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沙沱水电站灌浆隧洞开挖不良段处理施工技术
秦领军

[摘 要] 在隧洞开挖中出现不良地质段是比较普遍的现象，最重要的是如何制定合理、有效的处理办法，保证施工作业人员的安全。下文就针对沙沱水电站左岸371灌浆隧洞开挖施工中出现的一些不良地质段的处理技术，进行详细的阐述，旨在对隧洞开挖不良地质的处理技术进行交流学习。
[关键词] 灌浆隧洞开挖 不良段 处理 技术
一、工程概况
1、概述
沙沱水电站水库正常蓄水位265.00m，相应库容7.70亿m2，总库容9.10亿m2，其中，防洪库容2.09亿m2，调节库容2.87亿m2，属日调节水库；电站装机1120MW，多年平均发电量45.52亿kW•h；通航建筑物按四级航道设计，过坝船舶吨位500t级，年过坝能力为220万t，大坝防洪标准按500年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核；枢纽由碾压混凝土重力坝、坝身溢流表孔、左岸引水坝段、坝后厂房及右岸垂直升船机等建筑物组成。
2、灌浆隧洞设计
根据沙沱水电站前期勘探等数据，该电站的防渗共分三部分，即由左右岸坝肩及大坝廊道防渗体共同组成。廓道主要穿过的地层为O1m1﹑O1h﹑O1t2-2﹑O1t2-2﹑O1t2-1﹑O1t1，主要发育有F2﹑F8﹑F9﹑f22﹑f19﹑F2断层。
左岸371灌浆隧洞底高程为大坝高程，隧洞上部覆盖层薄，最薄处仅为13 m。隧洞实际开挖洞身全长840m，开挖断面宽、高为4m、4.9m。支护方式为一期支护和部分地段衬砌混凝土。洞室围岩类型主要为Ⅳ、Ⅱ类岩石。衬砌完后进行回填、固结、帷幕灌浆防渗处理工作。
3、水文地质条件
沙沱坝址以上多年平均降水量为1091mm。降水年内分配很不均匀，5～8月降水量占全年的58.1%，4～10月降水量占全年的85.1%。年内各月降水占全年的百分比以6月分的比重最大，为17.4%。全年降水量见表1-1。
表1-1 沙沱坝址以上流域多年平均降水量表
项目
1月
2月
3月

4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
全年
降水量(mm)
24.0
24.0
40.4
99.2
162.7
189.6
148.4
122.0
102.6
91.6
51.2
22.9
1091.0
占全年(%)
2.2
2.2
2.7
9.1
15.0
17.4
12.6
12.1
9.5
8.4
4.7
2.1
100
坝址区出露基岩为奥陶系桐梓组（O1t）至志留系龙马溪群（S1Ln）地层，岩性包括灰岩、白云质灰岩、泥灰岩、页岩、砂岩等，沉积韵律明显。第四系零星分布，以残坡积、冲积层为主坝址两岸Ⅰ级阶地位置地下水位低平，反映其溶蚀发育，地下水排泄畅通。暴雨后两岸边沿溶洞、溶蚀裂隙、平硐有多处出水点。
二、隧洞开挖方案综述
（1）本灌浆隧洞施工，因洞挖的断面尺寸较小，为了避免施工相互干扰，开挖和一期支护交叉进行，混凝土衬砌在开挖及一期支护全部完成后进行；
（2）隧洞的开挖作业，采用“新奥法”施工，光面爆破，及时支护；
（3）洞室开挖采用人工钻孔、全断面开挖；
（4）洞室支护紧随隧洞开挖进度及时进行分段施工，与隧洞开挖平行交叉作业。根据设计图纸要求和现场实际地质情况采用挂网喷混凝土、注浆锚杆等支护方式。
三、不良地质段揭露形式及处理施工技术
1、桩号0+270～0275段
揭露形式：
该段属于岩溶发育地段，从开挖断面出揭露情况判断，受岩溶系统发育影响，上部及左侧岩石破碎，右侧边墙出露了一垂直发育岩溶管道，有渗水，作连通性试验，管道内积水不能充满，可能与河床相通。岩石主要为灰岩，破碎，裂隙发育不规则。
施工方法：（1）对两侧及顶部松动岩块进行排除；
（2）按设计要求进行混凝土喷锚，进行初步加固；
（3）在设计好的工字钢安装位置环边墙进行锚杆孔钻孔，安装固定锚杆；在顶部要钻设超前锚杆，对未开挖部进行锁固；
（4）将洞外制作好的20b工字钢运至洞内，进行安装，间距为0.6m，中间加横向筋加固；纵向与已安装好的锚杆进行焊接。
（5）在已安装的工字钢支撑顶部摆放木板，最好是回填块石；
（6）对右侧的空腔区堆砌50cm厚的浆砌石，直到上部未脱空部位；
（7）对已进行的钢支撑进行喷射混凝土，进行第二次加固，便于钢支撑与岩壁形成整体。竹跳板安装铺设应在工字钢安装完3 榀之后即可安装，可以使作业人始终在有保护状态下作业。
（8）在超拱处钻设部分排水孔，排除上部积水，降低上部的压力。
2、桩号0+286～0+296段
揭露形式：
该部位在开挖过程中暴露出来，当时在放完一轮爆之后，就不断垮塌，垮塌物多为黏土夹有部分块石。待出渣过后，洞顶揭露为较大的岩溶空腔，内部为坍塌的黏土及块石充填，左侧及顶部为完整的有限空腔，右侧有不稳定岩块，右侧有渗水。
施工方法：
（1）根据塌方区域判断，上部为原始岩壁，相对稳定。总体思路采用20b工字钢进行支护，两边墙回填浆砌石至起拱处，最后进行全断面喷射混凝土。
（2）将洞外制作完成的工字钢运至洞内，进行安装，间距为0.5m，横向采用双层加强筋焊接或是采用工字钢焊接。
（3）在位于左侧边墙处钻设固定锚杆，锚杆入深至少1.5m，外侧与安装的工字钢进行焊接。
（4）工字钢安装以3榀为一组，安装后进行顶部铺设木板或是钢筋网片，如果条件及资源允许，最好是在木板下部铺设钢筋网片。木板的处好可使上部掉块软着落，避免直接冲击。但是不易于喷射混凝土形成有效整体。
（5）顶部支护完成后，在工字钢与边墙之间砌筑浆砌石，使浆砌有利石与钢支撑形成整体受力。
（6）对已完成的钢支护及浆砌石面，进行混凝土喷射，进一步加强顶部及两边的抗压强度。
（7）依此循环进行，直至对塌空面支护完成。
（8）考虑到上部临空面较大，加固范围应延伸至完整面以内至少1.5m，且在完整面上部安装钢支撑，并应在全断面内钻设锚杆与钢支撑焊接。
（9）同样应施工排水孔，降低上部压力，避免积水对松软岩块的侵蚀作用。
3、桩号0+325～0+440段
揭露形式：
该部位设计开挖断面为B断面，按设计图纸要求，本段不进行任何支护，但在开挖完成后，此部分与设计有出入，部分地段岩石为层状灰质页岩，易风化，剥落。因开挖隧洞为灌浆隧洞，洞内还需进行施工作业，为保证作业人员安全，针对此种情况，提出了加固方案。
施工方法：
（1）增设系统锚杆，锚杆设计参照主合同A型断面锚杆进行布置，锚杆长3m，入岩2.9m，外露0.1m。
（2）岩洞壁铺设钢筋网，间距为20*20cm。
（3）喷射C20混凝土，厚度10cm。
（4）在局部渗水部位应钻设排水孔。

