滇中引水軟巖隧洞施工支洞交岔口開挖控制技術

殷 本 林

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 611730)

1 概 述

滇中引水工程是我國西南地區規模最大、投資最多的水資源配置工程,也是我國在建的大型引水工程之一。工程由石鼓水源和輸水總干渠兩部分組成。輸水總干渠跨滇西北、滇中及滇東南地區,共劃分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段和紅河段6段。由中國水電七局承建的標段位于大理Ⅱ段,主要包含獅子山隧洞、牛駝子箐暗涵、洗窩帚山隧洞等主要建筑物。

獅子山隧洞長5.164 km,設計流量為125 m3/s,底坡i=1/4 200,斷面型式為馬蹄型,襯砌后的斷面尺寸為9.2 m×9.2 m,襯砌厚度為0.4～0.7 m,跨斷裂帶的襯砌厚度為0.7～0.8 m。

為滿足獅子山隧洞的開挖進度,工程設置了5號支洞作為主洞(獅子山隧洞)的施工通道。其交叉口包含主洞段和支洞段,其主洞段長42 m,支洞段長9 m。在主洞段交叉口范圍布置了工字鋼及底板永久橫撐進行加強支護,其間距為0.5 m,共計布置了85榀。對該支洞段交叉口處的工字鋼設置為左密右寬的輻射狀,隧洞左側工字鋼布置的間距為0.232 m,右側的間距為0.8 m,共計布置了18榀工字鋼。支洞與主洞交岔口處的結構混凝土與主洞澆筑為一體。5號施工支洞交岔口平面圖見圖1。

圖1 5號施工支洞交岔口平面圖

該段地層巖性為(T3ba)強風化粉砂質泥巖、鈣質泥巖,夾薄層狀粉砂巖、泥質砂巖,巖體較破碎～完整性差,巖體節理裂隙多呈微張～半閉合狀,裂隙延伸長度為5～8 m,裂隙面平直粗糙,填充巖屑夾泥。圍巖軟弱破碎,節理裂隙發育密集,裂隙水發育,存在流水、股狀涌水的可能性。針對實際施工工況,項目部制定出切實可行的施工方案并付諸實施,取得了較好的效果。

2 總體施工程序

針對該交岔口的施工,總體分以下步驟進行:支洞交岔口段的開挖支護→道路回填→主洞交岔口段導洞的開挖支護→交叉段主洞挑挖施工→主洞上下游交叉段的開挖支護。待交岔口段的開挖支護施工完成后,分別向主洞上下游掘進[1]。

支洞段采用機械開挖[2],待開挖支護至主洞下游邊墻時停止掘進,利用開挖渣料填筑形成道路后爬坡進入主洞工作面,開始實施主洞的開挖支護。主洞分三層進行開挖支護,其中上層又分為中導洞+擴挖并設置了臨時支護措施。待上層開挖支護完成后分別進行中層和下層的開挖支護。交岔口開挖分層剖面圖見圖2。

圖2 交岔口開挖分層剖面圖

施工期間主要通過初支加強措施確保交岔口巖體的安全穩定。交岔口支洞段采用雙層Ⅰ20a工字鋼進行加固,主洞段增加Ⅰ20a永久橫撐閉環,橫撐間距同主洞鋼支撐間距。橫撐左側(順水流方向)通過在端頭設置地梁的方式將橫撐進行固定,同時在地梁背部、軌道對應位置預埋Ⅰ20a工字鋼作為軌道車擋。交岔口地梁的布置情況見圖3。

圖3 交岔口地梁布置示意圖

3 主要施工方法

3.1 交岔口支洞段的開挖

支洞段根據所揭露的圍巖條件采用全斷面和臺階法開挖,在完成支洞段開挖及支護后再進行交岔口主洞段的開挖,期間需要在支洞部位回填部分洞渣作為施工通道。隨著交岔口和主洞段的開挖支護進度,逐步挖除該部分洞渣。

交岔口段布置的18榀鋼支撐采用Ⅰ20a內外雙拼工字鋼,其中最后一榀工字鋼(與主洞相交部位)采用方型門架型式,同時,該段底板設置單層Ⅰ20a工字鋼橫撐,噴20 cm厚C20混凝土封閉。頂部工字鋼與主洞段工字鋼連接成整體。交岔口18號工字鋼結構示意圖見圖4。

圖4 交岔口18號工字鋼結構示意圖

超前支護措施為超前注漿小導管,參數為:Φ42 mm,L=4.5 m,間距0.3 m,排距3.0 m,搭接長度為1.5 m;鎖腳采用注漿錨管,參數為:雙排、四根Φ42 mm ,L=4.5 m;掛網噴混凝土的參數為:Φ6 mm@200 mm×200 mm,40 cm厚C20混凝土;系統錨桿采用中空注漿錨桿,參數為:C25 mm,L=4.5 m,間排距為2.0 m[4]。

