巴拉水電站溢洪洞開挖支護施工設(shè)計

張 強, 楊 洋, 徐 琨 武

(四川足木足河流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610041)

1 工程概況

巴拉水電站溢洪日調(diào)節(jié)電站,開發(fā)任務(wù)為水力發(fā)電并兼顧生態(tài)用水需要。巴拉水電站為二等大(Ⅱ)型工程,壅、泄水建筑物為1級建筑物,引水發(fā)電建筑物為2級建筑物,次要建筑物為3級建筑物。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。工程采用混合式開發(fā),為日調(diào)節(jié)電站,開發(fā)任務(wù)為發(fā)電并兼顧生態(tài)用水需要。

電站溢洪洞為偏壓型隧洞,洞室斷面大,進口埋深淺,地質(zhì)條件復(fù)雜,施工難度極大。隧洞布置于左岸,采用開敞式進口明流泄水型式,由進水引渠段、控制閘室段、泄槽段及出口消能段組成,洞身橫斷面采用城門洞型,總長1 233.0 m。進口底板高程2 886.00 m,出口底板高程2 803.74 m,進口樁號0+000～0+034為閘門控制段,0+034～0+074段為進口淺埋洞身段,0+074～1+233為洞身段,洞身全長1 199.0 m;樁號0+574.18處與壩軸線帷幕灌漿樁號重合,此樁號前主要坡降i=2.0%,此樁號后主要坡降i=11.07%,灌漿平洞兼作1號通氣洞,與樁號0+594.18處通氣豎井連接貫通;樁號0+948設(shè)置2號通氣洞,樁號1+233～1+246為出口明渠段。洞身全斷面襯砌,襯后凈斷面尺寸13.0 m×18.0～17.0m和13.0 m×13.0 m(寬×高)。

2 工程地質(zhì)

洞身0+034～1+233除進口淺埋洞身段外垂直埋深55.0～110.0 m。圍巖為燕山期中粒黑云母二長花崗巖,巖石風(fēng)化以構(gòu)造裂隙風(fēng)化夾層為主要特征。巖體中主要發(fā)育四組優(yōu)勢裂隙:(1)N20°～40°W/NE(SW)∠65°～85°,延伸長大于10.0 m,間距0.2～0.5 m,裂面多平直粗糙,部分形成擠壓破碎帶;(2)近EW/S(N)∠60°～80°,延伸長5.0～15.0 m,間距0.1～0.5 m,裂面多平直,個別起伏、粗糙;(3)N50°～70°E/SE(NW)∠70°～80°間距0.1～0.5 m,裂面多平直,個別起伏、粗糙;(4)N20°～60°E/SE(NW)∠10°～30°,走向變化大,延伸長5.0～20.0 m,間距0.2～0.5 m,多平直、粗糙。巖體完整性較好,呈塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu)。因構(gòu)造風(fēng)化夾層較發(fā)育,巖體穩(wěn)定性差,以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主。Ⅲ類圍巖約占5%、Ⅳ類圍巖約占53%,Ⅴ類圍巖約占42%,具備成洞條件。樁號0+650和0+750附近有fz6和Fz1斷層通過,出露寬度分別為2.0 m和8.0 m,破碎帶多由斷層泥、糜棱巖及全～強風(fēng)化的碎塊巖組成,地下水較活躍,圍巖主要為Ⅴ類,穩(wěn)定性極差。

3 開挖設(shè)計

3.1 開挖程序

開挖程序為:施工準(zhǔn)備→施工測量→洞臉支護→洞身第一層開挖支護→洞身第二層開挖支護→洞身第三層開挖支護→保護層開挖支護。

3.2 施工原則

溢洪洞開挖按照新奧法原理組織施工,軟巖地段施工堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤測量、緊襯砌”的原則,加強監(jiān)測,控制圍巖變形。在施工中積極推廣應(yīng)用國內(nèi)外隧道施工新技術(shù)、新工藝,投入先進的施工機械設(shè)備,組成鉆、爆、挖、裝、運、錨、襯等機械化作業(yè)線。

施工中進行超前地質(zhì)預(yù)報,采用先進的量測、探測技術(shù)取得圍巖狀態(tài)參數(shù),通過對數(shù)據(jù)的分析和處理,及時反饋信息指導(dǎo)施工。

