紅土田電站引水隧洞破碎巖層開挖與襯砌

魏光銀,翁建平

(浙江省水電建筑安裝有限公司,浙江 杭州 310051)

1 工程概況

紅土田電站工程地處云貴高原橫斷山脈中南段,滇西高山峽谷區(qū),“三江”并流的瀾滄江、怒江兩大峽谷間.地勢北高南低,東高西低.區(qū)域內(nèi)山巒重疊,地勢陡峻,谷深坡險,大面積出露碳酸巖及碎屑巖地層,為高山侵蝕溶蝕構(gòu)造地貌.河流下切和逆源侵蝕強烈,工程區(qū)溝、河谷呈“V”字型,水流急.

本工程所處位置為第四系坡積、崩塌堆積大塊石、碎石夾砂土,厚5～45 m,分布引水隧洞前段陡坡、陡崖的山麓地帶.

本工程施工方案由設(shè)計方案衍變[1],經(jīng)過多次的推敲、比選及研究,并結(jié)合現(xiàn)場的實際情況,考慮坡積、崩塌堆積層穩(wěn)定性及開挖方式、邊坡支護參數(shù)及隧洞主體襯砌順序等,確定采用明挖法分層開挖土石方、砂漿錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土支護,堆積大塊石帶按照“桿超前、后開挖、弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則進行組織施工隧洞主體結(jié)構(gòu)的總體施工方案.

2 施工技術(shù)

2.1 防排水措施

為防止或者減少外部水源侵入,正式施工之前,劃定施工范圍,并做好地表的防排水措施,在開挖線之外≥5 m范圍砌筑天溝,防止陰雨天氣雨水對開挖邊坡造成影響.

土石方開挖時,根據(jù)開挖深度的不同,設(shè)置一定數(shù)量的平臺,在每級平臺上設(shè)置截水溝,順邊坡流下的雨水可隨截水溝排走.當(dāng)土石方開挖到進洞口后,在坡底設(shè)置排水溝,使得剩余的水順排水溝流走,以免對隧洞主體底部的地基承載力造成影響.

2.2 土石方開挖及邊坡支護

根據(jù)土石方的土質(zhì)特性及本地的氣候情況,應(yīng)嚴(yán)格分層開挖,確保開挖的坡度,并及時對開挖面進行封閉處理,以防暴露時間過長,土體遇水膨脹,造成塌方等不良現(xiàn)象.

進洞口以上土方開挖與支護.分層開挖的深度不大于4 m,自一端向另一端整體推進,同一斷面,按自兩側(cè)向中間的順序組織開挖,以及時形成邊坡支護的空間.確保流水作業(yè).提高施工進度.隨著開挖深度的增加,按照設(shè)計要求,每8 m高度設(shè)置一層臺階,臺階的寬度為1.5 m.

當(dāng)土石方開挖到進洞口后,在臺階上做好截水溝及排水設(shè)施,確保起拱線以下土體開挖的安全.

邊坡支護采用Q22 mm砂漿錨桿,長度2～6 m,呈梅花型布置,間距1.5 m×1.5 m(頂層開挖深度小的位置),先噴射一層 C20混凝土(厚度3～5 cm),再外掛 Φ 8 mm鋼筋網(wǎng)(網(wǎng)格20 cm×20 cm)后繼續(xù)分層噴射C20混凝土(總厚度15 cm).錨桿與鋼筋網(wǎng)間用厚度為1 cm且10 cm×10 cm的方形鋼板固定.

2.3 隧洞開挖與襯砌

洞口明洞采用明挖法施工,開挖至明暗分界線后,先施做護拱混凝土,然后施做暗洞超前大管棚,隨后立即做好明洞襯砌,隨后進入暗洞施工,待明洞混凝土達(dá)到設(shè)計規(guī)定的強度后及時進行明洞洞頂回填.暗洞開挖根據(jù)圍巖情況采用交叉中隔壁法施工,每循環(huán)進尺控制在1 m以內(nèi).

砂土隧洞開挖采用人工配合挖掘機進行,出碴采用裝載機配合自卸汽車無軌運輸.石質(zhì)隧洞采用鉆爆法開挖,出碴采用裝載機配合自卸汽車無軌運輸.施工通風(fēng)采用管道壓入式通風(fēng).

在施工過程中應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗,優(yōu)化工藝.加強超前地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報,加強圍巖監(jiān)控量測管理.根據(jù)量測結(jié)果,及時調(diào)整預(yù)留變形量及支護參數(shù),適時施作二次襯砌,確保隧洞安全.

2.3.1 施工工藝流程

施工工藝流程見圖1.

圖1 施工工藝流程

2.3.2 施工工序

(1)開挖方法

將隧洞橫斷面開挖分為5區(qū),按①區(qū)→②區(qū)→③區(qū)→④區(qū)→⑤區(qū)的順序進行,見圖1.

