不良地質(zhì)條件下調(diào)壓室開挖與支護(hù)設(shè)計

趙亞昆，尉霄騰

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222）

1 概況

1.1 工程概況

新疆某工程采用引水式電站布置方式,發(fā)電引水系統(tǒng)由進(jìn)水塔、發(fā)電引水隧道、調(diào)壓室、壓力鋼管等組成。其中,調(diào)壓室位于發(fā)電引水隧洞末端,為水室式調(diào)壓室,由圓形斷面豎井和城門洞形斷面上室組成。調(diào)壓室豎井最大開挖直徑16.4 m,深度132.6 m；上室開挖斷面尺寸10.4 m×12.5 m～10.4 m×14.5 m,上室長度200 m。調(diào)壓室永久支護(hù)方式為鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

1.2 地質(zhì)條件

調(diào)壓室開挖揭露地層為泥盆系中統(tǒng)汗吉尕組第二段（D2H2）,巖性以灰黑色中厚層夾薄層狀凝灰質(zhì)粉砂巖為主,巖石具有硬、脆、碎特點(diǎn)。受附近區(qū)域性構(gòu)造影響,巖層產(chǎn)狀多變,裂隙極為發(fā)育,多呈碎裂或碎塊結(jié)構(gòu)。表層強(qiáng)風(fēng)化巖體完整性系數(shù)僅0.11,屬破碎巖體；弱風(fēng)化～微風(fēng)化巖體完整性系數(shù)0.17～0.33,屬較破碎巖體,前期勘探孔無法取到完整柱狀巖芯。調(diào)壓室豎井及上室開挖揭露圍巖類別以Ⅴ類為主,Ⅳ類次之,主要工程地質(zhì)問題為塌方。

2 開挖支護(hù)方案

調(diào)壓室豎井開挖前,首先在溜渣井和豎井開挖輪廓線周邊進(jìn)行深孔預(yù)固結(jié)灌漿,然后采用LM-300 型反井鉆機(jī)進(jìn)行直徑216 mm先導(dǎo)孔施工,之后反提擴(kuò)孔鉆頭將先導(dǎo)孔擴(kuò)大成直徑1.4 m的溜渣井,最后自上而下進(jìn)行全斷面豎井?dāng)U挖及一次支護(hù)的施工方案。

2.1 豎井深孔預(yù)固結(jié)灌漿

由于本工程調(diào)壓室豎井開挖斷面大,地質(zhì)條件差,為保證施工安全,在豎井開挖前,在溜渣井和豎井開挖輪廓線周邊進(jìn)行深孔預(yù)固結(jié)灌漿,深度50 m,以提高豎井圍巖的整體性、均勻性以及自穩(wěn)能力。豎井?dāng)U挖前,需在井口澆筑蓋重和鎖口鋼筋混凝土,保證井口圍巖穩(wěn)定。

灌漿孔共布置2 圈,第一圈在豎井中心半徑2.0 m范圍處,布置6 個灌漿孔,間距2.09 m；第二圈在豎井中心半徑9.7 m范圍處,布置30 個灌漿孔,間距2.03 m。深孔預(yù)固結(jié)灌漿孔孔底需進(jìn)入弱風(fēng)化線以下,深度采用50 m,灌漿孔布置方式見圖1。

圖1 調(diào)壓室深孔預(yù)固結(jié)灌漿設(shè)計圖

第一圈灌漿孔是為了在反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔及擴(kuò)挖溜渣井施工時,保證圍巖的密實(shí)性和穩(wěn)定性,為溜渣井施工提供較好的施工條件。第一圈灌漿孔灌漿壓力控制在0.3 MPa～0.5 MPa。

第二圈灌漿孔是固結(jié)灌漿的重點(diǎn),主要目的是提高豎井永久開挖線附近圍巖的整體性和均勻性,提高其自穩(wěn)能力,防止豎井開挖過程中圍巖坍塌。第二圈灌漿孔灌漿壓力控制在0.5 MPa～1.0 MPa。

