水工隧洞开挖过程中的塌方处理

第１期（第３３２期）　吉　林水　利　２０１０年１月　［文章编号］１００９—２８４６（２０１０）０１—００５６—０４　水工隧洞开挖过程中的塌方处理　孙景荣　（吉林省九台市松其灌区管理处，吉林九台　１３０５００）　［摘要］　本文分析了水工隧洞塌方的原因，对塌方进行了分类；对塌方预防和处理措施作了详细论述。针对隧洞开挖阶　段发生的塌方问题。提出了“超前临时支撑法”的处理措施，且对该施工处理技术进行了简要概迷和举例说明。　［关键词］　水工隧洞；塌方预防；处理措施；超前小导管泣浆；先支后清；先棚后穿　［中图分类号］　Ｕ４４９．８　［文献标识码］　穿越的地层主要有：震旦系上统灯影组，寒　ｌ　前　言　武系下统筇竹寺组、沧浪铺组、龙王庙组、大槽　河组、寒武系中统西王庙组、上统二道水组及第　在水利水电工程隧洞开挖过程中，对石质坚　四系堆积物。　硬、围岩较完整的中小型断面隧洞，一般均采用　引水隧洞全长１２．７６ｋｉｎ，按照水利水电工　全断面掘进法进行开挖。但在比较松软的围岩条　程地质勘察规范ＧＢ５０２８７—９９将随洞围岩分为　件下，对于相对较小的隧洞断面，也经常采用全　Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ｖ类。根据围岩类别设计隧洞开挖　断面掘进法。对于比较松软的围岩，特别是Ⅳ　断面，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ｖ类围岩，隧洞开挖断面均　类、Ｖ类围岩，自稳性差，隧洞成型很困难，尽　为马蹄形，其中Ⅱ、Ⅲ开挖洞径均为５．５ｍ×　管在工程实际中要求采用短进尺、强支护、快衬　６．６ｍ，（宽×高）；Ⅳ、Ｖ类围岩隧洞开挖洞径　砌的施工措施，但也不可避免的发生不同程度的　分别为５．５ｍ×６．９ｍ，５．５ｍ　ｘ　６．９５ｍ，　（宽×　隧洞塌方。本文作者通过亲身参加的工程施工实　高），隧洞垂直最大埋深５４０ｍ。　例，对水利水电工程隧洞塌方原因作了较详细的　该水电站工程由黄河勘测规划设计有限公司　分析，并针对比较松软的围岩，特别是Ⅳ类以上　工程建设监理公司承担施工监理工作。　围岩，散体结构自身稳定性差的隧洞施工中发生　２．２隧洞塌方处理实例　的塌方问题，提出了“超前和径向小导管固结灌　四川省凉山彝族自治州美姑河坪头水电站引　浆，环向闭合钢支撑法”施工处理措施。　水隧洞１１＋６８５—１１＋７１２桩号段于２００７年８　月６日在开挖过程中发生一起大塌方。　２　工程实例　２．２．１　塌方原因分析　一　塌方段处于１１十３８０．８３—１２＋７９０．０７７桩　２．１　工程概况　段之间，其地层岩性总体为震旦系（ｚｂｄ３）上统　坪头水电站工程位于四ＪｌＩ省凉山彝族自治州　灯影组（ｚｂｄ。）的含磷硅质灰岩及细晶白云岩。　美姑、昭觉、雷波三县交界处。是美姑河干流上　垂直埋深１３０—２３０ｍ，水平埋深１５０—３２０ｍ，　的第五级水电站。整个工程由首都枢纽、引水系　洞轴线与岩层走向小角度（１０。一３０。）相交。　统及地下厂房系统等水工建筑物组成。总装机容　塌方发生后，监理工程师组织参建单位相关　量１８ＯＭＷ（３×６０ＭＷ）。　技术人员现场勘察，发现塌方范围广，塌碴已充　工程区年平均降水量８１４．