特大斷面泄洪洞龍落尾開挖施工技術(shù)方案優(yōu)化實(shí)踐

白永生, 韓進(jìn)奇

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 工程概況

溪洛渡水電站是金沙江下游規(guī)劃開發(fā)的第三個(gè)梯級(jí)電站,主要由攔河大壩、引水發(fā)電建筑物、泄洪消能建筑物組成,壩高278.0 m,總裝機(jī)容量13 860 M W。電站泄洪建筑物采用“分散泄洪、分區(qū)消能”的原則,在壩身布設(shè)了 7個(gè)表孔和 8個(gè)深孔,在兩岸布設(shè)了 4條泄洪洞共同泄洪。左岸兩條泄洪隧洞平行布置,采用“有壓接無壓、中段設(shè)置閘門室、洞內(nèi)龍落尾”方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。洞內(nèi)龍落尾段由奧奇曲線段、斜坡連接段、反弧曲線段以及下直坡段等組成。其中 1#、2#泄洪洞龍落尾段的開挖長度分別為 303.428 m、350.838 m,垂直高差分別為 100.30 m、104.78 m,開挖斷面尺寸為 15.7 m×20.6 m～21.6 m×23.179 m(寬 ×高)。其中奧奇曲線段的曲線方程式為 Z=(X 2/400)+0.023X。奧奇曲線段的起始端設(shè)置有與補(bǔ)氣平洞相通的補(bǔ)氣豎井;斜坡段為奧奇曲線和反弧曲線之間的連接過渡段,斜坡與水平面的夾角為 22.5°;反弧段反弧半徑 R=300 m;在奧奇曲線段至反坡段共設(shè)置了三道突跌式摻氣坎,跌坎高度為 1.5 m,下直坡段底坡 i=0.08。泄洪洞出口龍落尾段覆巖體厚約 30～50 m,水平埋深 50～150 m。圍巖以Ⅱ、Ⅲ1類為主,出洞口部分為Ⅳ2類;頂拱及邊墻圍巖穩(wěn)定性較差,局部滲、滴水,施工中需加強(qiáng)處理措施。溪洛渡水電站泄洪洞設(shè)計(jì)體型見圖1。

溪洛渡水電站 1#、2#泄洪洞龍落尾段開挖支護(hù)主要工程量為:石方開挖約 20.95萬 m3;噴C 25混凝土約 0.38萬 m3;φ 6.5鋼筋網(wǎng)約 34.85 t;砂漿錨桿約 8 810根。

2 施工中的重、難點(diǎn)問題

(1)龍落尾段結(jié)構(gòu)曲線復(fù)雜,施工難度大,施工的重點(diǎn)在于施工進(jìn)度的控制。該部位無論是開挖階段還是混凝土襯砌階段均為泄洪洞工程進(jìn)度控制的關(guān)鍵,龍落尾段的開挖需要在相鄰的無壓洞段及泄洪洞出口明挖基本完成后才具備條件,施工邊界條件要求較高。

(2)龍落尾段的施工難點(diǎn)首先在于施工的出渣,龍落尾段的斜坡段坡度約為 22.5°,使用機(jī)械及溜渣的方式直接出渣難以實(shí)現(xiàn)。如何有效的解決出渣問題是本工程的一個(gè)難點(diǎn);其次是龍落尾段的開挖結(jié)構(gòu)斷面尺寸較大,圍巖穩(wěn)定等安全問題突出;另外,由于工作面較多且施工組織難度大,如何采取有效的措施確保施工期的安全也是本工程的一個(gè)難點(diǎn)。

3 優(yōu)化前的施工方案

3.1 方案簡述

泄洪洞龍落尾段優(yōu)化前的施工方案為采取上下游工作面以 15%的縱坡對(duì)挖,中部采用“溜渣斜洞 +溜渣斜井”貫通然后逐層開挖,施工中采用分區(qū)、分層、多工作面開挖然后進(jìn)行擴(kuò)挖及保護(hù)層開挖的施工方案。優(yōu)化前的開挖方案是將龍落尾段分為斜洞和斜井開挖,共分Ⅰ ～Ⅴ區(qū)施工,各區(qū)又分若干層進(jìn)行自上而下的分部施工,分層情況為:

(1)Ⅰ區(qū):分 3層開挖(同無壓段施工),第一層厚 8.4 m左右,中導(dǎo)洞先行、兩側(cè)墻跟進(jìn);第二層厚 10 m左右,全斷面施工;第三層厚 3 m左右,為保護(hù)層施工;

