磽磧水電站泄洪洞炭質(zhì)千枚巖斜井施工技術(shù)研究

趙鑫鈺, 楊 靖

(1、華電四川公司,四川成都 610036;2、四川大學(xué) 水電學(xué)院,四川成都 610065)

隨著交通、水利、電力等與地下工程相關(guān)行業(yè)日新月異的發(fā)展,以及施工機械的不斷更新,隧洞施工技術(shù)日趨完善。青藏鐵路、南水北調(diào)工程、三峽電站等一大批技術(shù)難度高、工程規(guī)模大、地質(zhì)難度突出的代表性工程的開工或建成,標(biāo)志著我國地下工程尤其是隧洞施工技術(shù)已接近世界先進水平。由于地下工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性、多變性以及難以準(zhǔn)確的預(yù)見,不同的工程展現(xiàn)了不同的施工水平,積累了不同的施工經(jīng)驗。筆者就磽磧水電站泄洪洞炭質(zhì)千枚巖斜井施工經(jīng)驗淺談一下關(guān)于較大斷面、地下水豐富、圍巖破碎、易泥化條件下斜井工程的施工,以供借鑒。

1 工程概況

磽磧水電站泄洪洞布置在河道右岸,全長1180.896m,為無壓隧洞。由開敞式進水口、上平段、龍?zhí)ь^段和下平段及出口挑流段組成,隧洞采用厚度為 0.8m的鋼筋混凝土襯砌。泄洪洞進口底板高程為 2130.5m,校核洪水位高程 2141 m時下泄流量為 390m3/s,出口采用挑流消能,底板高程為 2019.45m。泄洪洞斜井段坡度為50°,樁號為 0+387.667 ～ 0+526.293(圖 1),包括上彎段、1#摻氣坎、漸變段、下彎段,洞室斷面呈圓拱直墻型(上彎段、1#摻氣坎斷面尺寸為 7.6m×11.6m,漸變段斷面尺寸由 7.6m×11.6m漸變到 7.6m×8.6m,見圖 2,下彎段斷面尺寸為7.6m×8.6m),全長 138.626m。

在施工過程中,由于地質(zhì)、地形及水文等條件的限制,在導(dǎo)井開挖過程中,未采用反井鉆機開挖,而采用人工開挖的施工方式。其中,上彎段(0+387.667～0+412)、下彎段(0+526.293～0+497)采用分上下半洞的方式進行開挖;上彎段(0+412～0+432.8)、1#摻氣坎(0+432.8～0+447.8)、漸變段(0+447.8 ～ 0+486.68)、下彎段(0+486.68～0+497)全長 85m采用先由上至下導(dǎo)井掘進(圖 3),然后采用人工擴挖的方式進行開挖。

2 工程地質(zhì)情況

磽磧水電站斜井段圍巖以炭質(zhì)千枚巖、砂質(zhì)千枚巖為主,屬Ⅴ類圍巖。洞壁局部有線狀流水,開挖過程中存在塌掉塊及較大規(guī)模塌方等地質(zhì)問題。巖層角度較大,層面走向與洞線夾角較小,邊墻易產(chǎn)生片幫、垮塌等地質(zhì)問題。泄洪洞斜井段前期開挖及斜井導(dǎo)井開挖揭示的地質(zhì)情況如下:

圖 1 磽磧水電站泄洪洞斜井剖面圖

圖 2 磽磧水電站泄洪洞斜井漸變斷面

(1)樁號 0+387.667～0+420、0+452～ 0+526.293兩段洞身圍巖以炭質(zhì)千枚巖為主,呈極薄層結(jié)構(gòu)(局部碎裂結(jié)構(gòu))。構(gòu)造作用強烈,層面起伏,局部沿結(jié)構(gòu)面充填 1～8cm厚的石英脈,屬Ⅴ類圍巖。洞壁濕潤,局部有涌水、滴水。該洞段巖層層面與洞線夾角小,易產(chǎn)生卸荷松弛、片幫等地質(zhì)問題。受巖性、地下水、結(jié)構(gòu)面不利組合以及構(gòu)造作用的影響,圍巖自穩(wěn)能力極差,開挖過程中存在塌掉塊及較大規(guī)模塌方等地質(zhì)問題。

圖 3 磽磧水電站導(dǎo)井出渣排架側(cè)立面圖

(2)樁號 0+420～0+452段洞身圍巖以變質(zhì)砂巖為主,呈鑲嵌 ～次塊狀結(jié)構(gòu)。巖石堅硬,洞壁潤濕。結(jié)構(gòu)面發(fā)育,銹染嚴重,沿結(jié)構(gòu)面多充填厚度為 1～5cm的石英脈,屬Ⅳ1類圍巖。受結(jié)構(gòu)面不利組合以及構(gòu)造作用的影響,圍巖自穩(wěn)能力差,開挖過程中存在斷續(xù)塌掉塊等地質(zhì)問題。

