硗碛水电站泄洪洞炭质千枚岩斜井施工技术研究

赵鑫钰, 杨 靖

(1、华电四川公司,四川成都 610036;2、四川大学 水电学院,四川成都 610065)

随着交通、水利、电力等与地下工程相关行业日新月异的发展,以及施工机械的不断更新,隧洞施工技术日趋完善。青藏铁路、南水北调工程、三峡电站等一大批技术难度高、工程规模大、地质难度突出的代表性工程的开工或建成,标志着我国地下工程尤其是隧洞施工技术已接近世界先进水平。由于地下工程地质条件的复杂性、多变性以及难以准确的预见,不同的工程展现了不同的施工水平,积累了不同的施工经验。笔者就硗碛水电站泄洪洞炭质千枚岩斜井施工经验浅谈一下关于较大断面、地下水丰富、围岩破碎、易泥化条件下斜井工程的施工,以供借鉴。

1 工程概况

硗碛水电站泄洪洞布置在河道右岸,全长1180.896m,为无压隧洞。由开敞式进水口、上平段、龙抬头段和下平段及出口挑流段组成,隧洞采用厚度为 0.8m的钢筋混凝土衬砌。泄洪洞进口底板高程为 2130.5m,校核洪水位高程 2141 m时下泄流量为 390m3/s,出口采用挑流消能,底板高程为 2019.45m。泄洪洞斜井段坡度为50°,桩号为 0+387.667 ～ 0+526.293(图 1),包括上弯段、1#掺气坎、渐变段、下弯段,洞室断面呈圆拱直墙型(上弯段、1#掺气坎断面尺寸为 7.6m×11.6m,渐变段断面尺寸由 7.6m×11.6m渐变到 7.6m×8.6m,见图 2,下弯段断面尺寸为7.6m×8.6m),全长 138.626m。

在施工过程中,由于地质、地形及水文等条件的限制,在导井开挖过程中,未采用反井钻机开挖,而采用人工开挖的施工方式。其中,上弯段(0+387.667～0+412)、下弯段(0+526.293～0+497)采用分上下半洞的方式进行开挖;上弯段(0+412～0+432.8)、1#掺气坎(0+432.8～0+447.8)、渐变段(0+447.8 ～ 0+486.68)、下弯段(0+486.68～0+497)全长 85m采用先由上至下导井掘进(图 3),然后采用人工扩挖的方式进行开挖。

2 工程地质情况

硗碛水电站斜井段围岩以炭质千枚岩、砂质千枚岩为主,属Ⅴ类围岩。洞壁局部有线状流水,开挖过程中存在塌掉块及较大规模塌方等地质问题。岩层角度较大,层面走向与洞线夹角较小,边墙易产生片帮、垮塌等地质问题。泄洪洞斜井段前期开挖及斜井导井开挖揭示的地质情况如下:

图 1 硗碛水电站泄洪洞斜井剖面图

图 2 硗碛水电站泄洪洞斜井渐变断面

(1)桩号 0+387.667～0+420、0+452～ 0+526.293两段洞身围岩以炭质千枚岩为主,呈极薄层结构(局部碎裂结构)。构造作用强烈,层面起伏,局部沿结构面充填 1～8cm厚的石英脉,属Ⅴ类围岩。洞壁湿润,局部有涌水、滴水。该洞段岩层层面与洞线夹角小,易产生卸荷松弛、片帮等地质问题。受岩性、地下水、结构面不利组合以及构造作用的影响,围岩自稳能力极差,开挖过程中存在塌掉块及较大规模塌方等地质问题。

图 3 硗碛水电站导井出渣排架侧立面图

(2)桩号 0+420～0+452段洞身围岩以变质砂岩为主,呈镶嵌 ～次块状结构。岩石坚硬,洞壁润湿。结构面发育,锈染严重,沿结构面多充填厚度为 1～5cm的石英脉,属Ⅳ1类围岩。受结构面不利组合以及构造作用的影响,围岩自稳能力差,开挖过程中存在断续塌掉块等地质问题。

