小水電站有壓引水隧洞開挖及支護(hù)施工技術(shù)分析

潘德龍，胡　彬(．上饒市水利電力勘測設(shè)計院，江西上饒334000; ．新余市渝水區(qū)水務(wù)局，江西新余338000)

小水電站有壓引水隧洞開挖及支護(hù)施工技術(shù)分析

潘德龍1，胡彬2
(1．上饒市水利電力勘測設(shè)計院，江西上饒334000; 2．新余市渝水區(qū)水務(wù)局，江西新余338000)

摘要:由于地下工程引水隧洞施工環(huán)境復(fù)雜多變，有很多無法預(yù)見的因素，安全隱患多，因此隧洞的支護(hù)質(zhì)量對工程的投資、工程的施工進(jìn)度以及工程的安全性均有較大的影響。通過實際案例，結(jié)合工程的水文地質(zhì)環(huán)境，對隧道開挖和支護(hù)方案進(jìn)行了分析，并對支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行了探討。圖2幅。

關(guān)鍵詞:小水電站;引水隧洞;開挖支護(hù);施工

1　工程概況

富川水電站引水隧洞總長度為6 049 m，縱坡為4‰，開挖斷面設(shè)計為馬蹄形，底寬2.5 m，洞高3.0 m。隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌混凝土厚度0.3。在高程2 268.7 m處設(shè)置簡單圓筒式調(diào)壓井，井底高程2 221.5 m，頂高程2 275.5 m，高度54 m;調(diào)壓井之后至隧洞出口長約72 m洞段采用8 mm厚鋼板內(nèi)襯，襯后內(nèi)徑1.3 m。調(diào)壓井采用簡單圓筒式，設(shè)計開挖斷面為圓形，直徑為6.0 m，并用連接管與引水道連接，連接管開挖內(nèi)徑4.0 m，均采用厚0.5 m鋼筋混凝土襯砌。

隧洞通過地段屬高山峽谷地貌，區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，切割較深，雨季時期常見有一些小型塌滑現(xiàn)象。隧洞沿線出露的地層巖性較為復(fù)雜，從進(jìn)口至出口分別為:二疊系上統(tǒng)(P2a)板巖、砂巖夾灰?guī)r等;三疊系上統(tǒng)崔依比組一段(T3C1)石英角斑巖、細(xì)碧巖夾流紋巖、玄武巖;侏羅系中統(tǒng)花開左組一段(J2h1)粉砂巖夾泥巖，礫巖、砂巖夾泥巖等。

此外隧洞沿線平緩山坡及溝谷部位分布有第四系殘坡積碎石土。二疊系巖層巖性較堅硬，三疊系巖層巖性堅硬，侏羅系巖層巖性較軟弱，但大部分洞段在微新巖石中通過，且?guī)r層走向與隧洞交角大。受區(qū)域性史普力深大斷裂的影響，隧洞沿線巖體斷層、裂隙發(fā)育，巖石較破碎，對洞室圍巖穩(wěn)定不利。

總體來看，隧洞上游洞段圍巖較為穩(wěn)定，下游洞段圍巖穩(wěn)定條件相對較差。

2　隧洞開挖及支護(hù)方案

該隧洞斷面小、線路長，且下游巖體地質(zhì)穩(wěn)定性較差。

(1)沿線經(jīng)過3個大沖溝，布置5條施工支洞，其中后2個沖溝位置開雙支洞，3～4號支洞間為最長洞段，約1 964 m，單邊掘進(jìn)985 m。

隧洞開挖采用光面爆破的方式進(jìn)行，以此減小爆破對于巖體承載力和穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響，并且能夠有效的完成隧洞的加固，是一種經(jīng)濟實用的隧洞開挖工藝。而實際的施工過程中則是采用分臺階法進(jìn)行施工的，施工的順序為先進(jìn)行上臺階的開挖和支撐，當(dāng)上臺階完全貫通之后再進(jìn)行下臺階的施工。

隧洞開挖還采用手風(fēng)鉆鉆孔和光面爆破全斷面掘進(jìn)法施工，0.05 m3小型挖掘機裝碴，手扶拖拉機出碴。洞內(nèi)通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)，混凝土泵入倉，機械振搗。

