巴塘水电站强卸荷破碎岩体边坡快速支护施工技术

2021-10-20 09:31王旭辉周一生
浙江水利科技 2021年5期
关键词:造孔卸荷张拉

张 伟 ,张 超 ,王旭辉 ,周一生 ,张 栋

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.长江生态环保集团有限公司,湖北 武汉 430061;3.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081;4.浙江华东工程咨询有限公司,浙江 杭州 311122)

1 工程概况

巴塘水电站位于川藏交界的金沙江干流上,周围崇山峻岭,坝址右岸为西藏昌都芒康县,左岸为四川甘孜巴塘县,坝址距巴塘县以南9 km。电站采用沥青混凝土心墙坝堆石坝、左岸溢洪道、明管引水、地面厂房的枢纽布置格局,总装机容量750 MW,以发电为主,是已获得批复的金沙江上游水电规划的13个梯级电站中第9级电站。

电站枢纽建筑物主要布置在金沙江左岸,地貌为金沙江与巴楚河切割形成的条形山脊,出露的地层岩性为二迭系下统黑云母石英片岩(Sc),局部穿插花岗岩脉等,均为硬质岩类。岩体呈薄层至中厚层状结构或互层状,岩层产状岩为NE10°NW∠80°。受左侧区域性活动断裂“巴塘断裂”及右岸区域断裂“雄松-苏洼龙断裂”的组合切割影响,左岸岩体内构造十分发育,并伴随薄层岩体普遍揉皱现象。风化厚度不大但构造风化明显,卸荷深度较大且存在深部卸荷现象。其中表层为强卸荷带,水平深度一般为20~40 m,卸荷带内结构面多呈张开状,整体松弛,拉张裂缝宽度一般0.001~0.300 m,弱卸荷水平深度一般40~70 m,局部可达150 m以上。根据开挖后揭露的典型地层情况可显示,边坡岩体破碎,裂隙发育成片状夹层,无完整岩石,多被切割成0.1~0.4 m大小不等的块体,对边坡支护施工造成了极大的困难(见图1)。

图1 开挖揭露的地层情况图

1.1 设计情况:

左岸引水发电系统开挖形成的人工高边坡,最大高度约200 m,每 15 m 设1级马道,马道宽度一般为3 m,坡顶2级开挖坡比1:1.5,以下各级开挖坡比均为1:0.8、1:0.6。开挖边坡采用挂网喷混凝土及锚杆、锁口锚索(1 000 kN,长35 m/45 m)+锚筋桩+网格梁的支护形式。其中锚索原设计结构为全粘结式预应力锚索,布设在各级边坡上部的网格梁节点处,分上下2排布置,长度分别为35,45 m,间排距4 m,下倾15°,各级边坡的典型支护剖面见图2。

图2 巴塘水电站引水发电边坡典型支护剖面图 单位:cm

1.2 前期施工存在的问题

工程开工之初采取分级开挖,搭设脚手架,采用锚固钻机施工锚索、锚筋桩,完成后拆除脚手架,再进行挂网喷射混凝土、网格梁、马道种植槽、覆土、排水孔施工。但由于未能正确认识边坡复杂的地质条件,在实施过程中发现了较多问题:

(1)锚杆使用YT28手风钻造孔,无法成孔且卡钻漏风情况严重。调整为自进式锚杆后,虽然可以钻进,但注浆渗漏较严重,无损检测密实度无法达到设计及规范要求。

(2)锚索造孔成孔困难,选用哈迈YXZ-50A、哈迈YXZ-70A型号锚固钻机,使用直钎钻头无法直接成孔。后改用跟管造孔工艺,钻头使用双摆叶偏心跟管钻头,仍然频繁发生卡钻情况,大量锚索孔无法达到设计孔深要求,一次成孔合格率较低。

(3)锚索注浆漏浆、串浆严重,根据二级边坡锚索注浆情况统计,22束锚索单孔平均消耗水泥21.647 t,其中最大一束锚索水泥消耗量达到132.929 t。充分表明边坡裂隙发育较宽,裂隙连通性好。受串浆影响,二级边坡出现数根锚索锚固段进浆管阻塞,无法进行锚固注浆的情况。针对漏浆问题,采取间歇、限流、待凝、灌注砂浆等一系列控制注浆措施,仍然出现锚固段灌注不饱满,无法达到设计注浆压力、闭浆结束标准的情况。