通過上述地質(zhì)情況描述及統(tǒng)計分析可知,斜井段施工過程中面臨的主要地質(zhì)問題為較大斷面(190m2——豎直面,含超欠挖)、地下水豐富(87 L/s——樁號 0+390處 )、圍巖穩(wěn)定性差、圍巖易產(chǎn)生變形及易泥化。

3 施工方法

據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗及現(xiàn)場實際條件,磽磧水電站泄洪洞斜井開挖方法采用鉆爆法。為使臨時支護不占襯砌斷面,相比設(shè)計斷面超挖 25cm。在開挖施工過程中,始終堅持以“新奧法”理論指導(dǎo)施工,及時總結(jié)經(jīng)驗,改進臨時支護設(shè)計與施工。同時,加強圍巖變形觀測,掌握巖體變形、坍塌的規(guī)律,適時改變施工方法,做好臨時支護,以確保施工人員和機械設(shè)備的安全。

3.1 斜井段開挖

斜井段開挖采用循環(huán)作業(yè)施工,施工工藝流程見圖 4。

圖 4 磽磧水電站泄洪洞斜井開挖工藝流程圖

(1)導(dǎo)井開挖。

導(dǎo)井開挖自上而下由人工進行開挖,斷面為城門洞型(寬 ×高為 2.0m×2.0m,見圖 5)。

用 YT-28手風(fēng)鉆造孔,導(dǎo)爆索及非電雷管進行爆破網(wǎng)絡(luò)連接、火雷管起爆(爆破設(shè)計參數(shù)見表 1),出碴方式為人工裝 0.5m3出碴斗由卷揚機牽引順輕軌運至上平段(圖 3),再用 ZL50(3.0m3)裝載機配 15t自卸汽車運至碴場。

(2)斜井段開挖。

導(dǎo)井開挖完成后,開始擴挖斜井段。擴挖自上而下進行,采用光面爆破,YT-28手風(fēng)鉆造孔,導(dǎo)爆索及非電雷管進行爆破網(wǎng)絡(luò)連接、火雷管起爆(爆破設(shè)計參數(shù)見表 2),石碴經(jīng)導(dǎo)井下溜至圓弧段,用ZL50C(3.0m3)裝載機在下平段裝碴,15 t自卸汽車運至碴場。

圖 5 磽磧水電站泄洪洞斜井導(dǎo)井結(jié)構(gòu)圖

表 1 磽磧水電站斜井導(dǎo)井爆破設(shè)計參數(shù)表

采用 Y-28氣腿鉆鉆孔,孔徑 42mm。開挖采用直孔掏槽方式,周邊光面爆破。若遇 V類圍巖及斷、夾層帶等,采用“短進尺、弱爆破,周邊孔加密布置,隔孔裝藥爆破”的方式,盡量降低單響藥量,最大限度地降低爆破震動對圍巖的不利影響(圖 6)。炸藥采用 2#巖石乳化和銨銻炸藥,雷管采用非電毫秒微差雷管。周邊孔采用竹片或?qū)П鞣止?jié)間隔裝藥,爆破孔采用柱狀連續(xù)裝藥;用非電雷管和導(dǎo)爆索進行網(wǎng)絡(luò)連接、火雷管起爆,堵塞采用沙和粘土的混合物。

表 2 擴挖爆破設(shè)計參數(shù)表

斜井段擴挖時,從導(dǎo)井向下溜碴,在圓弧段處出碴,將所有石碴棄于指定碴場。由于斜井段平緩(水平夾角為 50°),且導(dǎo)井尺寸較小,溜碴存在一定難度。為保證溜碴的通暢,采取了以下措施:

圖 6 磽磧水電站斜井?dāng)U挖爆破施工布置圖

①將拋物線頂拱和圓弧段底板超挖一部分,以利于導(dǎo)井溜碴;②采取布孔加密、少藥量的爆破方法以加大石碴塊體的破碎度,利于石碴的下溜;③采用對導(dǎo)井澆筑 20cmC20混凝土,以利于石碴的下溜。

3.2 臨時支護

采用剛性和柔性支護相結(jié)合的原則進行臨時支護施工。

(1)導(dǎo)井支護。

施工順序為:素噴→鋼筋安裝→立模澆筑混凝土。

在出碴完成后立即進行素噴 C20混凝土 3～5cm厚,目的是為了施工安全。環(huán)向受力筋采用φ20,間距為 20cm×20cm;分布筋為 φ12,間距為20cm×20cm、與環(huán)向受力筋梆扎連接。立模為常規(guī)方式,模板為鋼木模板組合,混凝土為常態(tài),采用 0.75m3攪拌站拌和、3m3混凝土罐車運輸、混凝土泵泵送經(jīng)溜筒入倉、φ50軟軸式振搗器進行振搗(圖 5)。

