金元水電站引水隧洞開挖一次支護(hù)措施

彭偉文

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 增城，511340)

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金元水電站引水隧洞開挖一次支護(hù)措施

彭偉文

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 增城，511340)

金元水電站引水隧洞跨越巖層地質(zhì)條件復(fù)雜，在開挖過程中針對不同地質(zhì)條件，采取了錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、鋼筋格柵拱架、超前錨桿及超前小導(dǎo)管等不同的支護(hù)措施，由于支護(hù)及時(shí)、措施合理，取得了良好的效果，保證了施工安全。

隧洞開挖 新奧法 一次支護(hù) 金元水電站

1 前言

金元水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)、大渡河左岸支流金湯河干流中游，為金湯河干流梯級開發(fā)的第二級水電站，引水式開發(fā)。水庫正常蓄水位為2610.00m，死水位為2602.00m，總庫容13.3萬m3，調(diào)節(jié)庫容9.6萬m3，具有日調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)2臺，總裝機(jī)容量12.0萬kW。

電站為Ⅲ等中型工程，樞紐建筑物由首部樞紐、左岸引水隧洞、左岸地面廠房、鐘鼓樓溝調(diào)水建筑物及公地溝調(diào)水建筑物等組成。首部樞紐建筑物由混凝土重力壩、泄洪沖沙閘、排污閘及引水系統(tǒng)進(jìn)水口組成。

引水隧洞開挖斷面為簡易馬蹄形斷面，開挖底寬3.5m～4.1m，高4.7m～5.6m。過水?dāng)嗝嫘螤睢⒊叽绺鶕?jù)圍巖類別不同分別采用不同的斷面形狀和尺寸：對于噴錨襯砌段，采用馬蹄形，底寬3.9m，凈高5.25m；鋼筋混凝土襯砌段，采用圓形斷面，內(nèi)徑3.9m；鋼板襯砌段，內(nèi)徑3.4m。引水隧洞共設(shè)9條施工支洞，支洞為城門型斷面，開挖寬度為4.7m，高5.6m。

引水隧洞自進(jìn)水口至調(diào)壓室中心全長15.5km，所跨越的巖層地質(zhì)情況復(fù)雜，本文主要介紹在不同地質(zhì)條件下隧洞開挖所采取的一次支護(hù)措施。“新奧法”改變了我們的支護(hù)觀念，它把圍巖從一種荷載變成一種承載荷載的結(jié)構(gòu)物，只要真正樹立這一觀念，選擇正確的支護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)參數(shù)，對任何一種類型的圍巖都沒有問題。

2 錨桿支護(hù)

在洞室開挖中，錨桿支護(hù)是應(yīng)用得最廣泛的一種支護(hù)措施。錨桿的作用有幾方面：在塊狀圍巖中，有內(nèi)壓作用、懸吊作用及組成支撐拱作用；在松軟巖體中，懸吊作用不明顯，更主要是多根錨桿的內(nèi)壓作用組成的支撐拱作用。2#施工支洞圍巖主要為厚層狀灰白色、肉紅色結(jié)晶灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，并發(fā)育較多小斷層，同時(shí)沿主要結(jié)構(gòu)面地下水活動(dòng)劇烈，影響著圍巖的完整性和穩(wěn)定性，圍巖類別以Ⅲ類為主。在開挖過程中，主要采取了隨機(jī)錨桿支護(hù)，錨桿直徑為25mm，長度一般為300cm，錨桿方向垂直于結(jié)構(gòu)面，對于有兩個(gè)結(jié)構(gòu)面切割的楔形體，必須分別在垂直于兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的方向均布置錨桿。對于地下水的處理，主要采取在隧洞兩側(cè)邊墻鉆排水孔的措施進(jìn)行集中引排。在引水隧洞主洞的開挖過程中，為了保證圍巖的穩(wěn)定，爆破后及時(shí)采用了系統(tǒng)錨桿支護(hù)，系統(tǒng)錨桿直徑為25mm，長度為300cm，間、排距均為125cm，垂直于開挖面梅花型布置。

