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        多元地質(zhì)結(jié)構(gòu)隧洞開挖及支護(hù)施工技術(shù)

        2015-11-24 08:11:56
        水科學(xué)與工程技術(shù) 2015年5期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖變形

        袁 媛

        (新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊830000)

        1 工程概況

        某水電站引水隧洞工程位于新疆伊犁州尼勒克縣境內(nèi)的喀什河上游河段,隧洞全長(zhǎng)2175m,設(shè)計(jì)開挖斷面71.2m2,洞徑8.9m。該工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜,隧洞上半洞為無(wú)膠結(jié)松散砂卵礫石層,局部夾有砂層透鏡體,且有較多孤石出露,孤石粒徑不等(最大粒徑超過2m),隧洞下半洞地層為紅褐色泥巖夾薄層砂礫巖。

        在砂卵礫石層內(nèi),賦存孔隙型潛水,地表水補(bǔ)給充分,在拱肩以上分布有多處滴水點(diǎn)。泥巖夾薄層砂礫巖節(jié)理較發(fā)育,沿節(jié)理面有地下水流出。由于受基巖頂托,在基巖面與砂卵礫石層的交接處,地下水溢出,水量較大。隧洞開挖后受應(yīng)力重新分布和施工過程擾動(dòng),坍塌、超挖現(xiàn)象嚴(yán)重,成洞困難。

        2 隧洞開挖及支護(hù)

        2.1 超預(yù)判

        由于本隧洞起拱線以上為砂卵礫石層,其具有密度大、大粒徑飄石含量高、顆粒級(jí)配不良、滲透性強(qiáng)、卵石強(qiáng)度高、孔隙型潛水從砂卵礫石層與泥巖層交接面溢出等特點(diǎn),使得隧洞開挖、支護(hù)困難,超前支護(hù)及鉆孔方式必須兼有注漿與自進(jìn)功能。

        2.2 超前管棚

        用C25噴射混凝土封閉掌子面,作為止?jié){墻同時(shí)也防止在鉆孔時(shí)掌子面坍塌。在拱部120°范圍內(nèi),開挖輪廓線以外10cm,打設(shè)R51L超前邁式管棚(如圖1),長(zhǎng)6~8m,管棚環(huán)向間距30cm,縱向搭接長(zhǎng)度≥1m,外插角3°~5°。管棚壁上鉆有準(zhǔn)10mm圓孔,間距60cm,梅花型交錯(cuò)布置,以加大漿液滲透能力。邁式管棚采用YGL-100A型全液壓履帶式管棚機(jī)鉆送。

        2.3 預(yù)注漿

        注漿數(shù)量的控制采用定壓和定量相結(jié)合的方法,注漿數(shù)量及注漿壓力基本是固定的,按需要填充的空隙量選定,以所處圍巖總體積的百分?jǐn)?shù)表示,在砂卵礫石層注漿量可高達(dá)40%。

        圖1 邁式管棚縱橫斷面

        注漿采用水泥——水玻璃雙漿液,漿液的凝膠時(shí)間能準(zhǔn)確控制在十幾秒至十幾分鐘范圍內(nèi)。注漿前先用漿液把孔中水壓出管外,待漿液流出的濃度與漿池中的漿液的濃度相同時(shí),再密封孔口,加壓并把壓力穩(wěn)定在0.5~1MPa之間,不要間斷注漿。水泥漿攪拌完畢后采用1mm×1mm網(wǎng)篩過濾,放入葉片立式攪拌機(jī)進(jìn)行二次攪拌,確保漿液均勻。注漿順序由下向上,不可倒置。

        2.4 洞內(nèi)開挖

        工藝控制采用方法:

        開挖掘進(jìn)30cm——管棚制作——安裝首榀拱架——錨桿安裝——鋼筋網(wǎng)片制安——噴射混凝土——開挖掘進(jìn)——鋼拱架制安——錨桿安裝——鋼筋網(wǎng)片制安——噴射混凝土——安裝第2排——錨桿安裝——循序漸進(jìn),以此類推,完成隧洞的安全掘進(jìn)。因此選擇合理的支護(hù)時(shí)機(jī),判斷支護(hù)的實(shí)施效果,并對(duì)支護(hù)參數(shù)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,使隧洞施工實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)化管理,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

        第一步開挖采用弧形開挖預(yù)留核心土方式,開挖進(jìn)尺不超過1m,核心土的作用除對(duì)掌子面和拱部圍巖起穩(wěn)定作用外,還可作為人工操作平臺(tái)以便于支護(hù),核心土預(yù)留必須有一定長(zhǎng)度和寬度,以滿足人工作業(yè)為準(zhǔn),開挖高度2.5m,核心土體長(zhǎng)4~6m,上頂寬3~4m,便于人工對(duì)上臺(tái)階進(jìn)行一次支護(hù)。主要采用挖機(jī)配以人工開挖,欠挖部分適用鐵鍬及風(fēng)鎬找欠,對(duì)于掌子面開挖輪廓線出露較大孤石時(shí),采用溫控靜態(tài)爆破技術(shù),在孤石上沿開挖輪廓線打眼,孔間距不超過30cm,孔內(nèi)裝入膨脹劑藥包進(jìn)行膨脹開裂,以減少對(duì)掌子面的震動(dòng)。

