河口村水库导流洞塌方段及断层带处理.docx
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河口村水库导流洞塌方段及断层带处理
河口村水库导流洞塌方段及断层带处理
林立
1、工程概况
河口村水库位于河南省济源市克井镇境内黄河一级支流沁河最后一段峡谷出口处,是控制沁河供水、径流的关键工程,也是黄河下游防洪工程体系的重要组成部分。
河口村水库工程是一座以防洪、减淤为主,兼顾改善生态、供水、灌溉、发电等综合利用的大
(2)型工程,属于河南省重点工程。
有混凝土面板堆石坝、泄洪洞、溢洪道及引水发电系统组成。
泄洪洞为2条,均布置在左岸,由进口引渠、进口闸室、洞身和出口段组成,其中2#泄洪洞由导流洞改建而成。
导流洞洞身长740m,纵坡1%,钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度为0.8m~2.0m,衬砌后断面尺寸为9.0m×13.5m。
2、地质条件
2.1地质岩性
导流洞穿越的地层从进口到出口依次为:
太古界登封群、中元古界汝阳群、寒武系馒头组。
太古界登封群是一套经受区域变质作用形成的杂岩体,岩性以花岗片麻岩为主;其次为正长片麻岩、石英片麻岩、云母石英片岩,含少量铁质石英碧玉岩。
岩体较完整,力学性质指标较高,透水性微弱。
中元古界汝阳群为一套滨海相沉积的碎屑岩,岩性主要为为灰白色、肉红色厚层石英砾岩夹透镜状石英粗砂岩;砾石成份单一,为石英岩,粒径1~30㎝,磨圆度好,基底式硅铁质胶结。
其次为为紫红色粉砂质页岩,夹灰绿色条带。
岩性坚硬,隐裂缝发育。
寒武系馒头组为一套浅海沉积的碳酸岩、粘土岩互层地层,岩性主要为灰质白云岩,局部有底砾岩、泥灰岩及泥化夹层。
岩层间滑动挤压,岩体破碎,岩层褶皱发育,岩性软硬相间。
2.2地质构造
1、断层
与导流洞有关的断层有F11逆掩断层,F3、F4、F5断层及五庙坡断层带(F6、F7、F8);其中,五庙坡断层带(F6、F7、F8)规模较大,对导流洞影响较大。
五庙坡断层带是由很多断裂面与岩层层面错综交汇组合的破碎岩体,主要由F6、F7、F8三条近东西向的阶梯状正断面层组成,断块北升南降。
断层走向、倾向稳定,但倾角在不同高程上变化较大,上陡下缓。
破碎带中,除上述三条断层外,还发育两组次一级小断层;一组是与主断层产状一致的高角度正断层;另一组是向北缓倾的俯冲式正断层。
五庙坡断层带起K0+244,止K0+376,长度132m;带内各断层相距较近,破碎带互相联为一体。
破碎带组成物质为散体结构的断层泥含泥角砾及碎岩石。
2、节理
主要发育4组节理:
①走向2700~2900,倾向NE或SW,倾角400~600;②走向00~200,倾向E或SE,倾角600~900;③走向600~800,倾向SE,倾角700~800;④走向3400~3500,倾向NE或SW,倾角600~850,其中,以①组最发育,②组次之,④组发育最弱。
不同的岩组,裂隙频率及各节理发育程度不同;同一岩组不同岩性裂隙频率及各节理发育程度亦有差异。
各岩组节理裂隙发育程度为:
太古界登封群裂隙短且少,为5.6条/㎡;中元古界汝阳群裂隙率变化较大,1条/㎡~9条/㎡;寒武系馒头组长而多,23条/㎡~27条/㎡;
3、塌方段形成
导流洞开挖断面11.0m(宽)×15.3m(高)~14.4m(宽)×17.8m(高),属特大型洞室开挖。
开挖分两层进行,上层开挖至拱脚下4.0m,全断面开挖;剩余为下层,分为二个梯段开挖。
3.1塌方段的描述
