巴拉水電站溢洪洞進(jìn)口淺埋洞段開挖支護(hù)技術(shù)方案優(yōu)化

羅 來 宏, 張 自 淼, 舒 玉

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610072)

1 概 述

巴拉水電站位于四川省阿壩藏族自治州馬爾康市境內(nèi)腳木足河上,為二等大(Ⅱ)型工程,樞紐建筑物主要由首部樞紐、引水建筑物和廠區(qū)建筑物等組成。主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、溢洪洞、泄洪放空洞、引水隧洞、調(diào)壓室、地下廠房、生態(tài)機(jī)組等,最大壩高138.0 m。溢洪洞布置于面板堆石壩左岸,全長1199.0 m,由進(jìn)口漸變段(溢)0+34～0+64、上平段(0+64～0+94,0+200～0+574)、漸變段1(0+94～0+200)、泄槽段(0+574～1+233)組成;k0+000～0+574洞段坡比i=0.02,k0+574～1+233坡比i=0.110 7;溢洪洞進(jìn)口底板高程2 886.80 m,左岸繞壩公路高程2 928.00 m,進(jìn)口邊坡高程2 928.00～2 903.00 m開挖坡比為1∶0.3,高程2 903.00 m以下為垂直邊坡,進(jìn)口分布一條沖溝。隧洞進(jìn)口位于強(qiáng)卸荷帶內(nèi),圍巖為花崗巖,弱風(fēng)化為主,分布小斷層和風(fēng)化夾層,隧洞及外側(cè)邊墻部分處于松動(dòng)巖帶內(nèi),兩側(cè)邊墻存在節(jié)理不利組合可形成不穩(wěn)定塊體,溢洪洞進(jìn)口淺埋洞段成洞條件差。

2 溢洪淺埋洞段工程

受溢洪洞進(jìn)口下游側(cè)沖溝、上部公路和邊坡開挖影響,進(jìn)口前段約30.0 m(0+034～0+064)上覆巖體垂直埋深約15.0 m,最小埋深7.0～10.0 m,隧洞埋深不足1倍洞徑,屬于淺埋洞段,進(jìn)口淺埋段長度60.0 m(k0+034～0+094),淺埋段最大洞挖尺寸19.6 m×21.8 m;在溢洪洞進(jìn)口洞臉邊坡開挖過程中,洞臉外側(cè)邊坡發(fā)生局部垮塌,導(dǎo)致洞室埋深進(jìn)一步減少,(溢)0+034最小垂直埋深僅2.8 m,臨河側(cè)最小埋深僅4.1 m,溢洪洞進(jìn)口洞身段埋深情況統(tǒng)計(jì)見表1。隧洞位于強(qiáng)卸荷帶內(nèi),隧洞上及外側(cè)邊墻部分處于松動(dòng)巖帶內(nèi),兩側(cè)邊墻存在節(jié)理不利組合可形成不穩(wěn)定塊體,基于溢洪洞淺埋洞室段巖體裂隙發(fā)育、巖體完整性差,垂直埋深、右側(cè)埋深不足1倍洞徑[1],且洞室開挖斷面尺寸較大,故需要采取專門技術(shù)措施來保證洞挖圍巖穩(wěn)定。

表1 溢洪洞進(jìn)口洞身段埋深情況統(tǒng)計(jì)表

3 淺埋段洞室邊坡專項(xiàng)技術(shù)措施

溢洪洞進(jìn)口淺埋段(溢0+034～0+074)分為垮塌淺埋段(溢0+034～0+044)和非垮塌淺埋段(溢0+044～0+074)。在洞挖前首先對溢洪洞進(jìn)口淺埋洞段周圍巖體采取貼坡鋼筋混凝土、預(yù)固結(jié)灌漿、錨桿/錨筋束/預(yù)應(yīng)力錨索等措施進(jìn)行加固處理,其中預(yù)固結(jié)灌漿以在淺埋段區(qū)域邊坡及上部公路路面澆筑的鋼筋混凝土作為蓋重。