(2)擴挖成型后支護。

臨時支護施工順序為:檢查超欠并處理欠挖→素噴→安裝鋼支撐→錨桿→掛網(wǎng)→噴混凝土。

排險后,由測量人員進行測放線,檢查超欠挖。對于欠挖處,用風(fēng)鎬進行處理,防止臨時支護侵占襯砌斷面。對欠挖部位進行修缺后(或擴挖達到設(shè)計要求)進行素噴,以確保施工安全。噴射 C20混凝土 3～5cm厚。上述工序完成后,分別進行鋼支撐安裝、錨桿安裝、掛網(wǎng)、噴混凝土等支護工序。

①鋼支撐安裝。

鋼支撐材料為Ⅰ16工字鋼,用型鋼加工機(自制)進行加工,頂拱部分加工為兩節(jié),兩端用10mm厚鋼板焊接并預(yù)先鉆孔,以便于螺栓連接;直墻根據(jù)現(xiàn)場實際尺寸進行切割和焊接,其中一端用鋼板焊接并鉆孔。采用 ZL50裝載機倒運至現(xiàn)場,人工利用工作平臺進行安裝,單榀鋼支撐節(jié)與節(jié)之間的連接采用 φ18螺栓連接。IV類圍巖工字鋼間距為 1m,V類圍巖工字鋼間距為 0.6 m。采用 φ25鋼筋與之焊接聯(lián)系或與系統(tǒng)錨桿焊接、間距 1.5m。

②錨桿安裝。

錨桿分超前錨桿、系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿。超前錨桿和系統(tǒng)錨桿在 V類圍巖或地質(zhì)軟弱地帶單獨或配合使用。鎖腳錨桿配合鋼支撐使用。錨桿材料采用 φ25鋼筋,超前錨桿和系統(tǒng)錨桿長度為 4.5m,鎖腳錨桿長度為 3m。施工工藝順序:鉆孔→清孔→填塞錨固劑→安裝錨桿。

采用 YT-28手風(fēng)鉆進行鉆孔作業(yè)。作業(yè)在施工平臺上進行,孔徑為 42mm。超前錨桿在施鉆時,要求有 8°～10°的仰角,間距為 30cm。系統(tǒng)錨桿應(yīng)盡量采用梅花型布置,間排距為 2m×2 m;鎖腳錨桿排距為 2m,單榀工字鋼一排,鎖腳錨桿為 2根。施鉆時,要有一向下的傾角。將 1in(1in=2.54cm)塑料軟管插入孔底,采用高壓水氣混合物將鉆孔內(nèi)的碎石和巖粉沖洗干凈,然后撤出塑料軟管。將事先在水里充分浸泡成泥狀錨固劑填塞入孔內(nèi),要求飽滿。待錨固劑填塞完成后,立即將加工好的錨桿快速插入充滿錨固劑的孔內(nèi)。抽樣對錨桿進行拉拔試驗,試驗的最大荷載至錨桿鋼筋拉斷為止。

③掛 網(wǎng)。

鋼筋網(wǎng)為 φ6.5、間排距為 15cm×15cm。先在場外加工廠將 φ6.5鋼筋拉伸后(該鋼筋原材料為盤狀),按施工需要切割下料,將其運至現(xiàn)場由人工按間距要求編織、綁扎、焊接成網(wǎng),且與鋼支撐可靠連接。

④噴混凝土。

采用干噴法進行噴護,利用操作平臺進行噴護作業(yè)。噴混凝土施工程序見圖 7。

圖 7 噴混凝土施工程序圖

噴混凝土所用的水泥、骨料、水、外加劑、風(fēng)、氣等應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。噴射混凝土的配合比應(yīng)通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗選定,要求其 1d齡期的最小抗壓強度應(yīng)不小于 5MPa,28d齡期的最小抗壓強度應(yīng)不小于 20MPa。在保證噴層性能指標(biāo)的前提下,盡量減少水泥和水的用量。速凝劑的摻量通過現(xiàn)場試驗確定,噴射混凝土的初凝和終凝時間應(yīng)滿足施工圖紙和現(xiàn)場噴射工藝的要求,噴射混凝土的強度應(yīng)符合施工圖紙要求。混凝土拌和采用 JQ750強制式拌和機進行攪拌,用自制 1.5m3混凝土罐車運輸。噴射施工前采用高壓風(fēng)水槍沖洗受噴巖面并保持濕潤,埋設(shè)控制噴護厚度的標(biāo)志。噴射作業(yè)分區(qū)自下而上進行。由混凝土攪拌站現(xiàn)場拌料,5t自卸車運輸,采用干式噴射機噴護施工。噴射混凝土作業(yè)按分段分片依次進行,噴射順序自下而上,噴混凝土分2～3層進行,每一層噴射厚度約 5cm,后一層應(yīng)在前一層混凝土初凝前進行。若因故終凝 1h后再行噴射,應(yīng)先用風(fēng)水清洗噴層面;混凝土終凝至下一循環(huán)放炮時間不應(yīng)少于 3h。

