龍開口水電站變形體內(nèi)排水洞快速安全施工方法研究

胡 勇, 李春龍

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 工程簡述

龍開口水電站變形體邊坡位于大壩右岸,長度約 800m,上下游邊界距壩軸線均約為 400m,分布高程 1350～1550m,水平厚度 50～100m。變形體邊坡共設(shè)四層排水洞,每層排水洞均分為主洞和支洞,主排水洞的進(jìn)口布置于澗漕溝側(cè),主要沿 AⅡ區(qū)下部布置,沿主排水洞間隔 20m布置排水支洞穿過 AⅠ區(qū)后緣,四層排水洞主洞長度共 619m,支洞 27條長度共 978m。排水洞開挖斷面尺寸為 3.8m×3.9m,城門洞形,變形巖體松散、破碎,排水洞采用混凝土襯砌。在排水洞(含支洞)洞頂布置排水孔,形成排水幕,排水孔孔徑 76mm,深 15～25m,間距 2～3m。

2 工程地質(zhì)概況

變形體 A區(qū)處于水板溝 ～澗漕溝之間,后緣邊界面高程整體在 1548m附近,前緣邊界高程為 1350m左右,長 430～540m,寬 233～270m。地表出露的變形體可較明顯的分為三個帶,即強(qiáng)變形體、AⅠ區(qū)變形體及 AⅡ區(qū)卸荷傾倒巖體。變形體 AⅠ區(qū)為碎塊石或松散狀的巖體覆蓋,中下部為大量松散的碎、塊石覆蓋;變形體 AⅡ區(qū)地表塊石較發(fā)育。排水支洞主要位于碎塊狀、散體狀巖體內(nèi),碎塊粒徑以 5～15cm為主,巖體間有架空,易產(chǎn)生崩塌。

3 排水洞原支護(hù)參數(shù)及施工工藝

4 試驗研究目的

由于排水洞巖石松散且塊度不均,既不能進(jìn)行鉆爆,又不能直接開挖,而且?guī)r塊為弱風(fēng)化的玄武巖,單粒強(qiáng)度高。爆破孔、錨桿孔及排水孔造孔時卡鉆、塌孔頻繁。雖然爆破孔及砂漿錨桿孔的塌孔采用了 φ6.5鋼筋鉤進(jìn)行人工清理、排水孔采用反復(fù)掃孔的方式進(jìn)行處理,但成孔效率極低,而且開挖過程中頂拱巖塊經(jīng)常大量的從兩砂漿錨桿間漏下,在頂拱形成空腔,危及人員、設(shè)備安全。自 2008年 6月開始進(jìn)行排水洞洞挖施工以來,支洞洞挖單工作面每天進(jìn)尺約 50cm,排水孔成孔率幾乎為零,施工進(jìn)度緩慢,安全隱患突出。因此,破碎、松散巖體內(nèi)的成孔及安全快速施工已成為該項目施工的一個技術(shù)難題。為此,2008年 9月,項目部成立了破碎、松散巖體內(nèi)成孔及安全快速施工課題小組進(jìn)行試驗研究。本次試驗研究擬解決:(1)在破碎、松散巖體內(nèi)快速進(jìn)行爆破孔、排水孔造孔施工的技術(shù)難題;(2)研究散粒巖體內(nèi)的支護(hù)方式及開挖支護(hù)工藝要求,解決洞室開挖時的圍巖穩(wěn)定及安全問題。

5 工藝與試驗研究

本次試驗選取的洞段長度為 20m,即第一層排水洞 2#支洞樁號 0+10～0+30。由于鉆孔孔徑要求不同,炮孔和排水孔分別進(jìn)行了造孔工藝試驗,同時在該試驗段進(jìn)行了支護(hù)方式的研究,并通過監(jiān)控量測掌握洞室的穩(wěn)定情況,確保施工安全。

