長隧洞、大斷面不良地質洞段施工措施研究

趙 文 劍, 唐 洪 應, 萬 柯

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

綽斯甲水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州境內,為閘壩引水式電站。引水建筑物由取水口、引水隧洞、調壓室和壓力管道等建筑物組成。引水隧洞的總長度為21.185 km,其中由水電十局中標施工的標段長度為12.30 km(隧3+000～隧15+300),施工布置有2號、4號、5號、6號四條施工支洞,其中以2號施工支洞下游主洞的開挖進尺最長,單向進尺長度為2 478.5 m。引水隧洞低壓段(隧10+588上游)Ⅲ類圍巖的開挖采用平底馬蹄型斷面,其馬蹄型開挖斷面底寬7.00 m,高10.45 m,邊頂拱采用掛網錨噴支護,底板采用素混凝土襯砌;高壓段(隧10+588下游)Ⅲ類圍巖和全隧洞的Ⅳ類、Ⅴ類圍巖的開挖直徑為9.94～10.80 m,采用鋼筋混凝土襯砌。

該引水線路處于崇山峻嶺,山坡植被茂盛,河谷深切且多呈“V”型。引水線路區的支溝較發育且個別切割較深,左岸從上至下規模較大的支溝分別有:斯泡樓溝(隧3+219～隧3+546)、斯躍武下溝(隧9+530～隧10+023)、日公塔溝(隧12+339～隧12+839)等,溝底常年流水。該工程除隧洞(隧10+023～隧12+839)圍巖為三疊系上統侏倭組(T3zh)薄層狀變質砂巖與板巖、千枚巖不等厚韻律互層外,其他隧洞所處的圍巖均為三疊系上統雜谷腦組上段(T3z2)的灰色、中厚～厚層細粒變質砂巖夾板巖。其圍巖主要以Ⅲ2類和Ⅳ類圍巖為主,其中Ⅲ2類圍巖占隧洞總長度的49.87%、Ⅳ類圍巖占隧洞總長度的9.2%。

在引水隧洞開挖過程中,受人為因素影響,圍巖中局部受裂隙切割而形成不穩定或潛在不穩定塊體;受地下滲水沿巖體裂隙及軟弱面流動導致破壞巖體組織、造成巖體失穩及局部不穩定情況出現;受地質構造的影響,部分洞段可能會出現斷層破碎帶、松散及軟弱等穩定性差的圍巖、過溝段以及不利結構面組合的洞段,存在發生各類塌方的可能性。

綜上所述,該工程具有單向進尺長、開挖斷面大、地質條件較差等特點。為了保證隧洞的正常施工,“不良地質條件下的安全施工措施是本工程地下工程施工的重點及難點所在”[1]。闡述了針對不良地質洞段施工措施進行的分析與研究。

2 不良地質洞段處理措施

根據對隧洞地質條件及洞內施工情況進行分析,制定出針對洞內施工過程中可能出現的不良地質類型及采取的處理措施為:

(1)局部不穩定塊體:隨機錨桿或隨機錨桿+噴混凝土。

(2)局部破碎帶或局部軟弱夾層:隨機錨桿+局部加強鋼筋網+噴混凝土。

(3)局部含水破碎帶或軟弱夾層:超前錨桿或超前注漿小導管+噴混凝土+架設鋼拱架+鋼筋網+隨機錨桿+排水孔。

(4)較大范圍內存在穩定性極差的破碎帶或軟弱夾層:超前大管棚+素噴混凝土(厚度為3～5 cm)+架設鋼拱架+系統錨桿+鋼筋網+噴射混凝土至設計開挖線。

(5)塌方:①塌落物未將洞室堵塞:塌渣清理(先支護頂部,再清除石渣)+素噴混凝土(厚度為3～5 cm)+架設鋼拱架+鋼筋網+隨機錨桿+塌腔回填混凝土+回填灌漿。②塌落物將洞室堵塞:對塌渣進行固結灌漿或超前支護(超前管棚)+塌渣清理+素噴混凝土(厚度為3～5 cm)+架設鋼拱架+鋼筋網+隨機錨桿+噴射混凝土+回填灌漿。

