滇中引水工程破碎圍巖洞室開(kāi)挖支護(hù)方案分析

李 堅(jiān),郭亞欣,張磊磊

(云南省滇中引水工程有限公司,云南 昆明 650000)

0 引 言

在不良地質(zhì)條件下,國(guó)內(nèi)外洞口超前支護(hù)常采用超前大管棚、超前小導(dǎo)管、鋼拱架錨噴支護(hù)等措施,對(duì)于邊坡常采用打設(shè)錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土等錨噴支護(hù)措施,但對(duì)于淺埋覆蓋層隧洞洞口和破碎至散體結(jié)構(gòu)為主的邊坡,該種支護(hù)措施難以達(dá)到理想的支護(hù)效果[1-2]。因此,本文以滇中引水工程的石鼓水源工程為例,分析了不良地質(zhì)條件下該工程進(jìn)水隧洞與進(jìn)水箱涵連接段的支護(hù)方案。

1 工程概況

石鼓水源工程是滇中引水工程三大主體工程之一,位于云南省麗江市玉龍縣石鼓鎮(zhèn)境內(nèi)。石鼓水源工程按一級(jí)泵站布置,從位于沖江河河口上游的金沙江右岸引水,經(jīng)長(zhǎng)約1.27 km的引水渠沉沙后,通過(guò)兩條長(zhǎng)約3 km的進(jìn)水隧洞和0.8 km的進(jìn)水箱涵將金沙江水輸送至位于沖江河右岸竹園村上游的地下泵站,經(jīng)地下泵站提水至連接香爐山隧洞進(jìn)口的出水池。

石鼓水源工程沖江河右岸進(jìn)水隧洞包括:1-2號(hào)進(jìn)水主洞,長(zhǎng)548.101 m;2-2號(hào)進(jìn)水主洞,長(zhǎng)498.499 m,進(jìn)水主洞開(kāi)挖直徑7.9～8.9 m,為圓形斷面;連接進(jìn)水箱涵K0-025～K0+000段長(zhǎng)25 m,開(kāi)挖斷面呈馬蹄形。沖江河右岸進(jìn)水隧洞連接箱涵段(K0-025～K0+000)為沖洪積砂礫卵石及殘坡積碎石土層,強(qiáng)(溶蝕)風(fēng)化帶,溶縫較發(fā)育,巖石多風(fēng)化色變呈灰黃色、灰褐色,灰?guī)r類(lèi)巖質(zhì)呈半堅(jiān)硬至半疏松狀,片巖類(lèi)巖質(zhì)疏松,以碎裂至散體結(jié)構(gòu)為主,巖體破碎,判定該斷圍巖類(lèi)別為穩(wěn)定性極差的Ⅴ類(lèi)。沖江河右岸進(jìn)水隧洞連接箱涵段(K0-025～K0+000)因?qū)儆谶M(jìn)洞段,地質(zhì)條件較差,主要存在淺埋覆蓋層與破碎巖體的變形與穩(wěn)定問(wèn)題,有進(jìn)口段邊坡垮塌,甚至冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)[3-4],對(duì)箱涵基坑正面邊坡穩(wěn)定不利。

2 開(kāi)挖支護(hù)方法及措施

2.1 開(kāi)挖方法

進(jìn)水隧洞的進(jìn)口段主要為V類(lèi)圍巖,開(kāi)挖斷面呈馬蹄形,采用預(yù)留核心土法分上下兩層進(jìn)行開(kāi)挖,循環(huán)進(jìn)尺0.5～1.5 m(圖1)。裝載機(jī)裝渣,由自卸汽車(chē)運(yùn)至指定渣場(chǎng)。采用“新奧法”原理組織各工序的施工,遵循“管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的施工原則[5-6]。

圖1 開(kāi)挖分層詳圖Fig.1 Detailed excavation stratification

2.2 支護(hù)措施

沖江河右岸進(jìn)水隧洞與進(jìn)水箱涵連接段(總長(zhǎng)25 m)為砂卵石層段,為確保隧洞安全和后續(xù)箱涵邊坡成型安全,覆蓋層段支護(hù)施工程序?yàn)?施工準(zhǔn)備—超前預(yù)灌漿(視地質(zhì)情況)—超前支護(hù)(視地質(zhì)情況)—短臺(tái)階或全斷面開(kāi)挖—初噴3～5 cm厚混凝土—鋼支撐和連接筋—鎖腳錨桿—系統(tǒng)錨桿—掛鋼筋網(wǎng)—復(fù)噴混凝土施工至設(shè)計(jì)厚度—下一循環(huán)開(kāi)挖支護(hù)。