4、桩号0+651～0+655段
揭露形式：
该部位揭露地质情况为，两边墙岩石完整，顶部破碎。顶部岩层破碎且夹有黏土，时有掉块，但不会大面积坍塌。主要是从保证作业人员安全考虑进行有效加固。
施工方法：
（1）先对出露面喷射一道C20混凝土，对破碎面进行初步加固；作业时要有专人指挥，随时观察顶部喷射混凝土的变化情况；
（2）顶部增加随机锚杆和系统锚杆，入岩深度可根据钻孔情况确定，但至少不少于3m，钻设角度为45°～60°，锚杆呈梅花型布置；
（3）制作安装钢筋肋，主要是把钢筋切割成长30cm左右，按照岩壁的平整程度及钻设的锚杆进行焊接，本处使用的钢筋型号为Φ22螺纹钢。
（4）待钢筋肋制作焊接完成后，再对该区域进行C20混凝土喷射，厚度10cm。必要时还可适当加厚，但应保证原有的设计断面不变或提前征得监理、设计、建设单位的同意。
5、桩号0+823～0+828段
揭露形式：
该不良地质段是在放完一轮爆之后，发现有部分破碎，在施工完第二轮爆之后，发现不断垮塌，垮塌物为块石、黏土，块石最大有2吨多，当时掌子面已全部被垮塌物封堵，待出渣过后，揭露一因塌方形成的大型空腔。洞内靠左侧有渗水，但不大。经现场观察，桩号0+823以里为完整的灰岩，塌方处为泥夹石，岩壁不规则，且不断有掉块下来，为此，断定该部位是受地质构造影响，是属上盘下降形成的正断层。此空腔上部大，下部小，根据出渣记录，总的是垮塌物约为700方。
施工方法：
（1）首先要对不良地质进行地质判断，确定是何种原因形成，另要观察塌方物为软质还是硬质。因形成原因不同，塌方物岩性不同，处理方法亦不同。
（2）针对此处是受构造运动形成的断层带且塌方物为黏土夹块石，不亦采用管棚法，黏土导致浆液无法扩散或是扩散效果不好，从而无法在塌方体形成有效加固体。
（3）通过以上分析，确定该部位的基本处理思路为：“堵头封堵，回填混凝土、短进尺、弱爆破开挖，强支护”。
（4）塌空区比较大，先对靠近临空面进行加固。加固方法采用钢支撑，间距0.5m，再进行喷射C20混凝土。
（5）在完成的岩壁及临空面间浇筑厚1m的混凝土墙作为堵头，随着堵头上升，不断在塌空区回填废木条及稻草。回填物高度不超过设计开挖线。回填物的作用可以减少掏心区施工的困难。
（6）在浇筑堵头时，应预埋泵管，泵管埋设至少要保证两根，一可以起到排气作用，二可以作为备用，三还可以使混凝土扩散更大。泵管延伸至临空面的高度应为开挖线以上3米，保证浇筑混凝土有足够的厚度，提高顶部的受压强度。
（7）回填混凝土，混凝土要求为高流态，自密式混凝土，此处回填为C15混凝土。混凝土输送采用HBTA60泵。
（8）待回填混凝土达到初凝时，应在环底拱边墙钻设锚杆，锚杆长度根据塌空区域及设备性能，此处设计为砂浆锚杆，锚杆长度6m。与回填混凝土形成有效整体，提高回填混凝土的抗拉、抗压强度。
（9）实施堵头及塌空区内的开挖，开挖采用“短进尺、弱爆破”，每一轮开挖长度控制在1m左右。
（10）开挖出渣后，即刻进行支护跟进，支护采用20b工字钢，间距0.5m，工字钢之间采用双层筋加固。
（11）支护完成后进行C20混凝土喷射，提高支护强度。由于底部岩体软弱，固在一定的钢支撑形成后，底部应沿钢支撑部位浇筑50cm厚的混凝土，防止钢支撑下沉。
（12）依此循环，直至穿过此塌空区。
（13）在两边墙超拱处，钻设排水孔，排除回填混凝土封闭后形成的积水。
6、桩号0+828～0+865段
揭露形式：
该段受地质构造运动影响，上盘下降形成的岩体。 岩体为黄绿、灰绿色页岩夹粉砂岩，下部泥质灰岩、灰岩与页岩互层,泥质页岩遇水泥化，具有塑性。在部分地段有渗水，在水力作用下，顶部及边墙不断垮塌，在开挖底板高程仍为同样的岩体。