塌方发生于上层开挖过程中,塌方段从K0+348至K0+362,长度14.0m,塌腔高度10.5m,总计塌方577m3。
为复杂的地质条件导致围岩及初期支护整体失稳,从而引发的大规模塌方。
3.2塌方形成原因
1、地质原因
塌方段位于五庙坡断层带F6断层处,断层走向2850,倾向SW,倾角470,与洞轴线夹角约600。
断层上盘为寒武系寒武系馒头组白云岩∈1m4的白云岩,下层为太古界登封群Ard片麻岩。
断层面平直光滑,发育一顺层面的挤压性断层破碎带,主错带宽约8.0m,破碎带组成物质为散体结构的断层泥含泥角砾及碎岩石,大部分呈碎块状、碎屑状;岩体稳定性很差,围岩类别为Ⅴ类。
2、施工原因
从K0+376开始,已经进入F6断层,开挖时,除采用超前锚杆、随机锚杆及正常喷锚支护外,设计上增加了16cm工字钢支撑,间距1.0~1.5m。
由于施工单位技术人员和设计单位地质工程师对该断层的认识不足,开挖没有采用短进尺,同时支护强度不够。
2010年6月14日,上层开挖至0+348处时顶拱发生几次较大规模的塌方,将已经支护完的16cm工字钢拱架压垮;零星掉块的状态延续了近2个月,开挖施工暂停,塌方最终延伸至K0+362,见图3.2.1、图3.2.2。
图3.2.1塌腔及预埋回填管断面图
图3.2.3塌腔及预埋回填管剖面图
4、塌方段处理
4.1塌方处理方案
1、初步比拟方案
方案一:
洞碴回填,用石碴将塌腔封闭后在塌腔内回填混凝土,使混凝土层成为一个护壳,然后出碴。
方案二:
素喷塌腔,清除塌碴,型钢拱架、管棚支护,网喷混凝土封闭塌腔后回填混凝土并灌浆。
2、方案的确定
由于该段塌方比较集中,后期有零星掉块现象,塌腔一直未被石碴堆满封闭,开挖停止了近2个月,塌腔趋于稳定,塌方基本结束。
施工单位采用先进的Pw-77型湿喷车进行洞挖的喷射混凝土施工,可以先对塌腔进行素喷混凝土,然后进行塌方段的处理,故选择方案二。
4.2塌方处理过程
塌方段的处理分四个阶段:
1素喷塌腔、出碴、
2拱架、管棚支护
③喷射混凝土
④回填混凝土
1、素喷塌腔、出碴
塌腔稳定后,采用Pw-77型湿喷车从K0+362向K0+348素喷3~5cm的C20混凝土,ZL-50装载机、30t自卸车随后穿插出碴。
2、拱架、管棚支护
经设计单位同意,将16cm工字钢拱架改用22cm工字钢,间距调整为0.5m;拱架沿设计开挖边线支立,保证不侵占衬砌断面,拱架间采用Φ22的连接钢筋焊接。
拱架单根长度3.0m,端头为240mm×240mm×10mm连接板,在加工厂定型制作,通过M20螺栓连接,装载机配合进行安装。
沿拱架立柱布置直径Φ25、长度4.0m、间距1.5m的系统锚杆;同时在根部布置4根锁脚锚杆,直径、长度相同,锁脚锚杆下倾15°;锚杆采用锚固剂锚固,外露长度20~30cm,与拱架焊接牢固。
为保证拱架安装的安全,拱架上搭设防护管棚;管棚采用Φ76×8.0mm的厚壁钢管,间距40cm,长度3.0m,施工人员在拱架下部将钢管与支护起点的4榀拱架外弧焊接。
在支护前进方向探出1.5m,利用管棚提供的1.5m的作业面,进行3榀拱架的安装,并与钢管焊接形成对探出部分管棚的支撑。
拱架、管棚循环向前推进,直至到掌子面。
管棚推进的过程中,在其防护下在钢管外侧铺设Φ20,间距10cm×10cm的钢筋网,钢筋与管棚间及钢筋间采用焊接连接。
同时在钢筋网的外侧铺设网格0.5cm×0.5cm的铁丝网,铁丝网与钢筋网间采用20#铅丝进行绑扎,详见图3.2.3。
3、喷射混凝土
