施工支洞與特大斷面隧洞相交三岔口采用的開(kāi)挖施工方法

吳 桃, 趙 云 龍, 劉 勝 虎

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

近年來(lái),隨著普通中型、所有小型水電站全面停止核準(zhǔn)建設(shè)[1],四川省大型水電站建設(shè)中的引水隧洞多以大斷面、特大斷面長(zhǎng)隧洞為主?？紤]到施工工期及安全性等因素,大多數(shù)引水隧洞需要增設(shè)施工支洞,而施工支洞進(jìn)入引水隧洞主洞時(shí)的三岔口跨度大、應(yīng)力集中、圍巖自穩(wěn)能力差,往往容易出現(xiàn)安全事故,因此,這一部位的開(kāi)挖支護(hù)尤為重要。

某大(二)型水電站引水隧洞工程標(biāo)全長(zhǎng)4 715 m,引水隧洞為圓型斷面,其Ⅱ、Ⅲ類圍巖開(kāi)挖斷面的直徑為14.0 m、Ⅳ類圍巖開(kāi)挖斷面的直徑為12.9 m、Ⅴ類圍巖開(kāi)挖斷面的直徑為13.4 m,屬于特大斷面隧洞。該引水隧洞主洞的開(kāi)挖采用分層開(kāi)挖方式,先施工上半洞,待上半洞施工完成后再施工下半洞,其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖上半洞的開(kāi)挖高度為9.1 m,Ⅳ類圍巖上半洞的開(kāi)挖高度為7.65 m,Ⅴ類圍巖上半洞的開(kāi)挖高度為7.9 m。

施工支洞斷面為城門洞型,其開(kāi)挖斷面尺寸:Ⅲ類圍巖為7.10 m×6.55 m(寬×高)、Ⅳ類圍巖為7.20 m×6.60 m(寬×高)、Ⅴ類圍巖為8.70 m×7.35 m(寬×高),其中3號(hào)施工支洞的長(zhǎng)度為424.286 m。引水隧洞與3號(hào)施工支洞的相交點(diǎn)樁號(hào)為(隧)5+072.007,引水隧洞底板的開(kāi)挖高程為2 872.85 m,引水隧洞主洞與3號(hào)施工支洞呈90°相交。施工支洞與主洞相交三岔口處距離下游Fx1斷層影響破碎帶約100 m。

該段隧洞巖體為燕山早期中粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖。隧洞圍巖的劃分主要依據(jù)隧洞沿線的地形地貌、隧洞埋深、構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度、風(fēng)化夾層的分布密度、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面走向與隧洞軸線的夾角以及地下水活動(dòng)狀態(tài)等工程地質(zhì)條件,隧洞上覆巖體的厚度一般為160～350 m,圍巖以灰白色中粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖為主,次為青灰色中細(xì)粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖,巖質(zhì)堅(jiān)硬,該洞段巖體風(fēng)化夾層分布的幾率總體較低。而分布于火燒壩2號(hào)溝上游的Fx1斷層規(guī)模較大,斷層帶寬約10～15 m,影響帶的寬度約為25 m,產(chǎn)狀為N30°～40°W/SW(NE)∠75°～85°。此外,小斷層、擠壓破碎帶等軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)有出露,但其規(guī)模均較小,破碎帶寬度一般<1 m,產(chǎn)狀與Fx1斷層基本相同,走向與洞軸線夾角較大。該洞段巖體風(fēng)化卸荷微弱,節(jié)理面一般新鮮,閉合無(wú)充填,裂隙間距多大于40 cm,巖體較完整,呈塊狀-次塊狀結(jié)構(gòu),圍巖以Ⅲ類巖體為主,Ⅳ、Ⅱ類次之,少量為Ⅴ類,成洞條件較好,但局部發(fā)育的斷層、擠壓破碎帶、風(fēng)化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低,主要為Ⅳ類或Ⅴ類圍巖,穩(wěn)定性差。