3.2 導洞開挖

支洞開挖完成后進行主洞導洞的開挖,導洞開挖的斷面為5.4 m×4.7 m(寬×高),導洞開挖采用全斷面開挖,一次開挖成形。

采用Ⅰ20鋼支撐,共布置了16榀工字鋼,間距為0.5 m。導洞開挖支護完成后實施導洞段主洞鋼支撐,將主洞鋼支撐左側末端與支洞18號鋼支撐焊接牢固,使導洞頂部形成鋼支撐網殼,以便其整體受力;在完成上述項目施工后方可進行下一步施工。中導洞鋼架結構見圖5。

圖5 中導洞鋼架結構示意圖

3.3 主洞開挖

在完成導洞及導洞對應的主洞鋼支撐施工后啟動主洞段施工,采用三臺階開挖,主要分為以下三個步驟。

第一步:拆除導洞上游的豎向鋼支撐后進行上游段的開挖,長度為4 m,循環進尺為0.5 m。

第二步:繼續向前掘進,該部分工字鋼不再搭接至支18號工字鋼,需根據圍巖情況按0.5～1.0 m長度進行開挖。

第三步:重復上述步驟組織并進行下游剩余區域的開挖。

第四步:在完成第三步施工后,交岔口工作面逐步打開,上下游可交錯進行開挖,待工作面操作空間滿足施工要求后,組織進行第二臺階、第三臺階開挖。

要求將三臺階的長度整體控制在25～30 m范圍內[5],嚴格執行初支盡早封閉成環的施工工藝。

4 超前地質預報

根據圍巖地質條件及風險程度,將超前地質預報的級別分為A、B、C級并采取了相應的預測手段。各種地質預報手段見圖6。

圖6 各種地質預報手段示意圖

4.1 加深炮孔

加深炮孔的探測方法應在施工超前地質預報洞段全覆蓋(采用超前鉆探洞段除外),其前后探測循環宜有適當的重合段。對于斷層、節理密集帶或其他破碎富水地層每循環宜鉆1孔,富水巖溶發育區每循環宜鉆3～5個孔。揭示巖溶時應適當增加鉆孔,以滿足安全施工和溶洞處理所需資料為原則,加長炮孔的孔深為5 m,搭接長度為1 m。

4.2 超前水平鉆

超前水平鉆以沖擊鉆為主,孔徑不小于65 mm,用以確定掌子面前方的巖石類別,判斷含水的裂隙與孔洞、富水帶、含有害氣體的巖層等,孔數的布置為在斷層、節理密集或其他破碎富水地層每循環鉆1孔,在富水巖溶發育區每循環鉆3～5個孔,用以揭示巖溶時應適當增加,以滿足安全施工和溶洞處理基礎資料為原則;當連續預報時,其前后兩次的預報鉆孔需搭接3～5 m。鉆孔過程中若遇到夾泥層、涌水時應停止鉆孔,待處理后方可施工。超前鉆孔主要作為短期超前地質預報手段,每30 m探測預報一次,每次搭接長度為5 m。

5 監控量測

5.1 監測點的埋設

監測點的安裝應能保證開挖后12 h(最遲不超過24 h)內和下一循環開挖前測得初次讀數。測點應牢固可靠、易于識別并需注意保護,嚴禁爆破損壞。監測點的制作要求:采用:C22 mm螺紋鋼,長40 cm,將其端部切割成約15°斜面,于斜面焊接50 mm×50 mm×3 mm的正方形鋼板,用于粘貼反光片。

監測斷面的一般間距為:Ⅱ類圍巖每隔60 m左右布置1個收斂斷面,Ⅲ類圍巖每隔50 m左右布置1個收斂斷面,Ⅳ類圍巖每隔40 m左右布置1個收斂斷面,Ⅴ類圍巖每隔30 m左右布置1個收斂斷面。對于斷層破碎帶,5～10 m布置1個收斂斷面。 特殊情況按設計要求執行,在每個收斂監測斷面布設5個收斂測點。

5.2 監測頻率

隧洞圍巖收斂監測的時段系從掌子面附近具備收斂測點埋設條件開始,直至二次襯砌開始澆筑時為止。各收斂斷面在開挖或支護后的7 d內每天應觀測2次;8～15 d每天觀測1次。當掌子面距收斂斷面的距離大于2倍洞徑后每2 d觀測1次。變形穩定后,每周觀測1次,直至圍巖襯砌后停止觀測。在收斂斷面附近進行加固處理時或測值出現異常時應酌情增加觀測次數。

5.3 數據分析

隧洞安全監測成果包括:監測周報、監測月報、收斂變形監測現場記錄表,其中收斂變形監測現場記錄表是按照水平位移法、垂直位移法整理出來的,該分析表能有效反映頂拱沉降與水平線收斂變形,具備反映圍巖變形的功能。

6 結 語

監測數據反映的情況表明:交岔口段在采取系統施工措施后圍巖的收斂變形馬上得到有效控制,變形速率在3 mm/d以內,圍巖趨于平穩。

綜上所述,在隧洞施工過程中,應堅持做好監控量測、超前地質預報工作,分析變形機理,然后有針對性地采取加強措施和方案優化是行之有效的治理手段。然而,由于隧洞地質條件復雜以及變形的多樣性,其變形機理不同而導致軟巖變形的治理、預防仍然是一項嚴峻的課題。