(2)隧道支護(hù)主要包括噴射混凝土支護(hù)、錨桿支護(hù)、掛鋼筋網(wǎng)支護(hù)、噴射混凝土+錨桿+掛鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)+錨桿、掛鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)+噴射混凝土等。

結(jié)合本工程的實際情況，圍巖巖性為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等，圍巖地質(zhì)條件差，有少量地下水，只依靠噴射混凝土支護(hù)或錨桿支護(hù)網(wǎng)支護(hù)都無法達(dá)到良好的支護(hù)效果。噴射混凝土只可以封閉圍巖巖壁，可以防止地下水滲出，錨桿支護(hù)只可以對局部溶液出現(xiàn)坍落的巖體進(jìn)行支護(hù)，掛鋼筋只可以包裹巖壁，避免石塊出現(xiàn)掉落，使巖壁構(gòu)成一個整體，但是無法對易坍落巖體進(jìn)行支護(hù)。結(jié)合本工程的實際情況，使用了掛鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土+錨桿聯(lián)合支護(hù)的方式進(jìn)行支護(hù)。

3　隧洞開挖

3.1洞口漸變段和V類的圍巖開挖

在進(jìn)行實際開挖的時候，應(yīng)當(dāng)將漸變段的形狀由方形變?yōu)閳A形，在施工過程中也是采用先上部后下部的施工辦法。實際的開挖順序如下所示(見圖1)。

圖1　洞口工程施工示意

3.2 IV類圍巖開挖

在進(jìn)行上臺階的開挖時，所選定的機械工作范圍是4.2～4.5 m，具體的施工順序為:先進(jìn)行導(dǎo)洞的開挖，再進(jìn)行兩側(cè)和頂拱的開挖，在完成上部開挖之后即可完成支護(hù)工作，然后再按照相關(guān)的施工要求完成后續(xù)的相關(guān)工作。在鉆孔時應(yīng)當(dāng)采用YT—28型的鉆孔機進(jìn)行人工鉆孔，鉆孔臺車應(yīng)當(dāng)由裝載機端運。導(dǎo)洞的上半部分應(yīng)當(dāng)進(jìn)行楔形掏槽處理，拱緣處則采用光面爆破處理。在起爆之前一個檔先進(jìn)行槽孔的鉆設(shè)，再進(jìn)行輔助孔和光爆孔的鉆設(shè)。在進(jìn)行爆破時應(yīng)當(dāng)先進(jìn)行兩側(cè)輔助孔的對稱起爆，再進(jìn)行設(shè)計面光爆孔的起爆。對于下半部分來說，應(yīng)當(dāng)先從中心開始引爆，然后再進(jìn)行兩側(cè)的對稱引爆，最后完成設(shè)計面的光面起爆。所采用的爆破材料應(yīng)當(dāng)是乳化炸藥，進(jìn)行炸藥裝填的時候若存在水孔，則應(yīng)當(dāng)采用壓力風(fēng)管將積水吹出，然后再進(jìn)行炸藥的裝填。炸藥的引爆應(yīng)當(dāng)采用非電毫秒雷管進(jìn)行引爆(見圖2)。

圖2　V類圍巖炮孔布置

3.3斷層破碎地段施工措施

在施工中對可能遇到的斷層破碎帶及其影響帶，嚴(yán)格按照“早預(yù)報、管超前、預(yù)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強支護(hù)、快封閉、勤量測”的原則施工。

(1)超前地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報、超前探水

采用以TSP203地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)為主的綜合超前地質(zhì)預(yù)報，探明掌子面前方工程地質(zhì)、水文地質(zhì)的活動態(tài)勢等情況。主要探測斷層壓碎帶地段巖石的強度、巖性、巖層的破碎程度、涌水壓力和涌水量等情況，為正確選擇開挖方法、注漿參數(shù)及采取相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)提供依據(jù)。

