施工支洞與特大斷面隧洞相交三岔口采用的開挖施工方法

吳 桃, 趙 云 龍, 劉 勝 虎

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

近年來,隨著普通中型、所有小型水電站全面停止核準建設[1],四川省大型水電站建設中的引水隧洞多以大斷面、特大斷面長隧洞為主。考慮到施工工期及安全性等因素,大多數引水隧洞需要增設施工支洞,而施工支洞進入引水隧洞主洞時的三岔口跨度大、應力集中、圍巖自穩能力差,往往容易出現安全事故,因此,這一部位的開挖支護尤為重要。

某大(二)型水電站引水隧洞工程標全長4 715 m,引水隧洞為圓型斷面,其Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖斷面的直徑為14.0 m、Ⅳ類圍巖開挖斷面的直徑為12.9 m、Ⅴ類圍巖開挖斷面的直徑為13.4 m,屬于特大斷面隧洞。該引水隧洞主洞的開挖采用分層開挖方式,先施工上半洞,待上半洞施工完成后再施工下半洞,其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖上半洞的開挖高度為9.1 m,Ⅳ類圍巖上半洞的開挖高度為7.65 m,Ⅴ類圍巖上半洞的開挖高度為7.9 m。

施工支洞斷面為城門洞型,其開挖斷面尺寸:Ⅲ類圍巖為7.10 m×6.55 m(寬×高)、Ⅳ類圍巖為7.20 m×6.60 m(寬×高)、Ⅴ類圍巖為8.70 m×7.35 m(寬×高),其中3號施工支洞的長度為424.286 m。引水隧洞與3號施工支洞的相交點樁號為(隧)5+072.007,引水隧洞底板的開挖高程為2 872.85 m,引水隧洞主洞與3號施工支洞呈90°相交。施工支洞與主洞相交三岔口處距離下游Fx1斷層影響破碎帶約100 m。

該段隧洞巖體為燕山早期中粒黑云母二長花崗巖。隧洞圍巖的劃分主要依據隧洞沿線的地形地貌、隧洞埋深、構造裂隙的發育程度、風化夾層的分布密度、優勢結構面走向與隧洞軸線的夾角以及地下水活動狀態等工程地質條件,隧洞上覆巖體的厚度一般為160～350 m,圍巖以灰白色中粒黑云母二長花崗巖為主,次為青灰色中細粒黑云母二長花崗巖,巖質堅硬,該洞段巖體風化夾層分布的幾率總體較低。而分布于火燒壩2號溝上游的Fx1斷層規模較大,斷層帶寬約10～15 m,影響帶的寬度約為25 m,產狀為N30°～40°W/SW(NE)∠75°～85°。此外,小斷層、擠壓破碎帶等軟弱結構面時有出露,但其規模均較小,破碎帶寬度一般<1 m,產狀與Fx1斷層基本相同,走向與洞軸線夾角較大。該洞段巖體風化卸荷微弱,節理面一般新鮮,閉合無充填,裂隙間距多大于40 cm,巖體較完整,呈塊狀-次塊狀結構,圍巖以Ⅲ類巖體為主,Ⅳ、Ⅱ類次之,少量為Ⅴ類,成洞條件較好,但局部發育的斷層、擠壓破碎帶、風化夾層等軟弱結構面強度較低,主要為Ⅳ類或Ⅴ類圍巖,穩定性差。

該段隧洞穿越Fx1斷層破碎帶及火燒壩2號溝,斷層破碎帶及影響帶巖體以全、強風化為主,多呈碎塊～碎裂結構,地下水活躍,巖體穩定性差,圍巖以Ⅴ類巖體為主,Ⅳ類次之;過溝段因地表常年流水導致地下水相對豐富,圍巖以Ⅳ類巖體為主。過溝段與斷層破碎帶地下水相對較活躍,其余洞段地下水活動相對輕微。針對上述實際情況,最終確定了以下施工方法。