通过上述地质情况描述及统计分析可知,斜井段施工过程中面临的主要地质问题为较大断面(190m2——竖直面,含超欠挖)、地下水丰富(87 L/s——桩号 0+390处 )、围岩稳定性差、围岩易产生变形及易泥化。

3 施工方法

据相关施工经验及现场实际条件,硗碛水电站泄洪洞斜井开挖方法采用钻爆法。为使临时支护不占衬砌断面,相比设计断面超挖 25cm。在开挖施工过程中,始终坚持以“新奥法”理论指导施工,及时总结经验,改进临时支护设计与施工。同时,加强围岩变形观测,掌握岩体变形、坍塌的规律,适时改变施工方法,做好临时支护,以确保施工人员和机械设备的安全。

3.1 斜井段开挖

斜井段开挖采用循环作业施工,施工工艺流程见图 4。

图 4 硗碛水电站泄洪洞斜井开挖工艺流程图

(1)导井开挖。

导井开挖自上而下由人工进行开挖,断面为城门洞型(宽 ×高为 2.0m×2.0m,见图 5)。

用 YT-28手风钻造孔,导爆索及非电雷管进行爆破网络连接、火雷管起爆(爆破设计参数见表 1),出碴方式为人工装 0.5m3出碴斗由卷扬机牵引顺轻轨运至上平段(图 3),再用 ZL50(3.0m3)装载机配 15t自卸汽车运至碴场。

(2)斜井段开挖。

导井开挖完成后,开始扩挖斜井段。扩挖自上而下进行,采用光面爆破,YT-28手风钻造孔,导爆索及非电雷管进行爆破网络连接、火雷管起爆(爆破设计参数见表 2),石碴经导井下溜至圆弧段,用ZL50C(3.0m3)装载机在下平段装碴,15 t自卸汽车运至碴场。

图 5 硗碛水电站泄洪洞斜井导井结构图

表 1 硗碛水电站斜井导井爆破设计参数表

采用 Y-28气腿钻钻孔,孔径 42mm。开挖采用直孔掏槽方式,周边光面爆破。若遇 V类围岩及断、夹层带等,采用“短进尺、弱爆破,周边孔加密布置,隔孔装药爆破”的方式,尽量降低单响药量,最大限度地降低爆破震动对围岩的不利影响(图 6)。炸药采用 2#岩石乳化和铵锑炸药,雷管采用非电毫秒微差雷管。周边孔采用竹片或导爆索分节间隔装药,爆破孔采用柱状连续装药;用非电雷管和导爆索进行网络连接、火雷管起爆,堵塞采用沙和粘土的混合物。

表 2 扩挖爆破设计参数表

斜井段扩挖时,从导井向下溜碴,在圆弧段处出碴,将所有石碴弃于指定碴场。由于斜井段平缓(水平夹角为 50°),且导井尺寸较小,溜碴存在一定难度。为保证溜碴的通畅,采取了以下措施:

图 6 硗碛水电站斜井扩挖爆破施工布置图

①将抛物线顶拱和圆弧段底板超挖一部分,以利于导井溜碴;②采取布孔加密、少药量的爆破方法以加大石碴块体的破碎度,利于石碴的下溜;③采用对导井浇筑 20cmC20混凝土,以利于石碴的下溜。

3.2 临时支护

采用刚性和柔性支护相结合的原则进行临时支护施工。

(1)导井支护。

施工顺序为:素喷→钢筋安装→立模浇筑混凝土。

在出碴完成后立即进行素喷 C20混凝土 3～5cm厚,目的是为了施工安全。环向受力筋采用φ20,间距为 20cm×20cm;分布筋为 φ12,间距为20cm×20cm、与环向受力筋梆扎连接。立模为常规方式,模板为钢木模板组合,混凝土为常态,采用 0.75m3搅拌站拌和、3m3混凝土罐车运输、混凝土泵泵送经溜筒入仓、φ50软轴式振捣器进行振捣(图 5)。