３ｒａｍ，多年平均　满整个平洞开挖坑道，且补给量大，坍塌体顶部　气温１１．２℃，极端最高气温３２．３℃，极端最低　延伸到隧洞设计顶高程之上。从开挖揭露的围岩　气温一１Ｏ．７℃。　可看出，该段隧洞地质条件极差，山内侧岩性主　引水系统沿美姑河左岸布置，包括引水隧　要为黑色薄层状粉砂岩，岩层锈染成红褐色，拱　洞、调压室和压力管道。　部呈松散结构，自稳能力差，潮湿，有零星滴　［收稿日期］２ｏ０９一ｌ１—２６　［作者简介］孙景荣（１９５９一），男。工程师．现从事水利水电工程施工监理工作。　一５６—　吉林水利　水工隧洞开挖过程中的塌方处理　孙景荣　２０１０年１月　水。粉砂岩强度极低，手捏即碎。坍塌体为粉砂　岩碎石（一般粒径０．５—１５ｃｍ）和土混合堆积，　为Ｖ类围岩。与地质勘探及地质预报的岩性明显　不符，经地质专家对其分析，确定该塌方段为一　量大，成洞困难等不利条件，通过组织参建单位　有关技术人员专题研讨，提出先清后支，先棚后　穿等多种方案，经充分论证后，确定视坍落体为　松散围岩，在设计结构线外采用超前管棚固结灌　浆和径向固结灌浆的处理措施。首先形成棚顶，　少见的古滑坡体，由于岩体松散，胶结差，且　有零星滴水，加之开挖单循环进尺偏大１．９ｍ　（施工组织设计Ｖ类围岩单循环进尺１．０ｍ），致　使围岩失稳而塌方。　２．２．２塌方处理措施　然后在棚顶的保护下，人工开挖，环向闭合钢拱　架加强支护的方法穿越塌方体。　该塌方处理分三个部分进行：塌方影响段、　塌方段、塌方后影响段，详见图１。　针对围岩自稳能力差，坍塌体松散，补给　注：本图尺寸除钢筋直径以ｍｍ计外，其余均以ｃｍ计　图１　引ｌ１＋６９５～＋７０２段坍方处理拖工图　２．２．２．１　塌方影响段（引）１１＋７０２—１１＋７１２　２５ｃｍ。双排超前小导管环距４０ｃｍ，径向排距　３０ｃｍ，纵向排距１００ｃｍ（尾端置于钢拱架上），　１）对（引）１１十６９７—１１＋７０４段的格栅　钢拱梁后背空腔采用喷Ｃ２０混凝土回填密实；　上仰角及外插角５。一１Ｏ。，呈梅花形布置，然后　进行注浆，固结小导管周边的围岩。超前小导管　２）采用径向注浆小导管对（引）ｌ１＋７０２　一ｌ１＋７１２段周边围岩进行固结，以防止塌腔继　注浆后，再向拱部坍腔内打入长４—８ｍ的　４８　注浆小导管，同时向塌腔内打人　４８预留注浆　管，其长度视塌腔情况而定。预留注浆管尽可能　靠近坍腔壁。拱部塌腔待工字钢架支护后，再向　塌腔内注浆，填实塌腔。　２）（引）１１十６９５—１１＋７０２段坍落物固结　硬化成壳后，采用人工开挖，尽可能减少对塌腔　的扰动。　（引）１１＋６９８一ｌｌ＋６９５段每开挖　续向已成洞段进一步发展和扩大。径向注浆小导　管采用　４２的钢管，钢管的前端加工成锥形，　管壁四周钻　１Ｏ注浆孔，孔间距３０ｃｍ。钢管单　根长４ｍ，间距１００ｃｍｘ　１００ｃｍ，呈梅花形布置，　径向小导管尽可能垂直岩层层面施作。根据《水　工建筑物水泥灌浆施工技术规范》　～（ＤＬ／　Ｔ５１４８—２ＯＯ１）注浆采用纯水泥浆，水灰比１：１　０．５：１，先稀后浓。注浆顺序沿边墙至顶拱　由下至上间隔进行。　２．２．２．２塌方段（（引）１ｌ＋７０２一＋６９５）处　理　０．５ｍ后立即素喷５ｃｍ厚的Ｃ２０混凝土，然后挂　设　６．５的钢筋网，网格间距为１５ｃｍ×１５ｃｍ，　架立一榀Ｉ　１８工字钢架，问距０．