管棚型钢法加强支护锁口在提前进洞施工中的应用

孙宝山, 赵慧仙

(中国水利水电第五工程局有限公司 第一分局,四川 成都 610066)

1 工程概述

西溪河是金沙江左岸的一级支流,流域位于凉山州境内,地洛水电站是西溪河梯级开发方案规划中的第四个梯级电站,是一座以发电为主的引水式电站,位于布拖县地洛乡境内。枢纽工程永久性建筑物主要由挡水坝、引水系统和发电厂房等三部分组成,属三等中型工程。地洛水电站工程主要建筑物包括:首部枢纽挡水建筑物、左岸取水建筑物和厂区建筑物。

导流洞布置在左岸进水闸上游约 120 m处,隧洞洞身长 304.51 m,进口底板高程 1 192.0 m、出口底板高程 1 191.0 m,纵坡 i=0.8%,采用半圆形城门洞型,设计断面 4 m×5 m,全断面钢筋混凝土衬砌,其中Ⅲ类围岩衬砌厚 40 cm、Ⅳ类围岩衬砌厚 60 cm、Ⅴ类围岩衬砌厚 80 cm。

2 工程地质情况及边坡稳定性分析

隧洞出口边坡在 1 197.8 m高程以上地表分布 5～15 m厚的崩塌堆积块碎石土,下伏基岩体为泥质粉砂岩和泥质白云岩。钻孔揭示岩体强风化厚 15～20 m,弱风化厚 20～25 m。洞口以上在高程 1 191～1 197.8 m基岩边坡高度为 5～6 m,由强风化岩体组成。岩层倾向坡内,有利于边坡稳定,但强风化岩体风化强烈,呈散体 ～碎裂结构,需要进行处理。边坡在 1 197.8 m高程以上地表分布 5～15 m厚的崩塌堆积大块碎石土,自然边坡整体稳定,在施工开挖不当或遭遇暴雨等工况条件下可能失稳,需要采取支护处理措施,并加强坡面排水,施工中尽量避免开挖切脚。设计建议永久坡比为:覆盖层 1∶1.5,强风化 基岩 1∶0.75 ～ 1∶1.0。

3 管棚施工方案的确立

3.1 原高边坡开挖及支护施工方案

导流洞出口原设计方案为:边坡进行覆盖层和强风化岩体土石方开挖和边坡挂网锚喷支护,高程范围为1 190.2～1 253.58 m,坡高 63.68 m,为高边坡施工,合理工期 2.5个月。主要工程量:土石方开挖 2.1万 m3,锚杆(综合)1 200根,喷混凝土 500 m3,挂网钢筋 31 t。原出口设计施工图见图 1。

图1 导流洞出口原设计施工图

3.2 管棚施工方案的选择

经现场多次勘察研究,我们提出了管棚型钢强支护提前进洞的施工方案。从工期时间角度分析,采用管棚方案,用 20 d时间进行边坡开挖及支护可以完成并形成洞脸,15 d完成管棚施工,7 d待强后开始进洞施工,约 40 d可进洞施工形成洞内作业面;而采用高边坡开挖及支护共分三级,平均每 25 d开挖及支护完成一级边坡,开挖及支护施工需要 75 d方可进洞施工形成洞内作业面。与之相比,管棚施工至少节约 1个月的工期;从成本经济合算分析,导流洞出口边坡开挖及支护造价为 75万元,而采用管棚支护造价为 32万元,节约成本 40多万元;从施工安全角度分析,高边坡开挖及支护风险等级高,而管棚方案则大大降低了安全风险等级;从环境保护角度分析,管棚方案降低了边坡的开挖高度,减少了对植被的破坏面积及水土流失;从节能降耗分析,管棚施工大大减小了边坡开挖及支护工程量,减少了土石方机械的油料等能源消耗,减少了钢筋、水泥等原材料的消耗;综合以上对比,采用管棚方案无论是在节约工期、保证施工安全、环境保护、节能降耗等方面,还是在经济合算、降低成本方面以及社会效益等,管棚方案均为导流洞出口的最优方案。最终确定采用 φ108(壁厚 δ=6 mm)无缝钢管管棚配型钢支撑加强支护锁口提前进洞的施工方案,计划管棚施工两个循环。

4 管棚型钢法施工及控制

4.1 施工准备

管棚型钢支护前,洞脸土石方已经开挖完成,形成洞脸,钻机的脚手架和操作平台已经搭设完毕,钻机已经就位,管棚的孔位和孔向已经确定,管棚花管已经准备完成,灌浆设备已经到位,型钢拱架开始制作等。

4.2 钻孔和洞脸支护

管棚棚管布置在半圆的顶拱范围,中心间距0.6 m,造孔采用 300型地质钻机,钻机平台采用脚手架搭设,上铺 5 cm厚木板并做围栏等安全防护,孔向洞轴线径向外展 3°,孔深平均为 12 m,孔径 130 mm,严格控制钻孔角度,尤其是开孔后连续进行测控,直至孔向符合要求为止,每一孔均尽量钻取岩芯并对钻孔取出的岩芯做好标记,将其作为勘探和地质预报的重要资料;钻孔期间,同时进行洞脸和洞脸边坡的挂网锚喷支护,并做好洞脸边坡排水沟和浆砌石拦石坎,见图 2。

