復(fù)雜地質(zhì)條件下壓力管道開挖支護(hù)施工探討

余建強(qiáng)，王慧娟

(中國水利水電第十工程局有限公司一分局，四川都江堰 611830)

1 工程概述

二臺(tái)子電站位于四川省甘孜州九龍縣灣壩河干流上，為低壩、長引水隧洞、地面廠房組成的水力發(fā)電樞紐。總裝機(jī)容量為2×26MW。其壓力管道原設(shè)計(jì)為明管布置，因環(huán)境保護(hù)要求改為洞內(nèi)埋藏式布置，以減少對(duì)地表植被破壞及不可修復(fù)性生態(tài)影響。

壓力管道上平段高程為2461．512m，中平段高程為2289m，下平段高程為2129m，上斜井豎直段高度為172．512m，下斜井豎直高度為160 m，總高差 332．512m，傾角 60°。主洞凈斷面為φ3．6m圓形。支洞為城門洞型，凈斷面高4．8 m，寬4．5m，頂拱半徑為2．6m。

2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)位于川滇南北向構(gòu)造帶西側(cè)貢嘎山斷塊東南緣，屬于松潘甘孜地槽褶皺系之二級(jí)構(gòu)造單元巴顏喀拉冒地槽褶皺帶的東南緣，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。跨地臺(tái)型和地槽型兩大地層巖相區(qū)，大致以磨西斷裂、小金河～康定斷裂為界。壓力管道區(qū)域位于磨西斷裂西部變質(zhì)巖區(qū)，區(qū)內(nèi)地層除寒武系、石炭系、白堊系缺失外，從前震旦系到第四系地層均有不同程度的分布，出露主要地層為三疊系下統(tǒng)菠茨溝組(T1b)的千枚狀石英雜砂巖、板巖。

第四系地層主要分布于山坡、平臺(tái)、坡腳、溝谷和河床。由冰水堆積、沖積、洪積、崩坡堆積形成的漂卵石、砂卵石、塊碎石、塊碎石土、砂層、粉土層等松散堆積物組成。

壓力管道實(shí)際施工中揭示地質(zhì)條件較差，主要為IV、V類圍巖，巖性主要為千枚狀石英雜砂巖，巖體破碎，強(qiáng)度低，局部為ⅢC類圍巖，巖性為中厚層狀砂質(zhì)板巖。

壓力管道上、中、下三條施工支洞均從第四系地層土體覆蓋層直接進(jìn)洞。

3 主要施工布置情況

3．1 施工用電

從10kV電源接入點(diǎn)接10kV輸電線至上、中、下施工支洞口，各設(shè)1臺(tái)變壓器降壓至400V后供施工使用。

3．2 施工用水

在取水點(diǎn)設(shè)第一級(jí)泵房，布置3臺(tái)水泵，分別抽水至下平段、中平段的施工水池;在中平段施工水池旁設(shè)第二級(jí)泵房，布置2臺(tái)水泵，抽水至上平段施工水池。各施工水池接供水管自流至工作面。

3．3 施工用風(fēng)

各支洞口附近設(shè)壓縮風(fēng)站，接風(fēng)管至工作面供施工用風(fēng)。

3．4 施工交通

在下平段至中平段修建上山道路，路寬約4 m，以挖方路基為主，局部為填方路基，每隔200m左右設(shè)錯(cuò)車道，寬度增加3．5m，長度約16m，道路縱坡不大于9%。

在中平段至上平段架設(shè)1條起重量為10t的索道進(jìn)行設(shè)備材料運(yùn)輸，人員施工便道解決人員交通問題。

3．5 拌合站

在各支洞口附近布置1臺(tái)JDY350拌合機(jī)拌制噴漿料，設(shè)水泥庫房和砂石堆存區(qū)，以保證雨季道路交通或索道運(yùn)輸受阻時(shí)有儲(chǔ)備量。

