龙开口水电站变形体内排水洞快速安全施工方法研究

胡 勇, 李春龙

(中国水利水电第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 工程简述

龙开口水电站变形体边坡位于大坝右岸,长度约 800m,上下游边界距坝轴线均约为 400m,分布高程 1350～1550m,水平厚度 50～100m。变形体边坡共设四层排水洞,每层排水洞均分为主洞和支洞,主排水洞的进口布置于涧漕沟侧,主要沿 AⅡ区下部布置,沿主排水洞间隔 20m布置排水支洞穿过 AⅠ区后缘,四层排水洞主洞长度共 619m,支洞 27条长度共 978m。排水洞开挖断面尺寸为 3.8m×3.9m,城门洞形,变形岩体松散、破碎,排水洞采用混凝土衬砌。在排水洞(含支洞)洞顶布置排水孔,形成排水幕,排水孔孔径 76mm,深 15～25m,间距 2～3m。

2 工程地质概况

变形体 A区处于水板沟 ～涧漕沟之间,后缘边界面高程整体在 1548m附近,前缘边界高程为 1350m左右,长 430～540m,宽 233～270m。地表出露的变形体可较明显的分为三个带,即强变形体、AⅠ区变形体及 AⅡ区卸荷倾倒岩体。变形体 AⅠ区为碎块石或松散状的岩体覆盖,中下部为大量松散的碎、块石覆盖;变形体 AⅡ区地表块石较发育。排水支洞主要位于碎块状、散体状岩体内,碎块粒径以 5～15cm为主,岩体间有架空,易产生崩塌。

3 排水洞原支护参数及施工工艺

4 试验研究目的

由于排水洞岩石松散且块度不均,既不能进行钻爆,又不能直接开挖,而且岩块为弱风化的玄武岩,单粒强度高。爆破孔、锚杆孔及排水孔造孔时卡钻、塌孔频繁。虽然爆破孔及砂浆锚杆孔的塌孔采用了 φ6.5钢筋钩进行人工清理、排水孔采用反复扫孔的方式进行处理,但成孔效率极低,而且开挖过程中顶拱岩块经常大量的从两砂浆锚杆间漏下,在顶拱形成空腔,危及人员、设备安全。自 2008年 6月开始进行排水洞洞挖施工以来,支洞洞挖单工作面每天进尺约 50cm,排水孔成孔率几乎为零,施工进度缓慢,安全隐患突出。因此,破碎、松散岩体内的成孔及安全快速施工已成为该项目施工的一个技术难题。为此,2008年 9月,项目部成立了破碎、松散岩体内成孔及安全快速施工课题小组进行试验研究。本次试验研究拟解决:(1)在破碎、松散岩体内快速进行爆破孔、排水孔造孔施工的技术难题;(2)研究散粒岩体内的支护方式及开挖支护工艺要求,解决洞室开挖时的围岩稳定及安全问题。

5 工艺与试验研究

本次试验选取的洞段长度为 20m,即第一层排水洞 2#支洞桩号 0+10～0+30。由于钻孔孔径要求不同,炮孔和排水孔分别进行了造孔工艺试验,同时在该试验段进行了支护方式的研究,并通过监控量测掌握洞室的稳定情况,确保施工安全。

5.1 钻孔工艺与试验

针对不同孔径、不同深度钻孔的要求,采用不同的造孔工艺及技术进行试验,以寻求克服卡钻、塌孔难题的方法。

(1)钻爆造孔。

试验选用 YT28气腿钻,钻头 φ42,钎杆长150cm,造孔深度为 100～120cm。结合单块岩石强度高的特点,课题小组在钻头后沿加焊了 3块合金片,以实现钻进时用钻头,退钻卡钻时用合金片的目的。

由于岩石太破碎,钻孔时产生的岩粉很少,主要呈颗粒状,靠钻头排风不能很好地排渣,同时,钻头通过后,孔壁部分岩块掉落堵孔。试验时,采取每钻进 20cm,在开动钻机的情况下往外拔一次钻进行排渣,以实现提高成孔率的目的。

