金元水电站引水隧洞溶洞坍塌涌泥涌水处理技术.doc

1、1金元水电站引水隧洞溶洞坍塌涌泥涌水处理技术摘要：本文结合四川省甘孜州金元水电站引水隧洞洞挖施工中遇到的溶洞坍塌、涌泥、涌水处理情况，论述了在隧洞施工中遇到此类问题的处理方法及施工技术，可供类似地质条件的隧洞洞挖参考。 关键词：隧洞；溶洞；涌泥涌水；坍塌；处理；金元水电站 中图分类号：TV554 文献标识码：A 1 工程简介 金元水电站工程位于四川省甘孜藏族自治州的康定县境内、大渡河左岸支流金汤河干流的中上游。工程所处地势偏高，多年平均气温 7.1，多年平均降水量 1014.7mm。该电站是金汤河干流梯级开发中的第二级，为低坝引水式水电站，工程开发任务以发电为主，兼顾生态环境用水。水库正常蓄水

2、位 2610.00m，总库容 13.3 万 m3，调节库容 9.6 万 m3 ，水库具有日调节性能；主要水工建筑物包括挡水建筑物、泄水建筑物、左岸引水系统及厂房、钟鼓楼沟取水坝及有压引水副洞、公地沟取水坝及无压引水副洞等；最大坝高 27m，电站装机容量 12 万 kW，为等中型工程。 引水隧洞布置于金汤河左岸，从进水口至调压井洞长 15.545km，沿线分别在跨出龙沟、钟鼓楼沟、满龙沟、调压井上平段和底部引水隧洞段等处共设置 7 个施工支洞。本文涉及的引水隧洞从进水口至引 4+500段，全长 4500m，前端底板高程 2592.5m，末端底板高程 2537.9m。根据2围岩地质条件的差异，分别

3、采用不同的开挖断面，其中引 0+1664+500段洞室开挖采用简易马蹄形断面，底宽 4.1m，高 5.6m。 2 工程地质条件 引水隧洞引 0+000引 4+500 段沿线山体雄厚，山高坡陡，沿线需穿越杨柳坪沟、贡山沟和出龙沟。洞室穿越地层为泥盆系中统下段中上部灰白色灰色厚层含生物骨屑细晶灰岩、白云岩化细晶灰岩，夹少量深灰色千枚岩。岩层与洞轴线夹角 50o77，岩层倾角 60o80，洞室埋深100m857m，岩体新鲜、完整，围岩类别以类为主，洞室基本稳定。局部稳定性较差，围岩类别为类，需加强支护。 3 坍塌涌泥涌水原因分析及支护措施 3.1 溶洞坍塌过程及支护方案 1）当出现严重涌水、涌泥砂和

4、碎石现象时 引水隧洞掘进至 2#施工支洞下游引 3+240 处时在隧洞左拱顶揭露一较大溶洞，溶洞走向大致与引水隧洞呈斜交趋势，涌水十分强烈，随水带出来大量的泥沙及碎石等溶洞塌陷物，沿隧洞堆积长度达 35m，由于水势不减，施工困难，涌水长达 8 个月之久。雨季过后开始清除洞内堆积物，并加强洞内排水，为保证施工人员安全，首先在引 3+230引 3+240段采用钢拱架进行支护。 继续洞室掘进至引 3+252 桩号时，掌子面出现比较严重的涌水现象，且在洞室右侧发现局部存在软弱夹层。为安全起见，在引 3+247引3+252 段采用钢筋网（8150*150）+喷混凝土（C20，厚 15cm）+钢拱架（I1

5、4，间距 1m）进行支护。 3继续洞室掘进至引 3+255 桩号时，又在隧洞左拱顶揭穿该溶洞，出现更为严重的涌水、涌泥砂和碎石现象。鉴于此，清除洞内堆积物后，采用超前探孔地质预报方式指导洞挖作业。在桩号引 3+255 沿洞轴线方向超前探孔（孔深 22.5m） ，探孔揭露洞室前方待挖洞段地质情况见表1。 表 1 超前探孔地质状况一览表 根据超前探孔情况，计划采取支护措施见图 1。图中钢筋网未示出。 引 3+252引 3+277 洞段采取钢拱架（I18，间距 0.5m）+挂钢筋网（8150*150）+喷混凝土（C20，厚 20cm）方式进行洞室支护，拱架采用 1425 钢筋连接牢固，且每榀拱架设置