2.2.1 超前支護(hù)措施

根據(jù)實(shí)際情況,進(jìn)水箱涵與右岸進(jìn)水隧洞設(shè)置連接段(K0-025～K0+000段)。因連接段布置在砂礫石層內(nèi),考慮主要施工方案包括超前大管棚、超前小導(dǎo)管、超前堵水灌漿、豎向鋼管樁[7-10]等。另外,為增加進(jìn)口段隧洞的自穩(wěn)能力,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,在進(jìn)口段開(kāi)挖完成后,及時(shí)進(jìn)行全斷面固結(jié)灌漿施工,以加固邊坡底部砂卵石層,固結(jié)灌漿孔深度為8 m。

(1) 超前大管棚。超前注漿大管棚長(zhǎng)12 m,采用外徑108 mm,壁厚6 mm鋼管以絲扣連接而成,管棚環(huán)向間距40 cm,外傾5°～15°,管棚鋼管管身鉆注漿孔,注漿孔孔徑為15 mm,孔間距30 cm,尾部止?jié){段長(zhǎng)4.5 m。施工時(shí)運(yùn)用測(cè)斜儀量測(cè)鋼管鉆進(jìn)的偏斜度,保證鉆孔方向準(zhǔn)確。為使鋼管接頭錯(cuò)開(kāi),編號(hào)為奇數(shù)的第一節(jié)鋼管采用3 m長(zhǎng)鋼管,編號(hào)為偶數(shù)的第一節(jié)鋼管采用6 m長(zhǎng)鋼管,以后每節(jié)均采用6 m長(zhǎng)鋼管,末端采用非標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)管節(jié),避免鋼管接頭在同一斷面。注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓后繼續(xù)注漿10 min以上可結(jié)束注漿。

(2) 超前小導(dǎo)管。小導(dǎo)管孔距30 cm,排距3 m,孔深4.5 m,外插角10°～15°,搭接長(zhǎng)度1.58 m(斜長(zhǎng))。導(dǎo)管釆用外徑42 mm,壁厚3.5 mm的鋼管加工而成,長(zhǎng)度為造孔深度,尾部焊套箍,頂部做成錐形,管壁按梅花形布鉆小孔,孔眼直徑8 mm,間距為15 cm。鋼管入巖長(zhǎng)度不小于管長(zhǎng)的90%,外露部分應(yīng)在襯砌設(shè)計(jì)線以外。注漿前對(duì)開(kāi)挖面及距掌子面5 m范圍內(nèi)邊、頂拱噴混凝土封閉,噴厚5～10 cm,注漿壓力0.1～0.5 MPa,水泥漿的水灰比控制在0.8∶1～1∶1,具體情況根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后最終確定,孔口設(shè)置止?jié){塞。從拱頂向下逐孔注漿,如遇冒漿或串漿,則間隔一孔或幾孔分序注漿。

(3) 超前堵水灌漿。該部位臨近進(jìn)水箱涵,需將地下水降至開(kāi)挖面以下0.5 m,右岸山體內(nèi)地下水會(huì)滲流至進(jìn)水箱涵,且右岸山體內(nèi)水滲流量較大。進(jìn)口段開(kāi)挖總長(zhǎng)25 m,注漿完成后再進(jìn)行開(kāi)挖,每循環(huán)30個(gè)孔計(jì),共實(shí)施2個(gè)循環(huán),超前堵水注漿1 500 m。超前堵水灌漿采用水泥水玻璃雙漿液,水灰比為1∶1～0.5∶1,灌漿壓力為0.5～1.5 MPa。

(4) 豎向鋼管樁。在1-2號(hào)、2-2號(hào)進(jìn)水隧洞與一期箱涵結(jié)合部位兩側(cè)各布置一排豎向鋼管樁,按L形對(duì)稱(chēng)布置,共計(jì)4排。每個(gè)鋼管樁采用潛孔鉆機(jī)外徑219 mm跟管(壁厚10 mm,單節(jié)長(zhǎng)度1.5 m)直接成孔(跟管不拔),樁長(zhǎng)15 m,造孔完成后灌注M30(一)混凝土直接成樁。每邊20根,共計(jì)80根。

2.2.2 錨桿施工

錨桿施工采用手風(fēng)鉆或鑿巖臺(tái)車(chē)鉆孔,錨桿在鋼筋加工廠制作,用8 t載重汽車(chē)運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng),人工安裝錨桿,注漿采用錨桿注漿機(jī)進(jìn)行,按照“先注漿后插錨桿”或“先插錨桿后注漿”的程序進(jìn)行。