圖1 錨桿支護(hù)示意

圖2 支撐拱示意

錨桿支護(hù)最關(guān)鍵的是要合理確定兩個(gè)支護(hù)參數(shù)，即錨桿的深度和密度(間距)。在有較高強(qiáng)度的塊狀圍巖中，錨桿的作用是通過塊體硬巖的傳遞，作用到更大范圍，其懸吊作用和支撐拱作用均得到發(fā)揮；而在軟弱破碎圍巖中，錨桿的作用范圍僅存在于桿體周圍有限半徑內(nèi)，巖性越軟其作用半徑越小。并且，在軟巖中，圍巖的彈性區(qū)不明顯或根本不存在，錨桿的懸吊作用顯然不存在，增加錨桿長度也不可能擴(kuò)大錨桿對桿體周邊的作用半徑，要發(fā)揮錨桿的支撐拱作用，只能加密錨桿，其設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)短而密，不是長而稀。只要其支撐拱有足夠的厚度，如小斷面隧洞為3.0m左右，大斷面隧洞為5.0m左右，使錨桿長度略超過所假設(shè)的支撐拱厚度，就能保證圍巖穩(wěn)定。因此，錨桿的稀密程度完全取決于圍巖的類別，在塊狀硬巖中，錨桿可以稀一些，而在軟巖中要有足夠的密度，可以在1.0m×1.0m甚至更密；而錨桿長度與洞室斷面大小及形狀有關(guān)，洞室斷面越大，錨桿應(yīng)該越長；同時(shí)，圍巖越差，錨桿也應(yīng)該越長。

3 掛鋼筋網(wǎng)及噴混凝土支護(hù)

有時(shí)單靠錨桿支護(hù)并不能保證施工安全，往往需要錨桿與掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土聯(lián)合支護(hù)，如當(dāng)圍巖有小斷層或擠壓破碎帶發(fā)育時(shí)，就需要采用錨桿、掛網(wǎng)及噴混凝土支護(hù)，才能防止掉塊。1#施工支洞圍巖為厚～巨厚層狀灰白色、肉紅色結(jié)晶灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖類別以Ⅲ類為主，整體穩(wěn)定。在K0+184～K0+196段有多組結(jié)構(gòu)面切割，圍巖較破碎，為防止頂拱掉塊傷人，采用了隨機(jī)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)和噴混凝土聯(lián)合支護(hù)措施，保證了施工安全。引水隧洞埋深超過200m，圍巖為灰白、肉紅色厚～巨厚層狀結(jié)晶灰?guī)r，巖體新鮮完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，K1+790～K1+835段無地下水活動(dòng)，頂拱發(fā)生了因地應(yīng)力較高引起的片幫和弱巖爆現(xiàn)象，對此，我們也采取了錨桿、掛鋼筋網(wǎng)和噴混凝土支護(hù)措施。

噴混凝土支護(hù)不僅適應(yīng)于硬巖和中硬巖，在軟巖中也可以采用。在硬巖和中硬巖中，噴混凝土一般不緊跟開挖工作面，而是有意滯后一段時(shí)間，對于穩(wěn)定性好的圍巖，不僅可以滯后幾天，甚至幾個(gè)月，這樣的支護(hù)結(jié)構(gòu)更有利，這就是所謂的適時(shí)支護(hù)。但軟巖中的噴混凝土支護(hù)必須及時(shí)緊跟開挖工作面，實(shí)踐證明，軟巖在開挖暴露后，立即噴上一層混凝土，往往能延長圍巖的自穩(wěn)時(shí)間。在初噴一層混凝土的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行錨桿、掛網(wǎng)、安裝鋼拱架，再復(fù)噴混凝土的操作程序更有利于作業(yè)安全和圍巖穩(wěn)定。同時(shí)說明一點(diǎn)，在軟巖中沒有必要過多的苛求噴層與巖面的結(jié)合強(qiáng)度，因?yàn)閹r石自身的強(qiáng)度就很低，噴層與巖石的粘結(jié)強(qiáng)度不可能高于圍巖巖體的強(qiáng)度。在這類圍巖中，初噴一層混凝土只要能形成一層薄殼，就能滿足后續(xù)施工作業(yè)要求。1#施工支洞K0+21～K0+35段右半部分為砂礫石碎石土，屬溶蝕性裂隙溝堆積物，開挖后及時(shí)對其噴一層混凝土，然后再采取其他支護(hù)措施。3#施工支洞從K0+235樁號開始，圍巖為灰黑色炭質(zhì)千枚巖與薄層結(jié)晶灰?guī)r互層，受鄰近區(qū)域斷裂構(gòu)造影響，巖層受擠壓扭曲，巖體中次級擠壓面和方解石脈發(fā)育，巖石較破碎，圍巖類別以Ⅳ類為主，局部破碎帶千枚巖集中段為Ⅴ類，對此類圍巖，開挖暴露后，均及時(shí)進(jìn)行了噴混凝土支護(hù)，然后再進(jìn)行鋼格柵拱架、掛鋼筋網(wǎng)和復(fù)噴混凝土支護(hù)。對于這種軟巖甚至是松散堆積物，開挖后先初噴一層混凝土，保證了后續(xù)支護(hù)作業(yè)的安全。