2 主要施工方法

3號施工支洞交主洞三岔口部位采用的開挖支護主要施工工序為:3號施工支洞加強支護段開挖及支護→超前支護→主洞三岔口段上部平洞開挖支護→改拱→主洞三岔口段下部開挖支護→主洞下游30 m段的開挖支護→主洞上游30 m段的開挖及支護→具備條件后上下游同時開挖施工。3號施工支洞交引水隧洞主洞三岔口處的施工布置情況見圖1。

圖1 3號施工支洞交引水隧洞主洞三岔口處的施工布置圖

2.1 3號施工支洞加強支護段施工

3號施工支洞開挖至(支3)0+295樁號時按10.6%的坡度向上爬坡開挖。由于無法確定3號施工支洞交主洞三岔口的圍巖類別,3號施工支洞(支3)0+404.286～(支3)0+424.286段按Ⅴ類圍巖斷面開挖并進行加強支護,在距主洞與支洞交接位置10 m范圍內((支3)0+414.286～(支3)0+424.286)設置了Ⅰ20a工字鋼拱架,間距0.5 m,其中最后一榀拱架采用一組雙拼Ⅰ25a門架,開挖斷面由原Ⅴ類圍巖斷面漸變為平洞并進行加強支護。(支3)0+404.286～(支3)0+414.286段加強支護的參數為:

(1)此加強支護段為Ⅲ類圍巖時,系統錨桿采用C22 mm,長度L=4.5 m,間排距1.5 m×1.5 m梅花型布置,噴10 cm厚C20混凝土,掛網鋼筋為Ф8 mm@20 cm×20 cm。

(2)此加強支護段為Ⅳ類圍巖時,系統錨桿采用C22 mm,L=4.5 m,間排距1.5 m×1.5 m梅花型布置,噴15 cm厚C20混凝土,掛網鋼筋為Ф8 mm@20 cm×20 cm,鋼拱架采用Ⅰ20a型工字鋼,間距1 m。

(3)此加強支護段為Ⅴ類圍巖時及(支3)0+404.286～(支3)0+424.286段中的圍巖為Ⅴ類圍巖時,系統錨桿采用C22 mm,L=4.5 m,間排距為1.5 m×1.5 m梅花型布置,噴15 cm厚C20混凝土,掛網鋼筋為Ф8 mm@20 cm×20 cm,鋼拱架采用Ⅰ20a型工字鋼,間距0.5 m,頂拱180°范圍設置超前小導管,L=5 m,入巖深度為4.5 m,外漏長度為0.5 m,環向間距為0.3～0.4 m,搭接長度為2 m。

(4) 在主洞與支洞交接處設置了一組工字鋼門架,工字鋼采用雙拼Ⅰ25a工字鋼,兩榀工字鋼雙拼為一榀,雙拼Ⅰ25a工字鋼與支洞工字鋼采用Ⅰ18a工字鋼連接,間距1.5 m。由于需要安裝工字鋼門架以加強支護,因此在安裝門架處需將其開挖成平洞,開挖斷面由原Ⅴ類圍巖斷面漸變為平洞,漸變段長度為6 m(可根據現場實際情況調整,但調整后的漸變段長度不宜小于5 m)。門架及平洞開挖結構斷面情況見圖2。

圖2 門架及平洞開挖結構斷面示意圖

2.2 超前支護

支洞與主洞交叉口雙拼Ⅰ25a工字鋼門架施工完成后,按照與主洞軸線垂直的方向進行弧面挑頂開挖,挑頂的開挖按平洞形式進行,開挖前需設置超前支護。對于Ⅲ、Ⅳ類圍巖,在門架上方設置C25 mm超前錨桿,L=4.5 m,入巖深度為4 m,外漏長度為0.5 m,環向間距為0.3～0.4 m,其與開挖輪廓線的切線成5°～15°的仰角。如果遇到頂拱圍巖完整性較差的Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖,可在門架上方設置超前注漿小導管進行超前支護,超前小導管長度L=5 m,入巖深度為4.5 m,外漏長度為0.5 m,環向間距為0.3～0.4 m,搭接長度為2 m。