3．6 鋼筋制作場

在廠區(qū)布置鋼筋制作場，制作鋼筋拱架、錨桿、管棚鋼管等，由10t平板車運(yùn)至下平段和中平段，上平段材料由索道吊運(yùn)。

4 支洞與平洞施工

4．1 土體洞段

4．1．1 支護(hù)形式

施工支洞及下平段末端均有較長的土體洞段，該區(qū)域土體呈粘性土、砂性或粉砂性土、碎石土及各種土交互混雜形態(tài)，形成時(shí)期跨度大，形成因素和機(jī)理復(fù)雜，強(qiáng)度、緊密程度、固結(jié)程度等均不一樣，滲透性、孔隙率、壓縮性、顆粒大小和粘聚性能均有很大差異。若采用管棚超前注漿固結(jié)支護(hù)，可能會(huì)出現(xiàn)以下不利情況:土體可灌性能不一致，部分洞段無法灌漿固結(jié);灌漿固結(jié)后碎石堆積體或其它可灌土體強(qiáng)度將大大提高，洞體斷面小，難以使用機(jī)械開挖，爆破開挖擾動(dòng)范圍大;灌漿增加工序交替、增加組織難度和循環(huán)時(shí)間，水泥漿需待強(qiáng)，進(jìn)度將受到影響。

經(jīng)研究確定采用加密超前管棚與拱架支撐、掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土聯(lián)合支護(hù)。

管棚使用一頭尖的φ50鋼管，長1．5m，布置在頂拱及拱腳下邊墻1m范圍，中心間距100 mm，外挑角為 18°。

拱架采用4根φ20主筋組成邊長為20cm的正方形斷面、φ16副筋焊接成桁架，分成1榀頂拱和2根立柱制作，現(xiàn)場焊接組立。拱架間距為0．5m，拱架間用φ20鋼筋焊接連接，連接筋間距為60cm。兩側(cè)邊墻掛φ6．5、20cm×20cm 鋼筋網(wǎng)，周邊噴射10cm厚C20混凝土封閉。

4．1．2 洞口施工

使用1m3挖掘機(jī)開挖形成進(jìn)洞坡面。砌筑漿砌石八字形擋土墻，組立3榀拱架，頂進(jìn)第一層管棚，管棚與拱架焊接牢固，拱頂鋪鋼板防護(hù)，坡面噴5cm厚C20混凝土。

4．1．3 開 挖

開挖分2層進(jìn)行。上層高1．51m，人工開挖，進(jìn)尺0．6m，土渣翻至下層;上層支護(hù)后跟進(jìn)下層開挖，下層高3．49m，0．2m3挖掘機(jī)開挖;開挖渣料使用ZL30裝載機(jī)裝自卸汽車運(yùn)出。

4．1．4 支 護(hù)

上層開挖后，人工抬運(yùn)頂拱拱架至組立位置，與超前管棚焊接，用連接筋與后側(cè)穩(wěn)固的拱架焊接牢固。人工持風(fēng)鎬沿頂拱拱架中空位置外挑18°頂進(jìn)超前管棚，噴射C20混凝土封閉。

下層開挖后，人工抬運(yùn)立柱至組立位置，與頂拱焊接，用連接筋與后側(cè)穩(wěn)固的立柱連接，在立柱底墊預(yù)制混凝土塊可靠支撐，避免懸空。掛網(wǎng)噴射混凝土封閉。

4．2 巖石洞段

4．2．1 開 挖

實(shí)施鉆爆法開挖，光面爆破控制周邊成形并減少圍巖擾動(dòng)破壞。人工持手風(fēng)鉆鉆孔，裝入乳化炸藥，非電毫秒雷管連接成起爆網(wǎng)絡(luò)，電雷管起爆。

IV、V類圍巖循環(huán)進(jìn)尺為1～1．2m;Ⅲ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺為2m。