4 鋼筋格柵拱架支護(hù)

新奧法強(qiáng)調(diào)柔性支護(hù)，這一點(diǎn)在堅(jiān)硬完整巖體中運(yùn)用得很好，因?yàn)閹r體完整，穩(wěn)定性好，至于局部掉塊，只需用薄薄的噴混凝土層，適量的錨桿，足可以防止；而在軟巖或松散巖體中，僅靠薄層混凝土與錨桿是擋不住圍巖變形的。因此在軟巖的一次支護(hù)中，除要加大支護(hù)強(qiáng)度外，還必須增加支護(hù)剛度，增加支護(hù)剛度最常用辦法就是采用鋼支撐支護(hù)。鋼支撐可以采用型鋼，也可以采用鋼筋加工成格柵拱架，鋼支撐一般不單獨(dú)使用，通常與錨桿、掛鋼筋網(wǎng)及噴混凝土聯(lián)合使用。

4#施工支洞從K0+621樁號開始，圍巖為灰色薄層～中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r間夾薄層千枚巖，層狀結(jié)構(gòu)；巖體中層理發(fā)育，節(jié)理裂隙相對不太發(fā)育，巖石弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化，滲水不嚴(yán)重，只局部頂拱部位有滴水現(xiàn)象；巖層走向與洞軸向呈中、小角度相交，圍巖自穩(wěn)能力較差，圍巖類別以Ⅳ類為主。施工中采用“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)”掘進(jìn)，開挖后立即采用錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、鋼筋格柵拱架及噴混凝土聯(lián)合支護(hù)措施跟進(jìn)，保證了開挖施工的順利進(jìn)行。鋼筋格柵拱架采用四方形斷面，分段加工，主筋為φ25，連接筋為φ16，接頭處焊接鋼板采用螺栓連接，在架設(shè)時(shí)再組裝成型，拱架間距為50cm，相鄰兩榀拱架采用φ22鋼筋連接。安裝格柵拱架時(shí)必須盡量緊貼圍巖，拱架與圍巖之間必須噴滿混凝土，拱架必須立正，保證垂直度，拱腳采用鋼墊板支撐在堅(jiān)實(shí)的地基上。

圖3 鋼筋格柵拱架支護(hù)示意

鋼筋格柵拱架不但具有傳統(tǒng)鋼支撐(型鋼)的功能，還克服了傳統(tǒng)鋼支撐的很多缺陷，顯示出了傳統(tǒng)鋼支撐所不具有的優(yōu)越性，其特點(diǎn)如下：

(1)格柵拱架剛度適中，容許圍巖適度變形，又能及時(shí)提供支護(hù)阻力，限制圍巖過大的變形而防止崩塌。鋼筋格柵拱架的剛度在施工過程中是變化的，在安裝初期沒有噴射混凝土之前，基本上是不能承載的，剛架是柔性的；當(dāng)噴射一定厚度的混凝土后格柵拱架與混凝土一起承受荷載，并提供一定的支護(hù)阻力；當(dāng)混凝土噴射到設(shè)計(jì)厚度時(shí)，剛性進(jìn)一步增大，可以承受更大的荷載。

(2)比傳統(tǒng)鋼支撐節(jié)約工程造價(jià)。格柵拱架是由普通鋼筋加工而成，材料來源廣泛、加工工藝簡單、不會因切割、彎曲、焊接加工等工藝流程而使成品價(jià)格增加；同時(shí)，使用格柵拱架比使用型鋼節(jié)約鋼材，從而降低工程造價(jià)。