①區(qū)開挖:利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧洞側(cè)壁Ф 50小導(dǎo)管及導(dǎo)坑側(cè)壁Ф 22水平錨桿超前支護.機械開挖①區(qū),人工配合整修,必要時噴5 cm厚混凝土封閉掌子面.施作①區(qū)導(dǎo)坑周邊的初期支護和臨時支護,即初噴4 cm厚混凝土,架立型鋼鋼架和Ⅰ18臨時鋼架,并設(shè)鎖腳錨桿,安設(shè)I18橫撐,安裝徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度.

②區(qū)開挖:在滯后于①區(qū)開挖面一段距離后,機械開挖②區(qū),人工配合整修,必要時噴5 cm厚混凝土封閉掌子面,導(dǎo)坑周邊部分初噴4 cm厚混凝土,接長型鋼鋼架和I18臨時鋼架,安裝鎖腳錨桿,安設(shè)I18橫撐,鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度.

③區(qū)開挖:在滯后于②區(qū)開挖面一段距離后,機械開挖③區(qū),人工配合整修,并施作導(dǎo)坑周邊的初期支護,步驟及工序同①區(qū).

④區(qū)開挖:在滯后于③區(qū)開挖工作面一段距離后,機械開挖④區(qū),人工配合整修,并施作導(dǎo)坑周邊的初期支護,步驟及工序同②區(qū).

⑤區(qū)開挖:在滯后于④區(qū)開挖工作面一段距離后,機械開挖⑤區(qū),人工配合整修.隧底周邊部分初噴4 cm厚混凝土.接長Ⅰ18臨時鋼架,復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度.拆除下部橫撐,安設(shè)型鋼鋼架仰拱單元,使之封閉成環(huán).

(2)襯砌支護

根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果分析,待初期支護驗收合格后,拆除I18臨時鋼架及上部臨時橫撐.利用仰拱棧橋灌筑⑤區(qū)邊墻基礎(chǔ)與仰拱混凝土并填充至設(shè)計高度.邊墻與頂拱按照設(shè)計要求一次性澆筑完成.

圖2 隧洞橫斷面示意圖

2.3.3 施工控制要點

(1)開挖進尺

為確保施工安全,上導(dǎo)坑①、③區(qū)的開挖循環(huán)進尺控制為1榀鋼架間距(0.5～0.65 m),②、④區(qū)的開挖可依據(jù)地質(zhì)情況適當(dāng)加大,但不得大于2榀鋼架間距(1.0～1.3 m),⑤區(qū)仰拱一次開挖長度不宜＞5 m.

(2)中間支護系統(tǒng)拆除

中間支護系統(tǒng)的拆除時間應(yīng)考慮其對后續(xù)工序的影響,通過圍巖監(jiān)控量測進行確定.當(dāng)圍巖變形達(dá)到設(shè)計允許的范圍之內(nèi),并在嚴(yán)格考證拆除的安全性之后,方可拆除,同時要注意后續(xù)作業(yè)的及時跟進.

如圍巖穩(wěn)定條件滿足設(shè)計要求,臨時支撐可在仰拱混凝土澆筑前一次性拆除.為保證施工安全,限制圍巖變形,臨時支撐也可推遲到仰拱填充施工完成后防排水系統(tǒng)施作前一次性拆除.

中隔壁混凝土拆除時,要防止對初期支護系統(tǒng)形成大的振動和擾動.可采用風(fēng)鎬拆除鋼支撐之間的噴射混凝土,以及臨時支護與初期支護連接部位附著在鋼架上的噴射混凝土,臨時鋼構(gòu)件采用氣焊燒斷.

2.4 爆破施工

石質(zhì)隧洞的爆破作業(yè),主要以光面爆破為主[2].爆破作業(yè)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、開挖斷面、開挖方法、循環(huán)進尺和爆炸材料進行鉆爆設(shè)計,鉆爆設(shè)計應(yīng)根據(jù)爆破效果不斷優(yōu)化爆破參數(shù)[3].

鉆爆設(shè)計的內(nèi)容包括炮眼(掏槽眼、輔助眼、周邊眼)的布置、深度、斜率和數(shù)目,爆破器材、裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu),起爆方法和爆破順序,鉆眼機具和鉆眼要求等.鉆爆設(shè)計應(yīng)包括炮眼布置圖、周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)圖、鉆爆參數(shù)表、主要經(jīng)濟指標(biāo)和必要的說明.

爆破參數(shù)通過試驗確定,相應(yīng)數(shù)據(jù)詳見表1.

表1 光面爆破參數(shù)

周邊眼應(yīng)沿隧洞開挖輪廓線布置,保證開挖斷面符合設(shè)計要求,硬巖開眼位置在輪廓線上,軟巖可向內(nèi)偏5～10 cm.底板和仰拱底面采用預(yù)留光爆層爆破,Ⅱ級圍巖段的中心水溝應(yīng)與隧底光爆層同時爆破成形.輔助眼交錯均勻布置在周邊眼和掏槽眼之間,力求爆破出的石塊塊度適合裝碴需要.周邊炮眼與輔助炮眼的眼底應(yīng)在同一垂直面上,掏槽炮眼加深10～20 cm.當(dāng)開挖面凹凸較大時,應(yīng)按實際情況調(diào)整炮眼深度,使周邊眼和輔助眼眼底在同一垂直面上.