5.1 鉆孔工藝與試驗

針對不同孔徑、不同深度鉆孔的要求,采用不同的造孔工藝及技術(shù)進(jìn)行試驗,以尋求克服卡鉆、塌孔難題的方法。

(1)鉆爆造孔。

試驗選用 YT28氣腿鉆,鉆頭 φ42,釬桿長150cm,造孔深度為 100～120cm。結(jié)合單塊巖石強(qiáng)度高的特點(diǎn),課題小組在鉆頭后沿加焊了 3塊合金片,以實現(xiàn)鉆進(jìn)時用鉆頭,退鉆卡鉆時用合金片的目的。

由于巖石太破碎,鉆孔時產(chǎn)生的巖粉很少,主要呈顆粒狀,靠鉆頭排風(fēng)不能很好地排渣,同時,鉆頭通過后,孔壁部分巖塊掉落堵孔。試驗時,采取每鉆進(jìn) 20cm,在開動鉆機(jī)的情況下往外拔一次鉆進(jìn)行排渣,以實現(xiàn)提高成孔率的目的。

(2)排水孔造孔。

2018年10月22日至28日是“國際開放獲取周”，本次宣傳周的主題是“為開放知識建立更加公平的基礎(chǔ)”（Designing Equitable Foundations for Open Knowledge），宗旨是促進(jìn)各群體之間對話，建立聯(lián)系從而促進(jìn)合作，為開放知識建立更加公平的基礎(chǔ)，開放獲取不是一蹴而就的，交流與行動是長期持久的，其優(yōu)先目標(biāo)是實現(xiàn)多元化、平等和包容性。為了更好地認(rèn)識本次宣傳周的主題，我們有必要回顧一下2012年以來歷屆宣傳周的主題（如表1所示）及其意義。

為確保洞室穩(wěn)定,保證施工安全,需及時施工系統(tǒng)排水孔,以減小洞壁水壓力。試驗以前采用100D輕型潛孔鉆造孔,塌孔、卡鉆現(xiàn)象非常嚴(yán)重,15～25m深的排水孔最終能插入 PVC花管的深度只有 50～100cm,排水孔施工了 1個多月,鉆孔成孔率幾乎為零,根本不能滿足設(shè)計及進(jìn)度要求。結(jié)合前期施工經(jīng)驗教訓(xùn)及開挖揭示的地質(zhì)情況,課題小組采取跟套管工藝,選用成都哈邁 50型鉆機(jī),φ108偏心鉆頭造 φ120孔,φ110套管跟進(jìn),套管跟進(jìn)至設(shè)計深度后退出鉆頭、鉆桿,再將PVC花管插入套管內(nèi),退出套管后排水孔成孔。

通過對鉆頭加工、鉆孔排渣方式以及造孔工藝的聯(lián)合試驗研究,有效的克服了不同孔徑、不同深度鉆孔采用常規(guī)造孔方法時出現(xiàn)的卡鉆、塌孔問題,形成了適合本工程的快速成孔技術(shù)。

5.2 支護(hù)方式試驗

(1)超前支護(hù)方式。

由于超前砂漿錨桿孔比炮孔深的多,成孔更加困難。對頂拱松散巖石進(jìn)行了適當(dāng)注漿固結(jié),以解決大量細(xì)小松散巖塊從錨桿之間下漏的問題,是確保開挖過程中頂部圍巖穩(wěn)定的必要手段。課題小組從優(yōu)化支護(hù)參數(shù)的角度出發(fā),首先選用超前注漿小導(dǎo)管替代超前砂漿錨桿進(jìn)行試驗。而在實際試驗過程中,由于成孔困難,不宜采用先造孔、后插入小導(dǎo)管的方法施工,且因巖塊太硬、含有較大塊體,采用錘擊法也無法將小導(dǎo)管打入巖石內(nèi),實際上,注漿固結(jié)的思路可取,但小導(dǎo)管工序在這種地質(zhì)條件下極難施工。