圖1 泄洪洞龍落尾段結(jié)構(gòu)示意圖

(2)Ⅱ區(qū):分 1層施工,層厚 8.1 m左右,采用中導(dǎo)洞先行、兩側(cè)墻跟進(jìn);

(3)Ⅲ區(qū):分 10層施工,其中Ⅲ1層厚 6 m,6 m×6 m的中導(dǎo)洞先行開挖,兩側(cè)墻待溜渣井開挖形成后再進(jìn)行擴(kuò)挖施工;Ⅲ區(qū)中的Ⅲ2層 ～Ⅲ10層厚 2.1～2.5 m;

(4)Ⅳ區(qū):分 7層開挖,分層厚度為每層 2.5～3 m;

(5)Ⅴ區(qū):分兩層開挖,第一層厚 10.0 m左右;第二層厚 1.5～4 m,為保護(hù)層施工。

3.2 施工工期

Ⅰ區(qū)開挖與支護(hù)工期各 5個(gè)月;Ⅱ區(qū)開挖與支護(hù)工期各 3個(gè)月;Ⅲ-1區(qū)開挖與支護(hù)工期各6.5個(gè)月;Ⅲ區(qū) 2～10層開挖與支護(hù)工期 6.5個(gè)月;溜渣井施工工期各1.5個(gè)月;Ⅳ區(qū)開挖與支護(hù)工期各 4.5個(gè)月;Ⅴ區(qū)開挖與支護(hù)工期各 4個(gè)月。1#、2#泄洪洞無支洞方案施工直線工期共計(jì) 28個(gè)月。

4 優(yōu)化后的施工方案

通過對(duì)現(xiàn)場龍落尾段外側(cè)霧化區(qū)邊坡及出口地形進(jìn)行實(shí)地踏勘,結(jié)合龍落尾洞段在長約 303 m的洞段高差跌落達(dá)約 100 m、洞 內(nèi) 縱 坡 達(dá)53.2%的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),同時(shí),結(jié)合龍落尾在運(yùn)行階段洞頂補(bǔ)氣摻氣需求,經(jīng)過分析、論證,初步構(gòu)思采取在龍落尾中段布置施工支洞,將落差約 100 m的龍落尾分成上下兩個(gè)部分,如此可將龍落尾段分成 2個(gè)斜井,按照斜井的施工方法進(jìn)行開挖,以解決優(yōu)化前長斜洞開挖的諸多施工難點(diǎn)。

4.1 方案簡述

在 1#、2#泄洪洞龍落尾段中部各布置 1條施工支洞,將其分為上下兩個(gè)部分,并在上下部分各布置 1條溜渣斜井,從而形成“上下溜渣斜井 +中間平洞貫通”的“1洞 2井”施工方案。施工采用分區(qū)、分層、多工作面開挖,各工作面采用溜渣井貫通后再自上而下進(jìn)行斜井?dāng)U挖。該方案即是將龍落尾段通過增加支洞后變成兩個(gè)斜井開挖,共分Ⅰ～Ⅵ區(qū)施工,各區(qū)又分若干層自上而下進(jìn)行分部施工,分層情況為:

(1)Ⅰ區(qū):該段為奧奇曲線段,施工難度較大。第一層厚 8.4 m,中導(dǎo)洞先行、兩側(cè)墻跟進(jìn)。第二層按高度 2～3 m向前掘進(jìn)至第一層開挖面后,采用作業(yè)臺(tái)車向前掘進(jìn);

(2)Ⅱ區(qū):分一層施工,層厚 8.4 m,采用中導(dǎo)洞先行、兩側(cè)墻跟進(jìn);

(3)Ⅲ區(qū):分一層施工,層厚 6.5 m,采用中導(dǎo)洞先行,形成裝渣和出渣的作業(yè)通道;

(4)Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū):根據(jù)實(shí)際情況分層開挖,分層厚度為每層 2.5～3.5 m,隨開挖跟進(jìn)支護(hù);

(5)Ⅵ區(qū):分兩層開挖,第一層厚 10 m左右;第二層厚 1.5～4 m,為保護(hù)層施工。

4.2 施工工期

Ⅰ區(qū)開挖與支護(hù)工期各 5個(gè)月;Ⅱ區(qū)開挖與支護(hù)工期各 3個(gè)月;Ⅲ區(qū)開挖與支護(hù)工期各 1.5個(gè)月;溜渣井(共 4個(gè))施工與支護(hù)工期各 1.5個(gè)月;Ⅳ區(qū)開挖與支護(hù)工期各 5個(gè)月;Ⅴ區(qū)開挖與支護(hù)工期各 4個(gè)月;Ⅵ區(qū)開挖與支護(hù)工期各 1個(gè)月。

