夾巖水利樞紐工程長石板隧洞施工開挖支護(hù)方案優(yōu)化調(diào)整研究

(貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550008)

1 工程概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程是國務(wù)院納入規(guī)劃建設(shè)的172項(xiàng)重大水利工程之一，同時(shí)也是貴州水利建設(shè)的“一號工程”，由水源工程、畢大供水工程、灌區(qū)骨干輸水工程等組成[1]。灌區(qū)骨干輸水工程由總干渠、北干渠、南干渠、金遵干渠等組成[2]。北干渠附廓前段共計(jì)6個(gè)施工標(biāo)段，其中北干渠4標(biāo)于白甫河左岸接北干3標(biāo)白甫河倒虹管出口，于木白河右岸接北干5標(biāo)木白河倒虹管進(jìn)口，全標(biāo)僅含長石板隧洞一座建筑物。長石板隧洞總長15.41km，進(jìn)口底板高程1285.43m，出口底板高程1280.56m，坡降3.3‰。輸水為無壓流，設(shè)計(jì)流量Q=30m3/s，加大流量Q=32.7m3/s，隧洞斷面型式采用圓形，半徑r=2.6m，設(shè)計(jì)水深h=3.815m，加大水深h=4.168m。

2 隧洞K7+360～K8+950洞段開挖支護(hù)現(xiàn)狀

2.1 洞段已開挖揭露圍巖狀況

長石板隧洞Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用全斷面C25鋼筋混凝土襯砌，厚度分別為0.40m、0.40m和0.50m。共布置6條支洞，施工圖階段，經(jīng)優(yōu)化變更共開挖5條支洞(取消原2號支洞)。隧洞K7+360～K8+950洞段位于4號與5號支洞之間，其中K8+038～K9+950段地表為果木洼地。目前，4號支洞下游K7+350～K7+492洞段已經(jīng)完成開挖支護(hù)。隧洞K7+360～K8+950洞段地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 隧洞K7+360～K8+950洞段地質(zhì)剖面

根據(jù)開挖情況揭露，長石板隧洞及4號支洞在T1yn4地層內(nèi)揭露的圍巖分為強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化兩類。一類是強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)圍巖，為薄層泥質(zhì)白云巖夾泥巖、泥灰?guī)r，微裂隙發(fā)育，開挖爆破后洞周松動圈明顯，洞頂圍巖垮落、脫空嚴(yán)重，圍巖自穩(wěn)能力差，無法實(shí)現(xiàn)長期自穩(wěn)；二類是全風(fēng)化狀態(tài)圍巖，為黃灰、灰色溶塌角礫巖，全風(fēng)化狀態(tài)下為黏土夾少量碎石，無產(chǎn)狀及裂隙，類似土狀，干燥狀態(tài)下呈硬塑狀，遇水后呈軟塑狀，尤其底板及拱腳處巖體經(jīng)施工擾動后則呈泥狀。爆破開挖后，洞頂圍巖垮塌嚴(yán)重，圍巖自穩(wěn)時(shí)間極短(見圖2～圖5)。

2.2 隧洞開挖初期支護(hù)問題

強(qiáng)風(fēng)化圍巖在富水狀態(tài)下垮落嚴(yán)重，但初期支護(hù)完成后，隧洞穩(wěn)定性較好，未發(fā)生初期支護(hù)明顯開裂、

圖2 4號支洞全風(fēng)化圍巖(濕潤狀態(tài))

圖3 4號支洞全風(fēng)化圍巖(富水狀態(tài))

圖4 主洞出口全風(fēng)化圍巖(干燥狀態(tài))

圖5 主洞全風(fēng)化圍巖(富水狀態(tài))

