大跨度特殊地質(zhì)條件下洞室群快速開(kāi)挖技術(shù)研究與運(yùn)用

金懷鋒

(云南省能源投資集團(tuán)有限公司， 云南 昆明 650200)

大跨度特殊地質(zhì)條件下洞室群快速開(kāi)挖技術(shù)研究與運(yùn)用

金懷鋒

(云南省能源投資集團(tuán)有限公司， 云南 昆明 650200)

烏東德水電站右岸導(dǎo)流隧洞跨度大、開(kāi)挖斷面大、地質(zhì)條件差、工期緊，本文通過(guò)研究解決工程中出現(xiàn)的各種技術(shù)難題，總結(jié)出一套大跨度特殊地質(zhì)條件下洞室群快速開(kāi)挖支護(hù)方法，供類似工程借鑒。

烏東德水電站； 大跨度； 洞室群； 快速開(kāi)挖

烏東德水電站，是金沙江下游河段規(guī)劃建設(shè)的4個(gè)梯級(jí)水電站中最上游的梯級(jí)電站，壩址右岸屬云南省昆明市祿勸縣，左岸屬四川省會(huì)東縣[1]。烏東德水電站施工導(dǎo)流采用河床一次攔斷全年圍堰、隧洞導(dǎo)流的方式，共布置5條導(dǎo)流隧洞，其中左岸布置2條，右岸布置3條，5條導(dǎo)流隧洞總長(zhǎng)8091.5m。右岸3條導(dǎo)流隧洞按“兩低一高”平行布置，右岸3～5號(hào)導(dǎo)流洞長(zhǎng)度分別為1472.37m、1613.60m、1699.62m。本文依托烏東德水電站右岸3～5號(hào)導(dǎo)流洞開(kāi)挖支護(hù)工程，針對(duì)導(dǎo)流洞大跨度特殊地質(zhì)條件下洞室群快速開(kāi)挖技術(shù)進(jìn)行全面深入的研究，總結(jié)出一套復(fù)雜地質(zhì)條件下隧洞安全、優(yōu)質(zhì)、快速、合理開(kāi)挖的施工技術(shù)。

1 大跨度特殊地質(zhì)條件洞室群開(kāi)挖現(xiàn)狀及意義

國(guó)內(nèi)水電站不良地質(zhì)洞段大多為不超過(guò)百米級(jí)的斷層及其斷層影響帶，多數(shù)施工歷時(shí)3～5個(gè)月，大多采取“超前錨桿+鋼支撐”、穩(wěn)打穩(wěn)扎、安全穩(wěn)妥開(kāi)挖支護(hù)通過(guò)，其經(jīng)濟(jì)性有待考究，不良地質(zhì)洞段頂拱開(kāi)挖方法除小灣電站導(dǎo)流隧洞采用了全斷面開(kāi)挖支護(hù)外，大多采用中導(dǎo)洞或留核心土開(kāi)挖的方法[2-3]。

烏東德水電站導(dǎo)流洞不良地質(zhì)洞段開(kāi)挖長(zhǎng)度近900m，開(kāi)挖斷面最大尺寸為27.90m×30.30m，其大跨度居國(guó)內(nèi)前列，該工程具有洞段長(zhǎng)、洞徑高、跨度大、易破碎、斷面巖性不一、復(fù)雜多變的地質(zhì)圍巖等特點(diǎn)，開(kāi)挖支護(hù)工期緊張僅為21個(gè)月，且外圍施工條件復(fù)雜。在國(guó)內(nèi)像這樣復(fù)雜多變的特殊地質(zhì)條件下大斷面洞室開(kāi)挖無(wú)規(guī)范可循。因此，研究大型地下洞室在開(kāi)挖期和運(yùn)行期的圍巖穩(wěn)定性，保證隧洞在施工和運(yùn)行期有足夠的安全性，形成一套完整、成熟的施工技術(shù)，是一個(gè)極其重要的課題，對(duì)地下工程施工技術(shù)的發(fā)展將起到極大的推動(dòng)作用。

2 主要技術(shù)性能指標(biāo)及難點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 主要技術(shù)性能指標(biāo)

右岸導(dǎo)流洞巖石松散破碎，自穩(wěn)能力差，不良地質(zhì)洞段連續(xù)最長(zhǎng)達(dá)884.37m，3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流隧洞開(kāi)挖標(biāo)準(zhǔn)斷面19.90m×27.20m(寬×高)，其中漸變段最大開(kāi)挖斷面為27.9m×30.30m(寬×高)，3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流洞巖柱隔墻距離26.10m，最小隔墩僅13.77m，小于洞徑。

