管棚型鋼法加強(qiáng)支護(hù)鎖口在提前進(jìn)洞施工中的應(yīng)用

孫寶山, 趙慧仙

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司 第一分局,四川 成都 610066)

1 工程概述

西溪河是金沙江左岸的一級(jí)支流,流域位于涼山州境內(nèi),地洛水電站是西溪河梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案規(guī)劃中的第四個(gè)梯級(jí)電站,是一座以發(fā)電為主的引水式電站,位于布拖縣地洛鄉(xiāng)境內(nèi)。樞紐工程永久性建筑物主要由擋水壩、引水系統(tǒng)和發(fā)電廠房等三部分組成,屬三等中型工程。地洛水電站工程主要建筑物包括:首部樞紐擋水建筑物、左岸取水建筑物和廠區(qū)建筑物。

導(dǎo)流洞布置在左岸進(jìn)水閘上游約 120 m處,隧洞洞身長(zhǎng) 304.51 m,進(jìn)口底板高程 1 192.0 m、出口底板高程 1 191.0 m,縱坡 i=0.8%,采用半圓形城門(mén)洞型,設(shè)計(jì)斷面 4 m×5 m,全斷面鋼筋混凝土襯砌,其中Ⅲ類(lèi)圍巖襯砌厚 40 cm、Ⅳ類(lèi)圍巖襯砌厚 60 cm、Ⅴ類(lèi)圍巖襯砌厚 80 cm。

2 工程地質(zhì)情況及邊坡穩(wěn)定性分析

隧洞出口邊坡在 1 197.8 m高程以上地表分布 5～15 m厚的崩塌堆積塊碎石土,下伏基巖體為泥質(zhì)粉砂巖和泥質(zhì)白云巖。鉆孔揭示巖體強(qiáng)風(fēng)化厚 15～20 m,弱風(fēng)化厚 20～25 m。洞口以上在高程 1 191～1 197.8 m基巖邊坡高度為 5～6 m,由強(qiáng)風(fēng)化巖體組成。巖層傾向坡內(nèi),有利于邊坡穩(wěn)定,但強(qiáng)風(fēng)化巖體風(fēng)化強(qiáng)烈,呈散體 ～碎裂結(jié)構(gòu),需要進(jìn)行處理。邊坡在 1 197.8 m高程以上地表分布 5～15 m厚的崩塌堆積大塊碎石土,自然邊坡整體穩(wěn)定,在施工開(kāi)挖不當(dāng)或遭遇暴雨等工況條件下可能失穩(wěn),需要采取支護(hù)處理措施,并加強(qiáng)坡面排水,施工中盡量避免開(kāi)挖切腳。設(shè)計(jì)建議永久坡比為:覆蓋層 1∶1.5,強(qiáng)風(fēng)化 基巖 1∶0.75 ～ 1∶1.0。

3 管棚施工方案的確立

3.1 原高邊坡開(kāi)挖及支護(hù)施工方案

導(dǎo)流洞出口原設(shè)計(jì)方案為:邊坡進(jìn)行覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化巖體土石方開(kāi)挖和邊坡掛網(wǎng)錨噴支護(hù),高程范圍為1 190.2～1 253.58 m,坡高 63.68 m,為高邊坡施工,合理工期 2.5個(gè)月。主要工程量:土石方開(kāi)挖 2.1萬(wàn) m3,錨桿(綜合)1 200根,噴混凝土 500 m3,掛網(wǎng)鋼筋 31 t。原出口設(shè)計(jì)施工圖見(jiàn)圖 1。

