新奥法施工在引水隧洞中的应用

李祖彪,刘天津,何继平,黄 伟

(长江水利委员会陆水枢纽工程局,湖北赤壁 437302)

1 工程及地质概况

杉树坪水电站地处四川省甘孜州泸定县磨西镇境内的雅家埂河上,为引水式电站,引水隧洞全长2 468.416m,断面形式主要为城门形。

围岩以变质砂岩和砂质板岩为主,节理裂隙发育,以Ⅲ、Ⅳ类为主。工程地质条件复杂,施工难度大,整个洞段存在不同程度的渗水、滴水、涌水情况。特别是K 0+020～K0+090和K 1+070～K 1+140段洞挖时,围岩节理裂隙发育,加之地下水影响,存在不同程度的塌方、掉块,对施工人员和施工机械带来很大的安全隐患。而且围岩在应力重分布作用下产生卸荷裂隙,松弛变形,不利于以后的工程安全。为了保证施工安全,限制围岩条件进一步恶化,充分发挥围岩的自身承载能力,施工单位在进行开挖时尝试将新奥法施工原则应用于初期支护,取得了一定的技术经济效果。

本工程中新奥法施工目的,就是在采用控制爆破技术,在尽量保证围岩完整性的前提下,利用洞室开挖后围岩应力重分布而产生的变形到松动有一个时间效应,适时地以锚喷为主要手段形成柔性支护结构,与围岩紧密结合起来共同工作,充分发挥围岩的自身承载力,以达到洞室稳定的目的。施工中一般尽量做到“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”,以保证开挖质量,减少对围岩的扰动和减少对周围相邻建筑物的影响。

2 开挖方法及支护结构

2.1 施工程序及方法

本工程采用新奥法施工的流程图如图1所示。根据隧洞的结构特点、围岩稳定要求、施工机械性能,结构轮廓边线采用光面爆破。

首先用全站仪放线定出上、下拐点,然后严格按照“平、直、齐”的要点施钻,做到炮孔孔底落在爆破规定的同一铅直面上。拐点处的炮眼成孔后插入标志杆,作为其余炮眼钻孔时的导向。按照控制爆破的要求,合理选择各项爆破参数。岩台斜面及上、下直墙面设置不装药的减震孔(导向孔),以保证开挖后的岩台成型质量。

图1 施工流程图

2.2 初期的爆破振动实验

钻孔爆破施工前或施工中应按有关要求进行爆破试验,以确定爆破参数。实验成果为:单响药量为10～20kg,周边孔线装药密度为90～120g/m,周边孔间距30～40cm,对于岩层破碎带采用隔孔装药,根据地质条件,选择合适的爆破参数,保证岩台开挖质量从而指导今后的控制爆破施工。

2.3 开挖过程中的爆破控制措施

采用中间拉槽,两侧预留保护层的开挖方法,采用周边和拉槽两道预裂。中间拉槽采用单孔单响孔间微差挤压爆破技术;预留保护层采用手风钻开挖,采用浅孔小药量,减少最大单响药量,从而保证开挖质量和控制质点爆破振动速度,确保围岩的稳定。

2.4 爆破效果分析

按规定要求,开挖轮廓面上残留炮孔痕迹应均匀分布。残留炮孔痕迹保存率对节理裂隙不发育的岩体应达到80%以上,对节理裂隙较发育和发育的岩体应达到80%～50%,对节理裂隙极发育的岩体应达到50%～10%。实际效果是,顶拱及边墙径向超挖小于20cm,炮孔残孔率为90%,充分满足了规定的要求,施工水平上了一个新台阶。