(4)锚索一次张拉合格率低,主要体现在实际伸长值较理论伸长值偏小、锚索普遍存在卸荷情况、锚索拔脱现象。经分析,锚索伸长值的问题主要由于全粘结锚索无PE管包裹,锚固段灌注浆液沿裂隙绕过制浆塞包裹自由段,造成自由段实际长度变短。锚索卸荷由于造孔对锚墩基础周边岩体破坏,承载力下降导致。锚索拔脱是由于锚固段漏浆,注浆不密实造成。

(5)受边坡地质条件影响,锚索造孔、注浆时间较长,完成一级边坡锚索造孔施工大约为1.5个月,完成一级边坡锚索造孔至张拉所有工序大约需要3个月。

1.3 强卸荷破碎岩体边坡快速支护施工改进技术路线

边坡复杂的地质条件是影响支护施工的主要原因,工程技术人员从以下5个方面对支护工艺方法进行了改进[1-4]。

(1)锚杆、锚筋桩施工,采用跟管造孔方法,确保其能成孔下杆,辅以控制性注浆措施,解决注浆成本高的问题。

(2)锚索造孔施工,选用合适的机具、设备,改进锚索造孔工艺,提高锚索成孔率。

(3)调整锚索索体结构,避免串浆影响、漏浆影响;调整锚墩体结构,提高基础承载力。

(4)采取控制性注浆措施,对锚索不同阶段注浆采取不同的控制标准,在确保锚索注浆质量的同时尽量减小锚索的注浆成本,缩短注浆时间。

(5)从施工组织方面入手,减小锚索各道工序占用的直线工期时间,充分利用锚索注浆、锚墩混凝土待强时间。

2 边坡快速支护施工技术

2.1 边坡快速支护工艺

2.1.1 工艺原理

(1)快速开挖支护按照“下台阶远边坡减量瘦身,近边坡预裂爆破和机械开挖相结合,分层出渣,素喷封闭,随层支护、系统跟进、滚动流水作业,中台阶锚墩、挂网喷混、锚索待强张拉、网格梁依次实施,上台阶马道种植槽、覆土、排水孔收尾,三台阶同步实施”的原则施工。

(2)利用移动履带式钻造孔效率高、移动方便的特点,每台履带钻可同时负责3~5个锚索孔施工,利用锚索固壁待强时间,穿插锚杆施工作业,大幅度提高系统支护、锚索造孔功效,大大缩短了分层开挖支护的时间,同时节省了搭设脚手架时间和挪移钻机的时间[1-2]。

(3)锚索施工工序繁多,周期较长,上中下三台阶同步施工、流水作业,有效减少锚索注浆、锚墩混凝土待强、锚索张拉所占用的直线工期。

(4)设置集中空压站,将同型号类别的空压机联通至空压罐,再由送风管路以及软管供至各造孔设备。

(5)设置集中制浆站,灌注净浆直接从制浆站供浆,砂浆由于浓度大,管路过长容易堵管,采取由集中制浆站制拌水泥浆,输送至临近工作面附近的砂浆搅拌机现场掺砂,搅匀后再通过砂浆泵灌注至锚杆、锚筋桩、锚索孔内。

图3 快速支护工艺流程示意图

2.1.2 注意事项

(1)现场根据岩石情况确定是否需要进行预裂爆破、梯段爆破,然后在边坡外围进行瘦身开挖,消减边坡石方开挖量。

(2)分层开挖支护按照70~120 m分区,分层高度3~4 m,顶宽不小于10 m作业面宽度,确保能够布置履带式钻机、吊车、天泵等施工设备,施工材料能及时运送至各工作部位,按1:1临时坡比放坡。