(3)重量輕、便于施工安裝。格柵拱架重量輕，架設(shè)安裝時(shí)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度不大，且處處可抓，方便搬用，適合現(xiàn)場的條件。

(4)使用靈活，可以隨時(shí)調(diào)整其設(shè)計(jì)尺寸。地下工程中地質(zhì)情況復(fù)雜多變，由于格柵拱架制作容易，可以采用不同規(guī)格的鋼筋，可隨時(shí)調(diào)整格柵拱架結(jié)構(gòu)形式和斷面尺寸等參數(shù)，以適用復(fù)雜多變的地質(zhì)情況。

(5)能很好地隨混凝土一起與圍巖貼密，支護(hù)效果好。格柵拱架能完全被混凝土緊密包裹而成為一體，形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，噴混凝土能夠充滿格柵及其與圍巖的所有空隙，而傳統(tǒng)鋼支撐背面往往不能完全充填密實(shí)。

(6)便于與其它支護(hù)手段聯(lián)合使用。格柵拱架能很容易地與錨桿、鋼筋網(wǎng)、超前小導(dǎo)管等支護(hù)手段聯(lián)合使用，取得良好的支護(hù)效果。

5 超前錨桿與超前小導(dǎo)管支護(hù)

掌子面前方的圍巖超前預(yù)支護(hù)技術(shù)是在軟弱圍巖中采用暗挖法施工時(shí)，為保證掌子面前方圍巖的穩(wěn)定性或提高掌子面的自穩(wěn)能力，確保施工安全而采取的超前支護(hù)方法之一，是地下工程施工輔助方法的重要構(gòu)成部分。這些方法一般包括超前錨桿、超前小導(dǎo)管、各種尺寸的管棚、圍巖注漿、預(yù)襯砌等。掌子面超前小導(dǎo)管注漿是采用較多的一種超前支護(hù)方法，它是沿初期支護(hù)外輪廓線，以一定仰角向掌子面施打φ32～φ45的帶泄?jié){孔的小導(dǎo)管并進(jìn)行注漿，充分填充巖體空隙，形成一定厚度的結(jié)合體。其作用是穩(wěn)定掌子面前方的巖體，以達(dá)到控制開挖松弛、崩塌、沉降，從而提高了掌子面的自穩(wěn)性，保證掘進(jìn)的安全。

6#施工支洞掘進(jìn)到K0+51樁號后圍巖為灰白色、肉紅色厚層狀粉晶灰?guī)r、白云巖夾黃綠～灰色千枚巖，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，穩(wěn)定性差，屬Ⅳ類圍巖，施工中主要采取了格柵拱架和超前錨桿跟進(jìn)支護(hù)。超前錨桿采用φ25鋼筋，長3m，錨桿間距40cm，每循環(huán)進(jìn)尺1.2m。當(dāng)掘進(jìn)到K0+63時(shí)，圍巖變得更破碎，為Ⅴ類圍巖，發(fā)生了一次塌方，為了安全通過該段，采用了超前小導(dǎo)管注漿和格柵拱架支護(hù)措施。3#施工支洞K0+595～K0+605段圍巖以炭質(zhì)千枚巖為主，強(qiáng)度低，遇水易軟化，加之巖層走向與洞軸線方向大致平行，對圍巖穩(wěn)定不利，在洞頂與拱肩部位出現(xiàn)了不同程度的掉塊和塌方，施工中采用了小導(dǎo)管注漿及鋼拱架(為增加支護(hù)剛度，采用型鋼拱架)支撐，安全通過了該塌方段。

圖4 小導(dǎo)管支護(hù)示意

防止開挖時(shí)掌子面前方圍巖不能自穩(wěn)而塌方，是采用小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)技術(shù)的根本目的，在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)充分考慮支護(hù)時(shí)間、支護(hù)類型和支護(hù)參數(shù)的選擇。小導(dǎo)管的間距應(yīng)根據(jù)掌子面前方圍巖的地質(zhì)條件和其自穩(wěn)能力來決定；小導(dǎo)管的外插角應(yīng)考慮小導(dǎo)管的長度和鋼架的間距；要考慮一次掘進(jìn)進(jìn)尺及前后小導(dǎo)管之間的搭接長度。小導(dǎo)管的長度以3m～4.5m為宜，外插角以10°～18°為宜，間距通常按每米3～4根布置，搭接長度一般不小于1.0m。