图2 导流洞出口实际施工情况图

4.3 下 管

每一孔成孔后,立即将准备好的 φ108无缝钢管(已做成花管,每 m设 1个 φ20孔)按编号对应送入相应孔内,孔内无小掉块、小塌孔现象的可人工直接将棚管推入孔内,对于孔内的一些小掉块、小塌孔用冲击钻机顶管进孔,整个过程未出现较大的塌孔,大部分可人工并辅以 YT-28风钻入孔。为了提高管棚的抗剪能力,每一无缝钢管内再填入由 3根φ25钢筋点焊组成的钢筋束。灌浆管和排气管同时随无缝钢管下入孔内。

4.4 灌浆固结控制

由于洞顶覆盖层较薄,最薄处仅为 2.3 m,故按无盖重进行灌浆设计,水泥采用 P.O42.5普通硅酸盐水泥,初始灌浆压力为 0.2 MPa,开灌水灰比为 2∶1,浆液分为 2∶1、1∶1和 0.8∶1三个比级,结束灌浆压力为 0.25 MPa。先从拱脚孔开灌,采取间隔分序、孔间加密原则进行灌浆。

4.5 小导管代换施工

管棚的主要作用为顶托上部坡积体及风化岩,主要承力为顶部棚管。为加快施工进度,在两侧边拱处各间隔取消两根 φ108棚管,代换为四根 φ48注浆小导管,小导管仍为花管,每循环 3.5 m,有效长度 1.5～2.0 m,φ108管棚灌浆完成后灌注注浆小导管(图 3)。

图3 棚管及小导管布置图

4.6 钢支撑锁口

在洞口安设一榀 I25工字钢拱架支撑,顶拱与棚管及小导管牢固焊接,直墙部分 采用间隔1.0 m固定(锁脚)锚杆与岩体锚固,锚杆为锚固剂锚杆,深入岩体 3.0 m。

5 进洞开挖

5.1 直接挖除

用 PC240挖掘机挖除掌子面下半部分的风化岩体,进尺 1.0 m。对于上半部分挖掘机挖不到的部位,采用松动爆破后人工清理挖除,直至设计开挖线满足型钢拱架支护的断面尺寸要求,再间隔 0.8 m安设型钢拱架并进行挂双层网喷混凝土支护。

5.2 弱爆破洞挖施工

对于挖掘机不能直接开挖的部分采取弱爆破松动后再开挖。进洞的前几米,先对下半洞进行松动爆破,再对上半洞进行二次扩挖爆破,进尺至6 m左右时,洞口的加强支护已经完成,6 m以后再采用全断面爆破开挖。

5.3 型钢拱架及小导管跟进支护

每次控制开挖进尺为 1.0 m左右,并及时进行型钢拱架支撑配合挂网锚喷支护,前三榀型钢拱架间距 0.3 m,第四榀与第三榀之间 0.5 m,其余各拱架之间根据围岩情况在 0.5～0.8 m之间微调,最大间距不超过 1.0 m,开挖至注浆小导管有效范围后,及时进行小导管施工。

当开挖至管棚有效范围后,经参建各方现场对开挖揭露的地质情况进行分析后得知,已不需要再继续进行管棚施工,只需进行型钢拱架支撑配合挂网锚喷支护即可确保围岩稳定,故本方案只施工一个循环的大管棚。

6 施工中的安全监测

管棚灌浆施工期间,在开挖的洞脸边坡上设置了观测点。进洞施工期间,在型钢支撑上设置观测点,采用全站仪进行初始观测及变形观测。整个施工过程无论是洞脸还是洞内围岩,变形量均满足安全要求,管棚型钢加强支护效果非常好。

7 结 语

地洛水电站导流洞出口施工并未采取常规的混凝土明拱锁口,从而避免了混凝土施工工序复杂及混凝土与洞脸不能很好连接的问题,而是采用比较适合的管棚固结灌浆形成拱圈的加强支护方案提前进洞,减少了边坡开挖及支护的工程量,节约了宝贵的工期并节约了 30%以上的成本;同时,减少了边坡开挖对植被的破坏和对稳定边坡的扰动,确保了边坡的安全。地洛水电站导流洞出口采用管棚型钢法加强支护提前进洞施工的出口段及洞脸边坡,在导流洞整个施工期间经历了2006年 7月 7日 20年一遇超标洪水和 2006年 9月 18日大洪水及整个汛期的各种雨水,直至今日已经过多年的时间考验其依然安全稳定。另外,在管棚施工中,若遇塌孔严重情况,可提前根据岩石特性选择跟管钻孔法施工方案和机械。