(3)为确保边坡支护施工时的安全稳定,防止边坡分化、松散碎裂石渣塌滑,每层开挖完清理坡面浮渣后立即进行素喷封闭,素喷混凝土厚度0.05 m。

(4)HM90A履带式钻机在分层开挖平台施工锚杆、锚筋桩、锚索孔,孔位验收合格后下杆、下索,注浆作业紧随其后。

(5)边坡锚索锚固段注浆、系统支护完成后,在坡面搭设简易施工平台,对锚墩基础进行处理,可采用细石混凝土或水泥砂浆填补,再进行锚墩施工,并预留与网格梁的连接筋。

(6)锚墩浇筑完成后,在边坡上现编钢筋网Φ8 mm@20 cm×20 cm,喷射混凝土喷至设计厚度,再进行网格梁的施工。

(7)锚墩浇筑完成,达到龄期后立即组织进行张拉,确保边坡能够尽早持加预应力。锚墩混凝土可采用高标号混凝土,缩短锚索待强张拉时间。

(8)边坡支护项目全部完成后,最后进行马道种植槽、覆土和排水孔施工。

(9)混凝土采用47 m臂长的天泵浇筑,边坡施工所需的钢筋、模板、种植土等采用25 t吊车吊运至各级马道平台,手推车、人工运输至作业部位。

2.2 锚索施工工艺

2.2.1 工艺流程

针对强卸荷破碎岩体散、硬、漏、夹的地质特点,根据前期积累的施工经验,并借鉴类似工程的锚索施工经验,工程技术人员对锚索施工工艺进行诸多改进,形成了一套较为完备的碎裂边坡锚索施工工艺(见图4)。

图4 锚索施工工艺流程图

2.2.2 造孔工艺方法及机具选择

采用跟管+固壁+预注浆的造孔工艺,表层强卸荷松散体,跟管成孔,跟管深度超过20 m后根据岩体情况确定跟管终孔深度,遇到断层要将断层穿过,钻进至较为坚硬的岩体结束。造孔使用90A履带式钻机,钻具选择Φ150偏心钻头+Φ147厚10 mm跟管,跟管材质为P110级钢,丝扣经淬火处理,以提高跟管的抗拉强度。跟管造孔结束后改用直钎钻头,钻头Φ127[5]。

2.2.3 锚索结构的调整

为应对碎裂地层,借鉴全粘结锚索结构,对无粘结预应力锚索结构进行改进(见图5),具体如下[6]:

图5 锚索结构示意图 单位:cm

(1)在锚固段设置一进一回2个注浆管,锚固段注浆管深入至距离孔底0.3 m,锚固段回浆管布置在锚固段与张拉段分界位置以内0.5 m。设置回浆管主要用来检查锚固段注浆密实情况,同时兼做补灌灌浆管。进浆管在锚固段范围内开1 m间距的花孔,便于浆液的扩散。

(2)在锚固段与自由段分界位置处设置止浆包,止浆包前后端处用棉絮包裹缠紧每根钢绞线、进(回)浆管,外包土工布并绑扎紧密,一次进浆管开设2个小口,锚固段注浆时能将止浆包先填充密实,阻断锚固段浆液继续上升。

(3)锚索张拉段包裹土工布,主要目的是防止浆液四处扩散,减小注浆量。

(4)张拉段设置一进一回2个注浆管,进浆管深入至止浆包位置处,进浆管开花孔,2 m间距;孔口设回浆管,用来排气和自由端补注浆。

2.2.4 操作要点

(1)根据孔壁塌孔情况确定直钎钻头的循环进尺深度,一般控制在2~5 m,拔出钻头后用砂浆进行固壁。尽量灌注流动度低砂浆,如吃浆量大,掺加一定的速凝剂,砂浆掺加早强剂缩短待强时间,扫孔后孔壁不坍塌即可进行下一循环,直至设计深度。

(2)注意造孔斜挠度控制,根据钻进岩石的软弱程度调整钻进速度,一般软弱岩石采用中低速钻进,坚硬岩石采用中高速钻进[7]。

(3)造孔至设计孔深后对锚固段进行孔内摄像,根据孔壁裂隙发育情况确定是否需要进行预注浆。如需要预注浆则下注浆塞对锚固段进行预注浆,重新扫孔后下锚索,并按照设计注浆压力要求结束。

(4)锚固段注浆,采用水泥浆进行灌注,28 d抗压强度不低于35 MPa,7 d届时强度应不低于30 MPa。浆液中应掺入一定量的膨胀剂和早强剂,不得掺加速凝剂、水玻璃等任何有腐蚀作用的外加剂[8-9]。

(5)张拉段注浆:采用水泥砂浆灌注,28 d抗压强度不低于30 MPa,孔口返浆结束。

(6)锚墩施工:由于边坡岩体较为破碎,造孔、拔管过程中对锚墩基础破坏较严重,张拉时锚墩沉陷情况较为严重。采取增大锚墩尺寸,孔口基面浇筑砂浆或混凝土提高基岩承载力的措施。

