吳 桃, 李 東 強(qiáng), 陳 俊 宏, 周 偉

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司,四川 都江堰 611830)

1 概 述

近年來(lái),大型水電站建設(shè)中引水隧洞主要以大斷面、特大斷面長(zhǎng)隧洞為主,特大斷面隧洞施工時(shí)往往采取分層開挖[1]方式,根據(jù)不同水電站地質(zhì)條件不同,采取的斷面尺寸、襯砌方式也不同。

巴拉水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康市境內(nèi)腳木足河上,其中引水隧洞工程(隧)1+592.430～(隧)6+307.430,全長(zhǎng)4 715.0 m,引水隧洞為圓形斷面,Ⅱ類、Ⅲ類圍巖開挖斷面直徑為14 m、Ⅳ類圍巖開挖斷面直徑為12.9 m、Ⅴ類圍巖開挖斷面直徑為13.4 m,屬于特大斷面隧洞。引水隧洞主洞開挖采用分層開挖,先施工上半洞,上半洞施工完成后再施工下半洞,其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖上半洞開挖高度9.1 m,Ⅳ類圍巖上半洞開挖高度7.65 m,Ⅴ類圍巖上半洞開挖高度7.9 m。

引水隧洞控制段主洞Ⅱ類圍巖頂拱270°范圍采用噴10 cm厚混凝土作為永久支護(hù),底拱90°范圍澆筑C25F100W6混凝土,混凝土襯砌厚度60 cm;Ⅲ類圍巖頂拱270°范圍采用噴20 cm厚混凝土作為永久支護(hù),底拱90°范圍澆筑C25F100W6混凝土,混凝土襯砌厚度60 cm;Ⅳ類、Ⅴ類圍巖均為全斷面襯砌混凝土,混凝土強(qiáng)度為C25F100W6,其中Ⅳ類圍巖混凝土襯砌厚度80 cm;Ⅴ類圍巖混凝土襯砌厚度100 cm。

2 工程地質(zhì)

此段隧洞為燕山早期中粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖,隧洞圍巖劃分主要是以隧洞沿線的地形地貌、隧洞埋深、構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度、風(fēng)化夾層分布密度、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面走向與隧洞軸線的夾角以及地下水活動(dòng)狀態(tài)等工程地質(zhì)條件,隧洞上覆巖體厚一般為160.0～350.0 m,圍巖以灰白色中粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖為主,次為青灰色中細(xì)粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖,巖質(zhì)堅(jiān)硬,該洞段巖體風(fēng)化夾層分布幾率總體較低。分布于火燒壩2號(hào)溝上游的Fx1斷層規(guī)模較大,斷層帶寬約10.0～15.0 m,影響帶寬度約25.0 m,產(chǎn)狀N30°～40°W/SW(NE)∠75°～85°。此外,小斷層、擠壓破碎帶等軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)有出露,但規(guī)模均較小,破碎帶寬度一般<1.0 m,產(chǎn)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(fēng)化卸荷微弱,節(jié)理面一般新鮮、閉合無(wú)充填,裂隙間距多大于40 cm,巖體較完整,呈塊狀—次塊狀結(jié)構(gòu),圍巖以Ⅲ類為主,Ⅳ、Ⅱ類次之,少量Ⅴ類,成洞條件較好。但局部發(fā)育的斷層、擠壓破碎帶和風(fēng)化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低,主要為Ⅳ類或Ⅴ類圍巖,穩(wěn)定性差。

3 開挖臺(tái)車的優(yōu)化

隧洞施工過(guò)程中,隧洞開挖臺(tái)車均采用自制臺(tái)車。根據(jù)設(shè)計(jì)施工藍(lán)圖,Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖高度比Ⅳ類圍巖開挖高度高1.45 m,Ⅴ類圍巖比Ⅳ類圍巖開挖高度高0.25 m,由于引水隧洞地質(zhì)原因,圍巖變化較快,施工中經(jīng)常出現(xiàn)Ⅲ類、Ⅳ類圍巖交替情況,正常情況下開挖臺(tái)車制作按Ⅳ、Ⅴ類圍巖高度考慮,Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖時(shí)需要將開挖渣料回填約1.5 m才能滿足開挖和支護(hù)要求,此工序往往會(huì)耽擱1～2 h,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度,同時(shí),增加了機(jī)械和人工成本。