        中下臺(tái)階采用左右馬口跳槽開挖,開挖進(jìn)尺不超過2m,跳槽的間距不得少于2m,嚴(yán)禁在同一斷面上使左右鋼架同時(shí)處于懸空狀態(tài),以保證安全。中臺(tái)階開挖高度選擇3m,臺(tái)階長(zhǎng)6m。下臺(tái)階開挖高3.5m,臺(tái)階長(zhǎng)7m。泥巖部分采用礦山斗挖機(jī)開挖,對(duì)于稍微堅(jiān)硬的泥巖,則在挖機(jī)上配置獨(dú)鉤獵土器,每次能夠?qū)⒛鄮r鉤松30~50cm,開挖速度較快。

        2.5 支護(hù)措施

        根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,在圍巖自穩(wěn)的時(shí)效內(nèi),采用分部連續(xù)開挖一次性支護(hù)的方式,避免施工工序交叉,加快了施工進(jìn)度。開挖完畢及時(shí)出渣,對(duì)巖面找欠排險(xiǎn)后,先在開挖面噴射一層4~6cm混凝土進(jìn)行封閉,防止巖體風(fēng)化、軟化,產(chǎn)生較大的流變。

        拱架采用永久支護(hù),計(jì)算采用塌落拱理論加一次支護(hù)與永久支護(hù)聯(lián)合受力,根據(jù)巖體受力特點(diǎn)進(jìn)行分析,確立了一次支護(hù)受力分?jǐn)?0%,二次分?jǐn)?0%,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算確立了一次支護(hù)采用型鋼拱架的支護(hù)形式。

        2.5.1 鋼拱架安裝

        泥巖和砂卵礫石層具有大變形和流變效應(yīng),一次支護(hù)需要較大剛度。為減小圍巖收斂,防止圍巖失穩(wěn),及時(shí)調(diào)整了支護(hù)型式,采用[18工字鋼架支護(hù),拱架單元的劃分和間距隨圍巖情況和開挖方式的改變進(jìn)行了調(diào)整。拱架調(diào)整為6單元,鋼架間距50~80cm。鋼拱架拱腳置于質(zhì)地均勻的砂卵礫石層上或無(wú)水浸泡的泥巖上,嚴(yán)謹(jǐn)拱腳懸空或采用虛碴回填。

        2.5.2 鋼架連接筋及網(wǎng)片

        每榀拱架之間由準(zhǔn)20鋼筋連接,環(huán)向間距1m,內(nèi)外交錯(cuò)布置,焊縫必須飽滿,焊接牢固。準(zhǔn)8鋼筋掛網(wǎng)材料由機(jī)械運(yùn)輸至安裝面人工安裝及焊接,網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度不小于20cm。

        2.5.3 噴射混凝土

        埋設(shè)鋼筋頭做量測(cè)噴厚標(biāo)志,噴嘴與巖面距離0.6~1.2m為宜,噴射方向大致垂直于巖面,從下至上分段分層施噴,每次噴厚4~6cm,分多次噴至設(shè)計(jì)厚度。噴混凝土面灑水保持濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)。噴射作業(yè)參數(shù)通過生產(chǎn)試驗(yàn)確定,在保證噴射混凝土密度的前提下,盡量減少回彈量。噴混凝土強(qiáng)度采取現(xiàn)場(chǎng)噴射取樣試驗(yàn),厚度通過預(yù)埋鋼筋做厚度標(biāo)志或鉆孔測(cè)深檢查,外觀質(zhì)量通過肉眼檢查評(píng)價(jià)。

        2.5.4 鎖腳錨桿

        砂卵礫石地層由于地質(zhì)松散,造孔困難且鉆桿不易拔出,本工程采用R32N自進(jìn)式中空錨桿,集造孔與注漿功能,施工速度快,便于迅速加固圍巖。每單元鋼架底腳處打設(shè)2根鎖腳錨桿并注射水泥—水玻璃漿液,錨桿單根長(zhǎng)3m。

        泥巖在干燥狀態(tài)下比較堅(jiān)硬,當(dāng)遇水后短時(shí)間內(nèi)就會(huì)變軟,鉆桿造孔用水會(huì)破壞泥巖強(qiáng)度。所以在泥巖部位采用YT28風(fēng)槍將準(zhǔn)25鋼筋擊入巖體,速度快,質(zhì)量有保證,拉拔力能滿足設(shè)計(jì)要求,擊入式錨桿每處拱腳設(shè)置2根,單根長(zhǎng)2m。