(7)孔口封闭注浆:孔口钢绞线应去皮、去油,孔口封闭注浆采用与锚固段同标号水泥净浆灌注,注浆要密实,确保封闭浆体能与夹片协同受力,增加锚固力的耐久性。

2.3 锚杆、锚筋桩施工重点注意事项

(1)锚杆造孔使用90A履带式钻机,Φ115偏心钻头+108厚6 mm跟管,成孔115 mm。

(2)锚筋桩造孔90A履带式钻机,Φ127偏心钻头+125厚6 mm跟管,成孔125 mm。

(3)锚杆、锚筋桩均按照先插杆后注浆的方式进行施工,杆体绑扎D=10 mm,厚3 mmPVC注浆管,中间开设花孔,间距1.5 m,便于灌注水泥砂浆向周边岩体扩散。

(4)拔管器为四川拓力60 t,基岩面较为破碎时,用钢垫板、垫木等将拔管机架平、架实,确保拔管器拉拔力与跟管方向一致。

(5)锚杆、锚筋桩插杆后应及时进行注浆,确保边坡安全稳定。

(6)注浆浆液为水泥砂浆,尽量选择流动度小的砂浆,减小浆液的扩散范围,降低耗灰量。

2.4 挂网喷射混凝土重点注意事项

(1)钢筋网应与系统锚杆用铅丝连接固定,紧贴岩面。

(2)喷射前用风枪将岩面浮渣吹净,设置厚度标尺。

(3)喷射混凝土自下而上,喷射距离控制在1 m左右。

(4)喷射混凝土终凝后,应喷水养护,养护时间不得少于14 d。

3 工艺方法应用效果

巴塘水电站左岸边坡高差达200多米,仅锚索就2 300余根,支护工程量巨大。施工初期由于对工程地质条件认识不足,采用传统分级开挖,搭设脚手架支护施工的方法,边坡开挖支护进展极其缓慢。经过工程技术人员不断尝试、创新、优化调整,形成“下台阶远边坡减量瘦身,近边预裂爆破和机械开挖相结合,分层出渣,素喷封闭,随层支护、系统跟进、滚动流水作业,中台阶锚墩、挂网喷混、锚索待强张拉、网格梁依次实施,上台阶马道种植槽、覆土、排水孔收尾”的三台阶同步快速施工工法,形成了三台阶同步实施,互不干扰的施工作业局面。每级边坡支护下挖时间从2.5个月缩短到1个月,应用效果明显。

4 结 语

本工艺有效克服了强卸荷破碎岩体散、硬、漏、夹的地质特点,解决了锚杆注浆不密实,造孔塌孔、钻具磨损、卡钻、漏浆、串浆、张拉松弛卸荷等问题,加快了边坡开挖支护进度。通过实践,得出以下结论:

(1)采用跟管成孔方法施工水泥砂浆锚杆、锚筋桩,杆体上安装PVC管开花孔,注水泥砂浆,可以有效保证锚杆、锚筋桩的施工质量,同时对周边岩壁起到固结作用。自进式锚杆在碎裂岩体边坡应用时用注浆密实度较差,不适用于永久边坡支护。

(2)采用“跟管+固壁+预注浆”的造孔施工工艺可以较好地适应强卸荷破碎岩体锚索造孔工作,该方法同时克服固壁灌浆循环进尺周期时间长、费用高以及全跟管造孔卡钻、钻具、管靴磨损严重,废孔率高的工艺缺点,在保证工期的同时节省了施工费用。

(3)移动履带式钻机具有造孔效率高、移动方便、动力强的特点,该设备大幅提高了系统支护、锚索造孔功效,极大缩短分层开挖支护的时间。该方法还省去费时费力的脚手架搭设工作,降低安全作业风险,是以后边坡支护的发展方向。

(4)针对强卸荷破碎岩体特点对锚索结构进行调整,通过注浆管、制浆包的改进,较好地克服了不利地质条件。对锚索不同注浆部位、注浆阶段采取不同的注浆控制策略,在保证注浆质量的同时,减少注浆材料消耗[10]。

(5)对锚固段基础进行处理,采取浇筑垫层、增大锚墩尺寸2项措施,克服锚墩基础承载力不足、张拉沉陷的问题,效果明显。

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