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1、复杂隧道关键施工技术研究,吕春雷 中铁十三局集团公司毛尔盖水电站C2-2标项目经理部 2008-12,隧洞开挖方法及施工技术地质保障技术-超前地质预报注浆加固技术及注浆效果评价塌方的预防及对策毛尔盖电站2#引水隧洞塌方处理总结,主要内容：,对于隧道而言，进洞是隧道施工的第一道工序，也是决定整个隧道施工成败的关键工序。洞口段的地质情况十分复杂而且断面大小不一，选择一个合适的施工方案直接牵涉到工程施工准备期的长短及下一步的施工效益、质量和安全。根据施工条件、围岩类别、埋置深度、断面大小、坡面情况以及环境条件等，并考虑安全、经济、工期等要求，钻爆法施工的大断面隧道的主要工法有：,台阶法中隔壁壁法-双
2、侧壁导坑法,隧洞开挖方法的选择,台阶法开挖,CD工法,CRD工法,双侧壁导坑法,工法选择不当造成塌方,工法及设计参数选择不当造成塌方实例,隧道洞口段施工由于洞口段复杂的地质条件，如：浅埋、偏压、围岩破碎以及目前隧道开挖断面大等特点，对进洞施工带来很多问题。因此在施工中除了要选择合适的工法外，辅助工法的选择也很重要。如果辅助工法选择不当或者施工不到位的话也会引起洞口的塌方，造成严重的后果。于是，在洞口段的施工中不仅需要采用合适的施工方法，而且要根据不同的地质条件选择合适的辅助工法。,采用洞口辅助工法的意义,大管棚支护,一般用在洞口段，不宜用在洞内，长度以3050m为宜，环向间距以3050cm为宜
3、。,山西灵石隧道洞口超前大管棚施工,2#隧洞塌方处理管棚施工,小导管注浆,用在浅埋、软岩、不良地质地段，小导管的角度和刚拱架的间距有关，小导管的环向间距以30-40cm为宜，长度和第一步开挖的台阶高度有关，长度宜超过第一步开挖的台阶高度的破裂面。,辅助工法选择不当,套拱应有一定的长度，一般34m为宜；套拱的基础应支承在稳定的地层或结构物上；大管棚施工应保持较高的水平精度，避免进入隧道开挖空间，造成割管现象；套拱与地层的连接部位应进行加固处理，以免刚度差异较大引起的地层坍塌；及时封闭，并加强地层变形监测，严格控制地层沉降和收敛。,隧道洞口段施工技术要点,TSP地震波探测地质雷达红外探水水平钻孔（
4、直接取芯）综合预报手段,超前地质预报技术,贯彻“因地制宜、长短结合、贯穿全程”的地质保障原则，把超前地质预报作为一道工序，先探后掘，摸清地质情况，减少地质风险，以从根本上保证隧道施工的安全、顺利、快速进行,超前地质预报方法选择,长距离：TSP203短距离：地质雷达、红外探水,初步探明交界面、不良地质体,TSP地震波探测,水平超前探孔,水平超前探孔,长距离：6070m、每断面6个。短距离：610m，每断面6个。,红外探水,利用红外探水仪接收岩层向外部发射的红外辐射信息，根据辐射场强的变化值来确定掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体，对含水体方向进行记录，结合地质报告进行分析并做出判断。,地质雷
5、达,地质雷达记录数据,掌子面前方溶洞,忽视超前预报,围岩软硬交替处塌方,塌方处理,超前小导管帷幕注浆要到位，这是避免不良地质段隧道出现坍塌及大范围冒顶的前提和保证。锁脚锚管应按要求打设，并严格注浆，由此可以有效防止拱顶沉降和围岩变形，使初期支护及时发挥作用。初期支护背后及时进行回填注浆，这样一方面可以减小围岩的无支护范围，避免冒顶的发生；同时可使支护结构与围岩密贴，使支护结构受力更趋合理。在下台阶施工时，应尽量减小上台阶支护结构的悬露时间和悬露范围，及时进行支护。,不良地质段(导洞)上台阶施工的技术要点,全断面注浆,超前注浆,2#洞超前管棚注浆,初期支护背后回填注浆,毛尔盖电站2#引水隧洞径向
