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淺談小型水利水電工程隧洞塌方處理

09-03 12:57:25  瀏覽次數:656次  欄目:水利水電工程
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  1、前言

  小型水工隧洞斷面通常都比較小,一般均采用全斷面掘進法進行開挖。全斷面開挖主要適用于石質堅硬、完整的圍巖。但在比較松軟的圍巖條件下,對于較小的隧洞斷面,也不得不采用全斷面掘進法。對于比較松軟的圍巖,特別是Ⅳ類以上圍巖,自身穩定性差,隧洞成型很困難,工程實際中要求采用邊挖邊襯工程措施。盡管如此,在工程施工中常不可避免的發生不同程度的隧洞塌方。本文對小型水利水電工程隧洞塌方原因作了比較詳細的分析,并針對隧洞施工中發生的大塌方問題,提出了“超前臨時支撐法”施工處理措施,且對該施工處理技術進行簡要概述和舉例說明。

  2、塌方原因分析

  小型水利水電工程隧洞施工中發生塌方的原因很多,根據小型水工隧洞的設計、施工條件并結合小型水工隧洞施工中發生塌方事故實例進行分析,塌方原因主要為以下幾個方面:

  一、地質勘察資料與工程實際不符,對可能出現的塌方,沒有可靠的預防處理技術措施。一旦遇到軟弱、破碎帶地層,往往措手不及造成塌方。2004年12月,貴州省畢節市倒天河水庫加高擴建工程右壩肩灌漿平洞在開挖過程中發生一起大塌方事故,經現場勘察分析,就屬此種情況。

  二、對不良地質地段的隧洞襯砌厚度不夠,不能滿足承載力要求,不能承受可能出現的山巖壓力,完工后結構遭到破壞,進而引起塌方。

  三、設計時,為了節約工程投資,過分追求較短的洞線,以便縮短洞身長度,獲得良好經濟效益,往往將洞軸線選在埡口最底處,趁溝進洞和出洞,且晚進洞、早出洞,加大了洞口處的開挖深度和洞臉仰坡的高度,卻對地質和施工的不利因素不予去方位的考慮,在隧洞洞口和洞身施工中都可能發生塌方。

  四、地質因素是造成塌方的重要原因。小型水利水電工程往往由于建設資金緊張,對必要的地質勘探工作沒有做到位,缺乏隧洞所在地段的地質和水文地質資料,情況不明,致使水工設計人員進行隧洞設計時,將隧洞軸線選在了不良的地質區域,沒有避開不良地層:如飽和粘土、流沙、堆積層;斷裂、褶皺帶;節理、裂隙發育帶;含有各種不利的軟弱結構的圍巖,以及溶洞、陷穴等地質不良區域。當隧洞穿越不穩定地層時,很容易發生塌方。地下水發育的地區和地表水滲漏明顯的地段,隧洞圍巖的強度大大降低,加之空隙水的作用,在隧洞開挖過程中,極有可能發生坍塌冒頂,如不采取有效的工程措施,將會形成極大的塌方。

  五、施工方法不當也是塌方的重要原因之一。主要表現為以下幾點:

  1、對穩定性差的圍巖,開挖后沒有及時支護襯砌,圍巖長期暴露,山巖壓力增長,引起塌方。

  2、開挖爆破時,采用強爆破或裝藥過多,因強烈震動引發塌方。貴州省納雍縣鞍山水庫除險加固工程泄水隧洞在開挖過程中,曾因此種原因引起較嚴重塌方事故,經改進爆破施工方法后沒有發生因爆破震動引起的嚴重塌方事故。貴州省畢節市倒天河水庫加高擴建工程右壩肩灌漿平洞在開挖過程中,也曾發生類似情況。

  3、支撐結構不合理,支撐構件強度底,或支撐的位置和高程不當,在開挖、襯砌過程中必須拆除,引起塌方。2003年9月,貴州省納雍縣鞍山水庫除險加固工程泄水隧洞在開挖過程中,曾發生一起塌方冒頂事故,經設計、監理、施工和業主等單位有關人員現場勘察分析,亦屬此類情況。

  4、不適當的停止施工,沒有搞好施工排水,使圍巖長期浸泡,處于飽和狀態,山巖壓力增大;圍巖強度下降,一經擾動,便會引起塌方。

  3、塌方預防和處理措施

  對待小型水利水電工程隧洞塌方,我們一貫主張堅持以預防為主的原則。認真搞好預防工作,將會取得良好的效益。預防隧洞塌方,主要從以下三點著手:

  首先,認真搞好勘測設計。在隧洞工程的勘測設計工作中,深入細致調查和勘探隧洞所在區域的地質和水文地質,詳細掌握隧洞軸線和進出口的地質資料,對隧洞穿越埡口、溝谷和山體認真分析,盡可能全面掌握所有可能發生塌方的不良地質情況。選擇洞線時,盡量避開斷層、溶洞、堆積體流砂、地下水和軟弱破碎帶等不良地層,若必須通過時,應事先考慮相應的技術措施,正確選定施工方法,認真搞好施工組織設計,以便指導工程施工。

  其次,施工中應正確合理選擇施工方法和防塌技術措施,準備必要的材料和工具。防塌措施有:搞好施工排水、采用弱爆破或不爆破開挖技術、合理掌握開挖進度、加強支撐和襯砌進度等。

