滇中引水工程破碎围岩洞室开挖支护方案分析

李 坚,郭亚欣,张磊磊

(云南省滇中引水工程有限公司,云南 昆明 650000)

0 引 言

在不良地质条件下,国内外洞口超前支护常采用超前大管棚、超前小导管、钢拱架锚喷支护等措施,对于边坡常采用打设锚杆、挂网、喷混凝土等锚喷支护措施,但对于浅埋覆盖层隧洞洞口和破碎至散体结构为主的边坡,该种支护措施难以达到理想的支护效果[1-2]。因此,本文以滇中引水工程的石鼓水源工程为例,分析了不良地质条件下该工程进水隧洞与进水箱涵连接段的支护方案。

1 工程概况

石鼓水源工程是滇中引水工程三大主体工程之一,位于云南省丽江市玉龙县石鼓镇境内。石鼓水源工程按一级泵站布置,从位于冲江河河口上游的金沙江右岸引水,经长约1.27 km的引水渠沉沙后,通过两条长约3 km的进水隧洞和0.8 km的进水箱涵将金沙江水输送至位于冲江河右岸竹园村上游的地下泵站,经地下泵站提水至连接香炉山隧洞进口的出水池。

石鼓水源工程冲江河右岸进水隧洞包括:1-2号进水主洞,长548.101 m;2-2号进水主洞,长498.499 m,进水主洞开挖直径7.9～8.9 m,为圆形断面;连接进水箱涵K0-025～K0+000段长25 m,开挖断面呈马蹄形。冲江河右岸进水隧洞连接箱涵段(K0-025～K0+000)为冲洪积砂砾卵石及残坡积碎石土层,强(溶蚀)风化带,溶缝较发育,岩石多风化色变呈灰黄色、灰褐色,灰岩类岩质呈半坚硬至半疏松状,片岩类岩质疏松,以碎裂至散体结构为主,岩体破碎,判定该断围岩类别为稳定性极差的Ⅴ类。冲江河右岸进水隧洞连接箱涵段(K0-025～K0+000)因属于进洞段,地质条件较差,主要存在浅埋覆盖层与破碎岩体的变形与稳定问题,有进口段边坡垮塌,甚至冒顶的风险[3-4],对箱涵基坑正面边坡稳定不利。

2 开挖支护方法及措施

2.1 开挖方法

进水隧洞的进口段主要为V类围岩,开挖断面呈马蹄形,采用预留核心土法分上下两层进行开挖,循环进尺0.5～1.5 m(图1)。装载机装渣,由自卸汽车运至指定渣场。采用“新奥法”原理组织各工序的施工,遵循“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则[5-6]。

图1 开挖分层详图Fig.1 Detailed excavation stratification

2.2 支护措施

冲江河右岸进水隧洞与进水箱涵连接段(总长25 m)为砂卵石层段,为确保隧洞安全和后续箱涵边坡成型安全,覆盖层段支护施工程序为:施工准备—超前预灌浆(视地质情况)—超前支护(视地质情况)—短台阶或全断面开挖—初喷3～5 cm厚混凝土—钢支撑和连接筋—锁脚锚杆—系统锚杆—挂钢筋网—复喷混凝土施工至设计厚度—下一循环开挖支护。

2.2.1 超前支护措施

根据实际情况,进水箱涵与右岸进水隧洞设置连接段(K0-025～K0+000段)。因连接段布置在砂砾石层内,考虑主要施工方案包括超前大管棚、超前小导管、超前堵水灌浆、竖向钢管桩[7-10]等。另外,为增加进口段隧洞的自稳能力,根据设计要求,在进口段开挖完成后,及时进行全断面固结灌浆施工,以加固边坡底部砂卵石层,固结灌浆孔深度为8 m。

(1) 超前大管棚。超前注浆大管棚长12 m,采用外径108 mm,壁厚6 mm钢管以丝扣连接而成,管棚环向间距40 cm,外倾5°～15°,管棚钢管管身钻注浆孔,注浆孔孔径为15 mm,孔间距30 cm,尾部止浆段长4.5 m。施工时运用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度,保证钻孔方向准确。为使钢管接头错开,编号为奇数的第一节钢管采用3 m长钢管,编号为偶数的第一节钢管采用6 m长钢管,以后每节均采用6 m长钢管,末端采用非标准长管节,避免钢管接头在同一断面。注浆压力达到设计终压后继续注浆10 min以上可结束注浆。

