塌方现状，参建单位作了详细的查勘和分析研究，提出了相应的专项处理技术方案13。对进口坍塌的边坡进行削坡处理，用开挖渣料把塌方漏斗回填至竖井平台口，井口地面做好硬化处理，防止竖井悬空下游侧山体发生再次坍塌破坏；是沿井口下游侧 3 个方向自上而下施作锚筋桩，锚筋桩上部采用钢筋混凝土连接梁把锚筋桩锚固端连城一体，并沿井口上游侧 3个方向自上而下对坍塌体进行固结灌浆；锚筋桩+联系梁的作用是把倒悬体从井口牢牢的拉住,从表面对坍塌体进行预加固14，防止再次坍塌破坏；固结灌浆井口及井壁联合布置，其目的是加固倒悬体围岩，提高围岩完整性15；在井口设置排水沟，竖井永久混凝土衬砌采用倒挂井法，自上而下浇筑，紧跟竖井初期支护。具体施工程序为：边坡削坡竖井回填、井口地面硬化井口锚筋桩施工固结灌浆开挖出渣及初期支护（永久衬砌紧跟初期支护）。3.2 专项处理措施1）边坡削坡。对竖井平台以上塌方形成的滑坡体边坡进行削坡处理，边坡为 1 1。削坡后，边坡采用挂网喷混凝土支护。喷混凝土厚 12 cm，强度等级为 C20，挂网钢筋采用6 mm200 mm。锚杆采用C25、L=4.5 m砂浆锚杆，间排距 2 m。2）塌方漏斗回填，井口地面硬化。采用石渣料回填竖井平台以下塌方漏斗，填平至竖井平台，并在其表面浇筑 30 cm 厚 C20 混凝土，边坡脚设排水沟，防止地面雨水进入塌方体内。3）锚筋桩+混凝土梁施工。在竖井口塌方边缘外设 1 排锚筋桩，锚筋桩间距 1 m，锚筋桩直径为 110 mm（开孔直径 150 mm，终孔直径110 mm），内设 3 根32 mm 钢筋束，锚筋桩采用水泥灌浆，灌浆压力为 0.3 MPa，锚筋桩深度除隧洞顶部位置为 35 m 外，其余均深入到底板下2 m，桩深44 m。锚筋桩顶部设400 mm300 mm（宽 高）的梁，串联全部锚筋桩，锚筋桩顶部梁采用 C25 钢筋混凝土梁。锚筋桩及混凝土梁井口布置见图 2。图 2 竖井井口塌方处理结构布置图4）倒挂井永久衬砌混凝土浇筑及固结灌浆。竖井纵向固结灌浆：井口地面硬化完成后，在竖井口上游及两侧的 3 面设 1 排灌浆孔对竖井周边围岩进行固结灌浆，灌浆孔布置在竖井结构外1 m，间距为 1.5 m，灌浆孔深除隧洞顶部 4 个灌浆孔为 35 m 外，其余灌浆孔深度均为 44 m，灌浆压力为 0.5 MPa；灌浆采用分两序加密进行，先灌注I 序孔，再灌注 II 序孔；竖井纵向固结灌浆布置见图 2；竖井径向固结灌浆：竖井混凝土浇筑时，塌方体侧混凝土部位预埋50 mm PVC 管，待永久衬砌强度达到设计强度的 70%后，在预埋管内钻孔进行固结灌浆。5）开挖出渣及初期支护。清理竖井内塌方体时，每清理深度达 0.6 m 及时架设钢支撑和喷锚挂网支护。环向钢支撑采用 20 号工字钢，竖向连接槽钢采用 10 号槽钢。工字钢间距 60 cm，竖向连接槽钢间距 100 cm。钢支撑两端每边均向山体内延长 50 cm，并与两侧墙原有钢支撑焊接牢固。钢支撑架设完成后，喷第一次混凝土（5 cm）封闭开挖面。待喷混凝土初凝后，钻孔安装砂浆锚杆，砂浆锚杆为 C25、L=4.5 m，其水平间距为 1 m，竖向间距为 0.6 m，砂浆锚杆外露 0.5 m（永久衬砌浇筑时，外露部分浇筑于混凝土中），并与钢支撑焊接牢固，钢支撑及锚杆安装完成后，喷混凝李春雁，梅德波，陈忠润 不良地质条件下山体内弧形闸门竖井塌方处理措施83土至 20 cm 厚作为初期支护。3.3 竖井塌方处理施工关键1）竖井混凝土浇筑。