6 結(jié)語

(1)新奧法是一種概念，不要把它當(dāng)作一種具體的施工方法。它強(qiáng)調(diào)隧洞的主要承載部分是圍巖，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖是一個(gè)整體化的結(jié)構(gòu)；圍巖原有的抗力必須盡可能得到保持，防止圍巖松弛，一旦松弛巖塊間的摩擦力下降，巖體強(qiáng)度就隨之下降，這是新奧法的核心理念。不同的地下工程圍巖地質(zhì)條件千差萬別，開挖斷面型式和尺寸也各不相同，在開挖施工中，只要利用這一理念，采取適當(dāng)?shù)拈_挖方法和支護(hù)措施，是可以保證開挖施工安全的。

(2)從有利于支護(hù)與巖體共同作用的觀點(diǎn)來看，支護(hù)應(yīng)當(dāng)具有適當(dāng)柔性。錨、噴就是柔性支護(hù)措施，噴混凝土一般較薄，它不能抑制圍巖變形，但它可以防止巖塊松動(dòng)，而不易產(chǎn)生破壞。而錨桿的施作是一個(gè)過程，它通過對桿體周邊的巖石的約束而逐步地抑制圍巖變形，當(dāng)錨桿的施作達(dá)到滿足圍巖穩(wěn)定時(shí)，就抑制住了圍巖變形。

(3)新奧法強(qiáng)調(diào)支護(hù)強(qiáng)度，它必須區(qū)別于支護(hù)厚度和支護(hù)剛度。當(dāng)圍巖出現(xiàn)不穩(wěn)定或變形量過大時(shí)，不能僅用增加支護(hù)物的厚度或剛度去解決問題，而是要增加支護(hù)強(qiáng)度去抑制圍巖變形。增加支護(hù)強(qiáng)度的最好辦法是增加錨桿的長度與密度，當(dāng)然視情況也要增加支護(hù)物中的鋼構(gòu)件，特別是對于軟巖，不能過分強(qiáng)調(diào)柔性支護(hù)。

(4)新奧法強(qiáng)調(diào)適時(shí)支護(hù)，開挖后讓圍巖釋放部分應(yīng)力，尋求一最佳支護(hù)時(shí)間，即使支護(hù)阻力達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)進(jìn)行支護(hù)。這在硬巖中或許能找到，可在軟巖中是找不到的，軟巖要及時(shí)支護(hù)，開挖后立即噴一層混凝土，及早封閉巖面，是十分有好處的。在塊狀圍巖中，能封閉和充填所有節(jié)理裂隙，阻止裂隙間小顆粒與軟弱物質(zhì)被擠壓出來，保持它的楔子作用，不降低圍巖強(qiáng)度，保持圍巖穩(wěn)定；而在軟巖中，及時(shí)噴混凝土封閉，也能延長自穩(wěn)時(shí)間，讓人們有時(shí)間做進(jìn)一步的支護(hù)工作，如安裝鋼拱架、錨桿、掛鋼筋網(wǎng)及再噴混凝土等。必須要注意的是支護(hù)時(shí)間，硬巖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖要延后一段時(shí)間，軟巖Ⅳ、Ⅴ類圍巖宜早。

(5)鋼格柵支護(hù)與傳統(tǒng)鋼支撐支護(hù)有相同的適用范圍，但它具有剛度適中、成本節(jié)約、便于安裝、使用靈活及支護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)，具有更廣泛的應(yīng)用前景。

(6)超前對不穩(wěn)定圍巖進(jìn)行預(yù)先支護(hù)，既能控制圍巖在開挖時(shí)的變形與位移，又能防止不穩(wěn)定巖體坍塌破壞，保證施工安全，在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中應(yīng)用較多。

(7)支護(hù)措施多種多樣，在實(shí)際施工中必須根據(jù)具體地質(zhì)情況，單獨(dú)使用或多種聯(lián)合使用，才能取得良好的效果。

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