1#、2#泄洪洞有支洞方案施工直線工期共計(jì)24個(gè)月。

5 優(yōu)化前、后方案的對(duì)比分析

從工程施工難度、質(zhì)量控制、安全風(fēng)險(xiǎn)等方面進(jìn)行對(duì)比,優(yōu)化施工方案明顯優(yōu)于最初方案,主要表現(xiàn)在:

(1)優(yōu)化方案采用了增加施工支洞,且支洞設(shè)計(jì)布置在龍落尾摻氣槽頂部,支洞兼做后期的摻氣平洞,可改善泄洪洞運(yùn)行時(shí)的摻氣結(jié)構(gòu),對(duì)工程永久運(yùn)行有益;

(2)方案優(yōu)化后施工時(shí)無需采用機(jī)械通風(fēng)設(shè)備,不僅自然改善了洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境,而且節(jié)約了大量的設(shè)備資源投入,節(jié)能環(huán)保;

(3)優(yōu)化方案可將工期提前 4個(gè)月,從而大大緩解了龍落尾段開挖目標(biāo)的工期壓力;

(4)增加的施工支洞使后期混凝土澆筑通道更為順暢,有利于組織混凝土生產(chǎn)施工;

(5)新方案是對(duì)大型龍落尾洞型施工的一種新嘗試,有利于積累“龍落尾”泄洪洞洞型的工程經(jīng)驗(yàn),為后續(xù)工程提供技術(shù)保證。

綜合考慮,采用優(yōu)化后增加施工支洞的方案更為可行。

6 優(yōu)化后方案的施工方法

6.1 施工程序

增加施工支洞后,龍落尾段施工可分三個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行:即上游工作面(施工通道為無壓段及無壓段中下層施工支洞)、中部工作面(施工通道為龍落尾段施工支洞)和出口工作面(施工通道為泄洪洞出口臨時(shí)施工便道),中間工作面施工完成后,將龍落尾分成上下兩個(gè)“斜井”施工區(qū)獨(dú)立施工,施工時(shí)采用分區(qū)、分層、從上至下逐層開挖。

6.2 工藝流程

為了保證施工安全,不同類別的圍巖采用的施工工藝不同,分為以下兩類:

(1)Ⅱ～Ⅲ類圍巖洞段開挖工藝流程:測量放線、布孔→鉆爆→出渣→臨時(shí)支護(hù)→下一循環(huán)開挖、臨時(shí)支護(hù)→系統(tǒng)支護(hù)(滯后開挖面不大于20 m)→下一層開挖。

(2)Ⅳ類圍巖洞段開挖工藝流程:測量放線、布孔→第Ⅰ層導(dǎo)洞開挖→第Ⅰ層超前支護(hù)→鉆爆→出渣→系統(tǒng)支護(hù)(噴混凝土)→下一循環(huán)開挖、支護(hù)→下一層開挖。

6.3 施工方法

(1)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)開挖施工方法。

Ⅰ區(qū)為奧奇曲線段,由無壓段進(jìn)入施工工作面,采用分層開挖的方法,共分三層,底板坡度 i=15%。第一層厚 8.4 m,中導(dǎo)洞先行、兩側(cè)墻跟進(jìn),采用 Y T 28氣腿鉆造孔,楔形掏槽、微差爆破,周邊間隔裝藥光面爆破;第二層層高 10 m,由于頂拱為奧奇曲線,施工時(shí)采用采用 Y T 28氣腿鉆按 2～3 m高度分次掘進(jìn);第三層為底板保護(hù)層開挖,層高 3 m,采用手風(fēng)鉆造水平孔,底板光面爆破。各層開挖時(shí)系統(tǒng)支護(hù)跟進(jìn)施工。

Ⅱ區(qū)為龍落尾段出口反弧段,該區(qū)為平洞開挖,設(shè)計(jì)分區(qū)高 8.4 m,由泄洪洞出口施工便道進(jìn)入施工工作面。施工時(shí)采用中導(dǎo)洞先行開挖,中導(dǎo)洞設(shè)計(jì)斷面 11 m×8.4 m(寬 ×高),采用 YT 28氣腿鉆造孔,楔形掏槽、微差爆破,周邊間隔裝藥光面爆破。由于出洞口段巖石條件差,開挖時(shí)要求一炮一支護(hù),同時(shí)對(duì)頂拱圍巖布置了臨時(shí)監(jiān)測(錨桿應(yīng)力計(jì)和收斂觀測)。兩側(cè)墻在中導(dǎo)洞開挖完成后進(jìn)行擴(kuò)挖,周邊結(jié)構(gòu)面采用光面爆破,同時(shí)為給第Ⅵ層留出預(yù)裂鉆孔空間,邊墻擴(kuò)挖時(shí)采用了 15 cm的技術(shù)超挖。