該段隧洞穿越Fx1斷層破碎帶及火燒壩2號(hào)溝,斷層破碎帶及影響帶巖體以全、強(qiáng)風(fēng)化為主,多呈碎塊～碎裂結(jié)構(gòu),地下水活躍,巖體穩(wěn)定性差,圍巖以Ⅴ類巖體為主,Ⅳ類次之;過(guò)溝段因地表常年流水導(dǎo)致地下水相對(duì)豐富,圍巖以Ⅳ類巖體為主。過(guò)溝段與斷層破碎帶地下水相對(duì)較活躍,其余洞段地下水活動(dòng)相對(duì)輕微。針對(duì)上述實(shí)際情況,最終確定了以下施工方法。

2 主要施工方法

3號(hào)施工支洞交主洞三岔口部位采用的開(kāi)挖支護(hù)主要施工工序?yàn)?3號(hào)施工支洞加強(qiáng)支護(hù)段開(kāi)挖及支護(hù)→超前支護(hù)→主洞三岔口段上部平洞開(kāi)挖支護(hù)→改拱→主洞三岔口段下部開(kāi)挖支護(hù)→主洞下游30 m段的開(kāi)挖支護(hù)→主洞上游30 m段的開(kāi)挖及支護(hù)→具備條件后上下游同時(shí)開(kāi)挖施工。3號(hào)施工支洞交引水隧洞主洞三岔口處的施工布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 3號(hào)施工支洞交引水隧洞主洞三岔口處的施工布置圖

2.1 3號(hào)施工支洞加強(qiáng)支護(hù)段施工

3號(hào)施工支洞開(kāi)挖至(支3)0+295樁號(hào)時(shí)按10.6%的坡度向上爬坡開(kāi)挖。由于無(wú)法確定3號(hào)施工支洞交主洞三岔口的圍巖類別,3號(hào)施工支洞(支3)0+404.286～(支3)0+424.286段按Ⅴ類圍巖斷面開(kāi)挖并進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),在距主洞與支洞交接位置10 m范圍內(nèi)((支3)0+414.286～(支3)0+424.286)設(shè)置了Ⅰ20a工字鋼拱架,間距0.5 m,其中最后一榀拱架采用一組雙拼Ⅰ25a門架,開(kāi)挖斷面由原Ⅴ類圍巖斷面漸變?yōu)槠蕉床⑦M(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。(支3)0+404.286～(支3)0+414.286段加強(qiáng)支護(hù)的參數(shù)為:

(1)此加強(qiáng)支護(hù)段為Ⅲ類圍巖時(shí),系統(tǒng)錨桿采用C22 mm,長(zhǎng)度L=4.5 m,間排距1.5 m×1.5 m梅花型布置,噴10 cm厚C20混凝土,掛網(wǎng)鋼筋為Ф8 mm@20 cm×20 cm。

(2)此加強(qiáng)支護(hù)段為Ⅳ類圍巖時(shí),系統(tǒng)錨桿采用C22 mm,L=4.5 m,間排距1.5 m×1.5 m梅花型布置,噴15 cm厚C20混凝土,掛網(wǎng)鋼筋為Ф8 mm@20 cm×20 cm,鋼拱架采用Ⅰ20a型工字鋼,間距1 m。

(3)此加強(qiáng)支護(hù)段為Ⅴ類圍巖時(shí)及(支3)0+404.286～(支3)0+424.286段中的圍巖為Ⅴ類圍巖時(shí),系統(tǒng)錨桿采用C22 mm,L=4.5 m,間排距為1.5 m×1.5 m梅花型布置,噴15 cm厚C20混凝土,掛網(wǎng)鋼筋為Ф8 mm@20 cm×20 cm,鋼拱架采用Ⅰ20a型工字鋼,間距0.5 m,頂拱180°范圍設(shè)置超前小導(dǎo)管,L=5 m,入巖深度為4.5 m,外漏長(zhǎng)度為0.5 m,環(huán)向間距為0.3～0.4 m,搭接長(zhǎng)度為2 m。

(4) 在主洞與支洞交接處設(shè)置了一組工字鋼門架,工字鋼采用雙拼Ⅰ25a工字鋼,兩榀工字鋼雙拼為一榀,雙拼Ⅰ25a工字鋼與支洞工字鋼采用Ⅰ18a工字鋼連接,間距1.5 m。由于需要安裝工字鋼門架以加強(qiáng)支護(hù),因此在安裝門架處需將其開(kāi)挖成平洞,開(kāi)挖斷面由原Ⅴ類圍巖斷面漸變?yōu)槠蕉?漸變段長(zhǎng)度為6 m(可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整,但調(diào)整后的漸變段長(zhǎng)度不宜小于5 m)。門架及平洞開(kāi)挖結(jié)構(gòu)斷面情況見(jiàn)圖2。