(2) 超前小导管。小导管孔距30 cm,排距3 m,孔深4.5 m,外插角10°～15°,搭接长度1.58 m(斜长)。导管釆用外径42 mm,壁厚3.5 mm的钢管加工而成,长度为造孔深度,尾部焊套箍,顶部做成锥形,管壁按梅花形布钻小孔,孔眼直径8 mm,间距为15 cm。钢管入岩长度不小于管长的90%,外露部分应在衬砌设计线以外。注浆前对开挖面及距掌子面5 m范围内边、顶拱喷混凝土封闭,喷厚5～10 cm,注浆压力0.1～0.5 MPa,水泥浆的水灰比控制在0.8∶1～1∶1,具体情况根据现场试验后最终确定,孔口设置止浆塞。从拱顶向下逐孔注浆,如遇冒浆或串浆,则间隔一孔或几孔分序注浆。

(3) 超前堵水灌浆。该部位临近进水箱涵,需将地下水降至开挖面以下0.5 m,右岸山体内地下水会渗流至进水箱涵,且右岸山体内水渗流量较大。进口段开挖总长25 m,注浆完成后再进行开挖,每循环30个孔计,共实施2个循环,超前堵水注浆1 500 m。超前堵水灌浆采用水泥水玻璃双浆液,水灰比为1∶1～0.5∶1,灌浆压力为0.5～1.5 MPa。

(4) 竖向钢管桩。在1-2号、2-2号进水隧洞与一期箱涵结合部位两侧各布置一排竖向钢管桩,按L形对称布置,共计4排。每个钢管桩采用潜孔钻机外径219 mm跟管(壁厚10 mm,单节长度1.5 m)直接成孔(跟管不拔),桩长15 m,造孔完成后灌注M30(一)混凝土直接成桩。每边20根,共计80根。

2.2.2 锚杆施工

锚杆施工采用手风钻或凿岩台车钻孔,锚杆在钢筋加工厂制作,用8 t载重汽车运至施工现场,人工安装锚杆,注浆采用锚杆注浆机进行,按照“先注浆后插锚杆”或“先插锚杆后注浆”的程序进行。

2.2.3 挂网喷混凝土

喷混凝土与开挖、锚杆施工跟进平行交叉作业,喷射方法采用湿喷法[11],混凝土喷射台车或湿喷机施喷,除特殊地段采用先喷后锚的程序外,其他部位均按如下工艺流程进行施工:施工准备—岩面清理—仓面验收—挂钢筋网—锚喷料拌和运输—分层喷射—厚度检查—复喷处理—检查验收。

2.2.4 钢支撑

冲江河右岸进水隧洞IV,V类围岩设计要求设置I20a@75～100 cm型钢拱架支撑加固,钢支撑由冲江河右岸钢筋加工厂加工成型,釆用8 t载重汽车运输至施工现场,钢支撑利用锁脚锚杆和系统锚杆加固,钢支撑固定锚杆采用C25钢筋,长4.5 m,设置在钢支撑拱脚处及各段连接处,露出部分与钢支撑焊接牢固,另钢支撑连接筋采用C25@50～100 m钢筋串连。

3 混凝土衬砌施工方案

4 稳定性分析

4.1 施工期安全监测

冲江河右岸进水隧洞开挖跨度B约为7.9～8.9 m,对于开挖跨度5 m

表1 锚喷支护工程监控量测项目

表2 允许变形标准

4.2 1-2号进水隧洞桩号JD1K0+010.000

在1-2号进水隧洞桩号JD1K0+010.000布置一个综合监测断面,包括3套多点位移计、5支锚杆应力计、4支渗压计、3支测缝计、4支钢筋计、4支应变计、2支无应力计。

(1) 多点位移计监测结果见表3。截至2022年11月,冲江河右岸1-2号进水隧洞多点位移计实测位移为-0.7～0.6 mm,位移月变化量出现在M3-JD1K-010(孔口),变化值为-0.6 mm;目前右岸1-2号进水隧洞实测位移及变化量较小,未见异常情况。

表3 1-2号进水隧洞多点位移计特征值

(2) 测缝计监测结果见表4。截至2022年11月,冲江河右岸1-2号进水隧洞实测开合度为-0.09～0.59 mm;目前右岸1-2号进水隧洞实测开合度量较小,未见异常情况。