５ｍ；钢架之间　１）待影响段处理后，对拱顶以下坍塌体表　面喷１５ｃｍ厚Ｃ２０砼封闭，以避免浆液流出。然　后自（引）１ｌ＋７０２向（引）ｌｌ＋６９５段对拱部　采用Ｉ　１６工字钢纵向将钢架连为一体，确保钢　架整体受力，纵向工字钢环向间距为０。５ｍ，钢　架安装时拱顶预留１５ｃｍ沉限量。拱脚每侧设４　根长．４ｍ的Ｔ４２注浆锁脚小导管对钢拱架拱脚进　行加固，拱脚底部设２０ｃｍ×２０ｃｍ的钢垫板，厚　１０ｍｍ，最后复喷Ｃ２０砼至２５　ｃｍ厚。　１５０度范围内坍塌体施作长６ｍ的　４８双排超前　小导管，管壁四周钻（ｐ１Ｏ注浆孔４排，间距　吉林水利　水工隧洞开挖过程中的塌方处理　孙景荣　２０１０年１月　３）钢架支护后在进行下步开挖前，施作　９４２径向注浆小导管，钢管单根长４ｍ，纵向间　距５０ｃｍ，环向间距ｌＯＯｃｍ，呈梅花形布置。　４）底板增设仰拱，仰拱低于设计底板开挖　高程３０ｃｍ，仰拱采用Ｉ　ｌ８工字钢在拱脚处与钢　架连接使之形成闭合环。　２．２．２．３塌方后影响段（（引）ｌｌ十６８５一ｌ１＋　６９５）　１）开挖前采取超前固结灌浆对围岩进行预　加固，使之在开挖轮廓线外形成硬壳，起到支护　围岩的作用。固结灌浆范围为拱部１５０。，注浆　管采用　４２无缝钢管，钢管四周钻９１０的注浆　孔，孔间距３０ｃｍ，钢管单根长３．５ｍ，环向间距　３０ｃｍ，上仰角及外插角５。一７。，钢管纵向搭接　长度不小于１．Ｏｍ，超前固结灌浆每２ｍ一环，　灌浆采用全孔一次的纯压式灌浆法，灌浆浆液采　用纯水泥浆，灌浆压力控制在０．５ＭＰａ之内。　２）固结后采用非爆破人工开挖法，以减小　对围岩的扰动。　３）每向前开挖５０ｃｍ后，立即初喷Ｃ２０混　凝土５ｃｍ封闭围岩，再施作Ｉ　１８工字钢架，间　距０．５ｍ。钢架采用西２５纵向连接筋连接，连接　筋长７５ｃｍ，环向间距５０ｃｍ，工字钢架内侧挂　９６．５钢筋网，网格间距为１５ｃｍＸ　１５ｃｍ；为使工　字钢架稳定，在起拱线及拱脚每侧各设置４根　￣４２，长４ｍ的注浆锁脚小导管；　４）施作　４２径向注浆小导管，钢管单根长　４ｍ，纵横间距５０ｃｍ×ｌＯＯｃｍ，呈梅花形布置，　径向小导管尽可能垂直岩层层面施作；最后复喷　Ｃ２０混凝土至２５ｃｍ。在塌方影响段、塌方段、　塌方后影响段有渗水的部位均布设入岩深５０ｃｍ　的排水管；钢拱架支护不能占用永久支护断面。　２．２．２．３注浆量控制　在灌浆施工过程中，为了最大程度地节省水　泥用量，降低施工成本，同时要达到良好的注浆　效果，在保证水灰比不变的前提下，采取了双重　控制指标，一是灌浆压力控制在０．５ＭＰａ以内；　二是根据坍塌体的一般粒径范围、孔隙率（３０　一４５　９，６）估算出注浆影响半径约０．２５—０．３ｍ，　同时根据现场注浆实际情况看，当水泥单耗达到　１５０ｋｇ／ｍ时，喷砼面已出现渗浆现象，说明注　浆基本趋于饱和状态，最终将注浆水泥单耗控制　在１５０ｋｇ／ｍ（导管每延长米）之内。限流、限　量灌注。该塌方段共施作注浆导管１０４４ｍ，水泥　耗量１５４．２ｔ，单耗为１４７．７ｋｇ／ｍ。　５８—　２．２．２．４锁脚锚杆的特殊处理　由于围岩松软，锁脚锚杆孔在钻孔过程中塌　孔严重，难以成孔，故在起拱线及拱脚每侧各设　置４根￣４２，长４ｍ的注浆锁脚小导管；考虑到　钢支撑安装初期变形量大，导管内的浆液尚未达　到一定强度，为提高其抗剪能力，确保钢支撑结　构稳定，注浆前在导管内增设一根　２５，Ｌ＝　４．