Ⅲ區(qū)為斜坡段,由 1#、2#龍落尾段中部增設(shè)的施工支線進(jìn)入Ⅲ區(qū)施工工作面,分別向上、下游進(jìn)行開挖施工,開挖底坡 i=15%。該區(qū)中導(dǎo)洞設(shè)計(jì)斷面 6.5 m×7.5 m(高 ×寬),采用 Y T 28氣腿鉆造孔,楔形掏槽、微差爆破,周邊間隔裝藥光面爆破。中導(dǎo)洞開挖完成后,形成裝渣和出渣的通道,其左右側(cè)墻在Ⅳ區(qū)開挖時(shí)進(jìn)行施工。

(2)溜渣井開挖施工方法。

在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)開挖完成后,即具備了兩條斜井開挖的施工條件。

1#、2#溜渣井開挖斷面采用 R=6 m的圓形斷面,傾角約 60°,長度約 17 m。溜渣斜井開挖采用“一次鉆孔、分次反向爆破”的挖井技術(shù)。施工時(shí)自上而下采用 100B鉆機(jī)按照爆破設(shè)計(jì)將所有孔位鉆孔完成,然后采用導(dǎo)管裝藥法自下而上分次爆破,每次爆破進(jìn)尺 3～4 m。

(3)Ⅳ、Ⅴ區(qū)開挖施工方法。

1#、2#溜渣井施工完成后,即進(jìn)行Ⅳ、Ⅴ區(qū)開挖。施工時(shí),先用 100B鉆機(jī)鉆孔將溜渣井進(jìn)行擴(kuò)大爆破施工,然后對(duì)Ⅳ、Ⅴ區(qū)頂拱部分采用手風(fēng)鉆造孔、光面爆破壓頂開挖,開挖渣料直接填于先前開挖的Ⅲ區(qū)中導(dǎo)洞內(nèi),頂拱光面爆破每次掘進(jìn)2.5～3 m,直至將Ⅳ、Ⅴ區(qū)上部(Ⅲ區(qū)頂上部分)開挖完成。由于洞內(nèi)坡度約 22.5°,開挖時(shí)頂拱只跟進(jìn)進(jìn)行隨機(jī)安全支護(hù),待上部全部開挖完成后,在爆破洞渣上搭設(shè)腳手架支護(hù)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)施工。

上部系統(tǒng)支護(hù)完成后再進(jìn)行出渣和Ⅳ、Ⅴ區(qū)下部開挖。下部開挖采用平洞開挖方式,用手風(fēng)鉆造水平孔,從下向上開挖爆破以便于出渣,掘進(jìn)進(jìn)尺 3～3.5 m,底板保護(hù)層采用光面爆破。

(4)Ⅵ區(qū)開挖施工方法。

Ⅵ區(qū)分兩層梯段開挖,第一層Ⅵ-1厚度為 10 m左右,第二層Ⅵ-2厚度為 1.5～4 m(保護(hù)層)。Ⅵ-1采用 100B潛孔鉆機(jī)造孔,深孔梯段爆破,周邊預(yù)裂爆破;Ⅵ-2采用手風(fēng)鉆水平造孔,周邊采用間隔裝藥雙向光面爆破。

7 結(jié) 語

溪洛渡水電站泄洪洞龍落尾段特殊的設(shè)計(jì)體型和洞內(nèi)開挖條件的復(fù)雜性,導(dǎo)致了其施工過程的艱難。在工程施工實(shí)踐中,通過對(duì)現(xiàn)場實(shí)際地形條件和龍落尾的泄洪運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析,提出了新的施工方案,采用新增施工支洞將龍落尾分解成“一洞兩井”進(jìn)行施工,有效解決了龍落尾22.5°的開挖難題,同時(shí)為混凝土施工創(chuàng)造了有利的施工條件和通道,保證了生產(chǎn)進(jìn)度的順利完成。目前,優(yōu)化后的方案已成功實(shí)施,施工質(zhì)量和工程進(jìn)度滿足合同要求,無一起質(zhì)量安全事故發(fā)生。