3.3 分層設(shè)計

溢洪洞洞身開挖斷面最大高度20.6 m,最小斷面高度13.32 m,最大斷面分3層及保護層,最小斷面分2層及保護層,第一層高度9.0 m、第二層高度3.12～5.0 m、第三層高度3.8～5.4 m,保護層厚度1.2 m。0+074～0+094段高度20.6 m、0+094～0+200漸變段高度由20.6 m漸變到19.0 m,0+200～0+574.18段高度19.0 m,0+574.18～0+749段高度由19.0 m漸變到15.0 m,0+749～1+246段高度15.0 m。分層開挖示意分別見圖1、2。

圖2 分兩層開挖示意圖(單位cm:)

3.4 施工組織[1]

溢洪洞洞身段開挖設(shè)置進口段、施工支洞控制段、出口段共4個開挖作業(yè)面,分別向上、下游推進。先進行出口洞洞身第一層開挖,待施工支洞開挖支護完成后進行中間段洞身第一層開挖,在進口淺埋段0+034～0+074處理完成后進行進口洞身第一層開挖,第一層分1、2區(qū)先后開挖,先施工中間導(dǎo)洞,后兩側(cè)開挖;第一層開挖貫通、初期支護完成即進行第二、三層開挖,第三層開挖滯后第二層開挖100.0 m;最后進行保護層開挖,保護層開挖滯后第三層開挖100.0 m[1]。

4 爆破設(shè)計

4.1 爆破程序

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

4.2 開挖工藝

4.2.1 第一層開挖

洞身第一層[Ⅰ-1)、Ⅰ-2)]高度9.0 m,采用中壁法將隧洞分隔為兩個區(qū)域,區(qū)域Ⅰ-1區(qū)與Ⅰ-2區(qū)爆破對稱設(shè)計,參數(shù)相同。采取中部導(dǎo)洞超前、導(dǎo)洞開挖及兩側(cè)保護層開挖跟進的方式,平面上成品字形推進。為保證施工安全,導(dǎo)洞超前正洞5.0～10.0 m。第一層開挖主要采用鉆爆臺車配合YT-28手風(fēng)鉆造孔,Ⅲ類圍巖地段每臺階每次循環(huán)進尺2.5 m,Ⅳ、Ⅴ類圍巖地段第一層臺階每循環(huán)進尺0.8～2.0 m,Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖前做好超前支護,開挖后及時按照設(shè)計支護參數(shù)進行系統(tǒng)支護,確保隧洞圍巖穩(wěn)定[2]。第一層爆破設(shè)計見圖3。

圖3 第一層爆破設(shè)計圖(單位:m)

第一層Ⅲ類圍巖各區(qū)爆破參數(shù)見表1,Ⅳ類圍巖各區(qū)爆破參數(shù)見表2,Ⅴ類圍巖各區(qū)爆破參數(shù)見表3。

表1 第一層Ⅲ類圍巖各區(qū)爆破參數(shù)表

表2 第一層Ⅳ類圍巖各區(qū)爆破參數(shù)表

表3 第一層Ⅴ類圍巖各區(qū)爆破參數(shù)表

4.2.2 第二、三層開挖

第一層開挖支護貫通后,按設(shè)計斷面尺寸先后進行第二、三層開挖。先開挖第二層、待掌子面推進100.0 m后開挖第三層,第二、三層每循環(huán)進尺3.0 m。采用100B潛孔鉆配合YT-28手風(fēng)鉆造孔,周邊孔光面爆破。出渣機械采用3.0 m3裝載機(龍工850)、2臺(1.2 m3/1.6 m3)液壓反鏟挖裝,配25 t自卸汽車出碴[3]。第二、三層爆破設(shè)計見圖4。

圖4 第二、三層爆破設(shè)計圖(單位:m)

第二、三層爆破參數(shù)見表4。

表4 第二、三層爆破參數(shù)表

4.2.3 保護層開挖

第Ⅱ、Ⅲ層開挖及支護完成后,按設(shè)計斷面尺寸進行保護層開挖,保護層厚1.2 m,采取水平鉆孔,在結(jié)構(gòu)線進行光面爆破,爆破石碴采用反鏟挖裝,25 t自卸汽車通過溢洪洞出口及下支洞運輸至碴場。循環(huán)進尺3.0 m。保護層爆破設(shè)計見圖5。保護層爆破參數(shù)見表5。