3.1 原隧洞開挖臺(tái)車

原隧洞開挖臺(tái)車主要按照Ⅳ、Ⅴ類圍巖高度考慮,Ⅳ類圍巖上半洞開挖高度7.65 m,Ⅴ類圍巖上半洞開挖高度7.9 m。臺(tái)車高度為5.9 m,長(zhǎng)6.0 m。臺(tái)車門架(含側(cè)翼)主要由立柱、橫梁、斜撐及側(cè)翼組成,均采用I20 a規(guī)格的工字鋼。操作平臺(tái)采用焊接的鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè),鋼筋網(wǎng)片使用C14鋼筋,間距為80 mm(鋼筋網(wǎng)縱向每隔500 mm再焊接C22的鋼筋進(jìn)行加固),并焊接牢固。臺(tái)車護(hù)欄使用Φ48的鋼管焊接,平臺(tái)護(hù)欄高1.2 m。

3.2 優(yōu)化后的液壓升降臺(tái)車

為確保不同圍巖類別情況下上半洞開挖時(shí)底部開挖高程的連續(xù)性,項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)根據(jù)工程的施工特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件對(duì)此進(jìn)行專題研究,重新設(shè)計(jì)開挖支護(hù)臺(tái)車。優(yōu)化后的液壓升降臺(tái)車整體框架保持不變,主要增加實(shí)心輪胎以及液壓升降系統(tǒng)(含配套設(shè)施)。

優(yōu)化后的液壓升降臺(tái)車主要由門架、操作平臺(tái)、實(shí)心輪胎及液壓升降系統(tǒng)組成。門架主要由立柱、橫梁和斜撐組成,均采用I20 a規(guī)格的工字鋼焊接。

3.2.1 門架

門架由立柱及橫梁焊接組成,焊接處使用三角鋼板0.3 m×0.3 m×1 cm(長(zhǎng)×寬×厚)加強(qiáng)固定,臺(tái)車共4榀門架,門架立柱高3.96 m,橫梁長(zhǎng)6.2 m,立柱與橫梁轉(zhuǎn)角處采用斜撐進(jìn)行加固,斜撐采用I20 a工字鋼,中心位置長(zhǎng)2.2 m,與立柱及橫梁形成標(biāo)準(zhǔn)的直角三角形。

3.2.2 操作平臺(tái)

改進(jìn)后的液壓升降臺(tái)車從下往上主要分為四層操作平臺(tái),其中第一層至第三層主要為臺(tái)車側(cè)翼操作平臺(tái),第四層為一個(gè)整體操作平臺(tái)。

第一層操作平臺(tái)主要為臺(tái)車兩側(cè)的操作平臺(tái),此操作平臺(tái)寬度為2.9 m,距離地面高度2.35 m。操作平臺(tái)下方設(shè)置伸縮桿,伸縮桿采用DN80無(wú)縫鋼管,鋼管插入側(cè)翼焊接好的帶有圓孔鋼板中就可以手動(dòng)對(duì)鋼管進(jìn)行伸縮。為便于后期插入伸縮桿,將在側(cè)翼(I20 a工字鋼)上焊接邊長(zhǎng)為175 mm,厚為10 mm的正方形鋼板,為更好地貼合工字鋼邊緣將鋼板剪去約為長(zhǎng)47 mm、寬22 mm的長(zhǎng)方形,并在剪好角的鋼板上鉆半徑為45 mm的圓形孔,該圓孔與鋼板上邊緣相切。第一層圓孔鋼板間距725 mm,第二層圓孔鋼板間距667 mm。

第二層操作平臺(tái)同樣為臺(tái)車兩側(cè)的操作平臺(tái),此操作平臺(tái)寬度為2.1 m,距離第一層操作平臺(tái)高度2.2 m。第一、二層操作平臺(tái)均可以通過(guò)伸縮桿進(jìn)行折疊收縮,操作平臺(tái)上鋪設(shè)的鋼筋網(wǎng)片也制作成可折疊形式。為方便現(xiàn)場(chǎng)施工及臺(tái)車行走,同時(shí)確保操作平臺(tái)穩(wěn)定性,在兩側(cè)操作平臺(tái)橫梁與立柱之間增加斜撐,斜撐采用I20 a工字鋼。第一層操作平臺(tái)斜撐工字鋼高的中心位置長(zhǎng)1.5 m,第二層操作平臺(tái)斜支撐工字鋼高的中心位置長(zhǎng)1.0 m,斜撐與門架立柱形成60°夾角,第一、二層操作平臺(tái)圓孔鋼板示意圖見圖1。