6、 1428，L=3m 锁脚锚杆。 溶洞出露处在工字钢上铺设 3mm 厚钢板，采用 16 钢筋与工字钢焊接，钢板与钢拱架的净距为 10cm，保证该处喷混凝土厚度达到 30cm；溶洞处紧贴工字钢两侧挂双层钢筋网（16100100） ，涌水处在钢板上预留孔进行排水，该孔将作为泵送混凝土泵管入口。 洞壁根据洞挖具体情况适当钻进 3m 作为排水孔进行排水减压。 在洞室掘进过程中根据洞室围岩揭露情况在洞室顶拱范围增设超4前锚杆（28300，L=5m） 。 图 1 引 3+252引 3+277 段引水隧洞临时支护示意图 2）当洞顶溶洞掉落塌陷物和大面积塌方时 在施工过程中，洞顶溶洞内不时有塌陷物掉落下来，洞

7、顶形成较大空腔。当隧洞掘进支护止 3+256 桩号时，洞顶溶洞发生了大面积塌方，塌方堆积体积约 9.6m3。清除洞内堆积体进行钢拱架施工时，洞顶不时有块碎石掉落，给下方洞内施工造成较大安全隐患。为安全起见，对支护方案进行了调整。调整后的方案见图 2，图中尺寸单位为 cm。 洞顶溶洞坍塌空腔部位及洞挖掘进方向位于洞室拱顶 120范围之内打 16108300 大管棚，L=13.5m，管内布设 322 钢筋束。 管棚施工完成后在管棚下部扩挖洞壁，架立城门洞形钢拱架（I18，间距 0.5m） ，各榀拱架采用 251000 钢筋连接，同时拱架采用1428，L=3m 的锁脚锚杆与岩壁固定牢固。拱架后侧空腔

8、采用型钢支垫，并与钢拱架焊接牢固。 洞壁挂 8150*150 的钢筋网，并与岩面紧贴。 为确保后期施工安全，先暂对洞顶塌方段空腔部位采取初期衬砌砼支护，衬砌最小厚度为 150cm，采用一级配 C25 混凝土。采用 JZC350砼搅拌机拌和，HBT50C 拖式砼泵输送入仓。共分两仓浇筑，首仓浇筑到拱顶以上 60cm，二次浇筑到拱顶以上 150cm。在架立模板和砼浇筑之前将溶洞来水采用预埋钢管集中引排，在溶洞塌陷空腔内预埋 50 钢管伸入拱顶以上 150cm 进行砼浇筑厚度判定。 5初期支护以上溶洞塌陷空腔采用 C15 砼进行回填处理； 初期衬砌砼施工完成后洞挖向前掘进施工时采用超前小导管注浆+钢

9、支撑联合支护方案（图 3，图中尺寸单位为 cm，8 钢筋网未示出） 。超前小导管为 42，L=4.5m，壁厚 4mm，导管壁钻 610 压浆孔，梅花形布置，导管前端加工成锥形，尾部焊接加劲箍。支护参数为小导管在拱顶 180范围内布设，环向间距 45cm，每排布置 20 根，仰角 45，轴向间距 2m；浆液采用纯水泥浆，水灰比采用 1、0.8、0.5 三个级别，水泥采用“雅森牌”42.5R 水泥，采用 ZJ-200 型制浆机制备浆液，BWT100 型压力泵注浆，浆液由稀变浓持续注入，当浆液压力达到0.3MPa0.5MPa（视围岩情况确定） 、注入率不大于 1L/min 时继续灌注30min 注浆