變形現(xiàn)象；但全風(fēng)化圍巖在富水狀態(tài)下，經(jīng)施工擾動承載力及抗變形能力急劇下降，多處發(fā)生初期支護(hù)開裂、變形現(xiàn)象。目前，4號支洞已開挖完成，該洞揭露的圍巖均為全風(fēng)化狀,且富水。4號支洞斷面為城門洞形,斷面尺寸7.2m×5.7m，在開挖過程中多次出現(xiàn)因拱腳變形引起拱圈開裂的現(xiàn)象。對底板進(jìn)行30cm換填和25cm混凝土硬化后，未發(fā)現(xiàn)有明顯拱圈開裂、變形現(xiàn)象。4號洞上游主洞開挖至6+985樁號，圍巖多為強(qiáng)風(fēng)化狀薄層泥質(zhì)白云巖夾泥巖、泥灰?guī)r；4號洞下游主洞開挖至7+495樁號，距離果木洼地約540m，已開挖的145m主洞圍巖均為全風(fēng)化狀態(tài)，富水相當(dāng)嚴(yán)重，自穩(wěn)能力極差，施工開挖后必須及時(shí)進(jìn)行加固支護(hù)處理。由于長石板隧洞設(shè)計(jì)開挖斷面為圓形，洞徑6.4m，開挖揭露圍巖以Ⅴ類為主，自穩(wěn)條件極差，必須將支護(hù)鋼拱架及時(shí)閉合，以減小拱頂沉降和拱壁收斂程度。經(jīng)施工現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析，即便將鋼拱架底部進(jìn)行及時(shí)閉合處理，但由于圓形洞底巖性軟弱、承載力差且浸水嚴(yán)重，施工中各種機(jī)械反復(fù)擾動后，基巖土體結(jié)構(gòu)破壞、泥化嚴(yán)重，沉降及變形移位導(dǎo)致支護(hù)鋼拱架發(fā)生變形、噴混凝土開裂和滲水等問題[3]，變形量以8～10cm為主，最大甚至達(dá)到20cm以上(見圖6～圖9)。

圖6 4號支洞下游主洞拱圈開裂(a)

圖7 4號支洞下游主洞拱圈開裂(b)

圖8 4號支洞下游主洞拱圈開裂(c)

圖9 4號支洞下游主洞拱圈開裂(d)

長石板隧洞位于果木洼地下部尚未開挖的洞段均為淺埋隧洞，且地表多為水田，在汛期洼地有積水現(xiàn)象，推測該洞段圍巖均為全風(fēng)化狀態(tài)且富水，與4號支洞及4號支洞下游K7+360～K8+038樁號段主洞圍巖情況類似，因此需對原主洞K7+360～K8+950樁號洞段的開挖斷面和初期支護(hù)方案進(jìn)行調(diào)整。

3 隧洞K7+360～K8+950洞段開挖支護(hù)方案優(yōu)化調(diào)整

長石板隧洞K7+360～K8+950洞段主要存在兩個(gè)問題：一是K7+360～K7+492為已經(jīng)開挖支護(hù)段，鋼支撐發(fā)生較大變形，尤其是拱腳90°位置內(nèi)凸嚴(yán)重，噴C20混凝土護(hù)壁出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象，存在安全隱患，需要進(jìn)行處理；二是針對前面K7+360～K7+492洞段出現(xiàn)的問題，后面K7+492～K8+950洞段的開挖及初期支護(hù)急需進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.1 K7+360～K7+492變形段處理方案

針對已開挖及初期支護(hù)變形的K7+360～K7+492洞段，采用底部增設(shè)鋼橫撐及塊石回填的加固處理方案(見圖10)，待后期二次混凝土襯砌時(shí)根據(jù)現(xiàn)場情況變形斷面進(jìn)行處理[4]。

圖10 K7+360～K7+492變形段處理方案

隧洞開挖支護(hù)變形段的處理方案為：先將隧洞變形段底部積水抽排干凈，并清除底部淤泥及雜物；在初期支護(hù)鋼支撐底部90°拱腳處增設(shè)橫撐(16號工字鋼，高160mm)；在橫撐至洞底范圍采用塊石回填，為便于排水，回填兩側(cè)塊石粒徑應(yīng)比中間大；在塊石回填頂部表面增加厚10mm的臨時(shí)保護(hù)鋼板；根據(jù)開挖隧洞現(xiàn)場出水位置及出水量，合理設(shè)置集水井，并配備相應(yīng)排水設(shè)施及時(shí)抽排洞底積水[5]。

3.2 K7+492～K7+542洞段開挖及初期支護(hù)方案

該段地質(zhì)條件與K7+360～K7+492段類似，如按照原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行開挖和初期支護(hù)，勢必會存在鋼支撐變形、噴混凝土開裂和滲水等問題。為確保開挖及初期支護(hù)方案與工程具有較好的匹配性，施工階段選取K7+492～K7+542洞段共50m試驗(yàn)段，分別采用城門洞形開挖支護(hù)(20m)和馬蹄形開挖支護(hù)(30m)兩種型式進(jìn)行試驗(yàn)，并在施工過程中監(jiān)測斷面變形情況，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定后續(xù)洞段的開挖及初期支護(hù)方案。試驗(yàn)段開挖及支護(hù)方案見圖11。