        鎖腳錨桿與鋼架、準(zhǔn)25連接鋼筋焊接牢固,形成“抱箍”狀態(tài)以消耗或平衡了圍巖的二次應(yīng)力。

        2.5.5 隨機(jī)錨桿

        為了保證施工安全,防止圍巖質(zhì)量進(jìn)一步惡化,在水量較大、圍巖松散洞段徑向打設(shè)R25N自進(jìn)式中空隨機(jī)錨桿,注射水泥—水玻璃漿液,起到徑向固結(jié)圍巖作用,加固改良了松散圍巖,平衡圍巖開挖后產(chǎn)生的松弛應(yīng)力,作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分,與圍巖一起構(gòu)筑成新的穩(wěn)定體系。

        2.5.6 底板封閉

        鋼拱架落底后,鋼拱架縱向托梁用[18工字鋼連接,基座斷面尺寸0.5m×0.5m,噴射C25混凝土。隧底鎖口采用C20混凝土澆筑,厚度20cm,內(nèi)置[18工字鋼,底板閉合鋼架支撐隧洞邊墻工字鋼架,從而形成牢固而穩(wěn)定的空間曲線結(jié)構(gòu)。

        2.6 洞內(nèi)排水

        混凝土噴護(hù)前,在泥巖與砂卵礫石交接面地下水集中的部位安裝透水盲管,盲管用無(wú)紡?fù)凉げ及?,防止被噴射混凝土包裹夾心。盲管用準(zhǔn)5cm橡膠管將巖層孔隙水導(dǎo)出洞外或臨時(shí)排水溝。洞底殘留水通過可移動(dòng)式水箱抽或集水坑抽排至洞外。

        2.7 監(jiān)控量測(cè)

        該隧洞依據(jù)監(jiān)控量測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況,通過大量數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)開挖斷面的大小對(duì)變形影響較大,當(dāng)開挖上臺(tái)階時(shí),變形較大,收斂較快;但當(dāng)開挖中下臺(tái)階時(shí),隨開挖斷面擴(kuò)大,變形迅速增加,尤其是兩側(cè)邊墻變形增長(zhǎng)較快,對(duì)圍巖穩(wěn)定不利,其變形約占總變形量的70%。當(dāng)洞室開挖進(jìn)尺達(dá)到3倍洞徑時(shí),圍巖變形基本完成。通過對(duì)本隧洞監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析,掌握圍巖變形規(guī)律,預(yù)測(cè)圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。

        監(jiān)控量測(cè)在施工期對(duì)洞內(nèi)變形采用視準(zhǔn)線法進(jìn)行五點(diǎn)六線觀測(cè),收斂變位采用單點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行觀測(cè)。沉降變位采用三點(diǎn)兩線控制吊點(diǎn)法跟蹤定位,有效確立支護(hù)時(shí)段。

        3 結(jié)語(yǔ)

        (1)多元地質(zhì)結(jié)構(gòu)隧洞洞室一經(jīng)開挖其圍巖松動(dòng)變形很快,早期壓力大,如果施工方法和輔助施工措施不當(dāng),很容易造成大的塌方或支護(hù)嚴(yán)重變形現(xiàn)象。

        (2)采用超前管棚預(yù)支護(hù),周邊人工開挖可減小對(duì)圍巖的擾動(dòng),可以大量減少拱部圍巖的掉塊,有效控制超欠挖及不良地質(zhì)因素帶來(lái)的塌方,塌方處理應(yīng)按照“小塌清,先支后清”、“大塌穿,先護(hù)后挖”及“治塌先治水”的原則進(jìn)行。

        (3)通過本工程施工實(shí)例表明,采用超前管棚預(yù)支護(hù)施工措施是合理的,即縮短工期,又提高工程效率。

        [1]李洪,宋彥剛,郗舉科.紫坪鋪水利樞紐工程導(dǎo)流洞大斷面隧洞大斷層穿越開挖施工技術(shù)[J].水利水電技術(shù),2004,35(1):56-59.

        [2]張雪剛,熊平初,馮波.鄉(xiāng)城水電站古河床地質(zhì)條件下的隧洞開挖與初期支護(hù)[J].水利水電施工,2011(4):50-52,107.

        [3]丁勇.馬來(lái)西亞巴貢水電站隧洞開挖施工難點(diǎn)處理[J].四川水力發(fā)電,2011,30(5):77-80.

        [4]楊多.長(zhǎng)河壩水電站工程地質(zhì)缺陷段的洞室開挖[J].水電站設(shè)計(jì),2013,29(1):42-46.

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