爆破后通風(fēng)散煙，撬除松動(dòng)石塊，ZL30裝載機(jī)裝自卸汽車運(yùn)出，0．2m3挖掘機(jī)清理掌子面。

4．2．2 支 護(hù)

大部分洞段為IV、V類圍巖，巖體破碎，裂隙發(fā)育，部分洞段有較大的地下水流出，采用與土體洞段相同的拱架做為支撐，間距0．5～1m;周邊設(shè)φ25、L=3m的徑向錨桿和超前錨桿錨固巖體;掛 φ6．5、20cm ×20cm 的鋼筋網(wǎng)，噴10cm 厚C20混凝土封閉;噴漿前將地下水妥善引排，避免水壓力破壞噴漿層。

部分洞段為Ⅲ類圍巖，采用φ25、間排距1．2 m，L=3m的系統(tǒng)錨桿錨固巖體，噴5cm厚C20混凝土封閉。

5 豎井施工

豎井采用ML200型反井鉆機(jī)鉆φ216導(dǎo)孔，再反向擴(kuò)孔至φ1．4m作為溜渣井，人工自上而下實(shí)施分層鉆爆法開挖，爆渣經(jīng)溜渣井自落至下彎段，人工清理施工平臺(tái)后支護(hù)，每層開挖后即進(jìn)行本層支護(hù)，逐層循環(huán)施工。

5．1 反井鉆機(jī)施工

豎井上彎段開挖支護(hù)完成后，在豎井中心位置清理基礎(chǔ)面，澆筑反井鉆機(jī)基礎(chǔ)混凝土，待強(qiáng)7 d后鉆機(jī)就位，澆筑地腳螺栓二期混凝土，實(shí)施過程中完成泥漿池砌筑和泥漿泵安裝，然后開始導(dǎo)孔鉆進(jìn)。

原設(shè)計(jì)60°的斜井，在反井鉆機(jī)施工導(dǎo)孔過程中，因多次卡鉆而無法成功鉆通，最終業(yè)主、設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，將其改為豎井后順利完成導(dǎo)孔鉆通和擴(kuò)孔，豎孔鉆通偏差為橫向0．5m和0．7m，縱向1．3m 和2m。

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算，反井鉆機(jī)在本項(xiàng)目巖石較軟弱破碎的條件下，導(dǎo)孔鉆進(jìn)約每班12m，實(shí)施過程中遇到多次塌孔卡鉆，每次從提鉆、灌漿到再次鉆進(jìn)需要約6～7d，每次需重復(fù)鉆進(jìn)約20m。導(dǎo)孔鉆通后反提擴(kuò)挖至φ1．4m溜渣井約每班10 m，擴(kuò)孔時(shí)若豎井下彎段石渣堆積到下井口需停鉆出渣，否則可能會(huì)堵塞導(dǎo)井。

5．2 開 挖

常規(guī)鉆爆法開挖，光面爆破控制周邊成形。人工持YT28手風(fēng)鉆鉆孔，裝乳化炸藥，非電毫秒雷管連接成傳爆網(wǎng)絡(luò)，電雷管起爆。IV、V類圍巖循環(huán)進(jìn)尺1m;Ⅲ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺1．5m。

本項(xiàng)目上豎井巖石較均勻，強(qiáng)度中等，擴(kuò)挖較順利。下豎井巖石較破碎、軟弱，擴(kuò)挖過程中，下落的石渣不斷沖擊碰撞溜渣井壁，致使溜渣井不斷擴(kuò)大，從井口向下40m以后形成了一個(gè)上小下大，逐漸擴(kuò)張的巨大塌腔，空腔最大斷面為16m×10m的橢圓形，總高度約50m。此空腔底部出現(xiàn)一層完整性較好、強(qiáng)度較高的中厚層砂巖在此巖層段溜渣井未出現(xiàn)大的擴(kuò)張。