6、小导管注浆加固,全断面预注浆堵水加固效果,注浆后掌子面干燥稳定,注浆前掌子面泥塑状不稳定,注浆效果,由于隧道工程本身的不确定性，隧道工程本身存在较大的风险性。近年来发生的一系列的塌方等风险事故也提醒着我们要加强塌方的预防管理，尤其对复杂地质条件下的隧道工程施工而言，隧道本身的地质复杂性更增大了塌方等风险事故发生的概率，具体表现在以下几个方面：不良地质地质灾害有害气体及高温爆破、施工用电等造成事故,塌方的预防及对策,不良地质(P1),粉细沙层充填物,淤泥质充填物,不良地质(P2),灵石石膏矿采空区,回填处理后的溶洞,不良地质(P3),富水沙层侵入开挖限界,贯通掌子面的岩脉,地质灾害（P1),断层
7、处有大量涌水点,涌水,地质灾害（P2）,涌 砂,掌子面涌泥,地质灾害（P3),突 泥,地质灾害(P4),局部小范围塌方,围岩严重变形,由于复杂地质隧道工程施工中存在着大量的不确定性因素，为了确保隧道工程施工的质量，我们必须对隧道施工中的存在的塌方风险进行规避和控制，以尽可能地控制和避免安全事故的发生。运用科技手段、成熟的技术、先进的设备和可靠的经验，有效降低隧道工程施工的塌方风险。,塌方的预防及对策分析,塌方的预防及对策分析P1,塌方的预防及对策分析P2,塌方的预防及对策分析P3,2#引水隧洞塌方处理总结,1工程概况毛尔盖水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州黑水县境内，黑水河中游红岩乡至俄石坝河
8、段，是黑水河流域水电规划二库五级方案开发的第3梯级电站，该电站为大（2）型引水式，单一发电工程。电站首部位于河口下游约400m的渔巴渡河段，坝址距上游黑水县县城约26km，距下游茂县县城约98km；厂址距茂县县城约79m。毛尔盖水电站引水隧洞全长约16.15km，中铁十三局集团有限公司承建的MEG2007/C2-2合同段起讫里程为（引）2462（引）4499，隧洞总长2037m，断面为圆形，内径8.60m，开挖断面为直径9.410.2m的圆形，纵坡1.58，全断面采用钢筋混凝土衬砌结构。桩号（引）2462（引）3520，段长1058m，隧洞最大埋深600m，与岩层走向夹角约2060左右。该段岩
9、层软硬相间，千枚岩所占比例比较高，表现为互层状结构，岩体完整性差，围岩不稳定。施工开挖时易产生小规模塌方。桩号（引）3520（引）4499，段长979m，其中包括双溜所沟，最浅埋深约75m，覆盖层厚约5m，成分主要为崩积、洪积成因的块碎石土，与岩层走向夹角约2060左右。该段因过沟段隧洞洞顶板上覆基岩厚度小，沟内常年流水，风化卸荷作用强烈、地下水比较活动，岩体完整性差，呈碎裂散体结构，围岩极不稳定。如在过沟段进行开挖时突发性大量涌水，有可能导致大塌方。因此，塌方的预防和处理是一个难点。,2塌方情况 毛尔盖水电站2#引水隧洞开挖采用“新奥法”施工，上下台阶法开挖（类采用全断面开挖），其中下台阶预
10、留断面2米。全隧道施工均采用光面爆破技术。2008年8月26日，引水隧洞下游掌子面开挖至桩号（引）3+321时，在排险过程中，拱部出现局部掉块，深度约2m。8月27日，经业主、设计、监理、施工单位四方查看现场后形成了该塌方段处理方案:按80cm间距施作钢支撑（18工字钢），采用超前锚杆及模喷混凝土支护措施。我部按照该方案对塌方段进行了处理，并安全通过该段施工。9月7日，继续进行洞挖施工，在钻爆前按既定方案要求认真施作了超前锚杆，但放炮后掌子面再次出现塌方现象，塌方岩石将超前锚杆压毁，并将超前锚杆从岩体中抽出，塌方深度约3米。塌方后施工单位立即通知业主、设计、监理来查看现场，并形成了（引）3+3
11、21（引）3+323段塌方处理方案：按40cm间距施作钢支撑（18工字钢），采用超前注浆小导管超前支护措施。9月10日，施工队已经支护好两榀钢支撑，在晚22点进行下三榀工字钢施工过程中，再次出现塌方现象，将已经支立好的三榀工字钢砸毁，塌方深度约4.5米。在9月11日，早晨监理查看了塌方现场，并指示我部清理好现场，按原定方案重新支护。9月13日，早晨我部工人已经将重新加工的三榀钢支撑安装就位，锁脚锚杆也施作完毕，正在准备施作喷射混凝土时，掌子面再次出现塌方现象，将三榀工字钢砸毁，将钻爆台车掩埋（包括12台风钻，2台电焊机），塌方深度约15米，且在（引）3+316（引）3+317附近已经喷护好的混