Ｏｍ的螺纹钢筋。　２．２．３塌方处理效果　经过近一个月的努力，终于通过了塌方段，　完成了施工任务。自２００７年９月３日完成塌方　处理至２００９年６月１７日混凝土衬砌前，经过采　用多点位移计变形监测，围岩及工字钢拱架除前　三天有少量变形外，未见继续变形。实践证明，　所采取的塌方处理措施安全有效。同时很好控制　了灌浆水泥用量，塌方处理效果良好。　３　体　会　在水利水电工程隧洞施工中发生塌方的原因　很多，预防措施、处理方案多样，根据水工隧洞　的设计、施工方法和地质条件结合水工隧洞施工　中发生塌方实例，对塌方原因、预防措施、处理　方案等方面浅谈个人的体会，供参考。　３．１塌方原因　水利水电工程隧洞施工中发生塌方的原因很　多，主要为以下几个方面：　３．１．１　地质勘察资料与实际不符　地质勘探断面选则不合理，不能详细、真实　反映地质情况，导致地质勘察资料与工程实际不　符，开挖过程中的地质预报不够准确，对可能出　现的塌方，没有可靠的预防处理技术措施。一旦　遇到软弱夹层、破碎带地层，往往措手不及，造　成塌方。本文所举工程实例则属该种情况。　３．１．２地质因素　地质因素是造成塌方的重要原因。个别水利　水电工程往往由于建设资金紧张或追求节约投　资，对必要的地质勘探工作没有做到位，缺乏隧　洞所在地段的地质和水文地质资料，地质情况不　明，致使水工设计人员进行隧洞设计时，将隧洞　轴线选在了不良的地质区域，没有避开不良地　层：如饱和粘土、流沙、堆积层；断裂、褶皱　带；节理、裂隙发育带；含有各种不利的软弱结　构的围岩，以及溶洞、陷穴等地质不良区域。当　隧洞穿越不稳定地层时，很容易发生塌方。地下　吉林水利　水工隧洞开挖过程中的塌方处理　孙景荣　２０１０年１月　水发育的地区和地表水渗漏明显的地段，隧洞围　岩的强度大大降低，加之空隙水的作用．在隧洞　开挖过程中．极有可能发生坍塌冒顶，如不采取　有效的工程措施，将会造成塌方。　３．１．３　施工方法不当　施工方法不当也是塌方的重要原因之一。主　要表现为以下几点：　Ａ对稳定性差的围岩，开挖后没有及时支　护衬砌．围岩暴露时问过长，应力释放，山岩压　力增长，引起塌方。　ｂ开挖爆破时，爆破参数不合理，采用强爆　破或装药量过多．因强烈震动引发塌方。　Ｃ支撑结构不合理．支撑构件强度低，起不　到应有的作用；或支撑的位置和高程不当，在开　挖、衬砌过程中必须拆除，引起塌方。　ｄ不适当的停止施工．没有搞好施工排水，　使围岩长期浸泡．处于饱和状态，围岩强度下　降。一经扰动，便会引起塌方。　Ｅ对于强风化、松散、自稳性差的Ｉ＼ｒ类以上围　岩未能遵守“短进尺，强支护“的开挖原则，盲目　掘进造成塌方。本文工程实例中的塌方除地质资料　与实际不符外，同时存在着盲目进尺的问题。　３　塌方预防和处理措施　３．２塌方预防措施　对待水利水电工程隧洞塌方，应坚持以预防　为主的原则。认真做好预防工作，定会取得良好　的效果。预防隧洞塌方，主要从以下三点着手：　ａ认真做好勘测设计。在隧洞工程的勘测设　计工作中，深入细致调查和勘探隧洞所在区域的　地质和水文地质．详细掌握隧洞轴线和进出口的　地质资料．