不良地质条件下调压室开挖与支护设计

赵亚昆，尉霄腾

（中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222）

1 概况

1.1 工程概况

新疆某工程采用引水式电站布置方式,发电引水系统由进水塔、发电引水隧道、调压室、压力钢管等组成。其中,调压室位于发电引水隧洞末端,为水室式调压室,由圆形断面竖井和城门洞形断面上室组成。调压室竖井最大开挖直径16.4 m,深度132.6 m；上室开挖断面尺寸10.4 m×12.5 m～10.4 m×14.5 m,上室长度200 m。调压室永久支护方式为钢筋混凝土衬砌结构。

1.2 地质条件

调压室开挖揭露地层为泥盆系中统汗吉尕组第二段（D2H2）,岩性以灰黑色中厚层夹薄层状凝灰质粉砂岩为主,岩石具有硬、脆、碎特点。受附近区域性构造影响,岩层产状多变,裂隙极为发育,多呈碎裂或碎块结构。表层强风化岩体完整性系数仅0.11,属破碎岩体；弱风化～微风化岩体完整性系数0.17～0.33,属较破碎岩体,前期勘探孔无法取到完整柱状岩芯。调压室竖井及上室开挖揭露围岩类别以Ⅴ类为主,Ⅳ类次之,主要工程地质问题为塌方。

2 开挖支护方案

调压室竖井开挖前,首先在溜渣井和竖井开挖轮廓线周边进行深孔预固结灌浆,然后采用LM-300 型反井钻机进行直径216 mm先导孔施工,之后反提扩孔钻头将先导孔扩大成直径1.4 m的溜渣井,最后自上而下进行全断面竖井扩挖及一次支护的施工方案。

2.1 竖井深孔预固结灌浆

由于本工程调压室竖井开挖断面大,地质条件差,为保证施工安全,在竖井开挖前,在溜渣井和竖井开挖轮廓线周边进行深孔预固结灌浆,深度50 m,以提高竖井围岩的整体性、均匀性以及自稳能力。竖井扩挖前,需在井口浇筑盖重和锁口钢筋混凝土,保证井口围岩稳定。

灌浆孔共布置2 圈,第一圈在竖井中心半径2.0 m范围处,布置6 个灌浆孔,间距2.09 m；第二圈在竖井中心半径9.7 m范围处,布置30 个灌浆孔,间距2.03 m。深孔预固结灌浆孔孔底需进入弱风化线以下,深度采用50 m,灌浆孔布置方式见图1。

图1 调压室深孔预固结灌浆设计图

第一圈灌浆孔是为了在反井钻机先导孔及扩挖溜渣井施工时,保证围岩的密实性和稳定性,为溜渣井施工提供较好的施工条件。第一圈灌浆孔灌浆压力控制在0.3 MPa～0.5 MPa。

第二圈灌浆孔是固结灌浆的重点,主要目的是提高竖井永久开挖线附近围岩的整体性和均匀性,提高其自稳能力,防止竖井开挖过程中围岩坍塌。第二圈灌浆孔灌浆压力控制在0.5 MPa～1.0 MPa。

第二圈深孔预固结灌浆完成后,灌浆孔内安装锚筋束（采用3 根28 钢筋制作）,锚筋束的连接采用套筒连接方式,连接点错开,不得在同一截面上,然后采用0.5∶1的纯水泥浆进行全孔注浆封孔。

调压室深孔预固结灌浆结束、锚筋束安装完成、灌浆质量检查合格后方可进行调压室竖井的开挖施工,严禁边灌浆边开挖。

2.2 先导孔及溜渣井施工

利用反井钻机开挖竖井是一种成熟的施工工艺,已广泛应用于我国水利水电、煤矿等地下工程开挖施工中。利用反井钻机开挖竖井具有操作简便、施工效率高、安全可靠等优点。

不良地质条件下,先导孔的钻进是反井钻法开挖竖井的关键环节。本工程调压室竖井围岩裂隙发育、岩石完整性差,采用LM-300 型反井钻机进行先导孔施工期间,多次出现塌孔、卡钻等现象。为保证先导孔顺利贯通,先后采用水泥浆护壁、膨润土泥浆护壁等方法,对先导孔周围岩体进行固结,效果良好。

先导孔贯通后,拆除导孔钻头,安装扩孔钻头,低转速、低钻压将扩孔钻头提升至先导孔底部岩面,之后根据围岩的岩石强度确定钻头压力,进行直径1.4 m的溜渣井开挖。

2.3 竖井扩挖与支护

竖井开挖揭露围岩以Ⅴ类为主,岩体破碎,竖井扩挖采用机械开挖、溜渣井出渣的方案,以减少对井壁岩体的扰动。为确保井壁围岩稳定性,每开挖完成一个循环,立即对井壁进行一次支护,一次支护完成后方可进行下一循环的开挖。