12、凝土表面出现两条裂缝。到9月14日早晨，塌方体继续垮塌，将（引）3+321附近两榀工字钢砸毁，并且在（引）3+320处右侧155方向，已经喷好的混凝土面被杂掉，面积约0.8m2。9月15日17日对（引）3+305（引）3+321段进行变形观测，发现2条裂缝，围岩变形较大。,塌方照片,9月7日塌方砸毁超前锚杆,9月10日塌方砸毁3榀钢支撑,塌方砸毁台车等设备,2008年9月17日，经四方会签形成K3+305-K3+321段加固处理方案，10月8日我部将K3+305-K3+319段按会签方案加固处理完毕（K3+319-K3+321因有渣体，无法进行加固处理）。10月9日，我部经请示监理进行出渣作业
13、，在把下面固结后的渣体出完后，洞顶渣体伴有大块石滑落下来，把K3+319-K3+321段单层钢支撑砸毁，砸毁钢支撑4榀。10月10日，观察渣体不再滑落后，继续进行出渣，在出渣过程中，又有大块石滑落下来，并将加固后的双层钢支撑砸毁8榀（上下各4榀）。10月11日，观察渣体不再滑落，我部继续进行出渣作业，在出渣过程中不断有渣体滑落或塌方现象，并伴有许多大块石塌落下来，经监控量测临时支护变形较大。10月12日，在二滩监理组织下四方对塌方现场进行查看，在查看现场过程中连续三次出现滑落或塌方现象。10月13日上午，在出渣过程中，再次出现坍塌现象。1316日观察洞顶空腔内不断有掉块现象，在16日早晨发现从
14、渣堆底渗水现象，17日观察渗水量增大，而且仍有掉块现象。截止目前已经出渣189车，每车18m3,松渣约3402m3，折合实方约2268m3（系数按1.5计算）。塌方桩号估计为3+3163+325（其中塌方前掌子面桩号为3+323），估计掌子面向前坍塌了2m，隧洞宽度为10m，经估算，塌方高度为25.2米。塌方范围为（引）3+316（引）3+325。经参建四方现场勘察并绘制成图(图1)，经过四方察看现场决定对塌方进行变更处理。3塌方原因分析事后对塌方的原因进行了调查分析，其原因为：(1)不良地质造成的塌方，塌方后发现掌子面为薄中层状砂岩与千枚岩互层，岩体呈碎裂嵌镶结构，由于上段塌方引起掌子面岩体
15、松动，造成掌子面塌方,地下水发育。(2)施工中对围岩认识不足，没有根据该段围岩实际情况及时进行变更支护形式。,10月1日渣体注浆,10月16日渣体渗水,4塌方抢险处理针对现场塌方的实际情况，塌方处理分两步进行：首先对受塌方影响的初期支护裂缝地段进行加固；其次是对塌方体进行抢险处理。,4.1裂缝段落加固处理措施塌方事故直接影响初期支护拱体长度达16m，拱顶初期支护下沉变形较大，共出现4条大裂缝，最大裂缝为3 cm，一处喷射混凝土掉块，已经喷好的混凝土面被杂掉，面积约0.8m2。为了防止塌方范围继续扩大，以及防止前端的初期支护下沉变形加大或再次出现裂缝等现象，对初期支护裂缝地段采取了如下加固措施：
16、(1)停止下游洞内一切施工作业，以减少对围岩的扰动。(2)对桩号（引）3+305（引）3+320.6段初期支护进行加固，在拱顶180以上范围内，打505 mm径向注浆小导管（L=5.0m），呈梅花型布置，间距为0.5m0.5 m(图2)。施工后及时注浆以加固围岩或松散渣体，防止洞室周围围岩塑性区进一步扩展。小导管周壁注浆比较简单，注浆时间短，符合该段处理的实际情况，通过监控量测结果可以看出小导管注浆后围岩变形减少，达到了预期的效果。,(3)采用18工字钢施作钢支撑，间距4060cm，每榀钢支撑施打22锁脚锚杆20根，锚杆长度3.0m，钢支撑用22纵向钢筋连接，环向间距1.0m。加设楔形木垫于原
17、喷射混凝土与钢支撑之间塞缝。对于原来有钢支撑段落安装位置应同原钢支撑重叠（临时支护在施作二次衬砌时，如严重侵限可拆除）。(4)径向小导管注浆前先喷5-10cm厚度的C20砼封闭掌子面，并根据需要打导管预注浆固结松散渣体。(5)在边顶拱以上先行施作混凝土衬砌施工。长度为12m,分两板进行衬砌,该段按2类围岩衬砌断面形式进行混凝土衬砌施工，桩号为K3+301K3+313。4.2塌方整治总体方案 通过现场采用了美国地球物理公司生产的SIR-3000地质雷达（天线主频为400M）对塌方体上面空腔进行探测得知塌方体围岩结构大部分松散，塌方空腔较大(估算高度为25.2m，不含隧洞高度)，塌方体不对称，右侧
