復(fù)雜地質(zhì)條件下水工長(zhǎng)隧洞開挖支護(hù)方案優(yōu)化

徐 懿

(貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550028)

復(fù)雜地質(zhì)條件下水工長(zhǎng)隧洞開挖支護(hù)方案優(yōu)化

徐 懿

(貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550028)

結(jié)合木里河卡基娃電站引水隧洞的開挖施工，分析了該電站引水隧洞施工中所遇見的幾種典型地質(zhì)條件的開挖支護(hù)方案，并對(duì)各方案的開挖支護(hù)措施作了具體闡述，以促進(jìn)復(fù)雜地質(zhì)條件下水工長(zhǎng)隧洞開挖支護(hù)方案的研究。

復(fù)雜地質(zhì)條件，水工長(zhǎng)隧洞，開挖支護(hù)，處理方案

1 工程概況

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上，系木里河干流(上通壩—阿布地河段)水電規(guī)劃“一庫六級(jí)”的第二個(gè)梯級(jí)，是該河段梯級(jí)開發(fā)的“控制性水庫”工程，電站采用混合式開發(fā)。

水庫正常蓄水位2 850.00 m，正常蓄水位以下庫容3.583億m3；死水位2 800.00 m，相應(yīng)死庫容0.777億m3；校核洪水位2 852.20 m，總庫容3.745億m3，具有年調(diào)節(jié)能力。攔河大壩為面板堆石壩，最大壩高171 m，電站采用混合開發(fā)方式，引水隧洞長(zhǎng)6.36 km，電站裝機(jī)容量452.4 MW，多年平均年發(fā)電量17.14億kW·h。

引水線路經(jīng)過區(qū)地形較完整，溝谷切割淺，洞線長(zhǎng)約6.364 km，為典型的截彎取直線路。引水隧洞布置在木里河右岸，全長(zhǎng)6 364 m，縱坡降4.40 ‰，為有壓隧洞。斷面型式為圓形，直徑為8.2 m，隧洞垂直埋深一般為80 m～500 m，最深為810 m。引水隧洞在平面上共設(shè)有4個(gè)彎道，轉(zhuǎn)彎半徑均為100 m。第一個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)起點(diǎn)樁號(hào)K0+208 m，終點(diǎn)樁號(hào)K0+252.330 m，彎道中心角度25°7′11.83″；第二個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)起點(diǎn)樁號(hào)K1+982 m，終點(diǎn)樁號(hào)K2+027 m，彎道中心角度25°50′57.54″；第三個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)起點(diǎn)樁號(hào)K3+555 m，終點(diǎn)樁號(hào)K3+610 m，彎道中心角度31°47′7.08″；第四個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)起點(diǎn)樁號(hào)K6+235 m，終點(diǎn)樁號(hào)K6+287 m，彎道中心角度29°28′44.52″。引水隧洞全線采用鋼筋混凝土襯砌。引水隧洞共布置3條施工支洞，其中1號(hào)、3號(hào)支洞設(shè)置永久檢修門，2號(hào)支洞封堵。同時(shí)，1號(hào)施工支洞內(nèi)結(jié)合布置生態(tài)小電站壓力管道。

隧洞永久支護(hù)方案為：Ⅲ類圍巖洞段，襯砌厚30 cm；Ⅳ類圍巖洞段，襯砌厚60 cm；Ⅴ類圍巖洞段，襯砌厚80 cm。引水隧洞全段在頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，對(duì)Ⅳ，Ⅴ類圍巖洞段周邊進(jìn)行固結(jié)灌漿。洞室開挖后及時(shí)對(duì)頂拱240°范圍內(nèi)進(jìn)行一期支護(hù)。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)電站地質(zhì)勘察報(bào)告：卡基娃電站引水隧洞線路沿線無大溝谷，隧洞埋深總體較大，圍巖為新鮮基巖。穿越區(qū)山體渾厚，隧洞埋深較大，地層巖性以奧陶系下統(tǒng)人公組(O1r)板巖和石英砂巖互層為主，巖體新鮮，地質(zhì)構(gòu)造較單一，無區(qū)域性斷層通過。隧洞圍巖以不穩(wěn)定的Ⅳ類圍巖為主，部分為局部不穩(wěn)定的Ⅲ1,Ⅲ2類圍巖，由于地層走向與洞軸線呈小角度相交，總體上對(duì)洞室穩(wěn)定不利，隧洞的頂拱和內(nèi)側(cè)邊墻相對(duì)外側(cè)邊墻穩(wěn)定性較差；在線路的某一段圍巖可能連續(xù)出現(xiàn)較軟弱的板巖，洞室存在較大塑性變形的可能性；普爾斷層穿過段可能造成大規(guī)模塌方，局部洞段可能出現(xiàn)涌水、突水現(xiàn)象，深埋的變質(zhì)石英砂巖洞段可能產(chǎn)生輕微巖爆。