右岸導(dǎo)流洞大斷面Ⅳ2類圍巖不良地質(zhì)洞段頂拱全斷面一次開(kāi)挖支護(hù)、半幅或中導(dǎo)洞開(kāi)挖支護(hù)，整體成型效果較好；頂拱層開(kāi)挖采用“超前錨桿或超前小導(dǎo)管、無(wú)蓋重固結(jié)灌漿”進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)，中下層開(kāi)挖采用“超前斜孔固結(jié)灌漿+超前錨桿”預(yù)支護(hù)，保證開(kāi)挖面成型效果；不良地質(zhì)洞段頂拱采用“Ⅰ20b鋼支撐、預(yù)應(yīng)力錨桿、模噴混凝土及無(wú)蓋重灌漿”聯(lián)合支護(hù)，增加了頂拱部位自穩(wěn)能力；中下層邊墻采用“錨索、預(yù)應(yīng)力錨桿及錨筋樁”進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，減少了大斷面高邊墻變形，保證了導(dǎo)流隧洞施工期穩(wěn)定。

在技術(shù)支持上，采用數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合方法。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)

右岸3號(hào)～5號(hào)導(dǎo)流洞上游段工程具有洞徑高(最高30.30m)、跨度大(最高27.90m)、相隔近(最近26.10m)，特殊地質(zhì)段巖層極薄、散粒狀、同一斷面內(nèi)巖性不一、圍巖復(fù)雜多變、特殊地質(zhì)段較長(zhǎng)，開(kāi)挖施工過(guò)程的安全問(wèn)題尤為突出。

地質(zhì)情況復(fù)雜，巖石完整性較差，屬Ⅳ類圍巖，如何選擇合理的開(kāi)挖程序確保大跨度洞室、三大洞室隔墩安全與穩(wěn)妥開(kāi)挖；在不良地質(zhì)洞段長(zhǎng)、洞徑最高、跨度大、易破碎、斷面巖性不一、復(fù)雜多變以及開(kāi)挖支護(hù)工期緊張條件下，要保證頂拱成型效果，減少地質(zhì)超挖。

導(dǎo)流洞巖層走向與洞軸線成小角度相交、傾向左壁(靠江側(cè))，巖體中微裂隙發(fā)育，巖體極為破碎，多呈散粒體狀結(jié)構(gòu)，手捏易碎，而且兩洞間圍巖隔墻厚26.10～30.10m，開(kāi)挖過(guò)程中要保證導(dǎo)流洞之間中隔墻穩(wěn)定；要減小開(kāi)挖爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)，確保開(kāi)挖期間的圍巖穩(wěn)定，合理選擇開(kāi)挖爆破參數(shù)；頂拱開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)地質(zhì)超挖，造成鋼支撐與巖石面存在大量空腔，須保證空腔部位頂拱開(kāi)挖面穩(wěn)定，避免二次坍塌以及空腔處理。

導(dǎo)流洞下挖過(guò)程中頂拱應(yīng)力調(diào)整，造成頂拱部位鋼支撐外噴混凝土脫落，須保證洞內(nèi)施工人員及設(shè)備安全；導(dǎo)流洞內(nèi)錨桿、錨索及錨筋樁布置比較密集，而且施工過(guò)程中根據(jù)地質(zhì)及圍巖變形情況不斷調(diào)整支護(hù)方案，須保證后續(xù)支護(hù)施工不對(duì)已完成的錨索及錨筋樁造成損壞。

2.3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

工程具有洞段長(zhǎng)、洞徑高、跨度大、圍巖極薄、散粒狀、易破碎、巖性不一等特點(diǎn)，采用多種開(kāi)挖方法、多種支護(hù)型式，確保隧洞隔墻穩(wěn)定，按期完成開(kāi)挖支護(hù)。

頂拱地質(zhì)塌方部位鋼支撐空腔采用“模噴混凝土”工藝，即先在鋼支撐外空腔部位設(shè)置免拆快易收口模板作復(fù)拱，然后，噴混凝土或澆筑混凝土回填密實(shí)，并進(jìn)行無(wú)蓋重固結(jié)灌漿，以空腔密實(shí)確保圍巖穩(wěn)定；在隧洞頂拱安裝GPS2型隧洞防護(hù)網(wǎng)作安全防護(hù)網(wǎng)，并采用U形卡與錨桿連接，以確保下層開(kāi)挖安全。