  再次,施工過程中應經常進行檢查,及時發現發生塌方的種種預兆,及時采取工程技術措施,防止塌方事故的發生。

  對于小型水利水電工程隧洞塌方,盡管我們在工程實施工程中加強了各方面預防工作,但塌方事故還是時有發生。面對發生的塌方事故,我們是不知所措,還是認真對待,及時對塌方的原因進行分析,采取有效的處理措施呢?答案當然是肯定的。塌方發生后,應首先加固未塌地段,以防塌方蔓延,讓搶險工作有一個安全的空間。同時,要組織相關人員到塌方現場調查研究,查明塌方的范圍、性質以及塌方區圍巖的地質構造和地下水活動情況,認真分析形成塌方的原因,及時制定出可行的塌方處理方案。

  根據塌方的規模和塌碴的補給情況,塌方可分為大塌方和小塌方。當塌方體厚度大,范圍長,已將開挖坑道堵死,或塌方還繼續不停的擴展,人員不能或不易進入塌穴的,屬于大塌方。反之,當塌方體不足以將坑道全部堵塞,塌方在較長的時間內不再發展或基本停止,人員有可能進入塌穴觀察處理的,屬于小塌方。根據塌方的危害程度,塌方亦可分為嚴重塌方和輕微塌方。對于塌方后造成很大的人員傷亡或損失的,屬于嚴重塌方。反之,屬于輕微塌方。無論是何種塌方,我們都應認真對待,并根據塌方的實際情況制定相應的塌方處理技術措施。

  在處理方法上,我國廣大的工程技術人員經過對過去隧洞塌方處理經驗總結,認為應按“小塌清、先支后清”和“大塌穿,先棚后穿”的原則快速進行。什么叫“小塌清、先支后清”和“大塌穿,先棚后穿”?所謂“小塌清、先支后清”,就是指當塌方量不大時,可采用將塌方全部清除的處理方法。在清除塌方之前,應將塌方的頂部支撐牢固,避免繼續塌落,防止洞頂掉塊砸傷施工人員。因為當隧洞發生第一次塌方后,自然拱范圍內的土石還有繼續坍塌的可能,塌方坑道的兩側邊坡常不穩定,先清除塌碴可能會使側壁失去平衡而松動塌落,塌方坑道進一步增寬,自然拱進一步增高而再次塌方。如此反復,極有可能引發大塌方。當然,若圍巖地質條件較好,塌方只是局部的松軟夾層,且范圍不大,經分析不會繼續塌方時,也可對塌方進行清除處理,再進行支撐或不支撐。所謂“大塌穿,先棚后穿”,就是指當塌方量很大,一時難以清除,塌穴形狀和大小無法查明時,可將塌方體視為松散破碎的地層,采用超前支撐、開挖導坑的方法穿越塌方體。穿越前必須將塌方部為的兩端支頂牢固,防止塌方延伸。穿越時,使用插板法支撐,在導坑頂部采用插板插入塌方體,形成棚頂,在棚頂的保護下,逐步開挖進占,并考慮邊挖邊襯砌。

  貴州省畢節市倒天河水庫加高擴建工程右壩肩灌漿平洞在開挖過程中發生一起大塌方。經參建單位有關技術人員現場勘察,發現塌方的范圍極廣,塌碴已充滿整個平洞開挖坑道,且補給量極大,為飽和粘土夾巖石碎屑和小部分巖塊。經分析,該段隧洞圍巖條件極差,為Ⅳ類圍巖斷層破碎帶,巖性主要為主要為灰巖并夾有松軟粘土,地下水、節理、層理及裂隙發育,層面交錯,風化極為嚴重,且該上部圍巖為松軟粘土夾巖石碎屑,下部圍巖稍好,為塊狀巖體夾薄層松軟粘土,致使圍巖自穩能力極差,成型很困難。針對這一不利情況,通過參建單位有關技術人員研討,最后確定采用“超前臨時支撐法”施工方案對該段隧洞塌方進行處理。處理方法及步驟如下:

 。1)采用工字鋼和大直徑鋼筋預制鋼拱桁架。

 。2)施工排水。

 。3)采用輕型軌道鋼或工字鋼(可用廢舊材料)按一定水平間距沿隧洞設計開挖線以外斜向頂部打入塌方堆積體內,形成頂棚。

 。4)采用千斤頂調整軌道鋼或工字鋼高度,使其大致在隧洞頂拱外弧線上,并用圓木支撐固定。

 。5)采用預制鋼拱桁架支撐替換圓木支撐,用千斤頂進一步調整軌道鋼或工字鋼高度,使其在鋼拱桁架的外弧線上。

 。6)在臨時支護結構的保護下,邊挖邊撐,將隧洞設計開挖線內的塌碴逐段清除。在清除塌碴的同時,為了避免前方塌方堆積體發生坍塌,應采用鋼管、木樁或工字鋼等將掌子面塌方堆積體支撐牢固。各個支撐構件,均不得侵占襯砌斷面。襯砌后不再拆除。

 。7)隨即對隧洞按設計要求進行鋼筋混凝土襯砌。每掘進1m,應馬上立模澆注混凝土。

 。8)重復上述操作,循序漸進,逐步推進。

  經過約一個月的努力,終于通過了塌方段,完成了施工任務。

  4、結束語

  塌方地段的地質條件很差,塌方形成圍巖更加松軟、錯亂,會形成更大的山巖壓力。因此,加強施工臨時支護和襯砌措施具有重要意義。除此之外,我們應對襯砌以外的空洞和圍巖進行加固,填實塌穴,進行回填灌漿,力求根治,以免后患。

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