3.1 溢洪洞進(jìn)口淺埋洞段邊坡預(yù)固結(jié)灌漿加固措施

淺埋段對邊坡垮塌松散體清理及原始邊坡浮渣、腐殖土、樹根雜物等清除后,從隧洞底板高程2 887.00 m至公路高程范圍臨河側(cè)邊坡及洞臉至公路高程邊坡澆筑C25貼坡混凝土,貼坡混凝土厚度1.0～1.5 m,公路路面混凝土厚0.5 m,混凝土表層布設(shè)C20@20×20 cm鋼筋網(wǎng)。預(yù)固結(jié)灌漿垂直向下布置灌漿孔,間排距溢0+034～0+044段為2.0 m、0+044～0+074段為3.0 m交錯(cuò)布置,孔深約15.0～38.0 m,溢洪洞洞身范圍內(nèi)區(qū)域預(yù)固結(jié)灌漿約灌至隧洞半洞高程(2 896.00 m),洞身范圍外區(qū)域預(yù)固結(jié)灌漿灌至溢洪洞底板高程(2 887.00 m)。結(jié)合預(yù)固結(jié)灌漿加固巖體的目的,預(yù)固結(jié)灌漿經(jīng)過現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)后,根據(jù)試驗(yàn)成果結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,經(jīng)專題討論確定預(yù)固結(jié)灌漿條件為:具備成孔條件的采取一次性鉆孔成孔、全孔一次灌漿的施工工藝。能夠一次性成孔的,直接采用0.5∶1的純水泥漿進(jìn)行灌注,當(dāng)每米注漿耗灰量超過2 t且無壓力和回漿時(shí),改用水泥砂漿進(jìn)行灌注直至達(dá)到設(shè)計(jì)壓力且不再吸漿后正常結(jié)束。當(dāng)每米注漿耗灰量超過2 t,灌漿壓力已有明顯上升趨勢時(shí),繼續(xù)采用純水泥漿進(jìn)行灌注直至結(jié)束。當(dāng)巖體破碎,灌漿孔無法一次性鉆孔成孔時(shí),可先灌漿后再掃孔繼續(xù)灌漿(此時(shí)的灌漿段長不做嚴(yán)格規(guī)定),直至達(dá)到設(shè)計(jì)孔深,灌漿正常結(jié)束。當(dāng)灌漿孔鉆至孔底后因塌孔而孔深不足時(shí),直接采用水泥砂漿進(jìn)行灌注直至結(jié)束,并在待凝后對該孔進(jìn)行掃孔至設(shè)計(jì)孔深,再采用純水泥漿液進(jìn)行灌注。預(yù)固結(jié)灌漿Ⅰ序孔采用純水泥漿灌注時(shí)終孔壓力為設(shè)計(jì)壓力0.2 MPa,采用水泥砂漿灌注時(shí)終孔壓力調(diào)整為0.4 MPa;Ⅱ序孔終孔壓力為0.5 MPa[1],現(xiàn)場灌漿水泥用量均參照第一種能一次性成孔的情況進(jìn)行控制。

3.2 溢洪洞進(jìn)口淺埋洞段邊坡增加錨筋樁、錨桿、錨索等加強(qiáng)支護(hù)措施

進(jìn)口垮塌淺埋段(溢)0+034～0+074洞頂高程至洞底高程范圍內(nèi)臨河側(cè)邊坡坡面及洞臉邊坡布置水平(豎向)長短錨筋(錨筋束)。(溢)0+034～0+044段2 913.00 m高程以上沿洞臉坡面布置水平長短錨筋(束),間排距4.0 m,長錨筋束為3C28,L=18.0 m,間排距4.0 m;短錨筋為C28,L=9.0 m,間排距4.0 m,交錯(cuò)布置;2 913.00 m高程以下至洞頂高程布置兩排鎖口錨筋束,錨筋參數(shù)為3C28,L=18.0 m,間排距3.0 m;左岸公路路面高程以下外緣邊坡(洞臉邊坡)采用系統(tǒng)長短錨桿加固,長錨桿為C28,L=9.0 m,間排距4.0 m,短錨桿為C28,L=6.0 m,間排距4.0 m,局部不穩(wěn)定塊體設(shè)置2排150 t預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù),錨索長度約50.0 m,錨固段長度10.0 m。溢0+044～0+074段邊坡預(yù)固結(jié)灌漿完成后灌漿孔兼做錨筋孔,設(shè)置豎直向下的錨筋樁,錨筋樁參數(shù)為3C28,L=12.0 m,間排距3.0 m;左岸公路外緣邊坡(臨河側(cè)邊坡)局部不穩(wěn)定塊體和隧洞底部高程外側(cè)邊坡分別設(shè)置2排150 t壓力分散型錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),錨索參數(shù)同上。溢洪洞進(jìn)口淺埋段預(yù)加固處理措施見圖1。