摻聚丙烯粗纖維代替摻鋼纖維進(jìn)行噴混凝土，減少噴混凝土回彈量，減少設(shè)備磨損、堵管，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，節(jié)約投資及成本。

3 工程實(shí)踐與應(yīng)用

3.1 開(kāi)挖支護(hù)方案選擇

3.1.1 頂層主要開(kāi)挖方法

頂層開(kāi)挖方法選擇，主要根據(jù)工程地質(zhì)、水文條件及施工安全系數(shù)等綜合因素，右岸上游段主要采用“超前小導(dǎo)管+鋼支撐”全斷面開(kāi)挖、“中導(dǎo)洞超前勘探、全斷面+鋼支撐”擴(kuò)挖跟進(jìn)、“半洞錯(cuò)距+鋼拱架(鋼支撐)”三種方法進(jìn)行開(kāi)挖[4]。

頂層開(kāi)挖層高為9m，選用鉆爆臺(tái)車配手風(fēng)鉆鉆爆，按“弱爆破或機(jī)械無(wú)爆破、短進(jìn)尺、勤支護(hù)”的原則施工，先系統(tǒng)支護(hù)，再加強(qiáng)支護(hù)。應(yīng)急加強(qiáng)支護(hù)施工中不斷優(yōu)化調(diào)整開(kāi)挖支護(hù)方案，以保施工安全(3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流隧洞典型開(kāi)挖分層見(jiàn)圖1，5號(hào)導(dǎo)流隧洞典型開(kāi)挖分層見(jiàn)圖2)。

a. 3號(hào)導(dǎo)流隧洞。0+000～0+100m為進(jìn)口岸坡段，考慮先洞后墻開(kāi)挖，采用“先挖7m×6m中導(dǎo)洞超前勘探，全斷面+鋼支撐擴(kuò)挖開(kāi)挖跟進(jìn)”的開(kāi)挖方式；0+100～0+195m主要考慮施工資源配置，采用先右側(cè)邊導(dǎo)洞后左半洞的“半洞錯(cuò)距+鋼拱架”開(kāi)挖方式，并在左半洞臨時(shí)增加法向鎖口錨桿；30+195～0+300m前方出現(xiàn)塌方情況采用“超前小導(dǎo)管+鋼支撐”全斷面開(kāi)挖； 0+300～0+831.595m主要考慮圍巖自穩(wěn)能力、施工隊(duì)伍技能情況，采用先右側(cè)邊導(dǎo)洞后左半洞的“半洞錯(cuò)距+鋼拱架”開(kāi)挖方式。

b. 4號(hào)導(dǎo)流隧洞。0+000～0+170m采用“先挖7m×6m中導(dǎo)洞超前勘探，全斷面+鋼支撐擴(kuò)挖跟進(jìn)”的開(kāi)挖方式； 0+170～0+390m采用“超前小導(dǎo)管+鋼拱架”全斷面開(kāi)挖；0+390～884.374m采用先右邊導(dǎo)洞后左半洞的“半洞錯(cuò)距+鋼拱架”開(kāi)挖方式。

c. 5號(hào)導(dǎo)流隧洞。5號(hào)導(dǎo)流隧洞由于開(kāi)挖斷面(14.80m×18.60m)比3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流隧洞(19.90m×27.30m)相對(duì)較小， 0+000～0+050m采用“先挖7×6m中導(dǎo)洞超前勘探，全斷面+鋼支撐擴(kuò)挖跟進(jìn)”開(kāi)挖方式；0+050～1+051.652m采用“中導(dǎo)洞超前全斷面”開(kāi)挖。

3.1.2 中下層開(kāi)挖方法

中下層開(kāi)挖方法選擇主要根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造巖層走向、施工通道、作業(yè)隊(duì)伍技能等因素綜合考慮選擇，右岸導(dǎo)流隧洞上游段主要采用半幅錯(cuò)距開(kāi)挖和中間拉槽預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖兩種方法[5]。根據(jù)各洞段地質(zhì)情況，中層、下層開(kāi)挖分層高度有所不同，基本分層為4.50m、6 m兩個(gè)層高，具體的開(kāi)挖方法選擇如下：

a. 3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流隧洞。3號(hào)導(dǎo)流洞0+000～0+300m共分5層開(kāi)挖，中下層Ⅱ～Ⅴ層開(kāi)挖高度均為4.50m，Ⅴ層開(kāi)挖高度為4.70m；0+300～0+831.595m分4層開(kāi)挖，Ⅱ?qū)印ⅱ髮娱_(kāi)挖高度均為6m，Ⅳ層開(kāi)挖高度為6.20m。