卡基娃水電站引水隧洞在開挖施工過程中，出現(xiàn)了較多典型性地質(zhì)問題。本文就卡基娃電站引水隧洞2號(hào)施工支洞支0+201 m～支0+351 m斷層破碎帶處理、2號(hào)支洞下游控制面K3+961 m～K3+985 m塌方段和3號(hào)支洞控制上游連續(xù)軟弱板巖段等典型洞段的開挖支護(hù)方案擬定，來研究討論復(fù)雜地質(zhì)條件下水工長(zhǎng)隧洞開挖支護(hù)方案的優(yōu)化選擇。

3 開挖支護(hù)施工方案選擇

卡基娃電站引水隧洞全長(zhǎng)6 364 m，縱坡降4.40 ‰，為有壓隧洞。斷面形式為圓形，直徑為8.2 m。隧洞施工時(shí)，共布置3個(gè)支洞，從上游～下游依次為1號(hào)施工支洞、2號(hào)施工支洞、3號(hào)施工支洞，依次布置于引水隧洞K1+211 m，K3+661 m，K6+272 m。在隧洞開挖施工過程中，針對(duì)不同類別地質(zhì)條件，施工主要采用了如下開挖支護(hù)方案：

針對(duì)隧洞Ⅲ類圍巖，隧洞開挖支護(hù)主要以隨機(jī)錨桿+噴5 cm厚C20混凝土支護(hù)為主；

針對(duì)隧洞Ⅳ類圍巖，隧洞開挖支護(hù)主要以系統(tǒng)錨桿+φ6.5鋼筋網(wǎng)(15 cm×15 cm)+噴10 cm厚C20混凝土支護(hù)為主；

針對(duì)隧洞Ⅴ類圍巖，隧洞開挖支護(hù)主要以型鋼支撐(Ⅰ18～Ⅰ20，間距75 cm～100 cm)+系統(tǒng)錨桿+φ6.5鋼筋網(wǎng)(15 cm×15 cm)+噴12 cm厚C20混凝土支護(hù)為主。型鋼型號(hào)、布置間距根據(jù)圍巖揭露、地下水、開挖質(zhì)量等情況進(jìn)行選定。

特殊地質(zhì)洞段開挖支護(hù)方案根據(jù)特定地質(zhì)條件優(yōu)選。

卡基娃引水隧洞開挖，其支護(hù)方案除復(fù)雜地質(zhì)洞段外，基本按照上述方案實(shí)施。

4 復(fù)雜地質(zhì)條件的開挖支護(hù)方案

4.1 2號(hào)施工支洞支0+201 m～支0+351 m斷層破碎帶塌方段開挖支護(hù)處理

由于此洞段埋深較淺，處于普爾大斷層帶，斷裂帶寬度較大，且?guī)r層走向與線路走向呈小角度相交，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖極其破碎，涌水較大，施工過程出現(xiàn)了多次塌方。鑒于洞段地質(zhì)情況，洞段開挖支護(hù)采用了如下施工方案：

1)超前支護(hù)。超前注漿小導(dǎo)管(φ42×3.5 mm，L=6 m)在隧道頂拱環(huán)向120°布置，間距30 cm，環(huán)向間距30 cm，縱向排距1.5 m。由于頂拱涌水量較大，水泥漿液注漿無法起到相應(yīng)作用，對(duì)此采用摻加水玻璃進(jìn)行雙液灌漿止水，待涌水止住后再進(jìn)行超前導(dǎo)管的注漿施工。

