向家坝电站大断面变顶高尾水洞开挖及支护施工的质量控制

2011-06-28冯国忠

四川水利 2011年5期

冯国忠,袁斌

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局,成都,610225)

1 工程概况

向家坝电站是三峡公司在金沙江梯级开发中的最后一级,位于四川省与云南省交界的金沙江下游河段,坝址左岸下距四川省宜宾县安边镇4km、宜宾市33km,右岸下距云南省的水富县城1.5km。库内较大支流有大汰溪、中都河、西宁河,水库正常蓄水位380m,总库容51.85亿m3,重力坝顶长度为868.98m,坝高161m。向家坝装机近期容量600万kW(远期为720万kW),年发电量307亿kW·h,单机装机75万kW,为目前世界水电装机单机容量最大的电站。

变顶高尾水隧洞的起点在①、③机闸门井后28.90m处,每两条尾水支洞接入一变顶高尾水隧洞,变顶高尾水隧洞采用城门洞型。1#、2#变顶高尾水隧洞断面为24m×38m(宽×高),控制尾水的最大出口流速不超过4m/s,尾水隧洞的出口底部高程为244.000m,出口顶部高程为278.000m。尾水隧洞出口段40m混凝土衬砌厚度2.0m,其他衬砌厚度1.0m;底部坡度为3%,顶部坡度为4%。尾水隧洞处于T32-6巨厚层砂岩岩组中,洞室顶拱距离T33岩层超过40m,两条变顶洞的中心线相距67.1m,净距47.1m。具体平面布置及剖面见图1、图2。

变顶高尾水隧洞段洞身位于T32-6-2、T32-6-3岩层中,除T32-6-2顶部岩层呈薄至中厚层状外,多呈厚层至巨厚层状,岩体呈微风化～新鲜。新鲜岩体节理一般较短小,平均间距在1.0m以上,微风化岩体有长大裂隙分布;岩体以厚层至巨厚层状结构为主,T32-6-2顶部为中厚层状结构;围岩类型顶拱以Ⅱ～Ⅲ类为主,边墙以Ⅱ类为主,局部节理裂隙发育段为Ⅲ类,软弱夹层为Ⅴ类;出口段位于强卸荷带内,分布有夹泥的长大裂隙,围岩类别为Ⅳ类。JC2-2和JC2-3分布于①与②机、③与④机交汇处附近,叉管处围岩可能存在不稳定块体。此外,JC2-1分布于洞室顶拱以上,其在①、②机尾水洞出口段与顶拱的间距较小,软弱夹层与节理裂隙的不利组合会构成不稳定块体。

变顶高尾水隧洞跨度和边墙高度均较大,不稳定或稳定性较差的块体主要在洞顶,表现为洞顶掉块。由顶拱的层状结构面与节理切割形成的柱状块体稳定性亦较差。此外,NWW组和NEE组节理与尾水洞轴线夹角较小,当下部存在软弱面时,它们与NW组节理组合形成的块体将会产生倾倒破坏。边墙岩体中NWW或NEE组节理与洞壁间距较小时,其切割的板状岩体亦易产生弯折破坏。洞周二次应力场中最大主应力与边墙近平行,陡倾角节理面上的正应力小而不利于边墙块体稳定。

1#变頂高尾水隧洞第Ⅰ层长263.782m(1#尾主0+0.000～1#尾主0+263.782m),最大宽度24.3m(1#尾主0+223.782m～1#尾主0+263.782m),分层总高度13.0m。2#尾水隧洞第I层全长199.782m(2#尾主0+000.000～0+199.782m),分层与1#尾水隧洞相同。尾水隧洞工程施工项目主要有开挖、系统支护(锚杆、钢筋网、喷锚支护)、随机支护(随机锚杆)、锚索、施工期监测、永久监测等。

尾水洞第Ⅰ层支护设计,其锚杆支护参数为:普通砂浆锚杆φ32mm、L=9m,φ28mm、L=6m。在桩号0+000.000～0+65.782m间,顶拱间排距1.5m;侧墙间距2m、排距1.5m。在桩号0+65.782m～0+223.782m之间,顶拱相间布置,间排距2m;侧墙间距2.4m、排距2m。

顶拱采用C25网喷混凝土,设计厚度20cm,挂网钢筋φ8mm,网格20cm×20cm。

施工采用分层分块的开挖方法(见图3)。

图3 尾水主洞I层分块图

2 地质条件差,前期超挖情况严重

由于尾水隧洞的地质条件差,地质情况极为复杂,1#尾水隧洞主要有三条二级夹层,分别为JC2-1、JC2-2、JC2-3。JC2-1在0+230m至出口段的顶拱部位;JC2-2贯穿整个1#尾水主洞,JC-3将会出现在1#尾主0+218m的底板以及边墙上。另外,1#尾水隧洞的洞顶软弱夹层较多,厚度10cm～150cm,实际开挖后发现,有的夹层厚度远大于这个数值,且软弱夹层多表现为破碎夹泥型,局部含煤线,遇水易崩解软化等,不利于围岩的稳定。2#尾水隧洞已开挖揭露出的夹层有两条,岩性为破碎夹泥,厚度20cm～180cm,远超出地质预报的厚度。经实际开挖后揭露,岩石状况远比预报的要复杂得多,致使开挖过程中多次发生较大塌方,造成很大超挖,尤其在尾水隧洞I层中导洞与6#施工支洞相交位置,经过喷混凝土支护后,在2007年9月23日仍出现了较大塌方。