Ⅴ类围岩洞段采用“钢拱架+系统锚杆+钢筋网喷射混凝土”的支护方案,具体支护参数如下：C30 喷射混凝土厚0.2 m,钢筋网片φ8@0.2 m×0.2 m；钢拱架为I20 a工字钢,间距1.0 m；为避免砂浆锚杆造孔过程中的频繁塌孔与卡钻,加快施工进度,锚杆采用Φ25 自进式锚杆,间排距1.25 m×1.25 m,梅花形布置。

Ⅳ类围岩洞段不设置钢拱架,其他支护参数同Ⅴ类围岩。

2.4 上室开挖与支护

竖井开挖至上室底高程后,进行上室的开挖与支护。上室开挖揭露岩性为泥盆系汗吉尕组（D2H2）凝灰质粉砂岩。上室进洞0～21 m,洞室两壁及顶拱岩石强度较低、裂隙极发育,围岩以散体结构为主,局部呈碎裂结构,围岩破碎,洞室干燥,无地下水活动,属Ⅴ类围岩,围岩不稳定～极不稳定；进洞21m以后,围岩条件略有好转,岩石具有一定强度,裂隙发育,围岩较破碎,以碎裂结构为主,洞室干燥,围岩不稳定。

Ⅴ类围岩洞段支护参数如下：C30 喷射混凝土厚0.2 m,钢筋网片φ8@0.2 m×0.2 m；Φ25 系统锚杆,L=4.0 m,间排距1.25 m×1.25 m,梅花形布置；钢拱架为I20 a工字钢,间距1.0 m；顶拱113°范围设Φ25 超前锚杆,L=4.0 m,间距0.4 m,排距1.6 m。

Ⅳ类围岩洞段支护参数如下：C30 喷射混凝土厚0.15 m,钢筋网片φ8@0.2 m×0.2 m；Φ25 系统锚杆,L=4.0 m,间排距1.25 m×1.25 m,梅花形布置。Ⅳ类围岩不稳定洞段,设I14钢拱架,间距1.0 m,必要时,顶拱113°范围设Φ25 超前锚杆,L=4.0 m,间距0.4 m,排距1.6 m。Ⅳ类围岩稳定性相对稍好洞段不再设置钢拱架及超前锚杆。

3 溜渣井塌方处理

3.1 塌方原因分析

调压室在进行竖井扩挖过程中,发现溜渣井底部出渣量异常,溜渣井顶部不甩渣时,出渣口仍有石渣掉落,怀疑溜渣井内部出现塌方。通过孔内录像,基本确定了溜渣井内塌方范围、深度及具体位置。从孔内录像看,溜渣井塌方最深处已经坍塌到深孔预固结灌浆孔内的锚筋桩位置。

通过分析,此种碎裂型岩体结构中,溜渣井井壁塌方是受溜渣过程中石渣冲击、井壁岩体应力释放等因素所致。目前围岩坍塌位置仍不稳定,塌方范围存在进一步扩大的风险。为防止竖井向下开挖时出现冒顶,甚至影响竖井成井,必须采用主动控制和治理措施尽快处理塌方,同时加强溜渣井内围岩的稳定性观测。

3.2 塌方处理方案

首先在溜渣井内安装一根直径1.2 m的钢管形成钢溜筒,以确保溜渣通道畅通,并对溜渣井井壁进行保护。为防止井壁外侧石渣将钢管挤压变形,可在钢管外侧间隔2 m设置一道加劲环,增强其抗外压变形能力。钢溜筒底部应采用锚筋、钢拱架支撑等方式将管口固定牢固,保证底部支撑系统能够支撑钢管自重及溜渣的冲击。在钢管安装固定完成后,尽快采用开挖渣料将溜渣井塌方区回填密实,并对回填区进行固结灌浆处理,防止塌方范围进一步扩大。

4 结语

（1）采用上述开挖支护方案,目前本工程调压室已全部开挖支护完成,验证了设计方案的可靠性,对类似地质条件下的竖井开挖具有借鉴意义。

（2）不良地质条件下竖井的开挖,由于溜渣井空间狭小,无法进行锚喷支护施工,可在溜渣井内提前安装钢溜筒,防止石渣对井壁的冲击造成塌方。

（3）地质条件较差时,调压室竖井、上室一次支护应紧跟掌子面进行,并根据实际揭露的地质条件进行动态设计。