青龍電站引水隧洞初期支護用鋼架的設計及應用

胡劍鋒, 高 俊

(1.四川華電岷江航電開發有限公司,四川 成都 610016;2.中國水利水電第九工程局有限公司,貴州 貴陽 550081)

水工隧洞的開挖受地質條件如巖性、巖石構造、地下水等各種因素的影響,常需要采用鋼架加強支護。鋼架的設計、應用直接影響到施工安全和施工進度。

目前,青龍水電站引水隧洞開挖已近尾聲,其施工安全,支護效果良好。

1 工程概況

青龍水電站位于四川省九寨溝縣境內的白水江上,為低閘引水式電站。由首部樞紐、引水系統、廠房樞紐組成,電站裝機容量為 3×34 MW。引水隧洞位于白水江左岸,總長 13.924 km,平均縱坡 1.645‰,開挖斷面為平底馬蹄形,Ⅲ類圍巖開挖斷面為 6.8m×8.8m,Ⅳ類圍巖開挖斷面為7.5m×9.5m,Ⅴ類圍巖開挖斷面為 7.9 m×9.9 m。

Ⅳ、Ⅴ類圍巖以薄～中厚層灰巖夾花崗斑巖(俘虜體)為主,灰巖層多陡傾且與洞軸線呈小夾角相交。

2 鋼架結構選型

Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段初期支護采用鋼架 +錨噴混凝土聯合支護,鋼架包括 I18工字鋼、鋼格柵拱架兩種類型,詳見圖 1、2。

通過前期采用鋼架,不斷優化調整并確定了鋼架類型。鋼架分弧段和直段部分,弧段均分 3段制作,直段分兩段制作。型鋼拱架采用 I20 b型鋼;格柵拱架采用四弦桿式(20 cm×20 cm矩形截面),主桿為 4根 φ25鋼筋,四面設置 φ16連續腹桿,主桿設置φ8@25 cm箍筋,焊接連接。每段鋼架連接板高度與鋼架截面外邊緣平齊,以利于綁焊操作,詳見圖 3、4。

圖1 Ⅳ、Ⅴ類圍巖用格柵拱架結構圖(單位:mm)

圖2 Ⅳ、Ⅴ類圍巖用Ⅰ20b拱架結構圖(單位:mm)

鋼格柵拱架橫向增設了 φ25,L=25 cm鋼筋作為鋼架鎖定錨桿傳力桿支撐。

縱向連接鋼筋采用 φ25,間距 1.2m布置,從而提高了鋼架縱向穩定性。

圖3 鋼格柵拱架標準單元接頭及斷面示意圖(單位:mm)

圖4 型鋼拱架單元標準接頭示意圖(單位:mm)

3 鋼架的應用

鋼架在設在各支洞口的鋼筋加工場內制作、編號堆存,使用時采用裝載機轉運進洞,人工安裝。根據不同圍巖地質情況選用 I20b型鋼拱架或鋼格柵拱架。

3.1 鋼架安裝工藝

Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用鋼架 +網噴混凝土聯合支護,緊跟掌子面進行,以確保隧洞圍巖的穩定和施工安全。鋼架安裝工藝流程:初噴→轉運→吊裝→臨時固定→校正→焊接→檢測→掛網噴混凝土。

(1)鋼架安裝在初噴混凝土封閉后進行,鋼架緊貼圍巖面,當鋼架與洞壁之間有較大間隙時用 I18工字鋼楔楔緊(每 m不少于兩處),較大脫空部位設置副拱,安裝工作內容包括定位測量、安裝前的準備和安設。

(2)鋼架單元間用 M18螺栓連接,接頭處綁焊鋼筋加強。鋼架間距為 80～120 cm,縱向用鋼筋與拱架連接成整體,最后拱架與鎖定、鎖腳錨桿頭焊接,再掛鋼筋網噴 C20混凝土。

(3)根據開挖分層、分區分段安裝固定。立柱底設鋼墊板,必要時澆筑基礎混凝土或設置工字鋼枕,鋼支撐采用打鎖腳錨桿(L=3.0 m@1.5 m)固定。

3.2 安裝質量控制技術

(1)定位測量:首先測定出線路中線,確定高程,然后再測定其橫向位置,特別是每個接頭處采用放線三位坐標控制;鋼架設于曲線上時,安設方向為該點的法線方向;安設于直線上時,安設方向與線路中線垂直;每榀的位置定位準確,上下、左右偏差小于 ±5 cm,斜度 ＜2°。

(2)準備:運至現場的單元鋼架分單元堆碼,安設前進行斷面尺寸檢查,及時處理欠挖侵入凈空部分,安設拱腳或墻腳前,清除墊板下的松渣,將鋼架置于原狀巖石上。

(3)安設及調整:鋼架與初噴混凝土之間緊貼,在安設過程中,當鋼架與圍巖之間有較大間隙時安設墊塊,每 m墊塊不少于 2個,拱腳高度不夠時設置鋼板調整。鋼架安設過程中,對鋼架進行過程控制,及時糾正鋼架安裝侵入襯砌斷面、不在同一鉛直面、連接不牢固等問題。鋼架安裝完成后,與縱向連接鋼筋、鎖定(鎖腳)錨桿頭焊接牢固,使之成為整體。

4 鋼架支護效果分析

青龍水電站引水隧洞工程Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖斷面洞段及不良地質洞段采用鋼架支護與噴混凝土、超前錨桿、導管(不良地質洞段)等支護配合,有效減少了不良地質段的變形、坍塌,對洞室的穩定和安全性起到了很大的保障作用。

通過優化鋼架設計、標準化制作,安裝程序、策劃過程控制,提高了鋼架制作的成品率及效率,提升了鋼架制安質量,縮短了鋼架支護時間,減少了后期襯砌階段變形處理的工作量,為加快隧洞施工進度、確保隧洞施工安全、增加隧洞工程綜合效益提供了工程借鑒。