K7+492～K7+542試驗(yàn)段開挖及支護(hù)型式結(jié)構(gòu)參數(shù)為：城門洞形和馬蹄形開挖支護(hù)以原圓形開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過擴(kuò)挖澆筑二次混凝土進(jìn)行加固，其中，城門洞形開挖考慮頂拱及邊墻預(yù)留10cm變形量；鋼支撐：頂拱及邊墻采用型鋼支撐，型鋼采用16號工字鋼制作，每榀間距0.5m；鎖肩錨桿：鋼支撐肩部45°采用M20砂漿C25鎖肩錨桿，錨桿長3.0m，每端兩根；鎖腳錨桿：鋼支撐腳部45°采用M20砂漿C25鎖腳錨桿，錨桿長3.0m，每端兩根；系統(tǒng)錨桿：頂拱及邊墻采用M20砂漿C25錨桿，錨桿長3.0m，間排距1.5m；掛網(wǎng)噴混凝土：頂拱及邊墻采用單層φ8鋼筋網(wǎng)，間排距2.5cm×2.5cm；噴C20混凝土，厚度為1cm；頂拱120°范圍內(nèi)采用φ42×4mm小導(dǎo)管，不注漿，長4.5m；洞底塊石回填：回填25cm厚塊石墊層，為便于排水兩側(cè)塊石粒徑應(yīng)大，墊層上澆筑25cm厚C20混凝土底板，并設(shè)置伸縮縫，間距20m，縫寬2cm。

圖11 K7+492～K7+512洞段開挖及初期支護(hù)方案(單位：mm)

3.3 K7+542～K8+950洞段開挖及初期支護(hù)方案

隧洞K7+492～K7+542試驗(yàn)段施工變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，洞段改為城門洞形和馬蹄形兩種開挖支護(hù)型式，開挖后圍巖整體條件均得到有效改善，初期支護(hù)后未出現(xiàn)變形、噴混凝土開裂等問題，開挖支護(hù)效果較好，能滿足工程安全穩(wěn)定、高效優(yōu)質(zhì)施工需求。其中，馬蹄形開挖支護(hù)型式，其圍巖開挖量、后期回填量要比城門洞形小，單位施工成本低，最終K7+542～K8+950洞段優(yōu)選馬蹄形開挖支護(hù)型式。根據(jù)試驗(yàn)段監(jiān)測結(jié)果，隧洞斷面開挖后會出現(xiàn)平均8～9cm的沉降變形，因此隧洞開挖支護(hù)需預(yù)留10cm變形量，即：K7+542～K8+950洞段采用的馬蹄形開挖支護(hù)方案，需在原圓形開挖支護(hù)的基礎(chǔ)上擴(kuò)挖并考慮預(yù)留10cm變形量[見圖12，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)同圖11(b)]。

圖12 K7+542～K8+950洞段馬蹄形開挖及初期支護(hù)方案(單位：mm)

4 結(jié) 論

隧洞施工應(yīng)根據(jù)洞段揭露圍巖條件及變形監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整和確定開挖支護(hù)方案，確保工程安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理地施工建設(shè)。本文針對長石板隧洞施工開挖及支護(hù)方案優(yōu)化調(diào)整實(shí)際，經(jīng)分析研究得到以下主要結(jié)論：

a.長石板隧洞全風(fēng)化圍巖在富水狀態(tài)下，經(jīng)施工擾動基巖土體結(jié)構(gòu)破壞、泥化嚴(yán)重，鋼支撐承載力及抗變形能力急劇下降，存在支護(hù)開裂、變形等問題。

b.根據(jù)隧洞已開挖洞段鋼支撐變形破壞現(xiàn)狀，結(jié)合工程地質(zhì)條件，K7+360～K7+492洞段采用底部增設(shè)鋼橫撐及塊石回填的加固處理方案；K7+492～K7+542洞段作為試驗(yàn)段，按城門洞形開挖支護(hù)(20m)和馬蹄形開挖支護(hù)(30m)兩種型式進(jìn)行開挖及初期支護(hù)試驗(yàn)，并監(jiān)測斷面變形情況；根據(jù)試驗(yàn)段監(jiān)測分析成果，K7+542～K8+950洞段采用馬蹄形開挖支護(hù)型式，同時(shí)考慮擴(kuò)挖預(yù)留10cm變形量。優(yōu)化調(diào)整方案實(shí)施后，取得良好的開挖支護(hù)效果。

c.隧洞工程開挖施工中，應(yīng)根據(jù)洞段不同圍巖條件并收集資料進(jìn)行綜合分析，合理調(diào)整和確定開挖支護(hù)手段，使施工方案更加符合圍巖實(shí)際情況，確保施工安全。