4號(hào)導(dǎo)流洞0+000～0+390m共分5層開(kāi)挖，中下層Ⅱ～Ⅴ層開(kāi)挖高度均為4.50m，Ⅴ層開(kāi)挖高度為4.70m；0+390～0+884.374m共分4層開(kāi)挖，Ⅱ?qū)?、Ⅲ層開(kāi)挖高度均為6m，Ⅳ層開(kāi)挖高度為6.20m。

3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流洞中下層開(kāi)挖先進(jìn)行了中間拉槽預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖生產(chǎn)性試驗(yàn)，但因圍巖破碎開(kāi)挖效果不理想，后來(lái)均調(diào)整為半幅(錯(cuò)距)開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程中多次降坡改路，優(yōu)先右半幅采用手風(fēng)鉆造水平爆破孔開(kāi)挖，按設(shè)計(jì)輪廓線進(jìn)行周邊光爆(局部洞段反鏟機(jī)械無(wú)爆破開(kāi)挖)，一排炮一支護(hù)，循環(huán)進(jìn)尺按2.0m控制，以確保施工安全。

b. 5號(hào)導(dǎo)流隧洞。5號(hào)導(dǎo)流洞0+000～0+620m共分3層開(kāi)挖，Ⅱ?qū)?、Ⅲ層開(kāi)挖高度分別為4.50m、5.10m；0+620～1+051.652m共分2層開(kāi)挖，Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖高度為9.60m。

5號(hào)導(dǎo)流洞中層、下層0+000～0+620m采用半幅(錯(cuò)距)開(kāi)挖，0+620～1+051.652m一次性開(kāi)挖至底板，采用手風(fēng)鉆造水平爆破孔開(kāi)挖，按設(shè)計(jì)輪廓線進(jìn)行周邊光爆。支護(hù)緊跟，循環(huán)進(jìn)尺按2.0m控制。

3.2 因地制宜，及時(shí)支護(hù)

右岸3～5號(hào)導(dǎo)流隧洞支護(hù)除設(shè)計(jì)系統(tǒng)支護(hù)條件外，增加了鋼支撐、預(yù)應(yīng)力錨桿、超前錨桿、超前小導(dǎo)管、無(wú)蓋重固結(jié)灌漿等加強(qiáng)支護(hù)措施[6]。

4 基于施工過(guò)程仿真的數(shù)值分析

4.1 數(shù)值分析的目的和意義

通過(guò)數(shù)值分析方法，主要對(duì)右岸導(dǎo)流隧洞上游段圍巖的開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，有助于了解圍巖穩(wěn)定和襯砌支護(hù)的力學(xué)特性，研究施工期應(yīng)力、位移和內(nèi)力的大小和分布，為右岸導(dǎo)流隧洞上游段提出一系列性能評(píng)價(jià)方法和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全的工程措施，為設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)[7-8]。

4.2 3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流洞施工期有限元模型

利用FLAC3D軟件局部模擬3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)導(dǎo)流隧洞，采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共計(jì)剖分169623個(gè)單元和174624個(gè)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖3。

4.3 有限元分析結(jié)論

3號(hào)洞右邊墻中下部和4號(hào)洞左邊墻中上部的穩(wěn)定性較差，對(duì)洞間巖柱的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，應(yīng)充分重視并做好上述邊墻部位的監(jiān)測(cè)、支護(hù)和局部掉塊加固工作，從而限制邊墻局部失穩(wěn)并向深部發(fā)展，保障洞間巖柱的穩(wěn)定性，也避免因洞群效應(yīng)而引發(fā)鄰近洞室的失穩(wěn)。

各洞室均是邊墻中部及中上部臨空面的部位圍巖變形較大，且大部分變形均在距開(kāi)挖面5m深的范圍內(nèi)發(fā)生。考慮到圍巖淺表層變形很大，可能會(huì)出現(xiàn)局部垮塌，因此建議在洞室繼續(xù)下挖過(guò)程中，將上述部位作為圍巖監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)部位，并及時(shí)做好新出露開(kāi)挖面的錨噴支護(hù)和灌漿加固工作，降低圍巖松弛范圍并限制其向深部進(jìn)一步發(fā)展。