圖1 第一、二層操作平臺(tái)圓孔鋼板示意圖

第三、四層操作平臺(tái)為一個(gè)整體,位于液壓油缸上方,組成整個(gè)升降平臺(tái)。升降平臺(tái)鋼架與臺(tái)車門架相對(duì)應(yīng),升降平臺(tái)分三層工字鋼(I20 a)焊接。從下往上,第一層工字鋼全長(zhǎng)7.6 m,并從兩端往中間焊接與第一、二層側(cè)翼相同的正方形圓孔鋼板,間距1.0 m,從兩端往中間數(shù)第四個(gè)鋼板不打孔,用于伸縮桿的擋板,防止過(guò)度收桿;第二層使用兩塊高為300 mm的墊塊(I20 a工字鋼立放)焊接位置在第三層工字鋼(長(zhǎng)5.2 m)兩端。第三層操作平臺(tái)兩側(cè)寬度均為1.0 m。

第四層操作平臺(tái)為最上層操作平臺(tái),尺寸為5.2 m×6.0 m(寬×長(zhǎng))。此平臺(tái)可通過(guò)液壓升降系統(tǒng)將其升降至合適的高度,滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

3.2.3 增加實(shí)心輪胎

原開挖支護(hù)臺(tái)車底板滑動(dòng)采用兩根縱向I20 a工字鋼,使用裝載機(jī)推動(dòng)行走,如遇底板不平整,行走較困難。同時(shí),底板摩擦力較大,裝載機(jī)推行也比較耗時(shí),對(duì)機(jī)械本身磨損較大。

優(yōu)化后的臺(tái)車在臺(tái)車四周增加4組直徑為700 mm實(shí)心輪胎[2],實(shí)心輪胎2個(gè)為一組。前后車輪軸距為5.3 m,左右車輪軸距為6.0 m。臺(tái)車的門架立柱與實(shí)心輪組上的工字鋼焊接。采用實(shí)心輪胎主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1)臺(tái)車行走速度更快,加快施工工序銜接,增加施工效率;

(2)臺(tái)車推動(dòng)更加省力,減少機(jī)械磨損,間接降低施工成本。

3.2.4 增加液壓升降系統(tǒng)

液壓升降系統(tǒng)主要通過(guò)在臺(tái)車立柱上增加四個(gè)液壓油缸的方式。液壓油缸操作系統(tǒng)由廠家配套提供,液壓油缸采用140/70-1100型,缸徑140 mm,桿徑70 mm,液壓泵站壓力等級(jí)16 MPa,速比為1.33,最大推力為246 kN,即24.6 t。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),升起或降低最大高度所需時(shí)間約2 min。

液壓油缸主要固定在臺(tái)車框架最邊緣四個(gè)立柱上,通過(guò)液壓系統(tǒng)操作桿對(duì)其進(jìn)行升降工作。液壓系統(tǒng)操作設(shè)備主要固定在第一層操作平臺(tái)上。改進(jìn)后,液壓升降臺(tái)車收縮狀態(tài)和液壓升降臺(tái)車升起狀態(tài)分別見圖2、3。

圖3 液壓升降臺(tái)車升起狀態(tài)

3.2.5 風(fēng)水管安裝

為方便后續(xù)施工,臺(tái)車設(shè)計(jì)要考慮風(fēng)水管搭接。第1榀臺(tái)車門架安裝風(fēng)管,主要設(shè)置在第一層操作平臺(tái)下方立柱上,此處設(shè)置一個(gè)外接風(fēng)管閥門,另在外接風(fēng)管閥門旁設(shè)置1個(gè)主風(fēng)管閥門接口,另一側(cè)立柱上設(shè)置2個(gè)副風(fēng)管閥門接口;第一層操作平臺(tái)與第二層操作平臺(tái)之間同樣設(shè)置一個(gè)主風(fēng)管閥門接口,4個(gè)副風(fēng)管閥門接口,其中頂部?jī)蓚€(gè)副風(fēng)管閥門接口主要用于液壓升降臺(tái)車升高后風(fēng)管與手風(fēng)鉆連接。第2榀臺(tái)車門架安裝水管,其水管閥門接口位置與風(fēng)管一致。

