青龙电站引水隧洞初期支护用钢架的设计及应用

胡剑锋, 高 俊

(1.四川华电岷江航电开发有限公司,四川 成都 610016;2.中国水利水电第九工程局有限公司,贵州 贵阳 550081)

水工隧洞的开挖受地质条件如岩性、岩石构造、地下水等各种因素的影响,常需要采用钢架加强支护。钢架的设计、应用直接影响到施工安全和施工进度。

目前,青龙水电站引水隧洞开挖已近尾声,其施工安全,支护效果良好。

1 工程概况

青龙水电站位于四川省九寨沟县境内的白水江上,为低闸引水式电站。由首部枢纽、引水系统、厂房枢纽组成,电站装机容量为 3×34 MW。引水隧洞位于白水江左岸,总长 13.924 km,平均纵坡 1.645‰,开挖断面为平底马蹄形,Ⅲ类围岩开挖断面为 6.8m×8.8m,Ⅳ类围岩开挖断面为7.5m×9.5m,Ⅴ类围岩开挖断面为 7.9 m×9.9 m。

Ⅳ、Ⅴ类围岩以薄～中厚层灰岩夹花岗斑岩(俘虏体)为主,灰岩层多陡倾且与洞轴线呈小夹角相交。

2 钢架结构选型

Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段初期支护采用钢架 +锚喷混凝土联合支护,钢架包括 I18工字钢、钢格栅拱架两种类型,详见图 1、2。

通过前期采用钢架,不断优化调整并确定了钢架类型。钢架分弧段和直段部分,弧段均分 3段制作,直段分两段制作。型钢拱架采用 I20 b型钢;格栅拱架采用四弦杆式(20 cm×20 cm矩形截面),主杆为 4根 φ25钢筋,四面设置 φ16连续腹杆,主杆设置φ8@25 cm箍筋,焊接连接。每段钢架连接板高度与钢架截面外边缘平齐,以利于绑焊操作,详见图 3、4。

图1 Ⅳ、Ⅴ类围岩用格栅拱架结构图(单位:mm)

图2 Ⅳ、Ⅴ类围岩用Ⅰ20b拱架结构图(单位:mm)

钢格栅拱架横向增设了 φ25,L=25 cm钢筋作为钢架锁定锚杆传力杆支撑。

纵向连接钢筋采用 φ25,间距 1.2m布置,从而提高了钢架纵向稳定性。

图3 钢格栅拱架标准单元接头及断面示意图(单位:mm)

图4 型钢拱架单元标准接头示意图(单位:mm)

3 钢架的应用

钢架在设在各支洞口的钢筋加工场内制作、编号堆存,使用时采用装载机转运进洞,人工安装。根据不同围岩地质情况选用 I20b型钢拱架或钢格栅拱架。

3.1 钢架安装工艺

Ⅳ、Ⅴ类围岩采用钢架 +网喷混凝土联合支护,紧跟掌子面进行,以确保隧洞围岩的稳定和施工安全。钢架安装工艺流程:初喷→转运→吊装→临时固定→校正→焊接→检测→挂网喷混凝土。

(1)钢架安装在初喷混凝土封闭后进行,钢架紧贴围岩面,当钢架与洞壁之间有较大间隙时用 I18工字钢楔楔紧(每 m不少于两处),较大脱空部位设置副拱,安装工作内容包括定位测量、安装前的准备和安设。

(2)钢架单元间用 M18螺栓连接,接头处绑焊钢筋加强。钢架间距为 80～120 cm,纵向用钢筋与拱架连接成整体,最后拱架与锁定、锁脚锚杆头焊接,再挂钢筋网喷 C20混凝土。

(3)根据开挖分层、分区分段安装固定。立柱底设钢垫板,必要时浇筑基础混凝土或设置工字钢枕,钢支撑采用打锁脚锚杆(L=3.0 m@1.5 m)固定。

3.2 安装质量控制技术

(1)定位测量:首先测定出线路中线,确定高程,然后再测定其横向位置,特别是每个接头处采用放线三位坐标控制;钢架设于曲线上时,安设方向为该点的法线方向;安设于直线上时,安设方向与线路中线垂直;每榀的位置定位准确,上下、左右偏差小于 ±5 cm,斜度 ＜2°。

(2)准备:运至现场的单元钢架分单元堆码,安设前进行断面尺寸检查,及时处理欠挖侵入净空部分,安设拱脚或墙脚前,清除垫板下的松渣,将钢架置于原状岩石上。

(3)安设及调整:钢架与初喷混凝土之间紧贴,在安设过程中,当钢架与围岩之间有较大间隙时安设垫块,每 m垫块不少于 2个,拱脚高度不够时设置钢板调整。钢架安设过程中,对钢架进行过程控制,及时纠正钢架安装侵入衬砌断面、不在同一铅直面、连接不牢固等问题。钢架安装完成后,与纵向连接钢筋、锁定(锁脚)锚杆头焊接牢固,使之成为整体。

4 钢架支护效果分析

青龙水电站引水隧洞工程Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖断面洞段及不良地质洞段采用钢架支护与喷混凝土、超前锚杆、导管(不良地质洞段)等支护配合,有效减少了不良地质段的变形、坍塌,对洞室的稳定和安全性起到了很大的保障作用。

通过优化钢架设计、标准化制作,安装程序、策划过程控制,提高了钢架制作的成品率及效率,提升了钢架制安质量,缩短了钢架支护时间,减少了后期衬砌阶段变形处理的工作量,为加快隧洞施工进度、确保隧洞施工安全、增加隧洞工程综合效益提供了工程借鉴。