对隧洞穿越垭口、沟谷和山体认真分　析，尽可能全面掌握所有可能发生塌方的不良地　质情况。选择洞线时．尽量避开断层、溶洞、堆　积体及流砂、地下水和软弱破碎带等不良地层．　若必须通过时，应根据地质勘探资料和开挖过程　当中准确的地质预报．事先考虑相应的技术措　施。正确选定施工方法，认真做好施工组织设　计．以便指导工程施工。　ｂ施工中应正确合理选择施工方法和防塌技　术措施，准备必要的材料和工具。预防隧洞塌方　措施有：搞好施工排水、选择不同类别国岩进行　爆破试验，确定相应的爆破参数采用弱爆破或非　爆破开挖技术，合理控制开挖进尺、加强支护及　时衬砌等。　Ｃ施工过程中应经常进行检查，设置变形观　测点，对观测数据及时整理、分析，尽早发现发　生塌方的种种迹象，及时采取工程技术措施，防　止塌方事故的发生。　３．３塌方处理措施　对于水利水电工程隧洞塌方，尽管我们在工　程设计和施工过程中加强了各方面预防：［作，但　塌方事故还是时有发生。塌方发生后应及时对塌　方的原因进行分析，采取有效的处理措施，首先　加固未塌地段，以防塌方蔓延，让抢险工作有一　个安全的空间。同时，要组织相关人员到塌方现　场调查研究，查明塌方的范围、性质以及塌方区　围岩的地质构造和地下水活动情况，认真分析形　成塌方的原因，及时制定出可行的塌方处理方案。　根据塌方的规模和塌碴的补给情况，塌方可　分为大塌方和小塌方。当塌方体厚度大，范围　长，已将开挖坑道堵死，或塌方还继续不停的扩　展。人员不能或不易进人塌穴的，属＝ｊ二大塌方。　当塌方体不足以将坑道全部堵塞，塌方在较长时　间内不再发展或基本停止，人员有可能进入塌穴　观察处理的，则属小塌方。无论是何种塌方，我　们都应认真对待，并根据塌方的实际情况制定相　应的塌方处理技术措施。　在处理方法上，应按“小塌清、先支后清”　和“大塌穿，先棚后穿”的原则快速进行。“小　塌清、先支后清”就是指当塌方量不大时，可采　用将塌方全部清除的处理方法。在清除塌方之　前．应将塌方的顶部支撑牢固．避免继续塌落，　防止洞顶掉块砸伤施工人员。因为当隧洞发生第　一次塌方后，自然拱范围内的围岩还有继续坍塌　的可能，塌方坑道的两侧边坡常不稳定，先清除　塌碴可能会使侧壁失去平衡而松动塌落．塌方坑　道进一步增宽，自然拱进一步增高而再次塌方。　如此反复，极有可能引发大塌方。当然．若围岩　地质条件较好，塌方只是局部的松软夹层．且范　围不大，经观察分析不会继续塌方时。也可对塌　方进行清除处理，再进行支撑或不支撑。“大塌　穿。先棚后穿”。就是指当塌方量很大．一时难　以清除，塌穴形状和大小无法查明时，可将塌方　体视为松散破碎的地层，采用超前管棚固结灌浆　和径向固结灌浆形成棚顶。在棚顶的保护下，人　工开挖，钢拱架加强支护的方法穿越塌方体。　（下转第６１页）　吉林水利　浅谈水井泵的选配和安装　赵　慧２０１０年１月　Ｑｍａｘ＝ｑ・Ｓ　’　用水，怎样安装和使用机泵？各种机泵的构造、　式中：Ｑｍａｘ为水井最大出水量（ｒｒｌ。／ｄ）；　规格、性能、适用条件不同，安装也不完全相　Ｑ为水井水位每下降一米每日的出水量（ｍ。／ｄ　同，但都要做好三方面工作。　・ｍ）；Ｓ为水文地质条件和水井允许达到的降　２．１安装前的准备工作　深（ｍ）。　检查机泵泵体各部件是否因装卸、运输及其　一般来说降深（ｓ）不能超过一次抽水试验　他原因而有损坏。