鋼拱架與鋼格柵在馬馬崖一級水電站隧洞開挖施工中的運用

賈志敏 張齊炳

(1.貴州黔源北盤江馬馬崖電站建設公司，貴州關嶺 561300;2.中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院，貴州關嶺 561300)

隨著新奧法思想得到土木工程行業(yè)的普遍肯定，錨噴支護在各類隧洞開挖施工中得到了廣泛運用。尤其當隧洞斷面尺寸較大而圍巖條件又較差時，一期支護一般在普通支護外采取增設鋼拱架或鋼格柵的方式增強支護系統(tǒng)強度及剛度。但二者存在著顯著差別，應該注意到，在不同的條件下采用不同的支護形式，可以獲得較高的性價比。貴州北盤江馬馬崖一級水電站工程進廠交通洞及導流洞工程采取了上述兩種的不同支護形式，均取得良好效果，對類似工程具有一定的參考意義。

1 概況

1.1 工程概況

馬馬崖一級水電站位于北盤江中下游，地處貴州省關嶺縣花江大橋上游20.2km的峽谷中。該電站為北盤江干流 (茅口以下)梯級的第二級。馬馬崖一級水電站水庫正常蓄水位585m，相應庫容1.365億m3;校核洪水位590.29m，相應庫容1.695億m3;電站裝機容量558MW，安裝3臺單機容量為180MW的水輪發(fā)電機組和1臺單機容量為18MW的生態(tài)流量機組，屬日調節(jié)性水庫。電站樞紐布置方案為碾壓混凝土重力壩，最大壩高109m;引水發(fā)電系統(tǒng)及地下廠房洞室群均布置于左岸山體內。樞紐工程等級為二等，工程規(guī)模屬大 (2)型。

1.2 地質概況

該工程導流洞布置于右岸，斷面為11m×12m城門洞形，隧洞長648.91m，出口明渠長65m，沿線主要穿越地層為三疊系中統(tǒng)關嶺組第二段第三層第二小層 (T2g2-3-2)灰色深灰中厚層夾厚層、薄層細晶灰?guī)r，晶洞灰?guī)r;三疊系中統(tǒng)關嶺組第二段第三層第一小層 (T2g2-3-1)灰色、深灰色中厚層夾薄層灰?guī)r，中部夾10m左右晶洞灰?guī)r，頂部以薄層為主。由上游至下游，導流洞穿過F6，破碎帶寬0.1～1.0m，影響帶寬0.8～2.0m。裂隙以 N10°～30°W，SW∠65°～85°(以卸荷裂為主，主要發(fā)育于進、出口邊坡)、N10°～30°E，NW∠50°～70°及 N50°～70°W、NE∠55°～75°四組較發(fā)育。

進廠交通洞位于壩址下游左岸，斷面為11.98m×8.83m(寬×高)馬蹄形，全長753.34m，進口底板高程555.0m、隧洞埋深50～150m，同樣主要穿越T2g2-3-1、T2g2-3-2地層。進口洞臉和兩側邊坡均為斜向坡。洞身段以Ⅲ類圍巖為主，局部有斷層破碎帶、溶洞或受風化影響，為Ⅳ～Ⅴ類圍巖。

2 鋼拱架與鋼格柵作用

鋼拱架及鋼格柵均屬鋼架類加強支護系統(tǒng)，其主要作用是在噴射混凝土未達到設計強度之前或不能及時進行噴混凝土支護位置預先承擔圍巖壓力和約束變形，提高初期支護系統(tǒng)的抗力，確保洞內施工安全;同時在后期支護中成為永久支護系統(tǒng)的一部分，有利于洞身結構穩(wěn)定。

由于結構形式和制作工藝的差別，鋼拱架及鋼格柵在支護效果上存在一定的差別，各有優(yōu)缺點:

