復(fù)雜地質(zhì)條件下的洞挖施工技術(shù)

雷子祥

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016)

在水利水電施工中，隧洞施工工程項(xiàng)目不同，遇到的地質(zhì)情況也是不同的，洞挖施工方法將會(huì)不同。對(duì)于地質(zhì)情況較差的 Ⅳ、Ⅴ圍巖及特殊地質(zhì)地層段的洞挖施工方法更為不同。

1 工程情況

蓮麓一級(jí)水電站左右岸灌漿平洞工程區(qū)位于甘肅省西南部渭源、康樂交界處的洮河干流九(甸峽)～海(甸峽)河段上，為無調(diào)節(jié)河床式水電站。以洮河為界，左岸行政隸屬康樂縣蓮麓鄉(xiāng)管轄，右岸屬渭源縣峽城鄉(xiāng)管轄。電站距上游九甸峽水電站廠房約6.0km，下游距蓮麓二級(jí)(峽城)水電站約5.1km。工程區(qū)北距蘭州市約178km，現(xiàn)有九甸峽水利樞紐專用公路相通，對(duì)外交通十分方便。

蓮麓一級(jí)水電站工程主要以發(fā)電為主，正常蓄水位2067.0m，庫容800.14萬 m3，總裝機(jī)容量66MW(3×22MW)，屬中型III等工程，主要建筑物為3級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。

左岸灌漿平洞位于左壩肩壩左0－100.22～壩左0－134.72，總長34.5m，其中壩左0－100.22～壩左0－104.22為澆筑高位水池時(shí)下部結(jié)構(gòu)作為明拱段，長度為4.0m;剩余部位需要在左壩肩巖石內(nèi)開鑿成“城門洞”型，開挖斷面尺寸為3.4m×4.5m(寬×高)(斷面面積14.435m2)。

右岸灌漿平洞位于右壩肩，總長為37.0m，其中明洞長度為16.0m，采取現(xiàn)澆混凝土，內(nèi)部凈尺寸為4.0m×5.2m(寬×高);開挖隧洞斷面分兩種

形式，I型隧洞斷面開挖尺寸為5.3m×6.6m(寬×高)(斷面面積31.935m2)，支護(hù)完成后的隧洞斷面尺寸為4.0m×5.2m(寬×高)，II型隧洞斷面開挖尺寸為 3.6m×4.55m(寬 ×高)(斷面面積15.0m2)，支護(hù)完成后的隧洞斷面尺寸為2.5m×3.5m(寬 ×高)，支護(hù)完成后底板高程為2068.50m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 左岸

壩址位于柳林溝逆斷層(F4)與磨溝～宗石平移逆斷層(F5)之間的三角區(qū)地帶。F4斷層產(chǎn)狀NW290°～ 310°SW ∠65°～ 80°，F(xiàn)5 斷層產(chǎn)狀NW315°～335°NE∠65°～75°，兩斷層的交匯點(diǎn)位于壩址上游的柳林村北，距壩線0.9km，受兩斷層的擠壓、推覆影響，壩址區(qū)巖層的小型拖曳褶曲和次一級(jí)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，主要有F23～F30等次一級(jí)斷層。在技施開挖揭露范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)上覆塊碎石土層和階地堆積層被上述斷層斷錯(cuò)的形跡，均屬于第四紀(jì)晚期以前斷層。

根據(jù)勘探平洞資料:壩線左岸泥質(zhì)灰?guī)r地層中，有巖溶形成的小溶洞、溶孔和溶隙，多沿構(gòu)造及卸荷裂隙交匯帶發(fā)育，岸坡溶洞和溶孔以垂直和斜坡向?yàn)橹鳎较虼沃?，并多為粉質(zhì)壤土、粘土充填或半充填;河床左側(cè)泥質(zhì)灰?guī)r的溶洞(孔)內(nèi)粉質(zhì)粘土充填較好，連通性較差。