考慮到位移監(jiān)測(cè)手段僅能獲得監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的圍巖變形數(shù)據(jù)，而無(wú)法有效掌握開(kāi)挖卸荷作用下的巖體結(jié)構(gòu)特征和巖體完整性指標(biāo)。計(jì)算分析揭示，3號(hào)洞和4號(hào)洞之間的洞間巖柱穩(wěn)定性對(duì)3號(hào)洞和4號(hào)洞都具有控制性影響，因此建議盡快對(duì)該部位增加聲波測(cè)試、鉆孔攝像等必要的檢測(cè)手段，從而更加全面地了解圍巖性狀和穩(wěn)定狀態(tài)，為后續(xù)開(kāi)挖和反饋分析提供必要資料。

5 施工安全監(jiān)測(cè)

電站導(dǎo)流隧洞開(kāi)挖斷面大，地質(zhì)條件復(fù)雜，技術(shù)難度大，在施工全過(guò)程中，各種施工手段輔以安全監(jiān)測(cè)支持，以此指導(dǎo)施工。通過(guò)安全監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖4)，及時(shí)掌握洞室及其周圍環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，相應(yīng)調(diào)整開(kāi)挖程序，增加支護(hù)措施，并預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)，保證了工程的安全、優(yōu)質(zhì)、快速施工，為圍巖工程建設(shè)提供成功經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié) 論

烏東德水電站右岸導(dǎo)流隧洞頂層采取“中導(dǎo)洞全斷面、半洞錯(cuò)距開(kāi)挖”，在地質(zhì)塌方部位鋼支撐空腔采用“模噴混凝土”、摻聚丙烯粗纖維代替摻鋼纖維噴混凝土、無(wú)蓋重固結(jié)灌漿，預(yù)應(yīng)力錨桿，隔墩加對(duì)穿錨索，在隧洞頂拱安裝GPS2型隧洞防護(hù)網(wǎng)作安全防護(hù)網(wǎng)等工藝及措施，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜特殊地質(zhì)條件下大跨度特長(zhǎng)隧洞洞室群快速、安全、優(yōu)質(zhì)開(kāi)挖支護(hù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了工程投資，可供類似工程借鑒施工，對(duì)推動(dòng)流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)進(jìn)程，具有深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。

[1] 王凱元.金沙江川滇交界段構(gòu)造-地貌特征[J].云南地質(zhì)，1989(1)：1-10.

[2] 文天平，楊黎明.不良地質(zhì)隧道洞口段的施工技術(shù)[J].世界隧道，2000(3):8-12.

[3] 陳安平.不良地質(zhì)隧洞快速施工研究——以克林隧洞工程為例[D].南寧:廣西大學(xué),2005.

[4] 張根才.全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)(TBM)在萬(wàn)家寨引黃工程不良地質(zhì)段中的施工[J].水利建設(shè)與管理,2007(10)：19-20.

[5] 胡書紅.龍灘水電站左岸導(dǎo)流洞工程快速施工風(fēng)險(xiǎn)及方案分析[D].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),2008.

[6] 付紅波，李秋玲.烏東德水電站導(dǎo)流洞不良地質(zhì)洞段開(kāi)挖支護(hù)施工技術(shù)[J].西北水電,2013(5):32-36.

[7] 張國(guó)強(qiáng).水電站地下廠房洞室群施工數(shù)值仿真[D].大連:大連理工大學(xué)，2007.

[8] 畢磊.基于不確定性分析的地下洞室群施工進(jìn)度仿真分析與優(yōu)化研究[D].天津:天津大學(xué)，2015.

Research and application of cavern group rapid excavation technology under large span special geological conditions

JIN Huaifeng

(YunnanEnergyInvestmentGroupCo.,Ltd.,Kunming650200,China)

Diversion tunnels on the right bank of Wudongde Hydropower Station are characterized by large span, large excavation section, poor geological condition and short construction duration. In the paper, all technical difficulties in the project are solved through study. A set of cavern group rapid excavation supporting methods under large span special geological conditions is summarized as reference for similar projects.

Wudongde Hydropower Station; large span; cavern group; rapid excavation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.04.003

TV554

A

1005-4774(2017)04- 0008- 05