型鋼鋼拱架截面面積大、剛度大、承壓能力較強，能夠有效控制圍巖初期變形。但存在不易與巖體貼合緊密、背后空腔噴混凝土不易填充密實、與巖體接觸面積小，應力較為集中等不足。另外，鋼拱架存在單榀重量大，運輸及安裝就位不便等局限。

鋼格柵與混凝土接觸面積大、粘結效果好，能夠共同變形，共同受力，不易出現(xiàn)收縮裂縫。鋼格柵采用柔性的鋼筋制作，安裝時可以盡量貼合巖壁，整體性較好，其后方不易出現(xiàn)空腔問題。而且其造價相對較低，經(jīng)濟性好;重量輕，制作簡單，運輸和安裝方便。但是鋼格柵又存在整體剛度較低、無法抵抗較大圍巖應力產(chǎn)生的形變等不足。

根據(jù)相關研究，“鋼拱架剛度比鋼格柵高10%～20%，鋼拱架的初期支護能夠承受的均布荷載壓力比鋼格柵高約13%。噴混凝土超過24h后，噴射混凝土以及與錨桿形成的組合拱成為主要的承載結構，此時鋼拱架和鋼格柵除提高整體強度外，在控制噴射混凝土結構徑向、環(huán)向、斜向裂縫方面也具有相當作用”。

3 馬馬崖一級水電站隧洞開挖中加強支護措施的選用

根據(jù)設計勘探情況，導流洞工程及進廠交通洞工程地質情況如圖1、圖2所示。

圖1 導流洞工程地質剖面圖

圖2 進廠交通洞工程地質剖面圖

馬馬崖一級水電站壩址兩岸地質情況基本相同，左岸為逆向坡，右岸為順向坡。實際施工開始后發(fā)現(xiàn)，由于所在高程和穿越地質層面有所不同，導流洞工程和進廠交通洞工程地質情況亦存在一定程度的不同，故在施工過程中采取了不同的支護形式。

3.1 導流洞工程

導流洞進口地處右岸12號沖溝所形成的溶蝕帶，上方存在DR8、DR4危巖體。進洞后發(fā)現(xiàn)，該處巖體以厚層夾中厚層為主，但層間夾層及裂隙較為發(fā)育，夾層為軟塑狀黏土夾碎石，裂隙多為鐵質及方解石、黏土質填充，局部溶蝕強烈，沿層面容易出現(xiàn)大面積塌落的情況。同時由于進口洞段靠近河流且埋深較淺，在卸荷裂隙切割及巖層層面組合作用下，圍巖多形成不穩(wěn)定楔形體，易導致層狀巖體塌方及掉塊。經(jīng)參建各方研究，決定對進口段采用20a工字鋼制作鋼拱架進行加強支護，間距0.5m。主要優(yōu)點是依靠鋼拱架較大的強度及剛度對厚層巖體形成有效支撐，由此也可保證其上部整體性較好的層狀結構的穩(wěn)定，防止沿結構面發(fā)生大規(guī)模垮塌情況。

另外，F(xiàn)6斷層從導流洞0+390～0+420樁號穿過，其產(chǎn)狀為N25～45°W，SE∠80°，逆斷層，破碎帶寬0.1～1.0m，影響帶寬0.8～2.0m。充填方解石、泥質、鐵質膠結角礫巖。根據(jù)開挖出露情況，考慮到導流洞斷面較大，鋼拱架較大的剛度在抗微小變形時具有的優(yōu)勢，對拱頂圍巖整體穩(wěn)定有利，該洞段也選擇了工字鋼拱架進行加強支護。

從埋設在采用工字鋼拱架支撐的洞身段K0+30樁號處的多點位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，采用鋼支撐加強支護的洞段，圍巖應變較小且呈收斂狀態(tài)，無明顯增大趨勢，說明鋼支撐對圍巖發(fā)揮了較好的支撐作用。多點位移計過程線見圖3。