拱架、管棚、钢筋网、铁丝网完成后,采用Pw-77型湿喷车跟进喷射C20混凝土,分层进行,1.5m一个循环,厚度以覆盖住型钢拱架为限,使支护拱架形成一个受力整体。
图3.2.3拱架、管棚支护结构详图
喷射混凝土前,在适当位置开孔埋设Φ150mm混凝土泵管和Φ50mm回填灌浆管,将其与型钢拱架焊接牢固。
最高处的两根混凝土泵沿洞轴线左右对称布置,高度相差20cm;两根回填灌浆管分别与最高处的混凝土泵管焊接在一起,均高于泵管,其中一根顶在空腔最高处的围岩上,见图3.2.1、图3.2.2。
4、回填混凝土
喷射混凝土结束后,采用I22工字钢和Φ165钢管做门字型钢架对拱架进行支撑加固。
立柱底部采用I40工字钢通长布置,顶部I22工字钢与拱架间间隙采用硬木楔楔紧,支撑架间距2.0m,见图3.2.4。
回填混凝土分两期进行,一期回填厚度以顶拱处不超过80cm为限,分别通过低处的4根预埋管泵送混凝土入塌腔。
考虑施工人员进入塌腔振捣混凝土的危险性较大,拟采用C20自密实混凝土进行回填,因受费用制约,最后采用塌落度
16cm的C30混凝土进行回填。
拱架喷混凝土封闭前,在拱顶预留一个40cm×40cm的观察孔,对一期回填混凝土进行观察,调整上料部位,控制浇筑速度。
二期回填在一期混凝土结束7天后进行,通过中部和高处的6根预埋管泵送混凝土入塌腔,采用塌落度14cm的C20混凝土进行回填。
5、变形观测
混凝土浇筑前,在塌方段拱架型钢上焊接监测点,沿洞轴线3m一个监测断面,每个断面5个监测点,(拱顶一个,两侧各两个),见图3.2.5。
混凝土浇筑过程中,采用高精度水准仪和收敛仪每隔4个小时对顶拱变形量进行观测,测量数据及时整理、反馈。
图3.2.4塌腔回填砼支撑剖面图
图3.2.5塌方段典型收敛观测断面
6、回填灌浆
二期回填混凝土结束7天后,采用注浆泵对顶拱没有填满部分进行回填灌
浆,采用纯水泥浆,水泥标号P.032.5,选用0.5:
1的浆液,通过较低的那根灌浆管进行,顶在空腔最高处围岩上的那根留作排空。
5、断层带开挖
2010年9月10日,塌方段处理完成,出水口方向上层恢复开挖施工;因受到出口底板混凝土浇筑的制约,出水口方向上层开挖到K0+324停止,剩余上层开挖全部从进水口方向进行。
K0+244至K0+348段仍处于五庙坡断层带,岩石破碎,完整性差,局部节理发育,为Ⅳ、Ⅴ类围岩。
上层开挖严格控制钻孔深度和瞬间起爆药量,做到短进尺、弱爆破;采用锚杆、挂网、喷射混凝土对揭露的围岩跟进支护,做到快封闭。
节理发育段,采用超前锚杆进行处理。
围岩破碎段,采用超前小导管注浆对顶拱进行预处理;短进尺、弱爆破开挖后快速封闭,及时采用型钢拱架进行强支护。
破碎严重段,除快封闭、强支护外,采用小炮分区开挖,分左、右两个区进行。
5.1施工程序
1、节理发育段
开挖进尺→随机锚杆→素喷混凝土→系统锚杆→挂网→型钢拱架支护→喷射混凝土→超前锚杆
2、围岩破碎段
开挖进尺→素喷混凝土→系统锚杆→挂网→型钢拱架支护→喷射混凝土→超前小导管
5.2施工方法
1、超前小导管
塌方影响带地质条件差、成洞困难。
采用超前注浆小导管、钢拱架、锚网喷构成了纵、横向整体的支护体系,阻止和限制了围岩的变形,被加固的围岩与支护体系共同受力,从而进一步提高了围岩的自承力和稳定性。
①制作
小导管采用Φ42mm×4.0mm无缝钢管,长度350cm。
按图纸要求制作,将导管前端加工成圆锥形并予以封焊严实,管身按设计要求设若干溢浆孔(梅花型布置)。
溢浆孔布置范围为导管前端2.0m,管尾加工成丝扣式,与注浆扣软管连接,防止漏浆;管尾端设一个加固环,保持管身顺直,见图5.2.1。