3.3 變形監(jiān)測

圍巖收斂變形觀測是監(jiān)視圍巖穩(wěn)定性,檢驗設(shè)計參數(shù)和施工方法是否正確合理及安全預(yù)警的重要手段,應(yīng)將量測信息及時反饋到設(shè)計施工中去,對支護參數(shù)和施工方法作出修正。在磽磧水電站泄洪洞斜井施工中,量測項目和具體施作情況為:

(1)地質(zhì)和支護狀態(tài)觀察。每次爆破后觀察確認圍巖名稱、類別、巖層傾角、走向及變化情況與趨勢、斷層、節(jié)理、裂隙發(fā)育、發(fā)展情況、洞內(nèi)滲水、涌水部位、里程、流量等,對地質(zhì)狀況作地質(zhì)描述。觀察初期支護和二次襯砌的情況,并注意了解位移、變形發(fā)展趨勢,以保證施工安全并反饋支護結(jié)構(gòu)是否合理。

(2)周邊位移量測。IV、V類圍巖每隔 10～30m設(shè)一個斷面,每個斷面設(shè)兩條水平測線,主要量測邊墻與拱部的相對位移并將其做為判斷圍巖穩(wěn)定性的重要手段,主要工具為收斂計。量測點布置見圖 8。

圖 8 周邊位移量測布置圖

(3)拱部下沉量測。用以判斷拱部穩(wěn)定性,防止塌方,量測點布置與周邊位移量測相同,每個斷面拱頂部位安設(shè)一個觀測點,在其后面設(shè)一個固定水準(zhǔn)點,用精密水準(zhǔn)儀量測出拱部標(biāo)高,計算出拱部下沉量。拱部下沉量測情況見圖 9。

圖 9 拱部下沉量測圖

(4)量測數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用。對量測資料、數(shù)據(jù)應(yīng)及時收集整理,繪制時間 ～位移曲線,并對曲線進行回歸分析,由此判斷圍巖的穩(wěn)定性并及時與設(shè)計、監(jiān)理協(xié)商是否修改支護參數(shù)。采用回歸分析時,可用下列函數(shù):

對數(shù)函數(shù):

μ=A?lg(1+t)或 μ=A+B/lg(1+t)

指數(shù)函數(shù):μ=Ae～b/t或 μ=A(1～e～bt)

雙曲函數(shù):

μ=t/A+Bt或 μ=A[1～(1/1+Bt)2]

式中 A、B為回歸常數(shù);t為初讀數(shù)后的時間(d);μ為位移量(mm)。

選取三函數(shù)中精度最高者作為回歸結(jié)果與預(yù)估變形最大值及實測位移值,折算成相對位移值并與表 3所列數(shù)據(jù)相比較,隧洞周邊的相對位移值應(yīng)小于允許值。對于所出現(xiàn)的接近或達到其臨界值且又無明顯的收斂跡象,即必須立即采取加強措施。

表 3 隧洞周邊的相對位移值允許范圍表

(5)通過上述監(jiān)測發(fā)現(xiàn)磽磧水電站泄洪洞斜井段樁號 0+395～0+405段周邊相對位移達0.841mm。鑒于該部位覆蓋層較淺(不足 40m)且變形無收斂跡象,為確保施工人員及設(shè)備安全,2008年 4月初停止了斜井段的開挖施工,對樁號0+387～0+412進行了永久襯砌。襯砌完成半個月后,“5.12”汶川大地震發(fā)生,雖然磽磧水電站距離汶川震中直線距離僅有 70.7km,但該段結(jié)構(gòu)經(jīng)受住了地震的考驗,確保了泄洪洞的工程安全,圍巖變形觀測彰顯出對工程安全不可替代的作用。

4 結(jié) 語

磽磧水電站泄洪洞工程結(jié)構(gòu)斷面較大、地質(zhì)條件差、巖石破碎,加之地下水豐富,炭質(zhì)千枚巖遇水泥化,在施工過程中遭遇了進口邊坡塌方近10萬 m3、冒頂及 19次不同程度的洞身塌方。尤其是在斜井段的施工過程中,由于地質(zhì)原因成洞條件差,超挖較為嚴重,最大豎直斷面垂直高度達19m,加之掉塊、涌水等不良施工工況,施工極為艱難。通過采用“短進尺、弱爆破、強支護”的施工手段、加強施工期觀測、靈活調(diào)整開挖、支護、襯砌等工序,有效地保證了泄洪洞斜井施工的順利進行,圓滿地完成了工程建設(shè)任務(wù)。