圖1 溢洪洞進(jìn)口淺埋段預(yù)加固處理措施示意圖

4 溢洪洞進(jìn)口淺埋洞段爆破開挖措施

4.1 豎向鋼管樁

(溢)0+034.0～0+094.0段隧洞距離兩側(cè)邊墻30 cm處以公路和側(cè)向貼坡混凝土為施工平臺(tái),實(shí)施φ127豎向鋼管樁,靠山側(cè)邊墻鋼管樁間距1.0 m,臨河側(cè)邊墻鋼管樁間距0.5 m,鋼管樁至溢洪洞底板高程[2]。

4.2 超前管棚支護(hù)

(溢)0+034.0～0+094.0樁號(hào)段起拱線以上范圍采用φ125、壁厚8 mm、L=15 m熱壓無縫鋼管作超前大管棚,每排間距0.5 m,搭接長度5.0 m,管棚上仰角3°,管內(nèi)設(shè)3C28,L=15.0 m錨筋束。洞口管棚施工前,洞臉輪廓線外采取“I20工字鋼+C25鋼筋混凝土”明拱作管棚支撐基礎(chǔ),明拱自高程2 903.00 m起至拱頂采用“工字鋼+鋼筋混凝土”,高程2 903.00 m以下部分采用鋼筋混凝土形式,明拱斷面尺寸0.6 m×0.5 m(寬×厚)[3]。明拱上部采用2榀I20工字鋼組成,工字鋼中對中間距50 cm,明拱工字鋼底高程2 903.00 m。明拱起拱線以上部位混凝土內(nèi)部設(shè)置“C16@100 mm縱向鋼筋及C25@500 mm”雙層鋼筋網(wǎng)片,網(wǎng)片中間預(yù)置C160 PVC管作導(dǎo)向管,便于后續(xù)管棚施工;明拱起拱線以下部位立柱混凝土內(nèi)部設(shè)置“C25@100 mm豎向鋼筋及C16@300 mm箍筋”;每一個(gè)支撐內(nèi)布置7根C28、L=6.0 m錨桿(外露1.0 m),配合洞臉C32、L=9.0 m鎖口錨桿進(jìn)行加強(qiáng)固定。在高程2 903.00 m處先施作混凝土支撐墩,后續(xù)根據(jù)洞身每一層開挖進(jìn)度及時(shí)進(jìn)行明拱支撐墩下部立柱基礎(chǔ)及下一層支撐墩混凝土澆筑,待后續(xù)洞內(nèi)襯砌后對洞臉明拱及其附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除。為便于明拱立柱基礎(chǔ)混凝土入倉每一層支撐墩底部預(yù)留45°角楔口。

4.3 分臺(tái)階法施工

洞身開挖分臺(tái)階法施工,洞身開挖施工程序如下:

施工準(zhǔn)備→開挖斷面測繪→超前支護(hù)→鉆孔→爆破→通風(fēng)散煙→初期支護(hù)→出渣→下一循環(huán)開挖施工。

第一層臺(tái)階采取中導(dǎo)洞后擴(kuò)挖、數(shù)碼電子雷管爆破;第一層臺(tái)階開挖完成后依次進(jìn)行第二層、第三層及保護(hù)層臺(tái)階開挖。因受淺埋偏壓影響,第一層臺(tái)階開挖循環(huán)進(jìn)尺1.2～2.0 m,第二、三層、四層、五層及保護(hù)層開挖循環(huán)進(jìn)尺。