18、空腔较大。在处理、加固好未塌方段后，在保证安全的前提条件下，按照下列方案和工艺过程进行塌方处理。(1)加强对塌方段的监控量测，对洞周、塌方范围进行定时、定位的观测，随时掌握塌方体动向。并及时反馈进行分析，修正和完善抢险方案，提供补救措施。施工过程中派专人进行观察，一旦有再次塌方迹象，施工人员立即撤到安全地带，保证支护过程中安全施工。(2)在塌方体渣堆表面喷1层10cm厚的C20早强混凝土将塌方体封闭，保持塌方体稳定。(3)在塌方体表面打入50mm小导管，梅花型布设，间距为10m，导管长为5m，注30号水泥浆以固结塌方体，对塌方体的导管注浆逐级跟进，注浆压力为0.51.0MPa。(4)沿渣堆顶部
19、初支出露的轮廓线，在桩号为K3+317处，施打89mm超前管棚,环向间距40cm，单循环长度暂定25m，外插角5度，布置范围为顶拱120度。注水泥砂浆,以固结塌方体或岩体，注浆压力为2.025MPa。注浆前在管棚内插入3根22钢筋，保证注浆后管棚的刚度，使其能承受更大的塌方体等荷载。(5)在临时支护断面内施打泵送混凝土钢管，对塌方空腔进行泵送混凝土施工，泵送混凝土厚度至少保证22.5m内。(6)挖除渣体后，施作钢支撑支护（18工字钢）至掌子面，间距最大不超过20cm。(7)连接筋环向间距0.5m，全断面挂钢筋网（6.5、2020cm），并用50mm注浆小导管锁脚，导管长度5.0m,每榀钢支撑每
20、侧施打6根。(8)对K3+313K3+325段边顶拱以上进行混凝土衬砌施作，长度12米，分两板进行衬砌施工。其中K3+313K3+317段按类围岩衬砌断面施工，K3+317K3+325段按类围岩衬砌断面施工。超前管棚布置见图3和图4。(9)处理完塌方段后，通过地质雷达预报确定围岩情况，具体支护方案根据四方共同确认后再重新调整。,5塌方处理的施工要求(1)项目部一定要由领导带班、技术人员和安全员24小时轮流值班，遇到突发事件，立即采取应急处理措施。(2)及时汇报，先期监控频率按2 h次，待变形基本控制住后可每班监控1次，及时向业代处和总监办汇报监控结果。(3)在施工过程中，应以安全为重，为了防止
21、作业人员疲劳，宜采用3班工作制，禁止无关人员进入洞内，安全员应随时注意观察围岩变化。若有突变，所有人员必须立即撤离。(4)应加快处理速度，以尽量减少裂缝发展。6结束语通过毛尔盖水电站2#引水隧洞塌方的处理得到以下体会：(1)不但自然因素引起隧洞塌方，而且人为因素也引起隧洞塌方，地质勘测、施工工序与管理对隧洞塌方起决定性作用。(2)处理塌方必须分秒必争适时地投入抢险工作。塌方事故发生后，业主、设计、监理和施工单位应派出相关领导、隧洞地质专家、工程技术人员等迅速到塌方点，详细勘察塌穴高度、宽度、纵向长度及塌穴稳定情况；研究工程地质、水文地质、洞顶水的流向和涌水特点、范围；检查塌方对初期支护的损坏情
22、况和影响区域；分析塌方的主要原因和塌方可能继续发展的趋势等。在现场掌握情况的基础上，认真研究处理塌方的对策。(3)塌方处理方案至关重要，直接影响塌方体周围洞室的稳定性、人员生命安全以及国家的财产，所以应该认真制定处理塌方的步骤、方法及预防塌方的施工措施。(4)建立抢险机构，现场下达抢险口头指令，明确任务和要求。这样施工队既能正确理解领导意图，又能明了关键部位的所在和处治措施，使施工安全得以保证。(5)前方封堵，后方加固，对塌方区形成合围，是防止塌方恶化的有效方法。隧道塌方后，不要轻易去清除塌方渣体，应先待塌方体相对稳定后，对塌方体表面进行喷混凝土封闭，防止塌方体滑移，然后再加固未塌方地段，防止塌方范围扩大，最后向塌方体注浆加固为后序开挖做好准备。(6)对于在塌方松渣体上进行超前管棚施工，采用采用偏心钻具扩孔同步带进钢套管的钻进技术，可以很好的解决管棚施工成孔难、造孔过程出现卡钻现象等技术难题。,Thank you!,
