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尾矿库排洪系统穿越塌方冒顶区域施工方法

2020-11-06 116 上传者：管理员

摘要：云南鹤庆北衙核桃箐尾矿库建设项目从上游至下游主要构筑物依次有拦洪坝、隧洞、尾矿堆坝、初期坝、集液池、拦污坝及回水设施等，本项目为尾矿库场外排洪隧洞工程。分析了鹤庆北衙核桃箐尾矿库场外排洪4#隧洞的工程地质和水文地质条件、穿越塌方冒顶区域总体施工思路及施工方法等，以期对类似尾矿库场外排洪系统的建设提供参考。

关键词：
尾矿库
排洪系统
管棚套拱
管棚工作室
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1、概述

尾矿库是筑坝拦截谷口或围地构成的、用以贮存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所，是维持矿山正常生产的必要设施。尾矿库的类型通常有山谷型尾矿库、傍山型尾矿库、平地型尾矿库及截河型尾矿库，一般情况下由初期坝、堆积坝、排洪系统等安全设施组成，其中排洪系统是尾矿库必须设置的安全设施，其功能在于将汇水面积内洪水安全地排至库外，它的安全性和可靠性直接关系到尾矿库防洪安全。在尾矿库各种安全设施中，因排洪系统瘫痪造成尾矿库发生溃坝的可能性较大，因此，尾矿库排洪系统的安全非常重要，特别是穿越塌方冒顶区域的施工质量至关重要。

2、尾矿库排洪系统穿越塌方冒顶区域施工方法

2.1尾矿库概述

2.1.1工程概况

云南鹤庆北衙核桃箐尾矿库建设项目从上游至下游主要构筑物依次有拦洪坝、隧洞、尾矿堆坝、初期坝、集液池、拦污坝及回水设施等。设计初期坝（不含清基）的坝高71m，标高1834～1905m。尾矿堆高77.0m，标高1905～1982m，总坝高148m，有效库容2301.2×104m3，总库容2884.85×104m3。根据《尾矿设施设计规范》，本工程尾矿库属于二等库。

库外排洪系统设计有4条隧洞，其中1#～3#排洪隧洞已经完成掘进和永久支护。4#排洪隧洞（K0+000～K1+638）长度为1638m，其中隧洞进口（K0+285～0+K370）为塌方段，埋深为71m；隧洞出口（K0+998～K1+055）为地陷段，埋深为73m，进、出口塌方段合计143m。排洪隧洞采用两端同时掘进的方式施工。

2.1.2工程区域地形地貌

云南鹤庆北衙核桃箐尾矿库所处区域为德格—中甸陆块、巴颜喀拉—扬子陆块与昌都—思茅陆块三个Ⅰ级构造单元结合部东侧，地处扬子陆块西缘的丽江—盐源中生代地块的南西端边缘。北衙地区处于金沙江流域南麓，位于南北向马鞍山山脉东侧，马鞍山山脉为澜沧江水系与金沙江水系的分水岭，海拔高度为2400～3600m，东部以黄坪坝子为本区最低侵蚀基准面，海拔高度为1500m，相对高差900～2100m，宏观上北衙地区属深切割中高山地貌。

核桃箐大致呈西—东向发育，核桃箐尾矿库位于由四条岔箐C1～C4组成的天然沟谷中，其中箐沟C2与C1汇合。核桃箐尾矿库地形地貌如图1所示。

图1核桃箐尾矿库地形地貌图

2.1.3工程地质及水文地质条件

根据核桃箐尾矿库工程地质勘察报告，尾矿库地层主要为第四系冲洪积卵石、第四系坡洪积混圆砾角砾粉质粘土层、砾砂夹卵石及三叠系中统灰岩。排洪隧洞所处地层为第四系坡洪积层，主要由混圆砾、角砾粉质粘土层、块石夹碎石层和砾砂夹卵石层组成。具体如下：

混圆砾、角砾粉质粘土层：褐黄、深灰色，稍湿，可塑状态，局部坚硬状态，稍具光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，局部岩芯表现为砾砂、碎石。层厚1.20～70.40m，平均厚22.56m，层顶高程1864.45～2109.45m，层底高程1823.90～2079.49m。