②安装
小导管布置在顶拱120°范围,从拱架预留孔穿过,中心环向间距为40cm,
图5.2.1超前注浆小导管结构图
外插角度15°;小导管之间的搭接长度不小于1.5m,保证循环进尺时顶拱有双层小导管。
按设计要求确定钻孔方向、位置和外插角,采用YT-28式气腿钻钻孔。
安装时,采用YT-28式气腿钻制成的简易推进器将导管推入;力求导管尾端在同一剖面且外露长度30cm,然后对管尾周围喷混凝土5~8cm厚,以加强封闭,见图5.2.2、图5.2.3。
③注浆
采用3SNS注浆泵从拱顶向两侧注浆,冒浆或串浆,则间隔一孔或几孔分序注浆。
该洞段无地下水,采用纯水泥浆,水泥标号P.042.5,水灰比为1:
1,注浆压力为0.3Mpa;经过现场试验,水灰比调整为0.8:
1,注浆压力为0.5Mpa,孔口回浆与注浆浆液浓度相同或持续吃浆300L以上而压力仍未达到0.5MPa即可结束注浆。
2、超前锚杆
①普通锚杆
超前锚杆采用普通锚杆,Φ25钢筋、L=4.5m,锚固剂锚固。
中心环向间距为40cm,外插角度15°,沿拱开挖轮廓线外进行布置,锚杆之间搭接长度不小于1.0m。
②中空锚杆
遇到钻孔塌孔,无法采用普通锚杆,改用自进式中空注浆锚杆,Φ32、L=4.5m,使用YT-28式气腿钻缓慢将杆体直接钻进。
由于在破碎岩体中钻进,钻头的水孔极易堵塞;钻进时,尽量放慢钻进速度,多回转、少冲击,并注意水从钻孔中流
图5.2.2超前注浆小导管断面图
图5.2.3超前注浆小导管剖面图
出的状况。
若出现水孔堵塞,则应后撤锚杆50cm左右,并反复扫孔,使水孔畅通,然后再慢慢推进,直到设计深度。
钻进至设计深度后,用水或空气洗孔,确保水孔畅通。
浆液采用纯水泥浆,水灰比1:
1,灌浆压力为0.3MPa。
孔口回浆与注浆浆液浓度相同或持续吃浆200L以上而压力仍未达到0.3MPa即可结束注浆。
3、型钢拱架
拱架采用22cm工字钢,间距0.75m~1.0m,视围岩情况适当调整;拱架沿设计开挖边线支立,保证不侵占衬砌断面,拱架间采用Φ22的连接钢筋焊接。
拱架单根长度3.0m,端头为240mm×240mm×10mm连接板,在加工厂定型制作,通过M20螺栓连接,装载机配合进行安装。
4、系统锚杆
该段系统锚杆直径Φ22、长度4.5m、间排距2.0m,锚固剂锚固。
系统锚杆与拱架位置一致时,直接与拱架焊接,不统一时,另行增加锚杆,将锚杆端部弯折与工字钢拱架的翼板焊接牢固。
5、喷射混凝土
素喷和网喷混凝土均采用Pw-77型湿喷车,C20混凝土,素喷厚度10cm,网喷混凝土20cm,分层进行。
6、结束语
塌方段处钢拱架、管棚、网喷混凝土构成了混凝土壳体结构,不仅保证了支护过程的安全,更为塌方段回填提供了承重模板。
回填混凝土充填了塌腔,阻止和限制了围岩的变形,回填混凝土与支护共同受力,形成了承载能力更强的支护体系。
监测结果,型钢拱架在施工过程中未发现变形现象,进展较为顺利,34天完成了整个塌方段的处理。
目前,塌方段处理已过4个月,未见任何异常情况。
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11月13日,进水口方向开挖到K0+244,进入五庙坡断层带,12月12日,开挖到K0+324,导流洞上层贯通。
80m断层带,其中含F7、F8两条主断层和2条次一级小断层,29天开挖完成,因措施到位,处理得当,没有再发生塌方事故。
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