(2)排水孔造孔。

2018年10月22日至28日是“国际开放获取周”，本次宣传周的主题是“为开放知识建立更加公平的基础”（Designing Equitable Foundations for Open Knowledge），宗旨是促进各群体之间对话，建立联系从而促进合作，为开放知识建立更加公平的基础，开放获取不是一蹴而就的，交流与行动是长期持久的，其优先目标是实现多元化、平等和包容性。为了更好地认识本次宣传周的主题，我们有必要回顾一下2012年以来历届宣传周的主题（如表1所示）及其意义。

为确保洞室稳定,保证施工安全,需及时施工系统排水孔,以减小洞壁水压力。试验以前采用100D轻型潜孔钻造孔,塌孔、卡钻现象非常严重,15～25m深的排水孔最终能插入 PVC花管的深度只有 50～100cm,排水孔施工了 1个多月,钻孔成孔率几乎为零,根本不能满足设计及进度要求。结合前期施工经验教训及开挖揭示的地质情况,课题小组采取跟套管工艺,选用成都哈迈 50型钻机,φ108偏心钻头造 φ120孔,φ110套管跟进,套管跟进至设计深度后退出钻头、钻杆,再将PVC花管插入套管内,退出套管后排水孔成孔。

通过对钻头加工、钻孔排渣方式以及造孔工艺的联合试验研究,有效的克服了不同孔径、不同深度钻孔采用常规造孔方法时出现的卡钻、塌孔问题,形成了适合本工程的快速成孔技术。

5.2 支护方式试验

(1)超前支护方式。

由于超前砂浆锚杆孔比炮孔深的多,成孔更加困难。对顶拱松散岩石进行了适当注浆固结,以解决大量细小松散岩块从锚杆之间下漏的问题,是确保开挖过程中顶部围岩稳定的必要手段。课题小组从优化支护参数的角度出发,首先选用超前注浆小导管替代超前砂浆锚杆进行试验。而在实际试验过程中,由于成孔困难,不宜采用先造孔、后插入小导管的方法施工,且因岩块太硬、含有较大块体,采用锤击法也无法将小导管打入岩石内,实际上,注浆固结的思路可取,但小导管工序在这种地质条件下极难施工。

结合现场特殊地质情况,课题小组最终选用φ25中空自进式锚杆替代 φ25超前砂浆锚杆。中空自进式锚杆自带的钻头可以解决成孔问题,利用中空杆体和钻头可以实现对围岩的注浆。但自进式锚杆只能通过钻头排浆,由于岩石太破碎,浆液在钻头前后左右方向扩散的范围只有约 10～30cm,而且大量浆液在重力作用下容易渗入开挖轮廓线内,从而造成浆液浪费。经过试验,对自进式锚杆的长度、角度进行了以下调整:采用@=60 cm、L=250cm、外插角 5°～10°和 @=60cm、L=150cm、外插角 10°～15°间隔布置(图 1)替代原普通砂浆超前锚杆。

图 1 超前支护布置图

同时,采用不同注浆量对锚杆进行灌浆试验,通过开挖揭示的注浆效果分析确定采用水∶水泥∶砂为 1∶0.35∶0.5的砂浆,注浆压力为 0.1～ 0.3 MPa,对每根锚杆灌注约 20L,可实现浆液在左右方向扩散半径相交而浆液渗入结构线极少。采用布设不同角度、不同长度的自进式锚杆以及对锚杆进行限量注浆,使待开挖顶拱形成了一层水泥胶结硬壳,阻止了顶拱上方细小颗粒在顶拱开挖成型后、挂网喷护前出现滑塌,为初期支护赢得了时间。

(2)型钢拱架架设间距。

课题小组考虑通过对爆破孔造孔工艺改进后,成孔深度可以达到 100～120cm,而且顶拱又进行了超前固结,开挖循环进尺可以达到 100～120cm,但排水洞断面小、原型钢间距密,因此,将型钢布置间距由原来的 50～80cm调整为 100～120cm,以达到减小支护工程量、节约投资、加快施工进度的目的。为验证型钢间距调整不会对洞室稳定造成影响,确保施工安全,选择断面试验段K0+20布置了净空收敛观测点,采用收敛仪对开挖断面的变形进行了测量,观测点布置情况见图2;观测成果见图 3。