圖1 導(dǎo)流洞出口原設(shè)計(jì)施工圖

3.2 管棚施工方案的選擇

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次勘察研究,我們提出了管棚型鋼強(qiáng)支護(hù)提前進(jìn)洞的施工方案。從工期時(shí)間角度分析,采用管棚方案,用 20 d時(shí)間進(jìn)行邊坡開(kāi)挖及支護(hù)可以完成并形成洞臉,15 d完成管棚施工,7 d待強(qiáng)后開(kāi)始進(jìn)洞施工,約 40 d可進(jìn)洞施工形成洞內(nèi)作業(yè)面;而采用高邊坡開(kāi)挖及支護(hù)共分三級(jí),平均每 25 d開(kāi)挖及支護(hù)完成一級(jí)邊坡,開(kāi)挖及支護(hù)施工需要 75 d方可進(jìn)洞施工形成洞內(nèi)作業(yè)面。與之相比,管棚施工至少節(jié)約 1個(gè)月的工期;從成本經(jīng)濟(jì)合算分析,導(dǎo)流洞出口邊坡開(kāi)挖及支護(hù)造價(jià)為 75萬(wàn)元,而采用管棚支護(hù)造價(jià)為 32萬(wàn)元,節(jié)約成本 40多萬(wàn)元;從施工安全角度分析,高邊坡開(kāi)挖及支護(hù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高,而管棚方案則大大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);從環(huán)境保護(hù)角度分析,管棚方案降低了邊坡的開(kāi)挖高度,減少了對(duì)植被的破壞面積及水土流失;從節(jié)能降耗分析,管棚施工大大減小了邊坡開(kāi)挖及支護(hù)工程量,減少了土石方機(jī)械的油料等能源消耗,減少了鋼筋、水泥等原材料的消耗;綜合以上對(duì)比,采用管棚方案無(wú)論是在節(jié)約工期、保證施工安全、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能降耗等方面,還是在經(jīng)濟(jì)合算、降低成本方面以及社會(huì)效益等,管棚方案均為導(dǎo)流洞出口的最優(yōu)方案。最終確定采用 φ108(壁厚 δ=6 mm)無(wú)縫鋼管管棚配型鋼支撐加強(qiáng)支護(hù)鎖口提前進(jìn)洞的施工方案,計(jì)劃管棚施工兩個(gè)循環(huán)。

4 管棚型鋼法施工及控制

4.1 施工準(zhǔn)備

管棚型鋼支護(hù)前,洞臉土石方已經(jīng)開(kāi)挖完成,形成洞臉,鉆機(jī)的腳手架和操作平臺(tái)已經(jīng)搭設(shè)完畢,鉆機(jī)已經(jīng)就位,管棚的孔位和孔向已經(jīng)確定,管棚花管已經(jīng)準(zhǔn)備完成,灌漿設(shè)備已經(jīng)到位,型鋼拱架開(kāi)始制作等。

4.2 鉆孔和洞臉支護(hù)

管棚棚管布置在半圓的頂拱范圍,中心間距0.6 m,造孔采用 300型地質(zhì)鉆機(jī),鉆機(jī)平臺(tái)采用腳手架搭設(shè),上鋪 5 cm厚木板并做圍欄等安全防護(hù),孔向洞軸線(xiàn)徑向外展 3°,孔深平均為 12 m,孔徑 130 mm,嚴(yán)格控制鉆孔角度,尤其是開(kāi)孔后連續(xù)進(jìn)行測(cè)控,直至孔向符合要求為止,每一孔均盡量鉆取巖芯并對(duì)鉆孔取出的巖芯做好標(biāo)記,將其作為勘探和地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要資料;鉆孔期間,同時(shí)進(jìn)行洞臉和洞臉邊坡的掛網(wǎng)錨噴支護(hù),并做好洞臉邊坡排水溝和漿砌石攔石坎,見(jiàn)圖 2。

圖2 導(dǎo)流洞出口實(shí)際施工情況圖

4.3 下 管

每一孔成孔后,立即將準(zhǔn)備好的 φ108無(wú)縫鋼管(已做成花管,每 m設(shè) 1個(gè) φ20孔)按編號(hào)對(duì)應(yīng)送入相應(yīng)孔內(nèi),孔內(nèi)無(wú)小掉塊、小塌孔現(xiàn)象的可人工直接將棚管推入孔內(nèi),對(duì)于孔內(nèi)的一些小掉塊、小塌孔用沖擊鉆機(jī)頂管進(jìn)孔,整個(gè)過(guò)程未出現(xiàn)較大的塌孔,大部分可人工并輔以 YT-28風(fēng)鉆入孔。為了提高管棚的抗剪能力,每一無(wú)縫鋼管內(nèi)再填入由 3根φ25鋼筋點(diǎn)焊組成的鋼筋束。灌漿管和排氣管同時(shí)隨無(wú)縫鋼管下入孔內(nèi)。

4.4 灌漿固結(jié)控制

由于洞頂覆蓋層較薄,最薄處僅為 2.3 m,故按無(wú)蓋重進(jìn)行灌漿設(shè)計(jì),水泥采用 P.O42.5普通硅酸鹽水泥,初始灌漿壓力為 0.2 MPa,開(kāi)灌水灰比為 2∶1,漿液分為 2∶1、1∶1和 0.8∶1三個(gè)比級(jí),結(jié)束灌漿壓力為 0.25 MPa。先從拱腳孔開(kāi)灌,采取間隔分序、孔間加密原則進(jìn)行灌漿。

4.5 小導(dǎo)管代換施工

管棚的主要作用為頂托上部坡積體及風(fēng)化巖,主要承力為頂部棚管。為加快施工進(jìn)度,在兩側(cè)邊拱處各間隔取消兩根 φ108棚管,代換為四根 φ48注漿小導(dǎo)管,小導(dǎo)管仍為花管,每循環(huán) 3.5 m,有效長(zhǎng)度 1.5～2.0 m,φ108管棚灌漿完成后灌注注漿小導(dǎo)管(圖 3)。