4.3.1 第一層開挖

第一層開挖主要分2區(qū)進(jìn)行,先對I-1區(qū)進(jìn)行開挖,為減小爆破震動(dòng)對上部巖體的擾動(dòng),I-1區(qū)再分3層進(jìn)行,先進(jìn)行中導(dǎo)洞開挖,中導(dǎo)洞開挖完成之后再分別進(jìn)行兩次頂部壓頂。導(dǎo)洞進(jìn)尺1.2～2.0 m,擴(kuò)挖進(jìn)尺1.2～2.0 m,擴(kuò)挖完成后對頂拱進(jìn)行安裝工字鋼拱架及噴錨支護(hù);I-2區(qū)施工,首先進(jìn)行靠山側(cè)開挖,待靠山側(cè)I-2區(qū)開挖支護(hù)完成后,再進(jìn)行靠河側(cè)I-2區(qū)開挖,待兩側(cè)Ⅰ-2區(qū)開挖后立即安裝I-2區(qū)工字鋼拱架及噴錨支護(hù)以保證洞身穩(wěn)定,防止坍塌傷人事故發(fā)生。

4.3.2 第二、三層、四層、五層開挖

進(jìn)口段第一層開挖支護(hù)貫通后,按設(shè)計(jì)斷面尺寸進(jìn)行第二、三層、四層、五層開挖,第三層在第二層開挖完成后進(jìn)行,層厚3.0 m,循環(huán)進(jìn)尺3.0 m,Ⅴ類圍巖開挖前應(yīng)做好超前支護(hù),開挖后及時(shí)按照設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行工字鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)及噴混凝土支護(hù),確保隧道圍巖穩(wěn)定。

4.3.3 保護(hù)層(1.5 m厚)開挖

第二、三、四、五層開挖及支護(hù)完成后,按設(shè)計(jì)斷面尺寸進(jìn)行保護(hù)層(1.5 m厚)開挖,循環(huán)進(jìn)尺3.0 m,Ⅴ類圍巖開挖前應(yīng)做好超前支護(hù),開挖后及時(shí)按照設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行工字鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)及噴混凝土支護(hù),確保隧道圍巖穩(wěn)定。

4.4 洞內(nèi)系統(tǒng)支護(hù)

溢洪洞進(jìn)口淺埋洞室設(shè)置I25 a工字鋼間距0.5 m、鎖腳錨桿C28,L=6.0 m、每榀工字鋼12根鎖腳錨桿;系統(tǒng)砂漿錨桿C28,L=6.0 m,間排距1.0 m,入巖5.5 m,交錯(cuò)布置;掛φ8 mm鋼筋網(wǎng)@20c m×20 cm,噴C20混凝土厚20 cm[4]。

為限制溢洪洞隧洞進(jìn)口段整體變形,減弱淺埋和強(qiáng)偏壓條件的影響作用,利于圍巖穩(wěn)定,保證溢洪洞進(jìn)口淺埋段洞室開挖成型施工安全及后續(xù)施工順利進(jìn)行。在前期溢洪洞進(jìn)口淺埋段預(yù)加固基礎(chǔ)上,在溢洪洞進(jìn)口樁號(hào)(溢)0+034.00～(溢)0+094.00段內(nèi)側(cè)邊墻新增2排1 500 kN壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索,錨索間距3.0 m,深度30.0 m。兩排錨索布置于內(nèi)側(cè)邊墻(順?biāo)飨蜃髠?cè)),第一排錨索布置于底板開挖線以上約11.8 m位置,第二排錨索布置于邊墻中部(底板開挖線以上約8.8 m位置),兩排錨索排距3.0 m,交錯(cuò)布置。