根據(jù)壩線樞紐區(qū)磚紅色泥質(zhì)灰?guī)r、淺肉紅色灰?guī)r的物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)成果，結(jié)合壩基巖體受風(fēng)化、構(gòu)造擠壓后的破碎程度，按GB50287-99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》壩基巖體工程地質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，左壩肩巖體屬于中硬巖BⅢ類巖體。

左岸灌漿平洞根據(jù)開挖揭露，隧洞圍巖為二疊系棕紅色、肉紅色的泥質(zhì)灰?guī)r、姜黃色碎裂結(jié)構(gòu)的灰?guī)r，巖體中微裂隙極其發(fā)育，將巖體切割成棱形塊體，偶見有沿洞四周伸展的裂隙，充填巖屑及泥質(zhì)物。偶見有溶隙、溶孔，充填泥質(zhì)物，形狀不規(guī)則，連通性差。在洞頂、側(cè)壁局部塌落、掉塊，洞頂塌落深度超過設(shè)計(jì)開挖線0.6～1.0m，目前掌子面上巖性以碎裂結(jié)構(gòu)的灰?guī)r為主，經(jīng)過爆破后，巖體呈松散的巖渣，但結(jié)構(gòu)比較密實(shí)。根據(jù)GB50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄N可劃分為Ⅳ類圍巖。圍巖的自穩(wěn)時(shí)間短，可能發(fā)生較大規(guī)模的各種變形和破壞。

2.2 右岸

右岸原勘探資料:上部為階地沖洪積砂卵礫石、坡積塊碎石土，厚度不等，結(jié)構(gòu)松散，基底以右岸F5斷層為界，西側(cè)為二疊系上統(tǒng)(P2)褐紫色泥質(zhì)灰?guī)r、肉紅色～灰白色灰?guī)r、紫紅色及灰綠色粉砂巖的夾層組合，巖層呈一背斜和向斜構(gòu)造，與壩線呈62°～82°角相交;東側(cè)為三迭系中統(tǒng)(T2)厚層灰?guī)r夾薄層砂巖、粉砂巖，巖層單斜傾向坡內(nèi)，與壩線呈62°～82°交角。

根據(jù)右岸灌漿平洞開挖揭露洞內(nèi)巖性:洞0+026.3～洞0+029.7段為坡積塊、碎石土，結(jié)構(gòu)松散，根據(jù)GB50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄N可劃分為極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖。

洞0+029.7～洞0+050段為三疊系灰黃色變質(zhì)砂巖、青灰色含粉砂泥鈣質(zhì)板巖夾細(xì)砂巖，巖性軟弱，微裂隙發(fā)育，層面清晰可見，單層厚度0.05～0.23m，巖體的產(chǎn)狀:NW348°NE∠50°，巖層走向與洞軸線夾角約50°，洞子下右側(cè)最大超挖0.8m，存在片幫、掉塊現(xiàn)象。根據(jù)GB50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄N可劃分為Ⅴ類圍巖。

在進(jìn)洞掌子面上上部為三疊系基巖，下部為F5斷層破碎帶，呈現(xiàn)淺姜黃色斷層角礫巖、碎裂巖、壓碎巖、糜棱巖，以粒狀、碎渣狀為主，見圖1。

圖1 右岸邊坡地質(zhì)圖片

3 施工方法

針對(duì)上述地質(zhì)情況，左右岸平洞采取了不同的開挖方法。

3.1 左岸平洞

針對(duì)左岸巖石情況，指定的相應(yīng)方案為:對(duì)洞口開口線以上的巖石邊坡進(jìn)行素噴混凝土，以保證開口線以上巖石不會(huì)出現(xiàn)坍塌和滾石現(xiàn)象。進(jìn)洞前鎖口采用“大管棚加鎖口錨桿”結(jié)合的方式進(jìn)行施工，進(jìn)洞后采用“小管棚加短進(jìn)尺加及時(shí)、密支護(hù)加系統(tǒng)錨桿、隨機(jī)錨桿的方法進(jìn)行施工。進(jìn)入新鮮巖石后采用常規(guī)洞挖施工。