(2)扩挖成型后支护。

临时支护施工顺序为:检查超欠并处理欠挖→素喷→安装钢支撑→锚杆→挂网→喷混凝土。

排险后,由测量人员进行测放线,检查超欠挖。对于欠挖处,用风镐进行处理,防止临时支护侵占衬砌断面。对欠挖部位进行修缺后(或扩挖达到设计要求)进行素喷,以确保施工安全。喷射 C20混凝土 3～5cm厚。上述工序完成后,分别进行钢支撑安装、锚杆安装、挂网、喷混凝土等支护工序。

①钢支撑安装。

钢支撑材料为Ⅰ16工字钢,用型钢加工机(自制)进行加工,顶拱部分加工为两节,两端用10mm厚钢板焊接并预先钻孔,以便于螺栓连接;直墙根据现场实际尺寸进行切割和焊接,其中一端用钢板焊接并钻孔。采用 ZL50装载机倒运至现场,人工利用工作平台进行安装,单榀钢支撑节与节之间的连接采用 φ18螺栓连接。IV类围岩工字钢间距为 1m,V类围岩工字钢间距为 0.6 m。采用 φ25钢筋与之焊接联系或与系统锚杆焊接、间距 1.5m。

②锚杆安装。

锚杆分超前锚杆、系统锚杆和锁脚锚杆。超前锚杆和系统锚杆在 V类围岩或地质软弱地带单独或配合使用。锁脚锚杆配合钢支撑使用。锚杆材料采用 φ25钢筋,超前锚杆和系统锚杆长度为 4.5m,锁脚锚杆长度为 3m。施工工艺顺序:钻孔→清孔→填塞锚固剂→安装锚杆。

采用 YT-28手风钻进行钻孔作业。作业在施工平台上进行,孔径为 42mm。超前锚杆在施钻时,要求有 8°～10°的仰角,间距为 30cm。系统锚杆应尽量采用梅花型布置,间排距为 2m×2 m;锁脚锚杆排距为 2m,单榀工字钢一排,锁脚锚杆为 2根。施钻时,要有一向下的倾角。将 1in(1in=2.54cm)塑料软管插入孔底,采用高压水气混合物将钻孔内的碎石和岩粉冲洗干净,然后撤出塑料软管。将事先在水里充分浸泡成泥状锚固剂填塞入孔内,要求饱满。待锚固剂填塞完成后,立即将加工好的锚杆快速插入充满锚固剂的孔内。抽样对锚杆进行拉拔试验,试验的最大荷载至锚杆钢筋拉断为止。

③挂 网。

钢筋网为 φ6.5、间排距为 15cm×15cm。先在场外加工厂将 φ6.5钢筋拉伸后(该钢筋原材料为盘状),按施工需要切割下料,将其运至现场由人工按间距要求编织、绑扎、焊接成网,且与钢支撑可靠连接。

④喷混凝土。

采用干喷法进行喷护,利用操作平台进行喷护作业。喷混凝土施工程序见图 7。

图 7 喷混凝土施工程序图

喷混凝土所用的水泥、骨料、水、外加剂、风、气等应满足相关规范要求。喷射混凝土的配合比应通过室内试验和现场试验选定,要求其 1d龄期的最小抗压强度应不小于 5MPa,28d龄期的最小抗压强度应不小于 20MPa。在保证喷层性能指标的前提下,尽量减少水泥和水的用量。速凝剂的掺量通过现场试验确定,喷射混凝土的初凝和终凝时间应满足施工图纸和现场喷射工艺的要求,喷射混凝土的强度应符合施工图纸要求。混凝土拌和采用 JQ750强制式拌和机进行搅拌,用自制 1.5m3混凝土罐车运输。喷射施工前采用高压风水枪冲洗受喷岩面并保持湿润,埋设控制喷护厚度的标志。喷射作业分区自下而上进行。由混凝土搅拌站现场拌料,5t自卸车运输,采用干式喷射机喷护施工。喷射混凝土作业按分段分片依次进行,喷射顺序自下而上,喷混凝土分2～3层进行,每一层喷射厚度约 5cm,后一层应在前一层混凝土初凝前进行。若因故终凝 1h后再行喷射,应先用风水清洗喷层面;混凝土终凝至下一循环放炮时间不应少于 3h。