超前注漿小導管施工工藝流程見圖3。

圖3 超前注漿小導管施工工藝流程圖

小導管采用外徑為48 mm、壁厚4 mm、長度為5 m的無縫鋼管(花管),管周注漿孔徑為6～8 mm,孔間距為20～30 cm,梅花型布置,管前端呈錐形,長度為10 cm,尾部長度為100 cm。作為不鉆注漿孔的止漿段在其尾端焊接直徑為6～8 mm的鋼筋箍。小導管沿開挖面頂部設置,與開挖輪廓線的切線成5°～15°的仰角,入巖深度為4.5 m,外露0.5 m,環向間距為0.3～0.4 m(可根據現場圍巖情況調整),搭接長度為2.5 m。

2.3 主洞段三岔口上部平洞的開挖與支護

考慮到鉆孔支護臺車的操作空間,施工超前支護完成后按8.7 m(寬)×(3.05～7.84)m(高)的矩型斷面放樣并核實其頂部高程。由于頂部開挖需要進行兩次拱架支護,開挖時需要留出門架安裝的空間,因此,頂拱開挖位置會出現因開挖斷面調整引起的擴挖。

為確保施工安全及施工質量,在其頂部根據外輪廓線的位置、以一定的傾角鉆孔,鉆孔深度為1.2～1.55 m,進尺不超過1 m,并將周邊孔間距控制在50 cm以內,采用光面弱爆破[2],每個炮孔采用不耦合裝藥以減小爆破對圍巖的影響。3號施工支洞與引水隧洞交叉段的開挖采用分層開挖,上部開挖高度為8.6 m,待上部開挖支護完成后進行下部開挖,下部開挖的高度為2.2 m,邊開挖、邊支護。鉆孔爆破采用人工手持YT-28手風鉆鉆孔、“新奧法”[3]鉆孔爆破,遵循“弱爆破、少擾動、短進尺、強支護、勤量測”的原則施工。開挖完成后及時進行支護施工并需保證支護施工的質量。采用減震爆破、淺孔密布的方式,同時加強圍巖監測。施工過程中必須加強超前地質預報及監控量測工作。

在進行主洞三岔口段與支洞重疊段上半部開挖時采用邊開挖、邊支護的方式,對于Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖均采用“Ⅰ20a工字鋼棚架+系統錨桿+Ф8 mm鋼筋網”及“噴C20混凝土+超前錨桿(Ⅲ類、Ⅳ類圍巖)或超前小導管(Ⅳ類圍巖頂拱破碎、Ⅴ類)”做臨時支護,其中工字鋼的高度隨開挖高度的變化而變化。三岔口重疊段上部Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖的支護情況見圖4。

圖4 三岔口重疊段上部Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖支護圖

三岔口上部在每一循環開挖后及時施作臨時支護。圍巖的支護順序為:超前支護→開挖→初噴3～5 cm厚的C20混凝土→工字鋼棚架的安裝→頂部錨桿施工→頂部掛網→復噴。

2.4 改拱

當引水隧洞主洞三岔口段的上部開挖支護完成后,及時對引水隧洞邊頂拱部位進行初期支護。由于三岔口跨度大、應力急劇變化,極易產生掉塊、坍塌事故,因此,對于該段Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖均采用Ⅰ25a工字鋼拱架進行支護,其間距為0.5 m,掛網鋼筋Ф8 mm@20 cm×20 cm,噴射25 cm厚C20混凝土覆蓋工字鋼拱架。該段工字鋼的一側立在主洞基巖上,另一側與支洞口門架焊接連接,主洞拱架與支洞口門架的布置情況見圖5。

圖5 主洞拱架與支洞口門架布置圖

2.5 主洞段三岔口部位的下部施工

改拱完成后方可進行主洞三岔口段下半洞的開挖與支護,三岔口段下半洞的開挖采用鉆爆法開挖,將進尺控制在2 m,采用YT-28手風鉆鉆孔,人工填裝乳化炸藥、分段電毫秒雷管微差爆破,人工間隔裝藥。

