红土田电站引水隧洞破碎岩层开挖与衬砌

2010-11-28魏光银翁建平

浙江水利水电学院学报 2010年4期

魏光银,翁建平

(浙江省水电建筑安装有限公司,浙江杭州 310051)

1 工程概况

红土田电站工程地处云贵高原横断山脉中南段,滇西高山峡谷区,“三江”并流的澜沧江、怒江两大峡谷间.地势北高南低,东高西低.区域内山峦重叠,地势陡峻,谷深坡险,大面积出露碳酸岩及碎屑岩地层,为高山侵蚀溶蚀构造地貌.河流下切和逆源侵蚀强烈,工程区沟、河谷呈“V”字型,水流急.

本工程所处位置为第四系坡积、崩塌堆积大块石、碎石夹砂土,厚5～45 m,分布引水隧洞前段陡坡、陡崖的山麓地带.

本工程施工方案由设计方案衍变[1],经过多次的推敲、比选及研究,并结合现场的实际情况,考虑坡积、崩塌堆积层稳定性及开挖方式、边坡支护参数及隧洞主体衬砌顺序等,确定采用明挖法分层开挖土石方、砂浆锚杆挂网喷射混凝土支护,堆积大块石带按照“杆超前、后开挖、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则进行组织施工隧洞主体结构的总体施工方案.

2 施工技术

2.1 防排水措施

为防止或者减少外部水源侵入,正式施工之前,划定施工范围,并做好地表的防排水措施,在开挖线之外≥5 m范围砌筑天沟,防止阴雨天气雨水对开挖边坡造成影响.

土石方开挖时,根据开挖深度的不同,设置一定数量的平台,在每级平台上设置截水沟,顺边坡流下的雨水可随截水沟排走.当土石方开挖到进洞口后,在坡底设置排水沟,使得剩余的水顺排水沟流走,以免对隧洞主体底部的地基承载力造成影响.

2.2 土石方开挖及边坡支护

根据土石方的土质特性及本地的气候情况,应严格分层开挖,确保开挖的坡度,并及时对开挖面进行封闭处理,以防暴露时间过长,土体遇水膨胀,造成塌方等不良现象.

进洞口以上土方开挖与支护.分层开挖的深度不大于4 m,自一端向另一端整体推进,同一断面,按自两侧向中间的顺序组织开挖,以及时形成边坡支护的空间.确保流水作业.提高施工进度.随着开挖深度的增加,按照设计要求,每8 m高度设置一层台阶,台阶的宽度为1.5 m.

当土石方开挖到进洞口后,在台阶上做好截水沟及排水设施,确保起拱线以下土体开挖的安全.

边坡支护采用Q22 mm砂浆锚杆,长度2～6 m,呈梅花型布置,间距1.5 m×1.5 m(顶层开挖深度小的位置),先喷射一层 C20混凝土(厚度3～5 cm),再外挂 Φ 8 mm钢筋网(网格20 cm×20 cm)后继续分层喷射C20混凝土(总厚度15 cm).锚杆与钢筋网间用厚度为1 cm且10 cm×10 cm的方形钢板固定.

2.3 隧洞开挖与衬砌

洞口明洞采用明挖法施工,开挖至明暗分界线后,先施做护拱混凝土,然后施做暗洞超前大管棚,随后立即做好明洞衬砌,随后进入暗洞施工,待明洞混凝土达到设计规定的强度后及时进行明洞洞顶回填.暗洞开挖根据围岩情况采用交叉中隔壁法施工,每循环进尺控制在1 m以内.

砂土隧洞开挖采用人工配合挖掘机进行,出碴采用装载机配合自卸汽车无轨运输.石质隧洞采用钻爆法开挖,出碴采用装载机配合自卸汽车无轨运输.施工通风采用管道压入式通风.

在施工过程中应不断总结经验,优化工艺.加强超前地质预测、预报,加强围岩监控量测管理.根据量测结果,及时调整预留变形量及支护参数,适时施作二次衬砌,确保隧洞安全.

2.3.1 施工工艺流程

施工工艺流程见图1.

图1 施工工艺流程

2.3.2 施工工序

(1)开挖方法

将隧洞横断面开挖分为5区,按①区→②区→③区→④区→⑤区的顺序进行,见图1.

①区开挖:利用上一循环架立的钢架施作隧洞侧壁Ф 50小导管及导坑侧壁Ф 22水平锚杆超前支护.机械开挖①区,人工配合整修,必要时喷5 cm厚混凝土封闭掌子面.施作①区导坑周边的初期支护和临时支护,即初喷4 cm厚混凝土,架立型钢钢架和Ⅰ18临时钢架,并设锁脚锚杆,安设I18横撑,安装径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度.