圖3 K0+030.00樁號，左右邊墻位移計過程線

3.2 進廠交通洞工程

進廠交通洞工程洞身段以Ⅲ2、Ⅳ類圍巖為主，地質條件與導流洞基本相同，但洞身斷面較小。施工過程中經(jīng)過了幾個斷層破碎帶及溶蝕帶，主要不良地質情況為:晶洞灰?guī)r的溶蝕破碎帶容易出現(xiàn)小塊掉塊，薄層巖體層間的黏土夾碎石夾層易出現(xiàn)成層大面積塌落 (層厚普遍10cm至20cm)，由于地下水溶蝕形成囊狀溶洞或小型空腔，部分內部充水。

根據(jù)現(xiàn)場情況，采用鋼格柵結合掛網(wǎng)噴混凝土支護進行了加強支護，鋼格柵采用2與16的鋼筋焊接形成，鋼格柵支護后進行掛 6鋼筋網(wǎng)噴混凝土，快速形成支護體系。根據(jù)觀察，采用鋼格柵加強支護的洞段，在后續(xù)施工中未再出現(xiàn)掉快現(xiàn)象。在頂拱位置，還采取鋼筋網(wǎng)片與錨桿焊接后形成懸吊格柵系進行支護，端部加設鋼格柵，也取得了良好效果。

鋼格柵可以采取現(xiàn)場制作安裝，能及時對不良地段進行及時支護，有利于加快施工進度并保障施工安全。鋼格柵結構形式見圖4。

圖4 鋼格柵結構形式

4 施工中發(fā)現(xiàn)的問題

在隧洞開挖中，應用鋼拱架與鋼格柵進行支護可以有效地提高支護系統(tǒng)的抗力，而在馬馬崖電站實際施工過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，具體如下:

(1)在導流洞施工中，由于中厚層夾薄層巖體及層間夾層發(fā)育的地質情況易產(chǎn)生順層塌落，導致了開挖成型效果差，很多部位開挖斷面未能形成城門洞，而是形成類似于矩形的斷面。此時采用鋼支撐支護，僅頂部及邊墻部分能夠接觸巖體，受力點集中，整體受力情況較差，出現(xiàn)拱架偏壓變形情況，后采取“拱上拱”結構，增加了對開挖巖面的接觸后趨于穩(wěn)定。

(2)鋼支撐須形成整體城門洞結構受力。導流洞部分洞段邊墻地質情況較好，但鋼支撐仍需延伸至邊墻底部，存在一定程度的浪費。

(3)鋼支撐與開挖頂拱之間的空腔，噴混凝土不易填充飽滿，采用“拱上拱”結構可加大支撐受力面積，但該空腔仍然難以處理，導致二襯后回填灌漿量大。

(4)鋼格柵本身剛度較差，如不與噴射混凝土聯(lián)合作用很難起到支撐作用，但因開挖掌子面后續(xù)爆破作業(yè)影響，一般不具備噴混條件，容易導致支護不及時而發(fā)生掉塊、薄層垮塌情況，破壞已施工的鋼格柵。

(5)鋼格柵采取現(xiàn)場加工，超挖部位仍可以沿開挖面布置，與巖面貼合性較好，噴混凝土時也易于密實結合。但存在焊接工程量大、工藝復雜的問題。施工過程中要嚴格控制鋼筋間距和焊接質量，否則容易因受力鋼筋變形或焊接處斷裂而發(fā)生彎折。

綜上幾點，采用鋼拱架或鋼格柵支撐系進行一期支護，各有優(yōu)缺點，建議小斷面，易發(fā)生薄層、小塊掉落的情況選用鋼格柵;大斷面，強卸荷、裂隙切割較深的情況選用鋼拱架，并視情況綜合采取“拱上拱”等加強措施。

5 結語

鋼拱架和鋼格柵都是洞室開挖中重要的加強支護手段，施工過程中合理選用可以加快施工進度，根據(jù)不同洞室斷面及地質條件，選用不同的支護形式，可以有效降低工程造價;同時可以加快對洞室不良地段的支護，確保洞室結構穩(wěn)定及施工安全。

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