圖2 門架及平洞開(kāi)挖結(jié)構(gòu)斷面示意圖

2.2 超前支護(hù)

支洞與主洞交叉口雙拼Ⅰ25a工字鋼門架施工完成后,按照與主洞軸線垂直的方向進(jìn)行弧面挑頂開(kāi)挖,挑頂?shù)拈_(kāi)挖按平洞形式進(jìn)行,開(kāi)挖前需設(shè)置超前支護(hù)。對(duì)于Ⅲ、Ⅳ類圍巖,在門架上方設(shè)置C25 mm超前錨桿,L=4.5 m,入巖深度為4 m,外漏長(zhǎng)度為0.5 m,環(huán)向間距為0.3～0.4 m,其與開(kāi)挖輪廓線的切線成5°～15°的仰角。如果遇到頂拱圍巖完整性較差的Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖,可在門架上方設(shè)置超前注漿小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù),超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度L=5 m,入巖深度為4.5 m,外漏長(zhǎng)度為0.5 m,環(huán)向間距為0.3～0.4 m,搭接長(zhǎng)度為2 m。

超前注漿小導(dǎo)管施工工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 超前注漿小導(dǎo)管施工工藝流程圖

小導(dǎo)管采用外徑為48 mm、壁厚4 mm、長(zhǎng)度為5 m的無(wú)縫鋼管(花管),管周注漿孔徑為6～8 mm,孔間距為20～30 cm,梅花型布置,管前端呈錐形,長(zhǎng)度為10 cm,尾部長(zhǎng)度為100 cm。作為不鉆注漿孔的止?jié){段在其尾端焊接直徑為6～8 mm的鋼筋箍。小導(dǎo)管沿開(kāi)挖面頂部設(shè)置,與開(kāi)挖輪廓線的切線成5°～15°的仰角,入巖深度為4.5 m,外露0.5 m,環(huán)向間距為0.3～0.4 m(可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況調(diào)整),搭接長(zhǎng)度為2.5 m。

2.3 主洞段三岔口上部平洞的開(kāi)挖與支護(hù)

考慮到鉆孔支護(hù)臺(tái)車的操作空間,施工超前支護(hù)完成后按8.7 m(寬)×(3.05～7.84)m(高)的矩型斷面放樣并核實(shí)其頂部高程。由于頂部開(kāi)挖需要進(jìn)行兩次拱架支護(hù),開(kāi)挖時(shí)需要留出門架安裝的空間,因此,頂拱開(kāi)挖位置會(huì)出現(xiàn)因開(kāi)挖斷面調(diào)整引起的擴(kuò)挖。

為確保施工安全及施工質(zhì)量,在其頂部根據(jù)外輪廓線的位置、以一定的傾角鉆孔,鉆孔深度為1.2～1.55 m,進(jìn)尺不超過(guò)1 m,并將周邊孔間距控制在50 cm以內(nèi),采用光面弱爆破[2],每個(gè)炮孔采用不耦合裝藥以減小爆破對(duì)圍巖的影響。3號(hào)施工支洞與引水隧洞交叉段的開(kāi)挖采用分層開(kāi)挖,上部開(kāi)挖高度為8.6 m,待上部開(kāi)挖支護(hù)完成后進(jìn)行下部開(kāi)挖,下部開(kāi)挖的高度為2.2 m,邊開(kāi)挖、邊支護(hù)。鉆孔爆破采用人工手持YT-28手風(fēng)鉆鉆孔、“新奧法”[3]鉆孔爆破,遵循“弱爆破、少擾動(dòng)、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的原則施工。開(kāi)挖完成后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)施工并需保證支護(hù)施工的質(zhì)量。采用減震爆破、淺孔密布的方式,同時(shí)加強(qiáng)圍巖監(jiān)測(cè)。施工過(guò)程中必須加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)工作。