表5 保護層爆破參數(shù)表

圖5 保護層爆破設(shè)計圖(單位:m)

5 支護設(shè)計

5.1 設(shè)計參數(shù)

Ⅲ類圍巖采用掛網(wǎng)噴混凝土+系統(tǒng)錨桿支護形式,掛網(wǎng)采用φ8@20 cm×20 cm參數(shù),噴C20混凝土,厚10 cm,錨桿采用直徑28 mmHRB400鋼筋,長6.0 m,入巖5.5 m,間排距1.5 m[4]。

Ⅳ類圍巖采用掛網(wǎng)噴混凝土+系統(tǒng)錨桿+鋼

支撐支護形式,掛網(wǎng)采用Φ8@20 cm×20 cm參數(shù),噴C20混凝土,厚15 cm,錨桿采用HRB400鋼筋,長6.0 m,入巖5.5 m,間排距1.5 m。鋼支撐采用Ⅰ20 a工字鋼,間距1.0 m,連接筋采用C20鋼筋,間距1.0 m;鎖腳錨桿采用C28 HRB400鋼筋,長6.0 m,每榀鋼支撐布置14根。

Ⅴ類圍巖采用掛“網(wǎng)噴混凝土+系統(tǒng)錨桿+鋼支撐”支護形式,掛網(wǎng)采用Φ8@20 cm×20 cm參數(shù),噴C20混凝土,厚20 cm,錨桿采用C28 HRB400鋼筋,長6.0 m,入巖5.5 m,間排距1.0 m。鋼支撐采用Ⅰ25 a工字鋼,間距0.75 m,連接筋采用C20鋼筋,間距1.0 m;鎖腳錨桿采用C28 HRB400鋼筋,長6.0 m,每榀鋼支撐布置14根。

5.2 施工工藝

錨桿施工采用“先插錨桿后注漿”的施工工藝,Ⅲ類、Ⅳ類圍巖永久支護順序為:開挖→初噴3～5 cm厚C20混凝土→系統(tǒng)錨桿施工→掛網(wǎng)→復(fù)噴;Ⅴ類圍巖支護順序為:開挖→初噴3～5 cm厚C20混凝土→工字鋼拱架安裝→系統(tǒng)錨桿施工→掛網(wǎng)→復(fù)噴。Ⅲ類圍巖施工時,隨機支護緊跟開挖面,滯后10.0～15.0 m實施系統(tǒng)支護,Ⅳ級、Ⅴ類圍巖施工時,系統(tǒng)支護應(yīng)緊跟開挖面,整個洞身施工過程中若遇特殊地質(zhì)段需按設(shè)計要求進行處理。錨噴支護跟進的關(guān)系及滯后的控制距離將根據(jù)現(xiàn)場情況及地質(zhì)狀況適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)開挖與支護相沖突時,優(yōu)先保證支護,確保圍巖穩(wěn)定與施工安全。

5.3 支護措施施工[2-3]

5.3.1 超前錨桿施工

超前錨桿主要設(shè)置在隧道Ⅳ類、Ⅳ類加強及Ⅴ類圍巖地段,超前錨桿長度4.5 m,外插角5～10°,環(huán)向間距40 cm,縱向間距3.0 m,搭設(shè)長度不小于1.0 m。超前錨桿采用YT-28型手風(fēng)鉆進行鉆孔,鉆孔達到設(shè)計深度后,利用高壓風(fēng)進行清孔,清孔結(jié)束,采用風(fēng)鉆將錨桿頂入,錨桿尾端外露長度適中,超前錨桿外插角嚴(yán)格按設(shè)計要求施工,尾部與搭設(shè)并焊接在鋼拱架外緣,成為一體。超前錨桿與線路中線方向大致平行,孔位鉆設(shè)偏差不超過10 cm,孔徑符合設(shè)計要求。超前錨桿采用注漿機注漿,注漿壓力為1～1.5 MPa,錨桿注漿后,在砂漿凝固前,不得敲擊、碰撞和拉拔錨桿。