3.1.1 施工程序流程

施工程序?yàn)?施工準(zhǔn)備→支撐、加固鋼拱架→鉆孔→頂進(jìn)鋼管棚→清孔→注漿管路檢查→注漿→進(jìn)入下道工序。

圖2 管棚施工工藝流程圖

3.1.2 進(jìn)洞前鎖口施工方法

首先在洞口開口線以上的巖石邊坡素噴混凝土完成后，搭設(shè)造孔和注漿平臺(tái)，同時(shí)進(jìn)行大管棚鋼管和鋼拱架的制作。大管棚制作采用外徑48mm，壁厚3.5mm，長度3m，鋼管上采用臺(tái)鉆鉆注漿孔擴(kuò)散孔，孔徑5～10mm，孔間距20cm，呈梅花型布置，尾部留不鉆孔的止?jié){段100cm。

支護(hù)加固鋼拱架的制作采用Ⅰ18工字鋼制作的鋼拱架在制作平臺(tái)上進(jìn)行加工，圓弧段與直段的連接采用連接板現(xiàn)場焊接。造孔平臺(tái)形成以后，測量人員現(xiàn)場放線，大管棚和鎖扣錨桿沿圓拱段180°范圍交錯(cuò)布置，管棚和鎖口錨桿環(huán)向間距均為50cm，錨桿采用Φ25螺紋鋼。

造孔采用TY-28型氣腿式手風(fēng)鉆，管棚鉆孔直徑不小60mm，鉆機(jī)定位、鎖口錨桿鉆孔直徑不小于40mm:鉆孔方向與洞軸線平行，上仰傾角為1°～3°且不大于5°。

圖3

注漿孔口管應(yīng)牢固焊接在第一品工字鋼支撐上，鋼拱架安設(shè)的平面位置、傾角、外插角的準(zhǔn)確度將直接影響管棚鉆孔的質(zhì)量，應(yīng)用測量儀以坐標(biāo)法在工字鋼架上定出其平面位置;用水準(zhǔn)尺配合坡度尺設(shè)定孔口管的傾角;用前后差距法設(shè)定孔口管的外插角。鋼管頂進(jìn)到位后，用小木楔在鋼管與圍巖壁楔緊，再用防水膠泥(錨固劑)將空隙封閉住。注漿孔口與注漿泵之間用橡膠軟管相連，兩端用8#鉛絲綁扎固定。

以上工作完成以后，對(duì)管棚進(jìn)行清孔、注漿，考慮巖石情況，注漿初始?jí)毫?.2MPa，終壓采用0.5MPa，終壓值參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整，單根鋼花管的注漿量按下式估算:

Q=πRk2Lη

式中:Q—注漿量。Rk—漿液擴(kuò)散半徑，取Rk=0.6Lo，Lo為鋼花管中中至中的距離。L—鋼花管長度。η—空隙率(%)，斷層破碎帶 5%。Q=0.04m3。

水泥漿液水灰比:1∶1(重量比)。錨桿安裝好以后注漿的漿液比例為水泥:砂:1∶1～1∶2(重量比);水泥:水:1∶0.38 ～1∶0.45。

注漿用的漿液由高速制漿機(jī)拌制。采用注漿機(jī)將水泥漿注入管棚鋼管內(nèi)，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量或達(dá)到終壓0.5MPa后可停止注漿。將注漿機(jī)閘閥關(guān)閉，卸下進(jìn)漿管，彎折后固定于注漿孔部位，進(jìn)入下一循環(huán)。