2.2.3 掛網(wǎng)噴混凝土

噴混凝土與開(kāi)挖、錨桿施工跟進(jìn)平行交叉作業(yè),噴射方法采用濕噴法[11],混凝土噴射臺(tái)車(chē)或濕噴機(jī)施噴,除特殊地段采用先噴后錨的程序外,其他部位均按如下工藝流程進(jìn)行施工:施工準(zhǔn)備—巖面清理—倉(cāng)面驗(yàn)收—掛鋼筋網(wǎng)—錨噴料拌和運(yùn)輸—分層噴射—厚度檢查—復(fù)噴處理—檢查驗(yàn)收。

2.2.4 鋼支撐

沖江河右岸進(jìn)水隧洞IV,V類(lèi)圍巖設(shè)計(jì)要求設(shè)置I20a@75～100 cm型鋼拱架支撐加固,鋼支撐由沖江河右岸鋼筋加工廠加工成型,釆用8 t載重汽車(chē)運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng),鋼支撐利用鎖腳錨桿和系統(tǒng)錨桿加固,鋼支撐固定錨桿采用C25鋼筋,長(zhǎng)4.5 m,設(shè)置在鋼支撐拱腳處及各段連接處,露出部分與鋼支撐焊接牢固,另鋼支撐連接筋采用C25@50～100 m鋼筋串連。

3 混凝土襯砌施工方案

4 穩(wěn)定性分析

4.1 施工期安全監(jiān)測(cè)

沖江河右岸進(jìn)水隧洞開(kāi)挖跨度B約為7.9～8.9 m,對(duì)于開(kāi)挖跨度5 m

表1 錨噴支護(hù)工程監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目

表2 允許變形標(biāo)準(zhǔn)

4.2 1-2號(hào)進(jìn)水隧洞樁號(hào)JD1K0+010.000

在1-2號(hào)進(jìn)水隧洞樁號(hào)JD1K0+010.000布置一個(gè)綜合監(jiān)測(cè)斷面,包括3套多點(diǎn)位移計(jì)、5支錨桿應(yīng)力計(jì)、4支滲壓計(jì)、3支測(cè)縫計(jì)、4支鋼筋計(jì)、4支應(yīng)變計(jì)、2支無(wú)應(yīng)力計(jì)。

(1) 多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。截至2022年11月,沖江河右岸1-2號(hào)進(jìn)水隧洞多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測(cè)位移為-0.7～0.6 mm,位移月變化量出現(xiàn)在M3-JD1K-010(孔口),變化值為-0.6 mm;目前右岸1-2號(hào)進(jìn)水隧洞實(shí)測(cè)位移及變化量較小,未見(jiàn)異常情況。

表3 1-2號(hào)進(jìn)水隧洞多點(diǎn)位移計(jì)特征值

(2) 測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。截至2022年11月,沖江河右岸1-2號(hào)進(jìn)水隧洞實(shí)測(cè)開(kāi)合度為-0.09～0.59 mm;目前右岸1-2號(hào)進(jìn)水隧洞實(shí)測(cè)開(kāi)合度量較小,未見(jiàn)異常情況。

表4 測(cè)縫計(jì)特征值

(3) 錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。截至2022年11月,右岸1-2號(hào)進(jìn)水隧洞實(shí)測(cè)錨桿應(yīng)力為-34.5～0.1 MPa,錨桿應(yīng)力月變化量最大值出現(xiàn)在MG1-JD1K-010,變化值為-19.4 MPa;目前右岸1-2號(hào)進(jìn)水隧洞實(shí)測(cè)錨桿應(yīng)力及變化量較小,未見(jiàn)異常情況。

表5 錨桿應(yīng)力特征值

(4) 滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。截至2022年11月,右岸1-2號(hào)進(jìn)水隧洞圍巖滲透實(shí)測(cè)滲透壓力為0.3～49.5 kPa,圍巖滲透實(shí)測(cè)滲透壓力變化最大值出現(xiàn)在底板P1-JD1K-010,其他滲壓計(jì)無(wú)異常情況。

表6 1-2號(hào)進(jìn)水隧洞滲壓計(jì)特征值

4.3 2-2號(hào)進(jìn)水隧洞樁號(hào)JD2K0+020.000

在2-2號(hào)進(jìn)水隧洞樁號(hào)JD2K0+020.000布置一個(gè)綜合監(jiān)測(cè)斷面,包括3套多點(diǎn)位移計(jì)、5支錨桿應(yīng)力計(jì)、4支滲壓計(jì)、3支測(cè)縫計(jì)、4支鋼筋計(jì)、4支應(yīng)變計(jì)、2支無(wú)應(yīng)力計(jì),目前安裝完成3套多點(diǎn)位移計(jì)、5支錨桿應(yīng)力計(jì)、3支滲壓計(jì)。