施工方法：
加固后效果
钢支撑及超前锚杆支护形式

施工方法：
（1）针对此种情况，如在该地层预灌浆，效果不是很理想，经过分析，在此处是采用超前锚杆固定，边开挖边支护的方法进行。
（2）在已采用工字钢加固的部位钻设超前锚杆，锚杆长度控制在4.5m左右，顶拱锚杆是在工字钢中间打眼儿，锚杆从工字钢中预留的孔中穿过，钻设在待要开挖的岩体中。两边墙亦同样存在坍塌，固边墙两侧仍需钻设超前锚杆。
（3）在超前锚杆的固壁作用下，采用短进尺、弱爆破开挖，每轮开挖长度控制在1m 左右。
（4）将洞外制作好的20b工字钢运至掌子面进行安装，间距控制在0.5m左右。且新安装的工字钢要预留有锚杆孔，方便钻设超前锚杆与工字钢连接成整体。
（5）因顶部不断在坍塌，为此，在工字钢架设安装完成后，就在顶拱钢支撑上部铺设一条废木条，防止土体坍塌，引起上部不稳定。
（6）因底板处仍为泥质页岩，遇水泥化，防止已安装的钢支撑承受过大压力，整体下陷。在钢支撑安装2～3榀后，就对两边墙处的钢支撑底角进行浇筑0.5m高混凝土加固
（7）对已安装的钢支撑全断面喷射C20混凝土，提高支撑强度。喷射混凝土应与钢支撑及时跟进。
（8）喷射混凝土后，在渗水部位或是间隔5m左右钻设排水孔，排除岩体中的渗水。
（9）依此循环进行直至穿过该地层。
四、施工注意事项
1、出现不良地质段，首先根据出露情况进行为判断形成原因，并查看坍塌物的岩性及周边情况，方便制定更有效的处理方案。
2、出现不良地质段，处理应及时，但要慎重，避免造成情况进一步恶化。
3、在不良地质段施工时，应安排专人负责指挥，并随时观察岩体变化情况。
4、制定的处理方案也要考虑现场的资源配置，资源配置与可操作的方案相匹配。
5、以上方法只是针对开挖过程中的支护，对于一些空腔及岩溶管道会在混凝土衬砌施工中作永久性的处理。
6、所有的支护施工，不应占二期混凝土结构线，为此，在实施前应作好测量工作，范围不足应提前扩挖。
五、结语
沙沱水电站左岸371灌浆隧洞破碎岩层，通过地表及洞内开挖轮廓线一定范围内围岩的加固，方案设计合理，施工工艺及施工组织得力，确保了隧洞施工作业人安全。目前，该开挖工程全部结束，实践证明支护是成功的，值得类似工程借鉴。但唯有一点缺陷，就是在顶部回填部分木质材料。虽防止了破碎岩块及松软体的坍塌，但对隧洞的永久强度可能存在一定弊端。好在该隧洞为大坝左坝肩高层防渗廓道，不作为承重及压力管道，但在别的工程出现类似情况施工时，应重新探讨研究，寻找新的更好的办法。