洞臉的大管棚及鎖口工作完成后，按常規(guī)方法進(jìn)行洞進(jìn)口明拱段混凝土施工，明拱段混凝土施工模板采用滿堂腳手架、自制拱架以及標(biāo)準(zhǔn)3015和1015鋼組合模板，混凝土運(yùn)輸采用混凝土罐車，入倉采用HB60混凝土泵，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，拆除腳手架和模板，開始進(jìn)行進(jìn)洞開挖，洞挖鉆孔采用TY-28型氣腿式手風(fēng)鉆鉆孔，中間菱形單空孔掏槽，周邊光面爆破，全斷面開挖一次成洞的施工方法，出渣采用裝載機(jī)運(yùn)至洞外壩頂，裝到15t自卸汽車運(yùn)至棄渣場。

在第一次洞口進(jìn)尺時(shí)，控制進(jìn)尺為0.8～1.0m，第二循環(huán)開挖增加進(jìn)尺至1.2m，進(jìn)洞至10m后，控制每循環(huán)進(jìn)尺在1.8～2.0m左右。施工中由于巖石破碎，為保證每個(gè)循環(huán)開挖后巖石的穩(wěn)定和安全，在進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)施工前先安裝超前錨桿，錨桿為Φ25螺紋鋼，采用TY-28手風(fēng)鉆造孔，與壩軸線呈7°夾角，孔深為3.0m，錨桿間距為20～30cm。同時(shí)在每個(gè)循環(huán)鉆爆出渣完成后立即進(jìn)行拱架支護(hù)、掛網(wǎng)噴錨。

由于巖石非常破碎，鋼拱架的安裝間距采用40cm，嚴(yán)格保證開挖工程中的安全問題。待鋼拱架安裝完成后，用直徑22螺紋鋼將鋼拱架連接牢靠，間距布置50cm，特殊部位還采取了鋼管與鋼拱架、巖石間的支撐加固方式。連接鋼筋安裝完成后，進(jìn)行系統(tǒng)錨桿和隨機(jī)錨桿的施工，常規(guī)手風(fēng)鉆造孔，錨桿安裝，水泥藥卷充填，在此不做細(xì)說。錨桿施工完成后，進(jìn)行掛網(wǎng)、噴混凝土施工，掛網(wǎng)鋼筋6.5盤條，噴混凝土為C20、15cm厚，全斷面噴護(hù)，見圖4。

圖4 右岸平洞支護(hù)后圖片

3.2 右岸平洞

考慮右岸平洞進(jìn)口有8m位于坡積體上，要處理邊坡，工程量非常之大，工期非常長，為了盡早施工，與設(shè)計(jì)單位商定，右岸平洞兩部分，也就分為兩種不同斷面，I型隧洞的斷面尺寸必須滿足進(jìn)洞后底板固結(jié)灌漿要求(跟管鉆機(jī)造孔)。II型洞與左岸平洞尺寸一致。

3.2.1 I型隧洞施工

考慮I型隧洞位于坡積體上的，首先進(jìn)行邊坡坡腳清理，然后進(jìn)行混凝土洞臉澆筑，澆筑厚度為1.5～1.8m，城門洞型，在澆筑前，在頂拱180°范圍內(nèi)開挖線以外60cm預(yù)埋Dg100鋼管，鋼管長度1.5～1.8m，混凝土澆筑采用混凝土泵，混凝土模板拆除以后進(jìn)行坡積體上的超前固結(jié)灌漿施工見圖5。水平孔的造孔施工，采取在洞臉混凝土上預(yù)埋鋼管確定孔位，直接用履帶液壓鉆機(jī)打孔(設(shè)計(jì)孔深8m)，無需采用其他設(shè)備，出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象的處理辦法即提前灌漿，待凝后繼續(xù)鉆進(jìn)灌漿。超前固結(jié)孔共布置了38個(gè)孔。

超前固結(jié)工作完成以后進(jìn)行進(jìn)洞開挖，洞挖采取短進(jìn)尺施工，開挖采用小反鏟與人工共同開挖的方法，局部孤石可采用小范圍解爆的措施，一榀鋼拱架的安裝即為一個(gè)開挖進(jìn)尺，支護(hù)采用18工字鋼制作鋼拱架，間距30～40cm，采用在鋼拱架上打孔，孔眼直徑滿足鋼架管要求即可，在頂拱180°范圍內(nèi)，布滿用鋼管制作而成的小管棚，間距為20cm。一個(gè)循環(huán)施工完成后，立即視現(xiàn)場情況進(jìn)行隨機(jī)錨桿的施工，掛網(wǎng)、噴混凝土施工過程同左岸施工工藝。開挖完成至8m進(jìn)入較好的基巖，即進(jìn)入II型斷面。