在進(jìn)行主洞三岔口段與支洞重疊段上半部開(kāi)挖時(shí)采用邊開(kāi)挖、邊支護(hù)的方式,對(duì)于Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖均采用“Ⅰ20a工字鋼棚架+系統(tǒng)錨桿+Ф8 mm鋼筋網(wǎng)”及“噴C20混凝土+超前錨桿(Ⅲ類、Ⅳ類圍巖)或超前小導(dǎo)管(Ⅳ類圍巖頂拱破碎、Ⅴ類)”做臨時(shí)支護(hù),其中工字鋼的高度隨開(kāi)挖高度的變化而變化。三岔口重疊段上部Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖的支護(hù)情況見(jiàn)圖4。

圖4 三岔口重疊段上部Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖支護(hù)圖

三岔口上部在每一循環(huán)開(kāi)挖后及時(shí)施作臨時(shí)支護(hù)。圍巖的支護(hù)順序?yàn)?超前支護(hù)→開(kāi)挖→初噴3～5 cm厚的C20混凝土→工字鋼棚架的安裝→頂部錨桿施工→頂部掛網(wǎng)→復(fù)噴。

2.4 改拱

當(dāng)引水隧洞主洞三岔口段的上部開(kāi)挖支護(hù)完成后,及時(shí)對(duì)引水隧洞邊頂拱部位進(jìn)行初期支護(hù)。由于三岔口跨度大、應(yīng)力急劇變化,極易產(chǎn)生掉塊、坍塌事故,因此,對(duì)于該段Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖均采用Ⅰ25a工字鋼拱架進(jìn)行支護(hù),其間距為0.5 m,掛網(wǎng)鋼筋Ф8 mm@20 cm×20 cm,噴射25 cm厚C20混凝土覆蓋工字鋼拱架。該段工字鋼的一側(cè)立在主洞基巖上,另一側(cè)與支洞口門架焊接連接,主洞拱架與支洞口門架的布置情況見(jiàn)圖5。

圖5 主洞拱架與支洞口門架布置圖

2.5 主洞段三岔口部位的下部施工

改拱完成后方可進(jìn)行主洞三岔口段下半洞的開(kāi)挖與支護(hù),三岔口段下半洞的開(kāi)挖采用鉆爆法開(kāi)挖,將進(jìn)尺控制在2 m,采用YT-28手風(fēng)鉆鉆孔,人工填裝乳化炸藥、分段電毫秒雷管微差爆破,人工間隔裝藥。

對(duì)于三岔口段的下部在每循環(huán)開(kāi)挖完成后及時(shí)進(jìn)行支護(hù),對(duì)主洞掌子面部位噴5 cm厚C20混凝土作為初期支護(hù)。下部開(kāi)挖完成后對(duì)主洞邊墻部位根據(jù)圍巖類別進(jìn)行支護(hù),Ⅱ類、Ⅲ類圍巖掛網(wǎng)鋼筋Ф8 mm@20 cm×20 cm,設(shè)置C22 mm系統(tǒng)錨桿,長(zhǎng)4.5 m,間排距為1.5 m×1.5 m,梅花型布置,將主洞上下游各2榀鎖口工字鋼拱架接長(zhǎng)至下部開(kāi)挖基巖面,噴15 cm厚C20 mm混凝土;Ⅳ類、Ⅴ類圍巖掛網(wǎng)鋼筋Ф8 mm@20 cm×20 cm,設(shè)置C22 mm系統(tǒng)錨桿,長(zhǎng)4.5 m,間排距為1 m×1 m,梅花型布置,及時(shí)對(duì)其上部支護(hù)的Ⅰ25a型鋼拱架接長(zhǎng)支撐于下部開(kāi)挖基巖面并噴25 cm厚C20混凝土。

2.6 主洞段的開(kāi)挖與支護(hù)

待主洞三岔口段開(kāi)挖支護(hù)完成后進(jìn)行主洞的開(kāi)挖。主洞開(kāi)挖前,先對(duì)之前三岔口段主洞掌子面位置的門架進(jìn)行拆除,拆除時(shí)利用液壓破碎錘對(duì)已噴混凝土實(shí)施破碎,混凝土清理完成后,再對(duì)拱架及相應(yīng)的鋼筋網(wǎng)片等進(jìn)行割除。