图 2 观测点布置示意图

图 3 观测成果图

通过对该断面初期每天 1次的量测成果进行分析,其位移-时间曲线趋于平缓,且净空变化速度小于 0.2mm/d,变形已逐渐稳定。由此可以验证型钢间距调整后仍可保证洞室稳定,但在通过塌方地段、破碎带等特殊地段时需加强观测,动态调整钢支撑参数。

5.3 开挖及支护施工方法的联合测试

在进行以上钻孔及支护单项试验的同时,各开挖支护工序按以下要求进行了联合测试:根据钻孔深度确定循环进尺为 100～120cm;根据掌子面岩块分布情况,动态调整炮孔布置及装药量,尽量少装药甚至在细颗粒区不钻孔装药,爆破后辅以人工或 PH55小反铲进行开挖,以减小对围岩的扰动;顶拱面出露后及时素喷封闭,出渣完成立即进行本循环初期支护施工,确保围岩稳定;喷护完成后,及时进行变形量测的原始数据采集,以后每天观测一次,每周进行数据分析,根据观测成果修正支护参数。试验验证了在预支护完成后,严格按照新奥法“短开挖、弱爆破、快喷锚、勤量测”的原则进行施工,有效的解决了洞顶频繁垮塌的问题,保证了工程进度及施工安全。

6 试验研究成果及注意事项

6.1 试验研究成果

经过一个多月的试验,解决了破碎、松散岩体内成孔技术及快速安全洞挖施工的难题,总结出了采用“浅造孔、勤排渣、管保护”的成孔技术以及“预支护、短开挖、弱爆破、快喷锚、勤量测”等控制洞室垮塌的系统方法。施工工艺正确,控制方法得当,采用此法,加快了施工进度,节约了工程投资,确保了工程施工安全,完全能够满足该项目整体进度目标,排水支洞单工作面每天进尺可达 100～120cm,排水孔进度为 25m/台 /天,型钢支护工程量较总量节约一半。

(1)浅造孔、勤排渣是爆破孔成孔的重要手段。在破碎岩块内的爆破孔造孔过程中,主要产生岩石碎块,但通过钻头排风不能将细渣排出孔内,要通过每钻进 20～30cm后反复拔钻、利用钻头将细渣带出孔外,从而避免了卡钻、塌孔,最终成孔深度控制在 100～120cm。

(2)管保护。采用跟套管的工艺进行钻孔护壁,从而保证了排水孔成孔。

(3)预支护。开挖前,采用自进式超前锚杆对排水洞顶拱进行超前固结灌浆,使爆破前顶拱部位的岩块固结成一层硬壳,从而阻止了顶部细小岩块下漏形成塌方。

6.2 施工过程中的注意事项

解决破碎岩体内成孔及快速安全成洞是本次试验的重要成果。施工中严格按“预支护、短开挖、弱爆破、快喷锚、勤量测”的原则,稳扎稳打,步步为营,是确保排水洞施工进度及安全的关键,同时强调了以下注意事项:

(1)采用自进式锚杆进行超前固结灌浆,应在上一循环型钢拱架安装后、喷混凝土之前实施,以确保本循环爆破时水泥砂浆已有一定强度,充分发挥固结灌浆的功效。

(2)固结灌浆只在顶拱部位形成薄层硬壳,其上部还是散粒岩块。因此,须严格控制爆破参数及循环进尺,以免因爆破振动及循环进尺过大,导致顶拱薄壳破坏而出现坍塌。

(3)φ76深排水孔采用偏心钻头造孔、套管跟进工艺时要谨慎:在遇到较大岩块、套管跟进难时千万不可冒进,强行将套管顶进可能会出现因偏心钻头并未击碎岩块,导致因套管偏斜而被岩石卡死不能拔出,从而造成废孔及套管损失,此时,应将偏心钻头更换为普通 φ95钻头和混凝土φ90冲击器进行反复扫孔,待通过大块岩石后再换偏心钻头继续造孔。