(2)斷層破碎帶開挖方法

斷層破碎帶地段采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿或超前長管棚預(yù)注漿支護(hù)措施，并對圍巖進(jìn)行注漿處理，根據(jù)圍巖條件及監(jiān)控量測資料，合理確定開挖進(jìn)尺。開挖完成后立即初噴并及時施做錨桿、架立鋼架、噴射混凝土封閉圍巖。根據(jù)圍巖情況采取超前錨桿、鋼拱架、掛網(wǎng)等手段加強支護(hù)。

開挖方法:Ⅴ級圍巖斷層破碎帶采用弧形導(dǎo)坑留核心土的方法，Ⅳ級圍巖采用全斷面施工，有水地段實行預(yù)注漿加固巖層。

開挖手段:一是在特別軟弱的圍巖段，采用非鉆爆開挖，如利用十字鎬、風(fēng)鎬開挖或利用小型挖裝機開挖。另一種是采用控制爆破措施，如松動爆破、微振動爆破等，目的就是盡可能地減小開挖對圍巖的擾動。

4　支護(hù)

支護(hù)使用錨桿、混凝土、鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的方式進(jìn)行施工，必要時需要根據(jù)觀測結(jié)果和地質(zhì)情況設(shè)置管棚和鋼拱架支撐。在開挖軟弱、松散巖體時，使用一掘一支護(hù)的方式進(jìn)行施工，整個施工過程要穩(wěn)步前進(jìn);開挖一循環(huán)線噴射一層混凝土，然后打錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土達(dá)到設(shè)計厚度后，再次循環(huán)進(jìn)行掘進(jìn)。對于穩(wěn)定性比較差的圍巖，爆破后馬上噴混凝土封閉巖面。完成出碴后，再打錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土，需要時可以利用鋼拱架支撐來提高支護(hù)能力。

4.1混凝土的噴射

所采用的水泥為普通的硅酸鹽水泥，而砂粒的直徑應(yīng)當(dāng)控制在2.5 mm以下，石子必須采用堅硬度極好的卵石，必須使用潔凈水完成工程的建設(shè)，加入的速凝劑一般為水泥總使用量的3%，混凝土凝結(jié)后的基本強度應(yīng)當(dāng)達(dá)到20 MPa以上。所使用的混凝土噴射機應(yīng)當(dāng)為濕噴機，并且采用雙水環(huán)的噴頭進(jìn)行。

在進(jìn)行工程開挖之前必須對挖掘處進(jìn)行細(xì)致的檢查，及時清除松動的危險物品并埋設(shè)相關(guān)的噴層厚度標(biāo)識，從而確保工程建設(shè)的基本質(zhì)量。另一方面，盲管安裝可以劃分為2種，即環(huán)向盲管和局部集中式的盲管。

在進(jìn)行混凝土施工時必須做到以下幾點:第一，根據(jù)巖面的潮濕度確定水灰比例;第二，按照設(shè)計的施工順序進(jìn)行施工;第三，分段的距離為6 cm以內(nèi)，分塊大小為4 m2的正方形;第四，噴嘴到巖面的距離為1 m，并且保證噴嘴和受噴面之間的垂直度，根據(jù)巖面的凹凸度來確定混凝土的噴出量;第五，在混凝土噴射完成后必須加強養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間超過7 d。

4.2管棚法施工

(1)鉆設(shè)孔徑

在進(jìn)行孔徑鉆設(shè)的時候必須加強孔位和立軸的方向控制，孔徑直徑為108 mm，在實際的孔徑鉆設(shè)過程中必須準(zhǔn)確記錄各段圍巖的實際情況。在完成所有的鉆孔工作之后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行孔徑和打管質(zhì)量的檢查，對所有的孔徑進(jìn)行編號，并予以準(zhǔn)確記錄。

(2)管料的輸送

在完成孔徑的清理工作之后，即刻將鋼管放置于孔徑之中。對于鋼管的加工應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程設(shè)計的相關(guān)要求進(jìn)行，并且在施工現(xiàn)場以絲扣的形式連接在一起。

(3)對于注漿管口的加工

進(jìn)行注漿時采用的是長度為30 cm的鍍鋅鋼管，鋼管的1個接頭和管棚堵頭焊接在一起，另一端則和注漿管連接在一起。

(4)進(jìn)行壓水試驗

在進(jìn)行混凝土的注射之前必須保證相關(guān)設(shè)備工作的正常性，并且進(jìn)行壓水試驗，將實驗過程中的用水量、水壓以及流量都進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。