圖3 棚管及小導(dǎo)管布置圖

4.6 鋼支撐鎖口

在洞口安設(shè)一榀 I25工字鋼拱架支撐,頂拱與棚管及小導(dǎo)管牢固焊接,直墻部分 采用間隔1.0 m固定(鎖腳)錨桿與巖體錨固,錨桿為錨固劑錨桿,深入巖體 3.0 m。

5 進(jìn)洞開(kāi)挖

5.1 直接挖除

用 PC240挖掘機(jī)挖除掌子面下半部分的風(fēng)化巖體,進(jìn)尺 1.0 m。對(duì)于上半部分挖掘機(jī)挖不到的部位,采用松動(dòng)爆破后人工清理挖除,直至設(shè)計(jì)開(kāi)挖線(xiàn)滿(mǎn)足型鋼拱架支護(hù)的斷面尺寸要求,再間隔 0.8 m安設(shè)型鋼拱架并進(jìn)行掛雙層網(wǎng)噴混凝土支護(hù)。

5.2 弱爆破洞挖施工

對(duì)于挖掘機(jī)不能直接開(kāi)挖的部分采取弱爆破松動(dòng)后再開(kāi)挖。進(jìn)洞的前幾米,先對(duì)下半洞進(jìn)行松動(dòng)爆破,再對(duì)上半洞進(jìn)行二次擴(kuò)挖爆破,進(jìn)尺至6 m左右時(shí),洞口的加強(qiáng)支護(hù)已經(jīng)完成,6 m以后再采用全斷面爆破開(kāi)挖。

5.3 型鋼拱架及小導(dǎo)管跟進(jìn)支護(hù)

每次控制開(kāi)挖進(jìn)尺為 1.0 m左右,并及時(shí)進(jìn)行型鋼拱架支撐配合掛網(wǎng)錨噴支護(hù),前三榀型鋼拱架間距 0.3 m,第四榀與第三榀之間 0.5 m,其余各拱架之間根據(jù)圍巖情況在 0.5～0.8 m之間微調(diào),最大間距不超過(guò) 1.0 m,開(kāi)挖至注漿小導(dǎo)管有效范圍后,及時(shí)進(jìn)行小導(dǎo)管施工。

當(dāng)開(kāi)挖至管棚有效范圍后,經(jīng)參建各方現(xiàn)場(chǎng)對(duì)開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況進(jìn)行分析后得知,已不需要再繼續(xù)進(jìn)行管棚施工,只需進(jìn)行型鋼拱架支撐配合掛網(wǎng)錨噴支護(hù)即可確保圍巖穩(wěn)定,故本方案只施工一個(gè)循環(huán)的大管棚。

6 施工中的安全監(jiān)測(cè)

管棚灌漿施工期間,在開(kāi)挖的洞臉邊坡上設(shè)置了觀測(cè)點(diǎn)。進(jìn)洞施工期間,在型鋼支撐上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn),采用全站儀進(jìn)行初始觀測(cè)及變形觀測(cè)。整個(gè)施工過(guò)程無(wú)論是洞臉還是洞內(nèi)圍巖,變形量均滿(mǎn)足安全要求,管棚型鋼加強(qiáng)支護(hù)效果非常好。

7 結(jié) 語(yǔ)

地洛水電站導(dǎo)流洞出口施工并未采取常規(guī)的混凝土明拱鎖口,從而避免了混凝土施工工序復(fù)雜及混凝土與洞臉不能很好連接的問(wèn)題,而是采用比較適合的管棚固結(jié)灌漿形成拱圈的加強(qiáng)支護(hù)方案提前進(jìn)洞,減少了邊坡開(kāi)挖及支護(hù)的工程量,節(jié)約了寶貴的工期并節(jié)約了 30%以上的成本;同時(shí),減少了邊坡開(kāi)挖對(duì)植被的破壞和對(duì)穩(wěn)定邊坡的擾動(dòng),確保了邊坡的安全。地洛水電站導(dǎo)流洞出口采用管棚型鋼法加強(qiáng)支護(hù)提前進(jìn)洞施工的出口段及洞臉邊坡,在導(dǎo)流洞整個(gè)施工期間經(jīng)歷了2006年 7月 7日 20年一遇超標(biāo)洪水和 2006年 9月 18日大洪水及整個(gè)汛期的各種雨水,直至今日已經(jīng)過(guò)多年的時(shí)間考驗(yàn)其依然安全穩(wěn)定。另外,在管棚施工中,若遇塌孔嚴(yán)重情況,可提前根據(jù)巖石特性選擇跟管鉆孔法施工方案和機(jī)械。