2)拱架支護(hù)。采用Ⅰ20b型鋼拱架支護(hù)，每榀鋼拱架設(shè)置16根鎖腳錨桿(φ25，L=3 m)；每榀拱架間距50 cm，拱架之間采用Φ22鋼筋連接，間距20 cm。由于空腔堆積物較多，而且還不斷有塊石掉落，采用Ⅰ20b型鋼制作成拱上拱提高拱頂承載力(根據(jù)實(shí)際情況定)。

3)系統(tǒng)支護(hù)及噴混凝土。跨過空腔后拱頂部分設(shè)置10根系統(tǒng)錨桿(φ25，L=3 m)，間排距1 m，梅花形布置；超前小導(dǎo)管及鎖腳錨桿均與型鋼拱架焊接牢靠。型鋼拱架內(nèi)外側(cè)均布置一層φ6.5鋼筋網(wǎng)(15 cm×15 cm)，網(wǎng)片與型鋼拱架焊接牢靠；每完成一榀即噴C20混凝土封閉，噴射厚度15 cm。

4)施工程序。由于掌子面塌方體已堆至拱頂以上，開挖時(shí)采用分上、下兩部的分部開挖支護(hù)方式進(jìn)行施工。利用塌方體修筑一個(gè)操作平臺(tái)，先進(jìn)行摻水玻璃的雙液灌注施工，待涌水止住后再進(jìn)行注漿小導(dǎo)管的施工，待導(dǎo)管施工完成后開挖30 cm～40 cm進(jìn)行鋼支撐、連接筋、鋼筋網(wǎng)與噴混凝土施工，待此循環(huán)完成后再進(jìn)行下一循環(huán)的施工。直至支撐至較好圍巖洞段后再進(jìn)行下半洞鋼支撐的接腿施工。

4.2 2號(hào)支洞下游控制面K3+961 m～K3+985 m塌方段開挖支護(hù)處理

引水隧洞K3+961 m～K3+985 m段圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)較差,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石產(chǎn)狀差,頂拱結(jié)構(gòu)形成極不穩(wěn)定體。在開挖施工過程中，引水隧洞K3+961～K3+985段頂拱出現(xiàn)大塌方，空腔高度大于8 m，總塌方量約1 100 m3。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)塌方情況，該塌方段采用分上、下導(dǎo)坑分別進(jìn)行處理的處理方案，具體處理方案如下：

1)上導(dǎo)坑處理方案。

超前支護(hù)。超前注漿小導(dǎo)管(φ42×3.5，L=6 m)環(huán)向120°布置，間距30 cm，環(huán)向間距30 cm，縱向排距1.5 m。由于頂拱有滲水外滲，對(duì)滲水量較大部位，采用摻加水玻璃進(jìn)行雙液灌漿止水，待涌水止住后再進(jìn)行超前導(dǎo)管的注漿施工。

型鋼支撐。采用Ⅰ20b工字鋼型鋼拱架，間距60 cm；每榀鋼拱架設(shè)置18根鎖腳錨桿(φ22，L=3 m)。拱架之間采用Φ22鋼筋連接，間距50 cm。拱架上部鋪設(shè)φ6.5(15 cm×15 cm)網(wǎng)片與型鋼拱架焊接牢靠。

由于塌方空腔高，頂拱上采用異型Ⅰ20b工字鋼架加工而成的鋼拱架，工字鋼應(yīng)緊貼巖面。

系統(tǒng)支護(hù)及噴混凝土?？邕^空腔后拱頂部分設(shè)置10根系統(tǒng)錨桿(φ25，L=3.0 m，間排距1.5 m梅花形布置)；超前小導(dǎo)管及鎖腳錨桿均與型鋼拱架焊接牢靠。型鋼拱架內(nèi)外側(cè)均布置一層φ6.5鋼筋網(wǎng)(15 cm×15 cm)，網(wǎng)片與型鋼拱架焊接牢靠；每完成一榀即進(jìn)行C20噴混凝土封閉，噴射厚度15 cm。