②区开挖:在滞后于①区开挖面一段距离后,机械开挖②区,人工配合整修,必要时喷5 cm厚混凝土封闭掌子面,导坑周边部分初喷4 cm厚混凝土,接长型钢钢架和I18临时钢架,安装锁脚锚杆,安设I18横撑,钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度.

③区开挖:在滞后于②区开挖面一段距离后,机械开挖③区,人工配合整修,并施作导坑周边的初期支护,步骤及工序同①区.

④区开挖:在滞后于③区开挖工作面一段距离后,机械开挖④区,人工配合整修,并施作导坑周边的初期支护,步骤及工序同②区.

⑤区开挖:在滞后于④区开挖工作面一段距离后,机械开挖⑤区,人工配合整修.隧底周边部分初喷4 cm厚混凝土.接长Ⅰ18临时钢架,复喷混凝土至设计厚度.拆除下部横撑,安设型钢钢架仰拱单元,使之封闭成环.

(2)衬砌支护

根据监控量测结果分析,待初期支护验收合格后,拆除I18临时钢架及上部临时横撑.利用仰拱栈桥灌筑⑤区边墙基础与仰拱混凝土并填充至设计高度.边墙与顶拱按照设计要求一次性浇筑完成.

图2 隧洞横断面示意图

2.3.3 施工控制要点

(1)开挖进尺

为确保施工安全,上导坑①、③区的开挖循环进尺控制为1榀钢架间距(0.5～0.65 m),②、④区的开挖可依据地质情况适当加大,但不得大于2榀钢架间距(1.0～1.3 m),⑤区仰拱一次开挖长度不宜＞5 m.

(2)中间支护系统拆除

中间支护系统的拆除时间应考虑其对后续工序的影响,通过围岩监控量测进行确定.当围岩变形达到设计允许的范围之内,并在严格考证拆除的安全性之后,方可拆除,同时要注意后续作业的及时跟进.

如围岩稳定条件满足设计要求,临时支撑可在仰拱混凝土浇筑前一次性拆除.为保证施工安全,限制围岩变形,临时支撑也可推迟到仰拱填充施工完成后防排水系统施作前一次性拆除.

中隔壁混凝土拆除时,要防止对初期支护系统形成大的振动和扰动.可采用风镐拆除钢支撑之间的喷射混凝土,以及临时支护与初期支护连接部位附着在钢架上的喷射混凝土,临时钢构件采用气焊烧断.

2.4 爆破施工

石质隧洞的爆破作业,主要以光面爆破为主[2].爆破作业应根据工程地质条件、开挖断面、开挖方法、循环进尺和爆炸材料进行钻爆设计,钻爆设计应根据爆破效果不断优化爆破参数[3].

钻爆设计的内容包括炮眼(掏槽眼、辅助眼、周边眼)的布置、深度、斜率和数目,爆破器材、装药量和装药结构,起爆方法和爆破顺序,钻眼机具和钻眼要求等.钻爆设计应包括炮眼布置图、周边眼装药结构图、钻爆参数表、主要经济指标和必要的说明.

爆破参数通过试验确定,相应数据详见表1.

表1 光面爆破参数

周边眼应沿隧洞开挖轮廓线布置,保证开挖断面符合设计要求,硬岩开眼位置在轮廓线上,软岩可向内偏5～10 cm.底板和仰拱底面采用预留光爆层爆破,Ⅱ级围岩段的中心水沟应与隧底光爆层同时爆破成形.辅助眼交错均匀布置在周边眼和掏槽眼之间,力求爆破出的石块块度适合装碴需要.周边炮眼与辅助炮眼的眼底应在同一垂直面上,掏槽炮眼加深10～20 cm.当开挖面凹凸较大时,应按实际情况调整炮眼深度,使周边眼和辅助眼眼底在同一垂直面上.

2.5 劳动力、机械设备的配置

人员、机械设备应结合隧洞开挖方法、工期要求进行合理配置,配套的生产能力应为均衡施工能力的1.2～1.5倍.隧洞单口施工,根据开挖方法配置1台小型挖掘机平行作业,1台装载机进行装碴施工,自卸汽车不宜少于2辆,10 m3/min、20 m3/min空压机各1台.根据开挖面的特点,每工作班开挖作业人员不宜少于15人.