3.2.6 液壓升降臺(tái)車優(yōu)劣

與原隧洞開挖臺(tái)車相比,液壓升降臺(tái)車主要有以下優(yōu)缺點(diǎn):

(1)缺點(diǎn):液壓升降臺(tái)車投入使用后,需定期對(duì)液壓升降臺(tái)車的液壓升降系統(tǒng)進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行處理;使用液壓升降臺(tái)車的施工人員必須進(jìn)行安全學(xué)習(xí)和培訓(xùn)后方可操作。

(2)優(yōu)點(diǎn):相對(duì)于原臺(tái)車方案,液壓升降臺(tái)車通過(guò)四個(gè)液壓油缸能夠靈活調(diào)整操作平臺(tái)高度,操作簡(jiǎn)單,推行方便,升降行程平穩(wěn)。

①Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖高度比Ⅳ類圍巖開挖高1.45 m,由于引水隧洞圍巖變化較快,施工中經(jīng)常出現(xiàn)Ⅲ類、Ⅳ類圍巖交替情況,正常情況下臺(tái)車制作按Ⅳ、Ⅴ類圍巖高度考慮,Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖時(shí)需要墊渣才能滿足施工高度要求,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。液壓升降臺(tái)車通過(guò)頂升或收縮四個(gè)液壓油缸使頂層施工平臺(tái)可以靈活調(diào)整施工高度,Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖時(shí)液壓油缸處于收縮狀態(tài),Ⅲ類圍巖開挖時(shí)頂升液壓油缸,調(diào)整至適合開挖高度,這樣,使施工操作方便、靈活,大大節(jié)約施工工序和時(shí)間,從而縮短施工工期。

②升降操作平臺(tái)主要是通過(guò)液壓油缸的壓力傳動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)升降的功能,其液壓結(jié)構(gòu)重量輕、體積小、運(yùn)動(dòng)慣性小、反應(yīng)速度快,使升降機(jī)起升有較高的穩(wěn)定性、寬大的作業(yè)平臺(tái)和較高的承載能力,使施工作業(yè)范圍更大并適合多人同時(shí)作業(yè),它使高空作業(yè)效率更高,更能保障施工安全。

4 相關(guān)技術(shù)要求

(1) 工字鋼焊接不允許有裂紋、氣孔、焊渣[3]等,其焊接質(zhì)量須滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(2) 對(duì)所有入場(chǎng)材料,必須檢驗(yàn)核對(duì)質(zhì)保資料,并取樣進(jìn)行試驗(yàn),填寫試驗(yàn)報(bào)告。按驗(yàn)收程序收貨后分類保管,做好標(biāo)記保管好樣品。質(zhì)量檢查記錄和試驗(yàn)報(bào)告要隨樣品一起保存?zhèn)洳?。?duì)檢查驗(yàn)收不合格的材料、成品和半成品,不得用于本工程中;焊接工序嚴(yán)格執(zhí)行“三檢制”制度,確保焊接質(zhì)量滿足要求。

(3) 臺(tái)車操作平臺(tái)高度均為屬于高空作業(yè)[4]范疇,施工過(guò)程中做好安全保障措施。

(4) 液壓升降系統(tǒng)需定期進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)[5],確保使用安全。

(5) 液壓升降臺(tái)車需派專人進(jìn)行操作。

5 結(jié) 語(yǔ)

巴拉水電站引水隧洞工程通過(guò)將原來(lái)傳統(tǒng)的開挖臺(tái)車改為液壓升降臺(tái)車,解決了由Ⅱ、Ⅲ類與Ⅳ、Ⅴ類圍巖之間因開挖高度差較大(1.45～1.20 m)造成增加施工工序的問題,優(yōu)化后的液壓升降臺(tái)車使Ⅱ、Ⅲ類圍巖及與Ⅳ、Ⅴ類圍巖漸變段開挖時(shí)每個(gè)洞挖支護(hù)循環(huán)減少時(shí)間約1～2 h,大大提高工作效率,降低施工成本,同時(shí),增加施工安全保障。液壓升降臺(tái)車已在巴拉水電站引水隧洞開挖、支護(hù)中成功運(yùn)用,為后續(xù)類似隧洞工程提供參考和借鑒。