5 預(yù)防地質(zhì)塌方的控制措施

5.1 嚴(yán)格管理 落實(shí)措施

淺埋洞段圍巖地質(zhì)條件較差,開挖過程中為防止塌方必須采取精細(xì)化的控制措施。首先進(jìn)洞開挖前,進(jìn)口淺埋段預(yù)加固(預(yù)固結(jié)灌漿、錨桿/錨筋束、預(yù)應(yīng)力錨索、貼坡混凝土等)應(yīng)全部施工完成;第一循環(huán)超前大管棚安裝及注漿完成;在管棚超前支護(hù)的情況下,根據(jù)揭露的地質(zhì)情況進(jìn)一步增加超前錨桿或超前小導(dǎo)管再次進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)。其次應(yīng)根據(jù)揭露的圍巖情況,提前做好爆破設(shè)計(jì),鉆孔及裝藥參數(shù)應(yīng)根據(jù)上一循環(huán)的爆破效果結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整;鉆孔、裝藥、聯(lián)網(wǎng)爆破嚴(yán)格按爆破設(shè)計(jì)執(zhí)行,確保爆破設(shè)計(jì)落到實(shí)處;爆破開挖先測量放線,精準(zhǔn)控制爆破孔位;爆破遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、勤量測、強(qiáng)支護(hù)”的原則,開挖后必須完成設(shè)計(jì)全部支護(hù)措施后方可進(jìn)入下一循壞的開挖。初期支護(hù)施工,鋼拱架與巖面應(yīng)結(jié)合緊密,噴混凝土必須密實(shí),不得出現(xiàn)脫空。施工中設(shè)置變位觀測裝置,定時(shí)監(jiān)測,認(rèn)真進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取應(yīng)對措施,做到“早發(fā)現(xiàn)、早應(yīng)對、早處理”[4]。每一循環(huán)爆破后認(rèn)真進(jìn)行分析總結(jié),做到“一炮一總結(jié)”,以優(yōu)化爆破參數(shù),不斷提高爆破質(zhì)量。

5.2 做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

開挖過程中應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào),及時(shí)了解前方巖石情況,圍巖較差時(shí)提前制定相應(yīng)對策。地下洞室超前勘探孔的長度和尺寸應(yīng)以設(shè)計(jì)意見為準(zhǔn),最終勘探孔的位置、方向、長度和數(shù)量應(yīng)報(bào)業(yè)主或監(jiān)理批準(zhǔn)[5]。完成超前勘探后,應(yīng)立即通知設(shè)計(jì)代表和監(jiān)理工程師,并及時(shí)將超前勘探資料提交監(jiān)理。

6 結(jié) 語

巴拉水電站溢洪洞進(jìn)口淺埋洞段因地質(zhì)條件較差,又屬于強(qiáng)偏壓隧洞開挖,施工安全風(fēng)險(xiǎn)大,技術(shù)要求高。在召開專家咨詢會(huì)后,確定了洞挖前淺埋洞段邊坡預(yù)加固處理措施,即:溢洪洞進(jìn)口淺埋段通過預(yù)固結(jié)灌漿提高圍巖的整體性,改善巖體性能;同時(shí)增加貼坡鋼筋混凝土,并在貼坡鋼筋混凝土上采用豎向長短錨桿(錨筋樁)、水平錨桿(錨筋樁)、在坡腳(隧洞底板高程外側(cè))及巖體不穩(wěn)定區(qū)施以預(yù)應(yīng)力錨索等加固措施,提高了溢洪洞進(jìn)口淺埋段圍巖的整體穩(wěn)定性,為洞挖施工創(chuàng)造了有利條件。為了進(jìn)一步緩減隧洞開挖后偏壓對洞室造成的不利影響,還采用超前大管棚結(jié)合超前小導(dǎo)管(或超前錨桿)對隧洞頂拱進(jìn)行支護(hù),增強(qiáng)了頂拱圍巖的穩(wěn)定性。淺埋洞段開挖完成后,通過在洞室內(nèi)側(cè)邊墻新增2排1 500 kN壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索,減弱隧洞淺埋和強(qiáng)偏壓條件的影響作用,確保了溢洪洞進(jìn)口淺埋洞段的穩(wěn)定性。

實(shí)踐證明,對于特殊地質(zhì)條件下的淺埋偏壓隧洞開挖,必須要在充分的分析了解地質(zhì)情況下,經(jīng)過反復(fù)研究最終確定處理措施,施工單位根據(jù)該措施(正式下發(fā)的設(shè)計(jì)文件)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況編制專項(xiàng)施工方案,并按超過一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大分部分項(xiàng)編制和報(bào)審程序要求,經(jīng)審批同意后方可組織現(xiàn)場實(shí)施。