主洞開(kāi)挖時(shí),其上下游分別水平開(kāi)挖10 m,預(yù)留出機(jī)械設(shè)備的操作空間,再分別按一定的坡度向上下游開(kāi)挖30 m。上下游同時(shí)爆破開(kāi)挖時(shí)需滿足相關(guān)規(guī)范要求的安全距離。為確保開(kāi)挖施工安全,對(duì)于主洞上下游各30 m范圍應(yīng)根據(jù)圍巖類別情況提高一級(jí)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

2.7 支洞底板的擴(kuò)挖及超挖回填

待所有主洞段開(kāi)挖完成后、進(jìn)入混凝土襯砌施工前,對(duì)3號(hào)施工支洞底板進(jìn)行了擴(kuò)挖,將底板擴(kuò)挖上至與主洞三岔口,高程與主洞底板混凝土襯砌高程一致,其開(kāi)挖長(zhǎng)度根據(jù)支洞合理的坡度而定。開(kāi)挖時(shí),對(duì)于有拱架的部位需將拱架延伸至新開(kāi)挖的基巖面上。

3 變形監(jiān)測(cè)

監(jiān)控量測(cè)是隧洞施工過(guò)程中必不可少的一道程序,是確保施工安全的重要手段。在隧洞施工過(guò)程中,通過(guò)對(duì)圍巖支護(hù)體系穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià),可以為初期支護(hù)和二次襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整提供依據(jù),從而達(dá)到確保施工及結(jié)構(gòu)安全、指導(dǎo)施工順序、便利施工管理的目的。在隧洞施工過(guò)程中,必須使用專用的儀器和工具對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形以及它們之間的關(guān)系進(jìn)行觀測(cè)并對(duì)其穩(wěn)定性、安全性進(jìn)行評(píng)價(jià),監(jiān)控量測(cè)工作必須緊跟開(kāi)挖、支護(hù)作業(yè),應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行布點(diǎn)和監(jiān)測(cè)并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況及時(shí)調(diào)整量測(cè)項(xiàng)目和內(nèi)容,對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行分析處理,將結(jié)果反饋到施工過(guò)程中,并將監(jiān)控量測(cè)作為施工的一個(gè)重要組成部分納入施工工序,貫穿于施工的全過(guò)程,為施工管理及時(shí)提供圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和安全信息等。

由于隧洞結(jié)構(gòu)斷面的跨度大,且其三岔口為應(yīng)力最為集中的部位,為了掌握圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中的動(dòng)態(tài)信息和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài),提供有關(guān)隧洞施工全面、系統(tǒng)的信息資料,為評(píng)價(jià)和修改支護(hù)參數(shù)、力學(xué)分析及二次襯砌提供信息依據(jù),確保施工安全及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,在施工的全過(guò)程中進(jìn)行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工作至關(guān)重要。

根據(jù)該工程的具體情況,分別對(duì)施工支洞距三岔口30 m范圍以及引水隧洞主洞距三岔口上下游30 m段和三岔口進(jìn)行了安全監(jiān)測(cè),每10 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以位移監(jiān)測(cè)為主,將變形觀測(cè)點(diǎn)主要布置在拱頂及腰線部位,分別進(jìn)行了隧洞拱頂下沉量測(cè)及水平收斂量測(cè)[4]。拱頂下沉及周邊收斂量測(cè)頻率情況[5]見(jiàn)表1。

表1 拱頂下沉及周邊收斂量測(cè)頻率表

4 結(jié) 語(yǔ)

施工支洞與引水隧洞主洞交匯處的三岔口是整個(gè)隧洞施工的重要部位,關(guān)系到整個(gè)隧洞后期施工的安全。施工前必須做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提前做好施工準(zhǔn)備。施工過(guò)程中嚴(yán)格遵循“弱爆破、少擾動(dòng)、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的原則,同時(shí)嚴(yán)格落實(shí)“三檢制”,上道施工工序不合格不準(zhǔn)進(jìn)入下道工序,以確保各道工序的工程質(zhì)量。加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)并做好記錄,確保三岔口施工安全順利通過(guò)。