對(duì)上部空腔進(jìn)行支護(hù)后發(fā)現(xiàn)，砂巖層下層面有少量地下水流出，巖石再次變得很破碎、軟弱，在地下水和上部溜渣沖擊作用下已形成更為巨大的下部空腔，且一直不斷脫落少量的巖石碎塊。

5．3 支護(hù)與塌腔的處理

本工程豎井大部分為IV、V類圍巖，僅有少量Ⅲ類圍巖洞段。

IV、V類圍巖采用鋼筋拱架做環(huán)形支撐、周邊系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)噴漿的聯(lián)合支護(hù)形式。Ⅲ類圍巖采用周邊系統(tǒng)錨桿和掛網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)。

拱架的斷面尺寸與前期使用的相同，分成3榀1/3圓拱型制作，現(xiàn)場焊接組立。拱架間距60 cm，拱架間用φ20鋼筋、間距60cm焊接。開挖面不規(guī)則位置及下豎井第一個(gè)塌腔采用復(fù)拱形式，先沿不規(guī)整巖面組立折線形的鋼筋拱架，再在設(shè)計(jì)位置組立圓形拱架，巖面拱架與圓形拱架之間用直鋼筋拱架連接成整體，以保證結(jié)構(gòu)剛度和對(duì)巖面實(shí)施可靠支撐。

系統(tǒng)錨桿采用 φ25、L=2．5m 鋼筋，掛 φ6．5、20cm×20cm的鋼筋網(wǎng)，噴5～10cm厚C20混凝土封閉。

下豎井因第二塌腔空洞過大，不斷脫落巖塊而無法使用拱架支撐和錨桿鎖固巖體。最終采用回填混凝土進(jìn)行填充。

填充混凝土原計(jì)劃用組合鋼模板按設(shè)計(jì)洞斷面立模，一次澆筑成形，但施工人員在塌腔內(nèi)自下而上組立模板時(shí)間長，不安全，若模體位移則后期處理困難。隨后取消了一次澆筑成形方案，用木模板在上部平臺(tái)制作成1．5m×1．5m的方形桶狀，每層高3m，由卷揚(yáng)機(jī)吊運(yùn)入塌腔內(nèi)安裝，土袋堆碼固定第一層模體，然后從上部平臺(tái)設(shè)帶緩沖裝置的溜管泄C20早強(qiáng)混凝土入塌腔澆筑，每過一段時(shí)間人員到塌腔內(nèi)振搗密實(shí)后立即撤離。當(dāng)澆筑至第一層木模板筒體上口后再吊運(yùn)第二層木模筒體，上下筒體間用木方、鐵釘快速連接，然后再次澆筑混凝土，循環(huán)將空腔填滿。

地下水設(shè)導(dǎo)管引排。澆筑完后待強(qiáng)3d，撤除木模筒體，待強(qiáng)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度后鉆爆法開挖成形。

下豎井第二塌腔處理時(shí)間為45d，過程中未發(fā)生安全事故。后期整個(gè)豎井由于填充混凝土的可靠支撐，未發(fā)生巖體進(jìn)一步變形松動(dòng)，穩(wěn)固可靠、效果良好。

6 結(jié)語

復(fù)雜成分土體洞段密集管棚支撐較管棚灌漿法可簡化施工流程，避免了土體可灌性能不均帶來的灌漿效果差異，在成本相當(dāng)(增加鋼管費(fèi)用，減少灌漿費(fèi)用)的情況下，施工速度較快。在軟弱破碎巖體中，反井鉆機(jī)鉆傾斜孔比豎直孔更易出現(xiàn)塌孔事件，施工速度慢，工期不可控，成孔偏差大，實(shí)際使用效果不好。軟弱破碎巖體中的溜渣井因泄渣沖擊作用易造成井體擴(kuò)大，施工中應(yīng)做好充分的應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備。塌腔處理要及時(shí)、快速、可靠，要有效抑制巖體的進(jìn)一步松動(dòng)變形，否則將產(chǎn)生巨大危害，危及工程的整體安全。