表4 测缝计特征值

(3) 锚杆应力计监测结果见表5。截至2022年11月,右岸1-2号进水隧洞实测锚杆应力为-34.5～0.1 MPa,锚杆应力月变化量最大值出现在MG1-JD1K-010,变化值为-19.4 MPa;目前右岸1-2号进水隧洞实测锚杆应力及变化量较小,未见异常情况。

表5 锚杆应力特征值

(4) 渗压计监测结果见表6。截至2022年11月,右岸1-2号进水隧洞围岩渗透实测渗透压力为0.3～49.5 kPa,围岩渗透实测渗透压力变化最大值出现在底板P1-JD1K-010,其他渗压计无异常情况。

表6 1-2号进水隧洞渗压计特征值

4.3 2-2号进水隧洞桩号JD2K0+020.000

在2-2号进水隧洞桩号JD2K0+020.000布置一个综合监测断面,包括3套多点位移计、5支锚杆应力计、4支渗压计、3支测缝计、4支钢筋计、4支应变计、2支无应力计,目前安装完成3套多点位移计、5支锚杆应力计、3支渗压计。

(1) 多点位移计监测结果见表7。截至2022年11月,2-2号进水隧洞多点位移计实测位移为-1.7～2.1 mm;目前冲江河右岸2-2号进水隧洞实测位移量较小,未见异常情况。

表7 2-2号进水隧洞多点位移计特征值

(2) 锚杆应力计监测结果见表8。截至2022年11月,2-2号进水隧洞实测锚杆应力为-12.4～-5.3 MPa,锚杆应力呈现受压状态;右岸2-2号进水隧洞实测锚杆应力未见异常变化。

表8 锚杆应力特征值

(3) 渗压计监测结果见表9。截至2022年11月,2-2号进水隧洞围岩渗透实测渗透压为4.0～6.7 kPa,渗透压力无异常变化。

表9 2-2号进水隧洞渗压计特征值

4.4 结果分析

(1) 截至2022年11月,1-2号进水隧洞内部变形在1 mm以内;测缝计开合度在0.6 mm以内;锚杆支护应力呈受压状态,最大受压应力为34.5 MPa;围岩渗透实测均有压力,最大渗透压力为底板49.5 kPa;1-2号进水隧洞各监测物理量无异常变化情况。

(2) 截至2022年11月,2-2号进水隧洞内部变形在3 mm以内;锚杆支护应力呈受压状态,最大受压应力为12.4 MPa;围岩渗透实测均有小幅压力,最大渗透压力为6.7 kPa;2-2号进水隧洞各监测物理量无异常变化情况。

(3) 进水箱涵边坡支护和右岸进水隧洞洞口于2022年5月施工完成,截至2022年11月已施工完成6个月,通过永久性观测结果可知,该段多点位移计、测缝计、锚杆应力计等监测数据均在合理范围内。通过滇中引水石鼓水源工程一期进水箱涵和右岸进水隧洞施工实践,在浅埋覆盖层隧洞洞口和破碎至散体结构为主的边坡支护中,对箱涵边坡采用竖向钢管桩支护措施,对隧洞洞口采用超前大管棚、超前小导管、钢拱架锚喷支护、超前堵水灌浆多项支护措施,能有效控制边坡变形和隧洞洞口收敛,该类支护方案可适用于稳定性极差的Ⅴ类围岩进洞段开挖支护。

5 结 语

石鼓水源工程冲江河右岸进水隧洞存在较破碎至破碎软质围岩的变形与稳定问题,上覆岩体厚度极薄,冲江河地下水、洞室围岩垮塌甚至冒顶的风险极大,对箱涵基坑正面边坡稳定极为不利。在冲江河右岸进水隧洞与进水箱涵连接段开挖支护过程中,进水箱涵边坡采取竖向钢管桩支护方案,右岸进水隧洞洞口采用超前大管棚、超前小管道、钢拱架锚喷支护、超前堵水灌浆多项支护措施,对该地质条件下箱涵边坡和洞口进行了有效的支护,确保了施工安全和施工质量,开挖时采用施工期临时安全监测,确保拱顶下沉和断面收敛均在规定值内,并及时进行混凝土衬砌施工,顺利完成了冲江河右岸进水隧洞和进水箱涵交接段进口的施工,可为类似工程项目的建设提供参考。