注意不同机泵的特殊构造、安　降深的１．５倍，单位出水量（ｑ）可用抽水试验　获得的水井出水量（Ｑ）除以这时的降深（ｓ）　装准备的特殊构造和安装准备的特殊要求，如深　求得。当然应注意，要使泵达到最大出水量时的　井泵应当将传动轴所涂的防锈油擦掉，清除此之　降深小于水井达到最大出水量时的降深，这是因　外轴端铁锈，泵管管箍在水泵管端的位置要恰当　为应该考虑区域水位下降和水井正常减少等情　等。　况，将水位降深留有余地。　２．２按安装工序要求安装　一五是考虑含水层岩性和水井质量。如开采的　定要按照机泵安装的顺序及每道工序的要　含水层岩性为细砂，筛管的孔隙又较大，投填的　求进行安装。不按顺序或不按工序要求安装，会　砾石直径又偏大，投填的又不均匀和不实，洗井　影响井泵运行甚至造成部件脱落井内。　或抽水试验又大量涌砂，或者开采层上部或下部　２．３在使用过程中要定期维护保养　有较细的砂层，封堵不好时，应该选配流量较小　井泵安装完毕后，不是一劳永逸、可以随意　的水泵，以避免投产后在生产过程中大量涌砂，　使用的，一定要定期维护保养，井泵维修保养一　磨损水泵及因涌砂过多埋没筛管，井外地层坍　般分为开动前、运转中的维护保养。各类井泵都　塌，导致水井报废。　有一定保养周期，离心泵每周都要维护保养，深　六是根据需水量的大小选配水泵，虽然水井　井泵保养周期为６个月至１２个月，潜水电泵一　具备选配大流量泵的条件，但实际不需要那么多　般在１年至２年。如果井泵安装没有问题，水井　水，选用机泵不经济，而且工作时泵开停频繁，　质量及地下水水质均较好，且水井运转情况正　容易损坏，还浪费油料或电力。所以应根据最大　可能需水量选配水泵。　常，则井泵保养周期可适当延长。　应当指出，在选配机泵时，应当综合考虑上　总之，地下水资源是宝贵的矿藏，合理开　述几方面因素。此外，还应当根据选配的水泵所　发、有效利用地下水，对工农业生产和城乡居民　需的马力、转数以及是否有电源等条件选配柴油　生活具有重要意义。水井工程施工和成井后的管　机或者电机。还要考虑到哪种机泵和零件货源充　理工作，直接关系到地下水的合理开发和有效利　足，坚固耐用，价格便宜，维修保养方便和操作　用。机泵的选配、安装和使用是水井施工和成井　简单等因素。　后管理的重要环节，合理选配、规范地安装和使　用机泵可以提高水井使用效率和使用寿命。对　２　按照规范进行机泵的安装和使用　此，地下水用户应当给予高度重视，并切实做好　相关的１作。口　机泵选择合理，但机泵的安装和使用有问题　也不能保证水井的正常运行，会影响生产和生活　（上接第５９页）　采取有效的处理措施。通过实践验证，本文提出　的对于松散体，自稳能力差的大塌方采用“先棚　４　结　语　后穿，超前和径向小导管固结灌浆，环向闭合钢　支撑法”的施工处理措施是安全有效的。可以应　综上所述，对于水工隧洞在开挖施工过程中　用到类似情况的塌方处理。由于塌方地段的地质　的塌方应以预防为主，详细的地质勘察、准确的　条件很差，塌方形成围岩更加松软、错乱，会形　地质预报、合理的结构设计、正确的施工方法是　成更大的山岩压力。因此，加强施工临时支护和　预防隧洞塌方的重要环节之一。一旦出现塌方要　衬砌措施具有重要意义。口　冷静对待，现场仔细勘查，认真分析塌方原因，　一６１—