3.3 变形监测

围岩收敛变形观测是监视围岩稳定性,检验设计参数和施工方法是否正确合理及安全预警的重要手段,应将量测信息及时反馈到设计施工中去,对支护参数和施工方法作出修正。在硗碛水电站泄洪洞斜井施工中,量测项目和具体施作情况为:

(1)地质和支护状态观察。每次爆破后观察确认围岩名称、类别、岩层倾角、走向及变化情况与趋势、断层、节理、裂隙发育、发展情况、洞内渗水、涌水部位、里程、流量等,对地质状况作地质描述。观察初期支护和二次衬砌的情况,并注意了解位移、变形发展趋势,以保证施工安全并反馈支护结构是否合理。

(2)周边位移量测。IV、V类围岩每隔 10～30m设一个断面,每个断面设两条水平测线,主要量测边墙与拱部的相对位移并将其做为判断围岩稳定性的重要手段,主要工具为收敛计。量测点布置见图 8。

图 8 周边位移量测布置图

(3)拱部下沉量测。用以判断拱部稳定性,防止塌方,量测点布置与周边位移量测相同,每个断面拱顶部位安设一个观测点,在其后面设一个固定水准点,用精密水准仪量测出拱部标高,计算出拱部下沉量。拱部下沉量测情况见图 9。

图 9 拱部下沉量测图

(4)量测数据的处理与应用。对量测资料、数据应及时收集整理,绘制时间 ～位移曲线,并对曲线进行回归分析,由此判断围岩的稳定性并及时与设计、监理协商是否修改支护参数。采用回归分析时,可用下列函数:

对数函数:

μ=A◦lg(1+t)或 μ=A+B/lg(1+t)

指数函数:μ=Ae～b/t或 μ=A(1～e～bt)

双曲函数:

μ=t/A+Bt或 μ=A[1～(1/1+Bt)2]

式中 A、B为回归常数;t为初读数后的时间(d);μ为位移量(mm)。

选取三函数中精度最高者作为回归结果与预估变形最大值及实测位移值,折算成相对位移值并与表 3所列数据相比较,隧洞周边的相对位移值应小于允许值。对于所出现的接近或达到其临界值且又无明显的收敛迹象,即必须立即采取加强措施。

表 3 隧洞周边的相对位移值允许范围表

(5)通过上述监测发现硗碛水电站泄洪洞斜井段桩号 0+395～0+405段周边相对位移达0.841mm。鉴于该部位覆盖层较浅(不足 40m)且变形无收敛迹象,为确保施工人员及设备安全,2008年 4月初停止了斜井段的开挖施工,对桩号0+387～0+412进行了永久衬砌。衬砌完成半个月后,“5.12”汶川大地震发生,虽然硗碛水电站距离汶川震中直线距离仅有 70.7km,但该段结构经受住了地震的考验,确保了泄洪洞的工程安全,围岩变形观测彰显出对工程安全不可替代的作用。

4 结 语

硗碛水电站泄洪洞工程结构断面较大、地质条件差、岩石破碎,加之地下水丰富,炭质千枚岩遇水泥化,在施工过程中遭遇了进口边坡塌方近10万 m3、冒顶及 19次不同程度的洞身塌方。尤其是在斜井段的施工过程中,由于地质原因成洞条件差,超挖较为严重,最大竖直断面垂直高度达19m,加之掉块、涌水等不良施工工况,施工极为艰难。通过采用“短进尺、弱爆破、强支护”的施工手段、加强施工期观测、灵活调整开挖、支护、衬砌等工序,有效地保证了泄洪洞斜井施工的顺利进行,圆满地完成了工程建设任务。