第二圈深孔預(yù)固結(jié)灌漿完成后,灌漿孔內(nèi)安裝錨筋束（采用3 根28 鋼筋制作）,錨筋束的連接采用套筒連接方式,連接點(diǎn)錯開,不得在同一截面上,然后采用0.5∶1的純水泥漿進(jìn)行全孔注漿封孔。

調(diào)壓室深孔預(yù)固結(jié)灌漿結(jié)束、錨筋束安裝完成、灌漿質(zhì)量檢查合格后方可進(jìn)行調(diào)壓室豎井的開挖施工,嚴(yán)禁邊灌漿邊開挖。

2.2 先導(dǎo)孔及溜渣井施工

利用反井鉆機(jī)開挖豎井是一種成熟的施工工藝,已廣泛應(yīng)用于我國水利水電、煤礦等地下工程開挖施工中。利用反井鉆機(jī)開挖豎井具有操作簡便、施工效率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

不良地質(zhì)條件下,先導(dǎo)孔的鉆進(jìn)是反井鉆法開挖豎井的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本工程調(diào)壓室豎井圍巖裂隙發(fā)育、巖石完整性差,采用LM-300 型反井鉆機(jī)進(jìn)行先導(dǎo)孔施工期間,多次出現(xiàn)塌孔、卡鉆等現(xiàn)象。為保證先導(dǎo)孔順利貫通,先后采用水泥漿護(hù)壁、膨潤土泥漿護(hù)壁等方法,對先導(dǎo)孔周圍巖體進(jìn)行固結(jié),效果良好。

先導(dǎo)孔貫通后,拆除導(dǎo)孔鉆頭,安裝擴(kuò)孔鉆頭,低轉(zhuǎn)速、低鉆壓將擴(kuò)孔鉆頭提升至先導(dǎo)孔底部巖面,之后根據(jù)圍巖的巖石強(qiáng)度確定鉆頭壓力,進(jìn)行直徑1.4 m的溜渣井開挖。

2.3 豎井?dāng)U挖與支護(hù)

豎井開挖揭露圍巖以Ⅴ類為主,巖體破碎,豎井?dāng)U挖采用機(jī)械開挖、溜渣井出渣的方案,以減少對井壁巖體的擾動。為確保井壁圍巖穩(wěn)定性,每開挖完成一個循環(huán),立即對井壁進(jìn)行一次支護(hù),一次支護(hù)完成后方可進(jìn)行下一循環(huán)的開挖。

Ⅴ類圍巖洞段采用“鋼拱架+系統(tǒng)錨桿+鋼筋網(wǎng)噴射混凝土”的支護(hù)方案,具體支護(hù)參數(shù)如下：C30 噴射混凝土厚0.2 m,鋼筋網(wǎng)片φ8@0.2 m×0.2 m；鋼拱架為I20 a工字鋼,間距1.0 m；為避免砂漿錨桿造孔過程中的頻繁塌孔與卡鉆,加快施工進(jìn)度,錨桿采用Φ25 自進(jìn)式錨桿,間排距1.25 m×1.25 m,梅花形布置。

Ⅳ類圍巖洞段不設(shè)置鋼拱架,其他支護(hù)參數(shù)同Ⅴ類圍巖。

2.4 上室開挖與支護(hù)

豎井開挖至上室底高程后,進(jìn)行上室的開挖與支護(hù)。上室開挖揭露巖性為泥盆系汗吉尕組（D2H2）凝灰質(zhì)粉砂巖。上室進(jìn)洞0～21 m,洞室兩壁及頂拱巖石強(qiáng)度較低、裂隙極發(fā)育,圍巖以散體結(jié)構(gòu)為主,局部呈碎裂結(jié)構(gòu),圍巖破碎,洞室干燥,無地下水活動,屬Ⅴ類圍巖,圍巖不穩(wěn)定～極不穩(wěn)定；進(jìn)洞21m以后,圍巖條件略有好轉(zhuǎn),巖石具有一定強(qiáng)度,裂隙發(fā)育,圍巖較破碎,以碎裂結(jié)構(gòu)為主,洞室干燥,圍巖不穩(wěn)定。