上部倒挂井混凝土浇筑和固结灌浆完成并凝固后，方可进行下部渣体开挖。竖井内渣体开挖采用自上而下分层开挖，边开挖边采用钢支撑和喷锚支护，开挖深 1.5 2 m后立即进行永久衬砌浇筑，浇筑后进行固结灌浆后再进行第二循环开挖。每循环高度不宜超过2 m，上下层钢筋混凝土的钢筋应焊接牢固，施工缝间应凿毛并设 2 道 BW-II 型止水条，混凝土浇筑时应保证接缝处浇筑密实。2）泄洪隧洞洞顶与竖井下游侧交叉段开挖至泄洪隧洞洞顶与竖井下游侧交叉段时，应先在隧洞顶拱位置设置108 mm，长度为 9 m，间距 0.5 m 的注浆大管棚。大管棚周边钻孔形成花管（孔径不小于 10 mm，孔距不大于 10 cm，梅花形布孔），采用进行水泥灌浆，灌浆压力 0.2 MPa 0.3 MPa。3）竖井原钢支撑变形处理。竖井扩大部分两侧边墙原钢支撑如有扰动或变形，需进行校正或更换，增设 C25、L=4.5 m 砂浆锚杆，其水平间距为 2 m，竖向间距为 1.2 m，梅花形布置。砂浆锚杆应与钢支撑焊接牢固，局部损坏的喷混凝土清理后进行补喷。4）竖井下游泄洪隧洞施工程序。竖井塌方体及下部开挖衬砌结束后，在大管棚保护下开挖竖井下游平洞，边开挖边进行钢支撑及锚喷支护，钢支撑间距控制在 60 cm 以内。及时进行竖井上下游平洞渐变段永久钢筋混凝土衬砌，以确保工程安全。竖井下部及前后渐变段衬砌完成后再开挖竖井下游泄洪隧洞龙抬头段。4 泄洪隧洞竖井塌方处理实施情况塌方处理的整个施工过程，严格按照确定的施工方案组织施工，合理安排施工工序，竖井塌方体圆满处理，坍塌范围未扩大，竖井二次开挖倒悬体围岩稳定，未发生变形破坏。5 结束语1）轿子山水库已于 2021 年下闸蓄水，泄洪隧洞闸门竖井边坡稳定，闸门竖井及泄洪隧洞至今运行正常。锚筋桩+混凝土梁+固结灌浆在不良地质条件下山体内闸门竖井塌方体加固效果良好。2）通过此次竖井内倒悬体失稳的处理，建议在进行山体内弧形闸门竖井倒悬体初期支护设计时，应结合地质、气候条件结合开挖体型进行综合预判，对于地质条件复杂或是雨雪充沛的地区，需对倒悬体提出加强支护方案，在施工中需提出及时支护的要求。参考文献：1SL 642-2013 水利水电地下工程施工组织设计规范S.2SL 378-2007 水工建筑物地下开挖工程施工规范S.3陈宇辉，王保田，叶琼瑶，等.强风化砂岩边坡锚筋桩布置方式及支护作用研究J.粉煤灰综合利用，2020,34（2）:15-20.4张东辉，李国超.锚筋桩在高边坡支护施工中的重要性J.水利建设与管理，2017,（增刊）:53-56.5李春雁，邓拥军，祝青.糯扎渡水电站导流洞渐变段悬吊锚筋桩参数选择J.云南水力发电，2008,24（6）:27-29.6云南省水利水电勘测设计研究院.昆明市东川轿子山水库工程初步设计报告：工程布置与建筑物布置R.昆明:云南省水利水电勘测设计研究院，2014.7云南省水利水电勘测设计研究院.昆明市东川轿子山水库工程初步设计报告.工程地质R.昆明:云南省水利水电勘测设计研究院，2014.8云南省水利水电勘测设计研究院.泄洪隧洞竖井塌方处理措施及要求R.昆明:云南省水利水电勘测设计研究院，2015.9水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册M.北京：中国水利水电出版社，2001.10SL 279-2016 水工隧洞设计规范S.11GB 50086-2015 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