(6)涌水處理:對于地下水滲水量較小的洞段,在頂拱范圍滲水部位施打一定數量的超前鉆孔作為泄水減壓孔,根據其流量大小估算可能發生的涌水量,再選擇合適的排水設備并備有一定的富余量。對于流量較大的涌水洞段,必須判明地下水流方向,可以采用“排、堵、截、引”綜合治理的方法進行處理。

3 施工參數及方法

3.1 錨 桿

采用C25 mm或C28 mm、長度為4.5～6 m的隨機錨桿。為確保施工人員安全,錨桿全部采用DW551鑿巖臺車鉆孔,孔軸方向應與可能滑動面的方向相反,并與可能滑動面的傾向成約45°的交角。錨桿的注漿采用GSZ130注漿機。在采用先注漿、后插桿的先后順序進行錨桿施工時,先將注漿管插到孔底,然后退出5～10 cm后開始注漿,注漿管隨砂漿的不斷注入慢慢拔出,然后將錨桿勻速緩慢送入孔中。錨桿安裝后其孔內的砂漿應飽滿。

3.2 掛鋼筋網

局部加強鋼筋網片的規格為Φ8 mm@15 cm×15 cm。鋼筋的加工制作在加工場內完成并使用8 t平板汽車運抵現場,由施工人員現場綁扎安裝。

綁扎時根據實際布置的位置測放出中線等控制點,根據控制點利用隨機錨桿或預埋錨筋布設好鋼筋網骨架,經對鋼筋網骨架的設置核對無誤后鋪設分布鋼筋。鋼筋采用人工綁扎,綁扎時使用扎絲梅花型間隔綁扎,鋼筋網片搭接的長度為15 cm,與隨機錨桿焊接連接。

3.3 鋼拱架

當已開挖段邊頂拱出現塌方且塌方規模較小時,首先對未塌方洞段的兩側洞身進行加固,以防止塌方范圍進一步擴大,再掛網噴射混凝土或隨機錨桿、掛網與噴射混凝土聯合支護封閉塌穴的頂部和側部,然后進行清渣。在確保施工人員和設備安全的前提下,視具體情況在塌方洞段架設鋼拱架等臨時支護。

當掌子面后方未開挖段的圍巖松散、軟弱、破碎、滲水量較大時,需要立即確定掌子面后方未開挖段的圍巖類別,以便按照圍巖類別對應的斷面一次開挖成型。對于需要安裝鋼拱架的部位,開挖時應一次性擴挖到位(擴挖25 cm),并確保所安裝的鋼拱架不侵占設計開挖斷面,避免因圍巖類別變化二次擴挖時引起大量塌方。對于松散、軟弱破碎的洞室巖體開挖采取一掘一支護、穩步前進的方式。

鋼拱架安裝部位開挖后,立即素噴一層5 cm厚C25混凝土封閉巖面。鋼拱架(20號工字鋼)為自制,按開挖斷面的大小在加工場分節加工制作成型、洞內連接,鋼拱架的榀距為60～120 cm;安裝允許的偏差為:橫向和垂直方向均為5 cm。其必須緊貼巖面,每段鋼拱架端頭焊接8 mm厚的鋼板(30 cm×30 cm),其連接采用高強度螺栓,相鄰鋼拱架采用C25 mm鋼筋連接,環向間距為50 cm,縱向搭接長度為30 cm。鎖腳錨桿采用C25 mm,L=4.5～6 m的錨桿,在鋼拱架左右兩側各設置2排、每排2根、每榀共設置8根,第一排與第二排之間的距離為1.5 m左右,將鎖腳錨桿制作成L型,其短邊長0.2 m、長邊長4.3～5.8 m。鎖腳錨桿孔位開孔前用紅油漆進行標點放樣,將孔軸方向垂直于開挖面。L型鎖腳錨桿的長邊安裝孔內應填滿砂漿,其短邊與鋼拱架滿焊牢固。鋼拱架安裝完成后,對其邊頂拱增加鋪設了一層鋼筋網片,規格為Φ8 mm@15 cm×15 cm,鋼筋網應緊貼噴護基面且與錨桿外露端頭焊接連接。最后噴射20 cm厚C25混凝土至設計開挖線。

鋼拱架的安裝不應侵占設計結構的斷面尺寸。鋼拱架安裝后,應對破碎軟弱地段的鋼拱架頂拱進行監測,遇到危險情況時應及時增強鋼拱架或采取其它加強措施予以處理。對于地質條件較差段,在其分層開挖過程中需要進行鋼拱架加固支撐時,應分別根據分層高度制作鋼拱架,待其下層開挖后及時將鋼拱架及錨噴支護向下延伸至底板。