块石夹碎石层：褐黄、深灰色，稍湿，可塑状态，局部坚硬状态，干钻进不易，全水钻进后岩芯为块石、碎石状，无光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，偶含砾石。呈透镜体状或层状分布混圆砾、角砾粉质粘土层中，层厚5.20～42.33m，平均厚26.33m，层顶高程1864.45～1887.13m，层底高程1823.9～1864.59m。

砾砂夹卵石层：灰褐色，褐色，中密—密实，稍湿。以砾砂为主，次为圆砾、卵石，偶见块石、漂石，次棱角—次圆状，母岩成分为砂岩、玄武岩、灰岩等，粉细砂及泥质充填，粘粒含量5%～10%，干钻进不易，开水钻进后，岩芯多呈砾状、砂状。层厚4.83～81.50m，平均厚31.58m，层顶标高1803.86～2079.49m，层底标高1771.04～2038.63m。

2.2尾矿库排洪系统穿越塌方冒顶区域施工方案

2.2.1总体施工思路

在地下洞室施工过程中，处理各类不良地质段形成的冒顶、地下涌水和坍塌等危害，通常采用的有效施工方法：采用超前支护，加固并提高掌子面在一定范围内围岩的力学性能及自稳能力。采取的有效施工措施：先排引水再进行超前锚杆、超前小导管、管棚预支护、预衬砌、高压旋喷压注及围岩预灌浆等综合治理措施。

核桃箐尾矿库隧洞沿线虽未测到稳定地下水位，但由于岩体破碎，地面降雨及农田灌溉渗水的影响，造成洞顶坍塌的频率及规模均有所增加。本工程参考了相似工程的施工处理方案，结合4#排洪隧洞冒顶坍塌现状，总体施工思路为：增加坍塌围岩自稳；强化地面洞内排引水；坍塌体先封闭加固再开挖；超前支护、短进尺、强支护、早封闭、勤监测、快衬砌。塌方体具体的处理思路为：采用地面和洞内处理相结合的方式。地面处理主要采用排引水以及地表注浆的方式；洞内处理主要采取排水、灌浆、超前支护和分台阶留核心土开挖等措施。

2.2.2排洪隧道穿越塌方冒顶区域施工方案

(1）观察坍塌围岩自稳。排洪隧道塌方冒顶段桩号为K0+285～K0+350和K0+998～K1+055，据估算隧洞塌方体约近5000m3，施工用具及人员必须全部撤离，再观察渗水情况由浑浊变清澈，据此可判断塌方体基本自稳。

(2）强化地面洞内排水。

(1)地表截排：首先截断隧洞顶地表灌溉渠常流水；其次在塌方区域周边20m范围外开挖临时排水沟，排水沟尺寸为0.6m×0.3m，尽量避免塌方区域再次被水浸泡。

(2)地下洞室强化排水：塌方区域位于隧洞进口段，有5%的坡度，采用常规的挖集水坑、排水沟的方式已不能满足排水要求，故考虑采取增加水泵抽水能力方法强化排水。并在塌方体坡脚采用现浇砼（下部安装排水管）挡渣墙和编织袋装砾石土设临时围堰，减少或堵住因渗水带走土体而形成的流土。现浇砼挡渣墙高3.5～4m，临时围堰高1.5m，外坡比1∶1.5。同时密切观察水量变化，水质清浊情况。

(3）坍塌体先封闭加固再开挖。

(1)地表处理：在排洪隧洞洞顶地表塌陷区周边向地下进行加固灌浆处理，使坍塌围岩具有一定强度后再开挖，避免塌方范围进一步扩大，确保洞内开挖作业的安全。

(2)洞内处理：塌方冒顶段在地表处理完成之后，采用分段超前固结灌浆和超前支护的方式掘进。为确保安全，根据掌子面封闭桩号，分台阶留核心土开挖，尽量靠近塌方冒顶桩号，在逐步向塌方冒顶区域开挖靠近过程中，根据洞内开挖情况对钢支撑直墙段增加锁脚小导管及对原素喷砼表面复喷15cm厚C20钢钎维砼进行加固，没有被塌方破坏的原有钢支撑不再对其进行更换。