2.5 少扰动、早喷锚、早支护

新奥法强调适时支护,既要利用和发挥围岩自承自稳能力,又要控制围岩产生较大的变形,及时进行支护、加固和稳定围岩,从而发挥围岩的承载能力。

针对杉树坪水电站引水隧洞软质岩段地质特点,采用复合支护措施。Ⅲ类围岩初期支护为锚喷混凝土10 cm,随机锚杆采用药卷锚杆,直径为25 mm,长2～4.5m;Ⅳ类围岩采用超前锚杆、系统锚杆加挂钢筋网喷混凝土,喷护厚度10 cm,钢筋网采用ø6钢筋,网格尺寸为15 cm×15 cm,二次锚喷混凝土15 cm厚度,可视情况采取超前支护。超前支护以格栅拱架为支撑;Ⅴ类围岩采用超前小导管注浆预加固地层、超前支护及早控制地下水。小导管采用ø40无缝钢管制作,长度 4～6m,管壁每隔15cm交错钻眼,孔眼直径8mm。沿隧道纵向开挖轮廓线外插角控制在10°～30°(见超前小导管布置图)。初期支护采用立格栅拱架、挂钢筋网、喷射40cm厚的混凝土,格栅拱架主筋采用四根直径为25mm的钢筋弯制,主筋间采用直径为22mm的钢筋连接。保护层不小于5cm,格栅拱架间距根据地质情况按0.6～1.2m布置,两品格栅拱架之间设置直径为22mm的钢筋拉杆,沿格栅每隔1.5m设一根。一般Ⅳ类围岩格栅拱架间距可作适当调整(见图2)。

图2 格栅拱架与超前小导管布置

加强对变形敏感区的发现和处理。首先突出随机支护,然后进行系统锚杆支护。由于围岩应力释放快,对开挖发现的不稳定块体,做到及时支护后,围岩的自稳时间相对较长,采用适时支护控制措施后,提高了围岩的刚度和承载能力,有效限制了围岩的变形,使隧洞的位移和塑性破坏区有了较大的减少。

3 量测监控及围岩稳定分析

量测监控工作是新奥法施工的眼睛,为掌握隧道在开挖过程中引起的地层变形、地表沉降和支护结构的力学状态,及时预报和预测施工过程中出现的各种情况,对可能出现的事故进行防范并及时准确地处理,在施工过程中采用了监控量测施工措施。通过现场量测地质预报,将获取的第一手实际量测数据资料进行处理,及时迅速地提供资料分析结果,直接服务于隧道施工。

3.1 监测点的布置

量测主要仪器选用JSS30A型隧道周边收敛仪、全站仪以及其他辅助工具。每10m设一个测量断面,每个断面布置5个测点(顶拱1个,两侧各2个)。在施工期每天测量1～2次。测点布置见图3。

3.2 观测数据分析

开挖期间观测数据反映的变形规律为边墙外鼓,顶拱下沉,顶拱最大变形量达到4.91mm。处理办法是:在断面变形较大范围内采用格栅拱架,并速喷混凝土20cm;顶拱采用锚杆并挂钢筋网、喷混凝土的支护方式。经过处理后观测,其收敛速率达到了稳定。

图3 量测断面测点布置图

位移监测结果表明,由于杉树坪引水隧洞的地质条件比较差,随着掌子面的观测点推进,位移-时间曲线呈明显的递增趋势,而后随着掌子面的远去,位移-时间曲线趋于稳定。在施工监控量测过程中,发现地质异常或隧道变形较大、增长速率加快等情况,通过复核、分析原因后及时采取防范措施,从而避免了较大的经济损失。

4 结束语

在杉树坪水电站引水隧洞开挖施工过程中,充分利用了新奥法的原理,制定施工工艺,采用控制爆破,选择合理的爆破参数,监控围岩变形动态,强调适时支护,加固和稳定围岩,从而发挥围岩的承载能力。隧洞开挖成型良好,从监测成果分析,隧洞的顶拱、边墙已经稳定,顶拱及边墙径向超挖小于20cm,炮孔残孔率为90%,充分满足了规定的要求,开挖断面成形较好,外观形象质量赢得业主和监理的高度赞扬。新奥法施工技术在杉树坪水电站引水隧洞开挖施工中的成功应用,又一次验证了它的科学性和适用性。