3.4 噴射混凝土

噴射混凝土的強度等級為C25,初噴厚度為3～5 cm,噴射混凝土采用濕噴法施工工藝并添加液體速凝劑以減少回彈。噴射順序應先拱后墻、分段分塊進行。當噴射混凝土厚度較大時應分層進行噴射,邊墻混凝土的厚度不宜超過8 cm,頂拱不宜超過6 cm。分層噴射時,相鄰兩層的間隔時間不亦太短,一般情況下應在初噴混凝土終凝后再進行復噴。噴混凝土采用PX-3016濕噴臺車施噴,噴混凝土料由9 m3混凝土罐車從拌和站運料至各個工作面,濕噴機械手直接噴射。

3.5 超前錨桿及注漿小導管

在頂拱120°范圍內布置超前錨桿,其環向間距為30 cm,外插角α= 6°～12°,采用C25 mm或C28 mm,L=4.5～6 m的超前錨桿,排距2～4 m。

注漿小導管施工前,在距掌子面最近的位置安裝鋼拱架,鋼拱架的頂部按照40 cm的間距開導向孔,孔徑為5 cm。注漿小導管直徑為42 mm、L=4.5～6 m,環向間距40 cm、排距2～4 m、注漿壓力約為0.3 MPa。將注漿小導管前端做成尖錐狀,尾部焊接兩道Φ6 mm加勁箍,間距10 cm,以防止安裝小導管施打時造成其尾部開裂,尾部預留1 m不進行鉆孔而作為止漿段,在該管口設置止漿閥,在管壁均勻布置四排、直徑為10 mm的出漿孔,其孔間距為15 cm,交錯布置。鉆孔孔向為開挖輪廓線向上傾斜,外插角α= 6°～12°。

“小導管采用手持風鉆施工,方便靈活,可加快施工進度”[2]。采用自制臺車作為施工平臺,鉆孔完成后立即由人工安裝小導管。值得注意的是:地質條件不好的洞段難免會出現超挖,因此,應預先給出適當的上抬量,以防止鋼管侵入開挖斷面以內。

小導管內均采用水泥漿灌注。注漿前,在小導管中沿管壁安裝一根直徑為10 mm的塑料硬管至孔底,將小導管灌漿口處的塑料硬管管口與止漿塞排氣孔相連接作為注漿時的排氣孔,在該排氣孔上設置止漿閥。將注漿管與止漿塞的進漿孔相連接,止漿塞與小導管緊固連接。注漿采用從孔口一次性注入的方式,注漿按環向分為兩序,采用間隔注漿的方式。為防止串漿和跑漿現象的發生,注漿前首先對掌子面巖面進行噴射混凝土封閉。注漿結束后、漿液初凝前對小導管內的漿液進行清理,采用水泥砂漿將其填充飽滿、密實,以增強小導管的剛度和強度。

3.6 管 棚

“在穿插局部塌方區和斷層、破碎帶時采用超前大管棚施工技術”[3]。將管棚設置在頂拱120°范圍,管棚在加工場內加工?！肮芘锊捎猛鈴?08 mm的鋼管(壁厚6 mm)”[4],將其加工成長度為3 m、6 m兩種規格,絲扣長度為15 cm。前端加工成尖錐形,在鋼管上鉆注漿孔,排距為20 cm,每排布置4個孔,孔徑為10 mm。鋼管尾部預留1 m不進行鉆孔而將其作為止漿段,按照9 m一段,環向間距30 cm,搭接長度為2 m,外插角2°布置。

在管棚起始位置設置2榀鋼拱架,將管棚鋼管的尾端布置于鋼拱架頂部并焊接牢固。管棚施工利用潛孔鉆機及特制鉆桿打孔,鉆孔前,按照鉆孔位置編號順序鉆孔。鉆孔形成后,將管棚鋼管送入孔內并做好孔口封閉,待全部大管棚施工結束及時對管棚進行注漿,注漿材料使用水泥漿液。為便于插管,鉆孔直徑應比管棚設計直徑大2～3 cm。鉆機開鉆應采用低速、低壓,待成孔3 m左右可根據圍巖情況逐漸調整鉆速及風壓。