(4）隧洞进口（K0+285m～K0+370m）塌方冒顶段处理方案。进口塌方冒顶段首先采用碎石换填稳固，然后进行土方开挖，以排除塌方松散体。具体施工流程如下：

(1)对桩号K0+285m处的砼挡土墙高度降底至1.5m。然后在桩号K0+265m～K0+285m段用石渣回填，形成4m宽斜坡作业通道，同时保证原挡土墙排水管畅通。

(2)对桩号K0+285m～K0+320m段上部（1.5m以上）塌方体分段进行机械挖除，下部（1.5m以下）部分采用分段碎石换填。施工前,需对K0+285m～K0+320m段塌方体的自稳性进行探测。如塌方体能够自稳，则进行施工;否则对K0+285m处进行封闭，并对塌方体进行注浆固结，然后采取分段（1～2m）进行机械挖除。

(3)对桩号K0+285m～K0+320m段原有初支体系进行复测。如变形在允许范围内，则对钢架进行注浆小导管锁脚加固（每侧增加5根4.5m长⌀48mm注浆小导管锁脚），然后再喷射15cm厚C20钢纤维砼;如变形超过允许范围,则对其进行分段分块槽挖更换处理:先初喷3～5cm厚C20钢纤维砼，再施作I20钢支撑，间距30～50cm；每榀钢支撑设11根4.5m长的⌀48mm锁脚注浆管，每侧5根；每两榀之间设⌀22mm螺纹钢连接筋，连接筋环向间距50cm；打砂浆锚杆⌀22mm，长度3m，间排距2m×2m；挂⌀4.5mm钢筋网，规格为5cm×5cm，与锚杆或钢支撑焊接牢固；最后喷射厚20cm的C20钢纤维砼。

(4)管棚工作室施工:在桩号K0+320m～K0+330m间按1～2m长度进行分段，搭建一个长9m、宽6m、高4.5m的管棚工作室。管棚工作室支护参数:每段土方开挖后，先初喷3～5cm厚C20钢纤维砼，再施作I20钢支撑，间距30～50cm；每榀钢支撑设11根长4.5m的⌀48mm锁脚注浆管，每侧5根；每两榀之间设⌀22mm螺纹钢连接筋，连接筋环向间距50cm；打砂浆锚杆⌀22mm，长度3m，间距2m×2m；挂⌀8mm钢筋网，规格为10cm×10cm，与锚杆或钢支撑焊接牢固；最后喷射厚20cm的C20钢纤维砼。

(5)管棚套拱施作：沿隧洞开挖轮廓线架设二榀I20工字钢拱架，间距75cm，每榀用拉杆拉紧，防止倾倒，必要时在拱顶拱腰坡面两侧打锚杆支护，将最前面一榀拱架焊在锚杆上拉紧，套拱在开挖轮廓线以外，紧贴掌子面施作。在钢支撑上安装与大管棚等间距⌀140mm×6mm孔口导向钢管，长度2m，并用水泥纸或其他东西将孔口管封堵，防止浆液流入孔口管堵塞，人工立模挡头板用钢筋拉杆拉紧，外模用铁线拉在衬砌拱架上，拱腰以下要用立斜撑支于侧面上，完成后浇注40cm厚C20砼包裹钢支撑和导向管。套拱施作完成后，喷射20cm厚钢钎维砼封闭周围仰坡面及核心土表面，作为注浆时的止浆墙。

(5）隧洞出口（K0+285m～K0+370m）塌方冒顶段处理方案。出口段K0+998m～K1+048m塌方冒顶段，计划先在K1+055m底部打排水孔进行排水后，再对坍方体进行注浆加固，最后用机械开挖并排出塌方松散体。具体施工流程如下：