10、结束。 后续溶洞影响洞段采用设计开挖断面，短进尺开挖，出渣完成后立即进行钢拱架+钢筋网（8150*150）+喷砼（C20）进行支护。依据洞型钢拱架形式采用马蹄形，其它参数同上，喷砼厚度与工字钢内壁齐平。 图 2 引 3+256 处塌方段初期支护示意图 图 3 引 3+256 前方洞段小导管注浆及钢支撑支护示意图 3）洞顶空腔未按要求回填，在继续掘进中产生坍塌现象时 由于洞顶空腔未按照上述要求进行混凝土回填，施工方完成其余支护措施后即开始隧洞掘进作业，至 3+260 桩号时洞顶再次产生坍塌现象，6坍塌部位与上述坍塌洞段同属一个溶蚀洞、槽内。由于地质超前探孔显示前方围岩条件较差，为安全起见，采用长

11、管棚支护措施加强支护，支护方案具体如下： 长管棚管内插 325 钢筋束并灌浆，管棚单根长 21m，间距30cm。支护范围为左拱顶 60至右侧壁 90以下两根管棚处。管棚接缝及钢筋束的钢筋搭接部位错开布置，管棚孔位弧形布置在永久衬砌线以外。 管棚施工从已完成砼浇筑支护段掌子面处开始。 管棚完成后及时架立钢拱架，刚拱架间距 50cm，连接筋间距50cm，钢拱架上方布设 8150150 钢筋网片。 钢拱架完成后向空腔回填混凝土（泵送 C25，二级配） 。 上述支护方案施工时考虑到工期仍未对上部空腔进行混凝土回填即开始向前继续掘进施工，但由于洞顶空腔内积水太多，在向前掘进洞挖过程中洞顶空腔壁再次产生坍

12、塌，形成水夹块石泻出，砸坏下部 4 根已完成的管棚。后采用以下处理形式： 打通已浇筑完成的混凝土段顶部排水孔进行排水。 考虑到工期，在已浇筑混凝土洞段末段设挡墙并按照要求预埋混凝土浇筑管及排水孔、灌浆孔，在后期再进行洞顶空腔混凝土回填。 向塌方处浇筑混凝土进行封闭，待混凝土达到一定强度，上述管棚支护施工完成后继续进行掌子面开挖。 经采取上述支护方案，隧洞掘进顺利通过了该不良地质洞段。 3.2 原因分析 7上述金元引水隧洞洞段之所以在洞挖施工过程中多次发生涌泥、涌水及洞顶坍塌现象，究其原因主要有以下三点： 洞室围岩为灰岩，溶蚀现象较为突出，溶洞、溶隙、溶槽内地下水发育，且互相联通，在洞室周边形成

13、较大水压，地下洞室开挖后洞周薄层围岩在强大水压影响下极易破坏坍塌。 经调查，该洞段溶槽出露于引 3+240（左洞壁）引 3+262（右洞壁）段，呈条带状与洞轴线相交，近直立，洞顶宽度较大（最大可达6m）,洞壁宽度较小（最小约 2m） 。溶洞（槽）切割引水隧洞段极易产生涌泥涌水以及溶洞（槽）内壁岩体坍塌现象。 岩体倾角较陡（60o80） ，洞顶空腔高度太大未进行回填处理，在层状岩体自重及结构面（尤其层面）影响下极易剥落坍塌，对下部支护设施造成破坏，影响施工进度及人员设施安全。 4 结论及建议 对于金元引水隧洞引 3+240引 3+262 溶洞坍塌段，经采取上述挂网喷锚，小导管，长管棚+钢拱架等强

14、支护措施，结合超前钻孔预报形式的处理方案，隧洞掘进顺利的通过了该不良地质洞段，对类似溶蚀现象发育的灰岩地区洞室施工有一定的借鉴作用。结合该洞段施工情况，得出以下结论和建议： 对类似地质条件洞段，首先结合地质钻孔进行超前地质预报； 对于涌水量较大的优先采取“排”而非“堵”的措施； 对于采取常规的挂网锚喷及钢拱架支护方式效果较差时可以考虑超前锚杆、小导管和长管棚等超前支护方式，往往能取得较为理想的效8果； 顶拱坍塌高度较大的空腔尽可能先进行混凝土回填处理，对于高度不大的小型空腔可不回填或适当回填处理。 参考文献 1谭清林，四川省甘孜州金汤河二期工程金元水电站初步设计报告R，2005(3). 2中南院，四川省甘孜州金元水电站首部枢纽及引水隧洞上段工程施工招标文件R，2007(2).