5.3.2 超前小導(dǎo)管施工

超前小導(dǎo)管設(shè)置在洞身段Ⅴ類及Ⅴ類加強圍巖地段,采用外徑48 mm,壁厚4 mm,長450 cm的熱軋無縫鋼管,在鋼管距尾端0.3 m范圍外鉆φ8 mm壓漿孔。鋼管環(huán)向間距約35 cm,排距3.0 m,外插角控制在5～10°,尾端支撐于鋼架上或焊接于系統(tǒng)錨桿的尾端,每排小導(dǎo)管縱向搭接不少于1.0 m。施工時采用YT28氣腿鉆鉆孔,頂推法入孔。注漿前對掌子面噴漿封閉,避免因巖石裂隙而漏漿。用注漿泵進行壓漿,超前注漿小導(dǎo)管注漿材料為水灰比為1︰1的水泥漿,注漿壓力1～2 MPa,注漿結(jié)束后對孔口進行填充封堵。注漿管的外露端支撐于鋼拱架上,共同組成預(yù)支護體系。注意確保每環(huán)間的搭接長度不小于1.0 m。

5.3.3 超前管棚施工

超前管棚設(shè)置在洞身段Ⅴ類及Ⅴ類加強圍巖地段,采用外徑125 mm,壁厚6 mm,長450 cm的熱軋無縫鋼管(入巖4.5 m,外露0.5 m)。沿開挖輪廓線周邊測量放樣布孔。管棚鉆機進入工作面,調(diào)整就位后,鉆架頂緊掌子面,使用頂驅(qū)液動錘把套管與鉆桿同時沖擊回轉(zhuǎn)鉆入第一節(jié)鉆桿和套管。當(dāng)?shù)谝还?jié)鉆桿和套管鉆入巖層,尾部剩余20～30 cm停止鉆進,用液壓夾頭夾緊鉆桿和套管,鉆機低速反轉(zhuǎn),脫開鉆桿和套管。鉆機沿導(dǎo)軌退回原位,裝入第二節(jié)鉆桿和套管,并在鉆桿和套管前端安裝好聯(lián)接套,鉆機低速送至第一節(jié)鉆桿和套管尾部,方向?qū)?zhǔn)后連接成一體,繼續(xù)鉆進。按同樣方法繼續(xù)接長鉆桿和套管。鉆孔達到要求深度后,先把套管內(nèi)孔注水清洗干凈,才按與鉆進相反步驟拆卸鉆桿,套管留在孔內(nèi)供護孔用。將鋼花管插入套管內(nèi),鋼管用絲扣聯(lián)接,鋼管終端密封。鋼花管在插進到位后,分節(jié)取出套管。繼續(xù)鉆進其他孔,直至所有鋼花管安裝完畢。鋼管口端與孔口周壁用噴射混凝土密封作止?jié){墻。用高壓將漿液壓入鋼花管內(nèi),漿液通過鋼花管孔滲入孔壁的縫隙內(nèi),固結(jié)附近巖土層,注漿采用先灌注“單”號孔,再灌注“雙”號孔的方法。

6 結(jié) 語

巴拉水電站溢洪洞“裁彎取直”布置于大壩左岸,洞軸線與壩軸線呈85°04′03″夾角,開挖斷面最大高度達20.6 m,最大寬度達16.4 m,是非常典型的超大斷面洞室。溢洪洞進口段圍巖穩(wěn)定性差、垂直埋深淺,最小垂直埋深僅2.8 m,不足1倍洞徑,屬于超淺埋洞段,成洞條件差,且位于高寒地區(qū),施工難度極大。為保障施工安全,已在進口段采用預(yù)固結(jié)灌漿等措施。洞身段在開挖過程中堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤測量、緊襯砌”的新奧法開挖原則,雖然在整體進度安排上亮點并不突出,但洞室超挖量小,半孔率高,開挖質(zhì)量與安全均得以保證,未發(fā)生任何安全、質(zhì)量事故,節(jié)省了大量的隱患處理時間,總體進度可控。

本文對巴拉水電站溢洪洞開挖支護方式進行分析,針對高寒地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下特大斷面洞室的成功開挖經(jīng)驗進行分享,為其他類似工程提供參考借鑒。