結(jié)合現(xiàn)場特殊地質(zhì)情況,課題小組最終選用φ25中空自進(jìn)式錨桿替代 φ25超前砂漿錨桿。中空自進(jìn)式錨桿自帶的鉆頭可以解決成孔問題,利用中空桿體和鉆頭可以實現(xiàn)對圍巖的注漿。但自進(jìn)式錨桿只能通過鉆頭排漿,由于巖石太破碎,漿液在鉆頭前后左右方向擴(kuò)散的范圍只有約 10～30cm,而且大量漿液在重力作用下容易滲入開挖輪廓線內(nèi),從而造成漿液浪費(fèi)。經(jīng)過試驗,對自進(jìn)式錨桿的長度、角度進(jìn)行了以下調(diào)整:采用@=60 cm、L=250cm、外插角 5°～10°和 @=60cm、L=150cm、外插角 10°～15°間隔布置(圖 1)替代原普通砂漿超前錨桿。

圖 1 超前支護(hù)布置圖

同時,采用不同注漿量對錨桿進(jìn)行灌漿試驗,通過開挖揭示的注漿效果分析確定采用水∶水泥∶砂為 1∶0.35∶0.5的砂漿,注漿壓力為 0.1～ 0.3 MPa,對每根錨桿灌注約 20L,可實現(xiàn)漿液在左右方向擴(kuò)散半徑相交而漿液滲入結(jié)構(gòu)線極少。采用布設(shè)不同角度、不同長度的自進(jìn)式錨桿以及對錨桿進(jìn)行限量注漿,使待開挖頂拱形成了一層水泥膠結(jié)硬殼,阻止了頂拱上方細(xì)小顆粒在頂拱開挖成型后、掛網(wǎng)噴護(hù)前出現(xiàn)滑塌,為初期支護(hù)贏得了時間。

(2)型鋼拱架架設(shè)間距。

課題小組考慮通過對爆破孔造孔工藝改進(jìn)后,成孔深度可以達(dá)到 100～120cm,而且頂拱又進(jìn)行了超前固結(jié),開挖循環(huán)進(jìn)尺可以達(dá)到 100～120cm,但排水洞斷面小、原型鋼間距密,因此,將型鋼布置間距由原來的 50～80cm調(diào)整為 100～120cm,以達(dá)到減小支護(hù)工程量、節(jié)約投資、加快施工進(jìn)度的目的。為驗證型鋼間距調(diào)整不會對洞室穩(wěn)定造成影響,確保施工安全,選擇斷面試驗段K0+20布置了凈空收斂觀測點(diǎn),采用收斂儀對開挖斷面的變形進(jìn)行了測量,觀測點(diǎn)布置情況見圖2;觀測成果見圖 3。

圖 2 觀測點(diǎn)布置示意圖

圖 3 觀測成果圖

通過對該斷面初期每天 1次的量測成果進(jìn)行分析,其位移-時間曲線趨于平緩,且凈空變化速度小于 0.2mm/d,變形已逐漸穩(wěn)定。由此可以驗證型鋼間距調(diào)整后仍可保證洞室穩(wěn)定,但在通過塌方地段、破碎帶等特殊地段時需加強(qiáng)觀測,動態(tài)調(diào)整鋼支撐參數(shù)。

5.3 開挖及支護(hù)施工方法的聯(lián)合測試

在進(jìn)行以上鉆孔及支護(hù)單項試驗的同時,各開挖支護(hù)工序按以下要求進(jìn)行了聯(lián)合測試:根據(jù)鉆孔深度確定循環(huán)進(jìn)尺為 100～120cm;根據(jù)掌子面巖塊分布情況,動態(tài)調(diào)整炮孔布置及裝藥量,盡量少裝藥甚至在細(xì)顆粒區(qū)不鉆孔裝藥,爆破后輔以人工或 PH55小反鏟進(jìn)行開挖,以減小對圍巖的擾動;頂拱面出露后及時素噴封閉,出渣完成立即進(jìn)行本循環(huán)初期支護(hù)施工,確保圍巖穩(wěn)定;噴護(hù)完成后,及時進(jìn)行變形量測的原始數(shù)據(jù)采集,以后每天觀測一次,每周進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,根據(jù)觀測成果修正支護(hù)參數(shù)。試驗驗證了在預(yù)支護(hù)完成后,嚴(yán)格按照新奧法“短開挖、弱爆破、快噴錨、勤量測”的原則進(jìn)行施工,有效的解決了洞頂頻繁垮塌的問題,保證了工程進(jìn)度及施工安全。