(1)先在K1+055m处挡墙表面喷20cm厚C20钢纤维喷砼，然后在斜坡底部按设计要求施工排水孔以排出K0+998m～K1+048m段坍方体内积水。

(2)对K0+998m～K1+048m段塌方体按设计要求进行注浆加固。

(3)对K1+030m～K1+048m段塌方体进行分段采用机械挖除，每段塌方体长度为1～2m。

(4)管棚工作室施工：在K1+030m～K0+040m间进行分段施工，分段长度为1～2m，施作一个长×宽×高（9m×6m×4.5m）的管棚工作室。管棚工作室支护参数：先初喷3～5cm厚C20钢纤维砼，再施作I20钢支撑，间距@30mm～50cm；每榀钢支撑设置11根⌀48mm锁脚注浆管，每侧5根，长度为4.5m；每两榀拱架之间设置⌀22mm螺纹钢连接钢筋，连接钢筋环向间距@50cm；然后施工砂浆锚杆（⌀22mm,L=3m），间排距为@2m×2m；接着挂⌀8mm钢筋网，@10cm×10cm，与锚杆或钢支撑焊接牢固；最后复喷20cm厚C20钢纤维砼。

(5)管棚套拱施作：沿隧道开挖轮廓线架立二榀I20工字钢拱架，间距75cm，每榀用拉杆拉紧，防止倾倒，必要时在拱顶拱腰坡面上两侧打入锚杆，将最前面一榀拱架焊接在锚杆上拉紧，套拱在开挖轮廓线以外，紧贴掌子面施作。在钢支撑上按设计要求的大管棚间距安装孔口导向钢管（⌀140mm×6mm,L=2m），并用仪器检查中线，确保方向与水平、导向良好，与管棚位置方向一至，用水泥纸或其他东西将孔口管封堵，防止浆液流入孔口管堵塞，人工立模挡头板并用钢筋拉杆拉紧，外模用铁线拉在衬砌拱架上，拱腰以下要用斜掌支于侧面上，完后浇注40cm厚C20砼包裹钢支撑和导向管。套拱完成后，喷射20cm厚C20钢钎维砼封闭周围仰坡面和核心土表面，作为注浆时的止浆墙。

(6)长管棚注浆施工工艺：施工准备→孔位放点→钻机就位→钻进成孔→退出钻杆→安装管棚钢管→插入连接钢管（⌀108mm×6mm）钢管焊接→推入钢管→钢管及孔口封堵→焊注浆管注浆到规定压力下一循环。

(7)K0+998m～K1+040m塌方段施工:在长管棚注浆施工完成后按设计方案要求施工⌀48mm超前注浆小导管。每排超前注浆小导管施工前要对工作面(包括核心土表面)施作20cm厚C20钢纤维喷砼，然后采用分段机械挖除塌方体,进行初期支护。支护参数:先进行3～5cm厚C20钢纤维初喷再施作I20钢支撑，@30～50cm；每榀钢支撑设11根4.5m⌀48mm锁脚注浆管，每侧5根，L=4.5m；每两榀之间设⌀22mm螺纹钢连接筋，连接筋环向间距@50cm；系统锚杆⌀22mm,L=3m，间排距为@2m×2m；挂⌀4.5mm钢筋网，@5cm×5cm，与锚杆或钢支撑焊接牢固；复喷C20钢纤维混凝土厚20cm。

(8)K0+998m～K1+040m段钢筋砼施工:在K0+998m～K1+040m段，施工初期支护完成后，再按设计要求施工钢筋砼衬砌。本工程穿越塌方冒顶区域支护结构如图2所示。

图2工程穿越塌方冒顶区域支护结构图

3、结语

云南鹤庆北衙矿业有限公司核桃箐尾矿库场外排洪系统4#隧洞应急工程地质条件极为复杂，围岩全段主体为散体结构第四系坡洪积土层地质，地层含水量高，隧洞下穿鹤大高速公路斜长150m、村庄170m，施工难度极大。该工程于2019年4月成功实现贯通，其穿越塌方冒顶区域的施工方法充分发挥了作用，确实有效、可行。本工程的成功经验值得其他类似工程借鉴。

参考文献：

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