Ⅴ類圍巖洞段支護(hù)參數(shù)如下：C30 噴射混凝土厚0.2 m,鋼筋網(wǎng)片φ8@0.2 m×0.2 m；Φ25 系統(tǒng)錨桿,L=4.0 m,間排距1.25 m×1.25 m,梅花形布置；鋼拱架為I20 a工字鋼,間距1.0 m；頂拱113°范圍設(shè)Φ25 超前錨桿,L=4.0 m,間距0.4 m,排距1.6 m。

Ⅳ類圍巖洞段支護(hù)參數(shù)如下：C30 噴射混凝土厚0.15 m,鋼筋網(wǎng)片φ8@0.2 m×0.2 m；Φ25 系統(tǒng)錨桿,L=4.0 m,間排距1.25 m×1.25 m,梅花形布置。Ⅳ類圍巖不穩(wěn)定洞段,設(shè)I14鋼拱架,間距1.0 m,必要時,頂拱113°范圍設(shè)Φ25 超前錨桿,L=4.0 m,間距0.4 m,排距1.6 m。Ⅳ類圍巖穩(wěn)定性相對稍好洞段不再設(shè)置鋼拱架及超前錨桿。

3 溜渣井塌方處理

3.1 塌方原因分析

調(diào)壓室在進(jìn)行豎井?dāng)U挖過程中,發(fā)現(xiàn)溜渣井底部出渣量異常,溜渣井頂部不甩渣時,出渣口仍有石渣掉落,懷疑溜渣井內(nèi)部出現(xiàn)塌方。通過孔內(nèi)錄像,基本確定了溜渣井內(nèi)塌方范圍、深度及具體位置。從孔內(nèi)錄像看,溜渣井塌方最深處已經(jīng)坍塌到深孔預(yù)固結(jié)灌漿孔內(nèi)的錨筋樁位置。

通過分析,此種碎裂型巖體結(jié)構(gòu)中,溜渣井井壁塌方是受溜渣過程中石渣沖擊、井壁巖體應(yīng)力釋放等因素所致。目前圍巖坍塌位置仍不穩(wěn)定,塌方范圍存在進(jìn)一步擴(kuò)大的風(fēng)險。為防止豎井向下開挖時出現(xiàn)冒頂,甚至影響豎井成井,必須采用主動控制和治理措施盡快處理塌方,同時加強(qiáng)溜渣井內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性觀測。

3.2 塌方處理方案

首先在溜渣井內(nèi)安裝一根直徑1.2 m的鋼管形成鋼溜筒,以確保溜渣通道暢通,并對溜渣井井壁進(jìn)行保護(hù)。為防止井壁外側(cè)石渣將鋼管擠壓變形,可在鋼管外側(cè)間隔2 m設(shè)置一道加勁環(huán),增強(qiáng)其抗外壓變形能力。鋼溜筒底部應(yīng)采用錨筋、鋼拱架支撐等方式將管口固定牢固,保證底部支撐系統(tǒng)能夠支撐鋼管自重及溜渣的沖擊。在鋼管安裝固定完成后,盡快采用開挖渣料將溜渣井塌方區(qū)回填密實(shí),并對回填區(qū)進(jìn)行固結(jié)灌漿處理,防止塌方范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

4 結(jié)語

（1）采用上述開挖支護(hù)方案,目前本工程調(diào)壓室已全部開挖支護(hù)完成,驗證了設(shè)計方案的可靠性,對類似地質(zhì)條件下的豎井開挖具有借鑒意義。

（2）不良地質(zhì)條件下豎井的開挖,由于溜渣井空間狹小,無法進(jìn)行錨噴支護(hù)施工,可在溜渣井內(nèi)提前安裝鋼溜筒,防止石渣對井壁的沖擊造成塌方。

（3）地質(zhì)條件較差時,調(diào)壓室豎井、上室一次支護(hù)應(yīng)緊跟掌子面進(jìn)行,并根據(jù)實(shí)際揭露的地質(zhì)條件進(jìn)行動態(tài)設(shè)計。