對于三岔口段的下部在每循環開挖完成后及時進行支護,對主洞掌子面部位噴5 cm厚C20混凝土作為初期支護。下部開挖完成后對主洞邊墻部位根據圍巖類別進行支護,Ⅱ類、Ⅲ類圍巖掛網鋼筋Ф8 mm@20 cm×20 cm,設置C22 mm系統錨桿,長4.5 m,間排距為1.5 m×1.5 m,梅花型布置,將主洞上下游各2榀鎖口工字鋼拱架接長至下部開挖基巖面,噴15 cm厚C20 mm混凝土;Ⅳ類、Ⅴ類圍巖掛網鋼筋Ф8 mm@20 cm×20 cm,設置C22 mm系統錨桿,長4.5 m,間排距為1 m×1 m,梅花型布置,及時對其上部支護的Ⅰ25a型鋼拱架接長支撐于下部開挖基巖面并噴25 cm厚C20混凝土。

2.6 主洞段的開挖與支護

待主洞三岔口段開挖支護完成后進行主洞的開挖。主洞開挖前,先對之前三岔口段主洞掌子面位置的門架進行拆除,拆除時利用液壓破碎錘對已噴混凝土實施破碎,混凝土清理完成后,再對拱架及相應的鋼筋網片等進行割除。

主洞開挖時,其上下游分別水平開挖10 m,預留出機械設備的操作空間,再分別按一定的坡度向上下游開挖30 m。上下游同時爆破開挖時需滿足相關規范要求的安全距離。為確保開挖施工安全,對于主洞上下游各30 m范圍應根據圍巖類別情況提高一級進行加強支護。

2.7 支洞底板的擴挖及超挖回填

待所有主洞段開挖完成后、進入混凝土襯砌施工前,對3號施工支洞底板進行了擴挖,將底板擴挖上至與主洞三岔口,高程與主洞底板混凝土襯砌高程一致,其開挖長度根據支洞合理的坡度而定。開挖時,對于有拱架的部位需將拱架延伸至新開挖的基巖面上。

3 變形監測

監控量測是隧洞施工過程中必不可少的一道程序,是確保施工安全的重要手段。在隧洞施工過程中,通過對圍巖支護體系穩定性狀態進行監測和評價,可以為初期支護和二次襯砌設計參數的調整提供依據,從而達到確保施工及結構安全、指導施工順序、便利施工管理的目的。在隧洞施工過程中,必須使用專用的儀器和工具對圍巖和支護結構的變形以及它們之間的關系進行觀測并對其穩定性、安全性進行評價,監控量測工作必須緊跟開挖、支護作業,應按設計要求進行布點和監測并根據現場施工情況及時調整量測項目和內容,對量測數據應及時進行分析處理,將結果反饋到施工過程中,并將監控量測作為施工的一個重要組成部分納入施工工序,貫穿于施工的全過程,為施工管理及時提供圍巖穩定性、支護結構的承載能力和安全信息等。

由于隧洞結構斷面的跨度大,且其三岔口為應力最為集中的部位,為了掌握圍巖在開挖過程中的動態信息和支護結構的穩定狀態,提供有關隧洞施工全面、系統的信息資料,為評價和修改支護參數、力學分析及二次襯砌提供信息依據,確保施工安全及支護結構的穩定,在施工的全過程中進行全面、系統的監測工作至關重要。

根據該工程的具體情況,分別對施工支洞距三岔口30 m范圍以及引水隧洞主洞距三岔口上下游30 m段和三岔口進行了安全監測,每10 m設置一個監測斷面。監測項目以位移監測為主,將變形觀測點主要布置在拱頂及腰線部位,分別進行了隧洞拱頂下沉量測及水平收斂量測[4]。拱頂下沉及周邊收斂量測頻率情況[5]見表1。

表1 拱頂下沉及周邊收斂量測頻率表

4 結 語

施工支洞與引水隧洞主洞交匯處的三岔口是整個隧洞施工的重要部位,關系到整個隧洞后期施工的安全。施工前必須做好超前地質預報工作,根據超前地質預報提前做好施工準備。施工過程中嚴格遵循“弱爆破、少擾動、短進尺、強支護、勤量測”的原則,同時嚴格落實“三檢制”,上道施工工序不合格不準進入下道工序,以確保各道工序的工程質量。加強變形監測并做好記錄,確保三岔口施工安全順利通過。