2)下導(dǎo)坑處理方案。

為確保后期混凝土澆筑前開挖下導(dǎo)洞的施工安全，使前期支護(hù)達(dá)到整體受力效果，下導(dǎo)坑開挖時(shí),需預(yù)開挖Ⅰ20b工字鋼支護(hù)尺寸,下導(dǎo)坑Ⅰ20b工字鋼拱架支撐與上導(dǎo)坑Ⅰ20b工字鋼拱架連接成整圓。拱架之間采用Φ22鋼筋連接，間距100 cm均勻布置。

在塌方部位搶險(xiǎn)施工期間，需要增加的支護(hù)措施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理可根據(jù)以上原則及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況先行安排施工。

4.3 3號(hào)支洞控制上游連續(xù)軟弱板巖段等典型洞段的開挖支護(hù)

卡基娃引水隧洞3號(hào)支洞上游控制段主要以連續(xù)軟弱板巖為主，且部分洞段有少量滲水，開挖后出露圍巖泥化較快，圍巖自穩(wěn)性較差。

對(duì)此洞段的開挖，爆破采用密孔、少藥量、低進(jìn)尺的開挖方式，開挖后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。對(duì)無滲水洞段，支護(hù)以型鋼支撐(Ⅰ18，間距100 cm)+系統(tǒng)錨桿(φ25，L=3.0 m，間排距1.5 m梅花形布置)+φ6.5鋼筋網(wǎng)(15 cm×15 cm)+噴12 cm厚C20混凝土支護(hù)為主。如遇滲水洞段，則在進(jìn)行型鋼支撐后，立即采用注漿小導(dǎo)管摻加水玻璃進(jìn)行雙液灌漿止水，再進(jìn)行錨桿和掛網(wǎng)噴混凝土處理。

5 結(jié)語

卡基娃水電站引水隧洞施工過程中部分洞段出現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)條件，隧洞開挖施工相繼出現(xiàn)了大斷層、塌方和連續(xù)軟弱板巖洞段，因施工中采取的措施及時(shí)、合理，使隧洞復(fù)雜地質(zhì)洞段開挖未出現(xiàn)大的傷亡。結(jié)合卡基娃電站引水隧洞復(fù)雜地質(zhì)條件洞段開挖支護(hù)與國內(nèi)相關(guān)工程隧洞開挖支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，水工隧洞對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件洞段的開挖支護(hù)方案總結(jié)如下：

1)作好地質(zhì)勘查與隧洞開挖地質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)，為開挖方案制定提供依據(jù)。

2)合理利用新奧法，及早作好初期噴混凝土支護(hù)，及時(shí)封閉開挖暴露圍巖，合理確定系統(tǒng)支護(hù)的噴錨參數(shù)。

3)對(duì)于自穩(wěn)時(shí)間短，噴錨初期支護(hù)強(qiáng)度不足以穩(wěn)定洞體的軟弱破碎、淺埋軟巖、嚴(yán)重偏壓、巖溶、流泥、砂層、砂卵、礫層、破碎以及大面積淋水或涌水地層隧道施工，可采用輔助措施和錨噴支護(hù)相結(jié)合的加固辦法進(jìn)行施工。

4)地質(zhì)條件較差，圍巖比較破碎的洞段開挖支護(hù)方案按“先深探、管超前、預(yù)注漿、小斷面、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、常量測(cè)”的原則組織。

[1] 丁 陽.復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工[J].施工技術(shù)，2003(8)：24-25.

[2] 赫建崗.隧道超前小導(dǎo)管注漿工藝及注漿量計(jì)算的探討[J].山西交通科技，2004(6)：17-18.

[3] 顧永智.不良地質(zhì)條件隧道施工影響因素及超前預(yù)報(bào)方法[J].中華建設(shè)，2011(5)：71-72.

Long hydraulic tunnel excavation support scheme optimization under complicated geological conditions

Xu Yi

(GuizhouVocationalCollegeofConstruction,Guiyang550028,China)

Combining with the diversion tunnel excavation of Mulihe Kajiwa power station, the paper analyzes diversion tunnel excavation scheme under several typical geological conditions of the power station, and specifically describes their own excavation support measures, with a view to promote the long tunnel excavation support scheme research under complicated geological conditions.

complicated geological conditions, long hydraulic tunnel, excavation support, processing scheme

2015-04-05

徐 懿(1974- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)17-0162-02

U455

A