3.2.1 II型隧洞施工

II型洞的開挖相對(duì)平穩(wěn)，采取了常規(guī)洞子的開挖施工，即手風(fēng)鉆打孔，周邊光爆、中部掏槽，開挖進(jìn)尺在1.8～2m間，一個(gè)循環(huán)進(jìn)行了鋼拱架安裝，間距60cm，系統(tǒng)錨桿與隨機(jī)錨桿的施工、掛網(wǎng)鋼筋6.5mm，噴混凝土 C20全斷面15cm的方法。

4 特殊情況處理(主要為冒頂施工處理)

在左岸開挖的過程中，在洞口位置，按原設(shè)計(jì)施工時(shí)，出現(xiàn)冒頂詳見圖6，開天窗的情況發(fā)生，天窗位置約為進(jìn)尺距離6m，左右5m，高程方向約為20m。已安裝完成的鋼拱架被砸壞3榀。采取的施工方法如下。

首先對(duì)已安裝的3榀鋼拱架進(jìn)行加固處理，處理辦法為:利用鋼管對(duì)鋼拱架進(jìn)行加固，鋼管一端與鋼拱架焊接，另外一段抵到巖石面上。

圖5 超前固結(jié)灌漿造孔圖

然后人工配合裝載機(jī)將洞內(nèi)坍塌的碎石清理干凈，包括平洞上方的坍塌石渣，邊坡上有松動(dòng)的小巖石塊，視其穩(wěn)定程度，集中進(jìn)行清理，清理出來的石渣利用壩頂門機(jī)吊渣斗直接卸入自卸汽車內(nèi)。待全部松散石渣清理完成后，在洞內(nèi)已安裝完成的鋼拱架兩側(cè)掏空部位增加漿砌石砌筑，兩側(cè)范圍各約為1m ×2.25m，另沿拱頂120°范圍內(nèi)布置螺紋鋼Φ20mm，單根長3m，間距10cm，有效的將鋼拱架連成一體，切實(shí)起到安全支護(hù)的作用。再沿平洞開挖輪廓線安裝鋼模板，模板吊掛與鋼拱架連接，分為3層澆筑混凝土，第1層均為1.5m厚度的C20混凝土，第3層采用C15混凝土進(jìn)行澆筑?；炷翝仓捎没炷帘萌雮}。

圖6 冒頂后的天窗圖片

在后續(xù)平洞開挖過程中，嚴(yán)格按照“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的施工要點(diǎn)，單循環(huán)進(jìn)尺前進(jìn)行超前錨桿的施工，對(duì)照如此破碎巖石的情況，采用螺紋鋼Φ25mm，單長3m的鋼筋作為錨桿，為保證錨桿施工質(zhì)量，在鋼拱架上打孔，采用TY-28手風(fēng)鉆造孔，與壩軸線成30°角，間距3m。

5 結(jié)語

在特殊地質(zhì)條件下進(jìn)行洞室的開挖應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的要點(diǎn)。

(1)首先要進(jìn)行混凝土洞臉的施工，如此可保證平洞開挖斷面的體型保證，直接進(jìn)洞，孔口極易產(chǎn)生喇叭口的形狀，給后續(xù)開挖帶來不便。

(2)開挖嚴(yán)格遵照“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的指導(dǎo)思想。

(3)開挖控制單耗藥量和單響藥量。

(4)安排專人查看施工過程中周邊巖石變化情況?？筛鶕?jù)具體地質(zhì)情況，表面素噴一層混凝土，用于容易觀察裂縫。