成孔困難時,采用M4履帶式錨固鉆機跟管鉆進工藝施工。跟管鉆機的套管采用DZ40高頻淬火無縫鋼管,每節的長度為1.5～2 m,隨孔跟進。管棚施工完成后,采用破碎錘開挖,開挖進尺為50 cm,開挖完成后對掌子面素噴5 cm厚C25混凝土,再架設1榀鋼拱架,鋼拱架安裝完成后方可進行下一循環施工。

3.7 排、堵水施工

(1)排水措施:當已開挖洞段出現大面積滲水或淋水情況時,應根據淋水量的大小在淋水部位采用鑿巖臺車施打一定數量的排水孔,該排水孔的孔深根據實際流水情況確定,其孔徑為42 mm,再將直徑40 mm的PVC管插入排水孔內。將PVC管與巖壁之間的縫隙用無紡布封緊,再用1∶1的水泥砂漿(摻加速凝劑)堵在無紡布外部以迫使滲水沿PVC管排出。

(2)堵水措施:該工程對地下滲水“采用排、堵、截、引等綜合治理措施進行處理”[5]。對未開挖段已探明前方有突涌水時,采用超前注漿堵水的方式;而對已開挖段出現涌水、股狀水、大面積滲水時,采用徑向注漿堵水的方式予以治理。

為了防止串漿和跑漿現象的發生,徑向鉆孔注漿在初期支護完成后進行,并將注漿范圍控制在開挖輪廓線以外4～6 m,注漿孔垂直于開挖巖面,其深度不小于4 m。注漿應分段、分片進行,注漿順序宜從上往下進行,應從水少的區域向水多的區域進行,可多孔同時注漿,注漿終壓宜為0.5 MPa。灌漿材料優先選擇水泥灌漿堵水和水泥-水玻璃雙液灌漿堵水。

當隧洞開挖前方發現水體時,對于地下水滲水量較小的洞段,在其頂拱范圍的滲水部位施打一定數量的超前鉆孔作為泄水減壓孔,并根據其流量大小估算可能發生的涌水量,再選擇合適的排水設備(備有一定的富余量)進行排水?？赡艹霈F涌水時,應采取開挖前超前堵水的方案,注漿堵水的橫向范圍為隧洞開挖前方開挖半徑2～3倍的全部區域,其鉆孔深度、注漿壓力、漿液濃度根據現場實際圍巖情況確定。注漿材料優先選擇效果較好的水泥-水玻璃雙液灌漿堵水和化學灌漿堵水。

3.8 回填混凝土

若塌方部位較大、噴射混凝土無法將塌方空腔部位噴滿時,則需采用回填混凝土的方式填滿空腔部位。首先,在安裝鋼拱架的同時在頂拱預埋混凝土輸送管,所預埋的輸送管道宜采用無縫鋼管材質且其管徑與混凝土泵送管道匹配。管道埋設的位置應均勻分布于頂拱中心、左右側拱角三處以保證混凝土鋪料均勻。預埋排氣管道兼作控制混凝土澆筑厚度的溢漿孔道,宜設置于頂拱中心位置,管道的長度應依據回填混凝土的總澆筑厚度計算確定。

對于塌方體部位,采用泵送C25混凝土回填,若塌方部位較大,則回填混凝土方量大,應采取短間歇、分層回填,先兩側邊墻、后頂拱,直至回填至預定高度。回填過程中采用全站儀對鋼拱架拱頂的下沉進行實時監測,以防止一次性回填混凝土工程量過大而導致鋼拱架變形。

4 結 語

引水隧洞工程是一個線形地下隱蔽工程。因其所處環境的特殊性,通常將其布置于山體內部且其埋深較大,導致在工程地勘階段無法準確判斷山體內部的地質構造、巖體結構及地下水活動情況,且因山體內的圍巖千變萬化而造成不良地質洞段在地下洞室的實際開挖過程中常見,導致其施工存在一定的風險。在綽斯甲水電站引水隧洞施工過程中,通過對不良地質洞段的巖體類型進行分析研究,制定出相對應的措施并予以實施,當施工中遇到不良地質洞段時,能夠快速地對不良地質洞段進行支護封閉處理,同時使現場安全、質量、進度得到保證,效果較好,所取得的經驗對類似地下工程施工具有推廣借鑒作用。