(1) 多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。截至2022年11月,2-2號(hào)進(jìn)水隧洞多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測(cè)位移為-1.7～2.1 mm;目前沖江河右岸2-2號(hào)進(jìn)水隧洞實(shí)測(cè)位移量較小,未見(jiàn)異常情況。

表7 2-2號(hào)進(jìn)水隧洞多點(diǎn)位移計(jì)特征值

(2) 錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。截至2022年11月,2-2號(hào)進(jìn)水隧洞實(shí)測(cè)錨桿應(yīng)力為-12.4～-5.3 MPa,錨桿應(yīng)力呈現(xiàn)受壓狀態(tài);右岸2-2號(hào)進(jìn)水隧洞實(shí)測(cè)錨桿應(yīng)力未見(jiàn)異常變化。

表8 錨桿應(yīng)力特征值

(3) 滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表9。截至2022年11月,2-2號(hào)進(jìn)水隧洞圍巖滲透實(shí)測(cè)滲透壓為4.0～6.7 kPa,滲透壓力無(wú)異常變化。

表9 2-2號(hào)進(jìn)水隧洞滲壓計(jì)特征值

4.4 結(jié)果分析

(1) 截至2022年11月,1-2號(hào)進(jìn)水隧洞內(nèi)部變形在1 mm以?xún)?nèi);測(cè)縫計(jì)開(kāi)合度在0.6 mm以?xún)?nèi);錨桿支護(hù)應(yīng)力呈受壓狀態(tài),最大受壓應(yīng)力為34.5 MPa;圍巖滲透實(shí)測(cè)均有壓力,最大滲透壓力為底板49.5 kPa;1-2號(hào)進(jìn)水隧洞各監(jiān)測(cè)物理量無(wú)異常變化情況。

(2) 截至2022年11月,2-2號(hào)進(jìn)水隧洞內(nèi)部變形在3 mm以?xún)?nèi);錨桿支護(hù)應(yīng)力呈受壓狀態(tài),最大受壓應(yīng)力為12.4 MPa;圍巖滲透實(shí)測(cè)均有小幅壓力,最大滲透壓力為6.7 kPa;2-2號(hào)進(jìn)水隧洞各監(jiān)測(cè)物理量無(wú)異常變化情況。

(3) 進(jìn)水箱涵邊坡支護(hù)和右岸進(jìn)水隧洞洞口于2022年5月施工完成,截至2022年11月已施工完成6個(gè)月,通過(guò)永久性觀測(cè)結(jié)果可知,該段多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)縫計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均在合理范圍內(nèi)。通過(guò)滇中引水石鼓水源工程一期進(jìn)水箱涵和右岸進(jìn)水隧洞施工實(shí)踐,在淺埋覆蓋層隧洞洞口和破碎至散體結(jié)構(gòu)為主的邊坡支護(hù)中,對(duì)箱涵邊坡采用豎向鋼管樁支護(hù)措施,對(duì)隧洞洞口采用超前大管棚、超前小導(dǎo)管、鋼拱架錨噴支護(hù)、超前堵水灌漿多項(xiàng)支護(hù)措施,能有效控制邊坡變形和隧洞洞口收斂,該類(lèi)支護(hù)方案可適用于穩(wěn)定性極差的Ⅴ類(lèi)圍巖進(jìn)洞段開(kāi)挖支護(hù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

石鼓水源工程沖江河右岸進(jìn)水隧洞存在較破碎至破碎軟質(zhì)圍巖的變形與穩(wěn)定問(wèn)題,上覆巖體厚度極薄,沖江河地下水、洞室圍巖垮塌甚至冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)極大,對(duì)箱涵基坑正面邊坡穩(wěn)定極為不利。在沖江河右岸進(jìn)水隧洞與進(jìn)水箱涵連接段開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中,進(jìn)水箱涵邊坡采取豎向鋼管樁支護(hù)方案,右岸進(jìn)水隧洞洞口采用超前大管棚、超前小管道、鋼拱架錨噴支護(hù)、超前堵水灌漿多項(xiàng)支護(hù)措施,對(duì)該地質(zhì)條件下箱涵邊坡和洞口進(jìn)行了有效的支護(hù),確保了施工安全和施工質(zhì)量,開(kāi)挖時(shí)采用施工期臨時(shí)安全監(jiān)測(cè),確保拱頂下沉和斷面收斂均在規(guī)定值內(nèi),并及時(shí)進(jìn)行混凝土襯砌施工,順利完成了沖江河右岸進(jìn)水隧洞和進(jìn)水箱涵交接段進(jìn)口的施工,可為類(lèi)似工程項(xiàng)目的建設(shè)提供參考。