(5)注入混凝土

所使用的混凝土水灰比應(yīng)當(dāng)為1∶1，注漿的最大壓力不能超過2 MPa，注漿的壓力應(yīng)當(dāng)逐漸增加，在達(dá)到最大允許壓力值之后持續(xù)進(jìn)行10 min以上的注漿;對于混凝土的注入量以及持續(xù)時間等都要進(jìn)行準(zhǔn)確的記錄，在注漿完成之后必須即刻堵塞孔口，避免漿液流出。

4.3施工工藝要求

(1)對于管棚的加工和安裝

應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)的設(shè)計進(jìn)行管棚鋼管的設(shè)計和制造，并且在施工現(xiàn)場完成組裝工作，保證接頭的準(zhǔn)確性和牢固性。對于未達(dá)到要求的安裝管棚應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行安裝，要求孔位的誤差不超過25 cm，角度誤差小于22°。

(2)混凝土的注入

在進(jìn)行注漿之前必須進(jìn)行壓水試驗，從而得到工程建設(shè)的基本參數(shù)，用于工程建設(shè)的指導(dǎo)?；炷磷⑷氲膲毫?yīng)當(dāng)逐漸上升，在達(dá)到所設(shè)計的壓力值之后應(yīng)保持10 min以上，以保證孔徑中混凝土的密實度達(dá)標(biāo)。在實際的工程建設(shè)過程中應(yīng)當(dāng)對混凝土的注入量和注入壓力進(jìn)行準(zhǔn)確地記錄，加強注漿量和鋼管質(zhì)量的檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)注漿厚度低于30 cm時應(yīng)當(dāng)鉆設(shè)小鋼管完成注漿，以滿足相應(yīng)的施工要求。

(3)對于掛網(wǎng)的施工

在進(jìn)行掛網(wǎng)的固定時必須使用錨桿或者插筋，并且在巖面上噴射1層混凝土之后才可以進(jìn)行鋼筋網(wǎng)的安裝，鋼筋網(wǎng)和壁面之間的間距應(yīng)當(dāng)為3～5 cm。在進(jìn)行掛網(wǎng)的焊接時應(yīng)當(dāng)進(jìn)行人工整理，以保證掛網(wǎng)能夠緊貼在初噴層上，在初噴完成之后再使用混凝土將其覆蓋。鋼筋網(wǎng)的制造應(yīng)當(dāng)在鋼筋加工廠完成，并且使用5 t的載重汽車運送至施工場所。

4.4借助小導(dǎo)管進(jìn)行注漿施工

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時，應(yīng)當(dāng)采用小導(dǎo)管進(jìn)行支護(hù)，并且保證小導(dǎo)管和開挖洞面的夾角為10°。應(yīng)當(dāng)采用手風(fēng)鉆鉆設(shè)直徑為942 mm的孔徑，而成孔后的沖洗壓力應(yīng)當(dāng)為注漿壓力的80%，直到?jīng)_洗回流水變?yōu)榍逅恢谩９酀{的水灰比則應(yīng)當(dāng)為0.5或者0.6，灌漿的壓力則應(yīng)當(dāng)為0.2～0.3 MPa。

5　結(jié)語

本隧道工程開挖施工后，光面爆破效果良好，超挖也都保持在20 cm以內(nèi)，殘孔率也在90%以上，斷開開挖符合規(guī)定要求。

綜上所述，在進(jìn)行引水隧道開挖和支護(hù)時，要結(jié)合工程的具體情況制定合理的開挖、支護(hù)措施，保證工程的施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn):

［1］琳才元，徐勝峰．隧道錨噴支護(hù)體系作用機理淺析［J］．中國西部科技，2007(6) : 26_27．

［2］馮尚偉．錨桿發(fā)展的方向——全螺紋等強錨桿［J］．錨桿支護(hù)，2000(1) : 45_46．

責(zé)任編輯吳昊

作者簡介:潘德龍(1983－)，男，工程師，主要從事水利工程設(shè)計工作。

收稿日期:2015－10－23