2.5 勞動力、機械設(shè)備的配置

人員、機械設(shè)備應(yīng)結(jié)合隧洞開挖方法、工期要求進行合理配置,配套的生產(chǎn)能力應(yīng)為均衡施工能力的1.2～1.5倍.隧洞單口施工,根據(jù)開挖方法配置1臺小型挖掘機平行作業(yè),1臺裝載機進行裝碴施工,自卸汽車不宜少于2輛,10 m3/min、20 m3/min空壓機各1臺.根據(jù)開挖面的特點,每工作班開挖作業(yè)人員不宜少于15人.

3 安全、質(zhì)量控制措施

(1)加強對技術(shù)及施工人員的培訓(xùn),提高全體參建人員的安全、質(zhì)量意識.

(2)堅持“桿超前、后開挖、弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則.

(3)嚴(yán)格按照設(shè)計文件規(guī)定的開挖方法進行施工,否則應(yīng)按照變更程序申請改變施工方案.

(4)在隧洞開挖前,對隧洞地表中線附近范圍進行勘察,對地表沖溝、深井、滑塌、陷穴、地表附著物等不良地質(zhì)情況進行統(tǒng)計,并按里程樁號逐一登記、拍照,尤其是隧洞下穿堆積大塊石地段,施工中應(yīng)加強監(jiān)控量測工作,嚴(yán)格按設(shè)計方案施工,確保隧洞安全、順利通過.

(5)每循環(huán)進行測量放樣,嚴(yán)格控制超欠挖.定期對測量控制點進行檢查、復(fù)核,避免由于隧底下沉、上鼓、不均勻變形及人工或機械碰撞等原因?qū)刂泣c的損害.

(6)邊墻、仰拱或底板等的地基承載力必須滿足設(shè)計要求.軟弱地基處理方法和施工質(zhì)量應(yīng)符合設(shè)計要求.隧底開挖前應(yīng)進行施工工藝設(shè)計.

(7)開挖后應(yīng)按設(shè)計要求的量測項目及頻率進行圍巖量測,及時反饋量測信息.

(8)隧洞開挖中,應(yīng)在每次開挖后及時觀察、描述圍巖裂隙結(jié)構(gòu)狀況、巖體軟硬程度、出水量大小,核對設(shè)計情況,判斷圍巖的穩(wěn)定性.

(9)土質(zhì)隧洞在開挖過程中,盡量減少挖掘機對隧洞邊沿的開挖,應(yīng)采用人工風(fēng)鎬對隧洞周邊進行修整,減少對圍巖的擾動,避免側(cè)壁或拱頂?shù)魤K現(xiàn)象.拱腳、墻角應(yīng)預(yù)留30 cm人工開挖,嚴(yán)禁超挖.土質(zhì)隧洞拱墻腳嚴(yán)禁被水浸泡.開挖完畢后,應(yīng)盡早對圍巖進行支護封閉,減少圍巖暴露的時間.

(10)制定安全施工應(yīng)急預(yù)案,日常做好應(yīng)急材料、物資的儲備.

4 其他注意事項

(1)分部開挖時,在滿足設(shè)計規(guī)范及安全質(zhì)量要求的前提下,應(yīng)盡量采用適合機械化作業(yè)的施工工藝,分部尺寸劃分合理,各分部盡量平行作業(yè),從而達(dá)到快速施工的目的.

(2)仰拱開挖長度應(yīng)考慮拱墻二次襯砌分節(jié)長度,沉降縫、施工縫應(yīng)設(shè)于同一豎直面上.

(3)棄碴時要由專人指揮、堆放整齊、邊坡平整,棄碴場需設(shè)置擋墻.施工過程中杜絕隨意傾倒棄碴和棄土.施工完畢后,對棄碴場及時平整,并做好綠化、防護,避免水土流失.

(4)施工中應(yīng)加強通風(fēng),保持洞內(nèi)空氣質(zhì)量.

(5)便道及施工現(xiàn)場要注意撒水防塵,減少對周圍環(huán)境的破壞.

5 結(jié) 語

采用正確的指導(dǎo)性原則,充分運用交叉中隔壁法洞身施工,對地質(zhì)條件極差的坡積、崩塌堆積體有顯著的效果,有效確保了工程施工的安全、質(zhì)量和進度.本方法的成功運用,為以后類似工程施工提供了有效的、可借鑒的施工經(jīng)驗.

[1]魏 璇.水利水電工程施工組織設(shè)計指南[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

[2]郭進平,聶興信.新編爆破工程實用技術(shù)大全[M].北京:光明日報出版社,2002.

[3]張正宇.現(xiàn)代水利水電工程爆破[M].北京:中國水利水電出版社,2003.