6 試驗研究成果及注意事項

6.1 試驗研究成果

經(jīng)過一個多月的試驗,解決了破碎、松散巖體內(nèi)成孔技術(shù)及快速安全洞挖施工的難題,總結(jié)出了采用“淺造孔、勤排渣、管保護(hù)”的成孔技術(shù)以及“預(yù)支護(hù)、短開挖、弱爆破、快噴錨、勤量測”等控制洞室垮塌的系統(tǒng)方法。施工工藝正確,控制方法得當(dāng),采用此法,加快了施工進(jìn)度,節(jié)約了工程投資,確保了工程施工安全,完全能夠滿足該項目整體進(jìn)度目標(biāo),排水支洞單工作面每天進(jìn)尺可達(dá) 100～120cm,排水孔進(jìn)度為 25m/臺 /天,型鋼支護(hù)工程量較總量節(jié)約一半。

(1)淺造孔、勤排渣是爆破孔成孔的重要手段。在破碎巖塊內(nèi)的爆破孔造孔過程中,主要產(chǎn)生巖石碎塊,但通過鉆頭排風(fēng)不能將細(xì)渣排出孔內(nèi),要通過每鉆進(jìn) 20～30cm后反復(fù)拔鉆、利用鉆頭將細(xì)渣帶出孔外,從而避免了卡鉆、塌孔,最終成孔深度控制在 100～120cm。

(2)管保護(hù)。采用跟套管的工藝進(jìn)行鉆孔護(hù)壁,從而保證了排水孔成孔。

(3)預(yù)支護(hù)。開挖前,采用自進(jìn)式超前錨桿對排水洞頂拱進(jìn)行超前固結(jié)灌漿,使爆破前頂拱部位的巖塊固結(jié)成一層硬殼,從而阻止了頂部細(xì)小巖塊下漏形成塌方。

6.2 施工過程中的注意事項

解決破碎巖體內(nèi)成孔及快速安全成洞是本次試驗的重要成果。施工中嚴(yán)格按“預(yù)支護(hù)、短開挖、弱爆破、快噴錨、勤量測”的原則,穩(wěn)扎穩(wěn)打,步步為營,是確保排水洞施工進(jìn)度及安全的關(guān)鍵,同時強(qiáng)調(diào)了以下注意事項:

(1)采用自進(jìn)式錨桿進(jìn)行超前固結(jié)灌漿,應(yīng)在上一循環(huán)型鋼拱架安裝后、噴混凝土之前實施,以確保本循環(huán)爆破時水泥砂漿已有一定強(qiáng)度,充分發(fā)揮固結(jié)灌漿的功效。

(2)固結(jié)灌漿只在頂拱部位形成薄層硬殼,其上部還是散粒巖塊。因此,須嚴(yán)格控制爆破參數(shù)及循環(huán)進(jìn)尺,以免因爆破振動及循環(huán)進(jìn)尺過大,導(dǎo)致頂拱薄殼破壞而出現(xiàn)坍塌。

(3)φ76深排水孔采用偏心鉆頭造孔、套管跟進(jìn)工藝時要謹(jǐn)慎:在遇到較大巖塊、套管跟進(jìn)難時千萬不可冒進(jìn),強(qiáng)行將套管頂進(jìn)可能會出現(xiàn)因偏心鉆頭并未擊碎巖塊,導(dǎo)致因套管偏斜而被巖石卡死不能拔出,從而造成廢孔及套管損失,此時,應(yīng)將偏心鉆頭更換為普通 φ95鉆頭和混凝土φ90沖擊器進(jìn)行反復(fù)掃孔,待通過大塊巖石后再換偏心鉆頭繼續(xù)造孔。