2007年10月12日,2#尾水隧洞与6#支洞岔口处出现较大面积塌方,塌方后所揭露出的岩石呈黄色,为泥质夹层,裂隙发育,且含煤线,在洞顶处形成一个光滑的“平板”,此处最大超挖值为2.4m。2007年11月15日1#尾水隧洞I层中导洞1#尾主0+100m左右,由于顶拱三级夹层出露,出现较大塌方。

整个尾水隧洞在开挖过程中,被确认为地质缺陷的就有20处,多次塌方致使尾水隧洞出现较大超挖。地质原因引起的超挖,是尾水主洞开挖评定优良率低的一个不容忽视的因素。

3 施工质量控制

为了使尾水隧洞工程克服地质条件差、软弱夹层出露较多、节理裂隙多且发育等困难,使开挖工程质量达到业主的要求,施工单位组织专家领导和项目部一起研究对策,仔细分析原因,加强人员技术培训,提高质量意识,调整施工管理工作,将责任落实到人,层层抓质量,以确保工程质量满足要求。同时在工序施工中,采取有效的质量控制措施,保证大断面变顶高尾水洞开挖、支护施工质量。

3.1 开挖施工质量控制

开挖工程质量主要从布孔、钻孔、装药联线几个工序进行控制。施工中严格执行开挖爆破“三证五表”制,加强开挖爆破的过程控制,主要采取了以下措施。

3.1.1 建立工程质检组织机构,明确质量标准及质量控制措施。

3.1.2 开展培训工作。参照三峡施工工艺标准化培训提纲对所有钻工、炮工进行施工工艺、质量标准、质量过程控制方法等的培训,并在实际操作过程中由质检员进行操作工艺培训。

3.1.3 制订作业指导书及施工工艺明白卡。为使操作人员更容易掌握施工工艺及质量标准,施工单位在作业指导书、培训的基础上,制定简单易懂的开挖施工工艺明白卡,并制作成小卡片发给每个操作工人。

3.1.4 配置过程控制的质量检验工器具(φ30mm、L=4m的PVC塑料管、地质罗盘、线锤、水平尺等)。

3.1.5 洞室开挖测量放线,采取周边光爆孔定点定位逐孔放样,逐孔放后视点,隔孔放二周孔。

3.1.6 在钻孔及装药联网过程中,专职质检员旁站监控,首先对钻杆走向(倾向)进行“对向”调整,钻好标准孔,插上PVC塑料管,其他孔通过标准孔进行钻孔控制。现场质检员对周边孔监控,运用地质罗盘、水平尺、线锤、钢卷尺定期测量钻杆的角度与钻杆之间的间距,以控制超欠挖,避免剪刀孔、八字孔的出现;对超过质量标准的钻孔,及时停钻并纠偏。每个孔钻完后,施工人员及质检员检查钻孔深度和角度,合格钻孔加以保护。

3.1.7 钻孔实行定人定孔定责,每个钻工固定孔位,对每个孔的质量要求及钻孔责任人实行挂牌标示,做到责任到人。

3.1.8 采取奖励激励措施,每月施工单位对所属各施工队进行质量、安全、进度、文明施工考评,考评后兑现并在施工局范围内公示。每炮后由质检员与钻工、炮工进行炮后检查、分析,对下一循环提出改进意见,同时对其施工质量满足施工局要求的钻工给予奖励。

3.1.9 将《右岸地下引水发电系统土建工程土石方开挖和支护施工技术说明书》下发作业队,使其了解业主要求,并按照说明书对开挖质量进行对比,以提高开挖水平。

3.2 锚杆施工质量控制

尾水隧洞所有的砂浆锚杆均采用20MnSi螺纹钢筋,锚杆在加工厂按照设计长度下料,按间距3m焊接对中支架,然后用自卸汽车运至施工现场。变顶高尾水隧洞工程锚杆分为普通锚杆和预应力锚杆两种。

3.2.1 普通锚杆施工

变顶高尾水隧洞的砂浆锚杆,采用先插杆后注浆和先注浆后插杆的施工工艺。锚杆工程质量主要从布孔、钻孔、锚杆安装及注浆几个工序进行控制,严格执行锚杆施工“三证六表”,加强对锚杆施工过程的控制。

3.2.1.1 测量放线。由现场技术人员按设计要求指导测量人员放点布孔,并在布好孔的位置用红油漆标清孔位及钻孔的方位角;对于比较明显的构造面,按照对构造面加强支护的要求布孔。测量队布孔放样向施工技术员、质检员提交孔位图并交底,质检员检查合格后报监理工程师验收,并由监理工程师签发准钻证。

3.2.1.2 钻孔。锚杆钻孔采用三臂凿岩台车,钻孔孔径D=76mm。施钻时钻头要对准锚杆孔孔位标记,将机械的推进梁调整到正确位置,最大偏差不得大于10cm,在钻进5cm～15cm后检查推进梁的角度和位置。为了准确控制钻孔的角度,施钻时由专人配合操作手一起控制钻杆方向,使钻孔角度符合设计要求,并在钻杆上标好长度记号以控制钻孔深度。

钻孔完成后用高压水或高压风将孔清洗干净,经三检合格后报请监理工程师验收,合格后方可进行锚杆施工。

3.2.1.3 锚杆安装。锚杆制作后由质检员检查合格方可使用,锚杆孔底段排浆管距离锚杆端头5cm;靠孔底处的排浆管端头切成45°～60°斜口,且用绑扎丝捆绑牢靠。安装时利用人工在平台车上进行,插到位后用撑杆将其暂时固定,插入注浆管并用锚固剂封住孔口,经三检合格并报请监理工程师验收方可注浆。质量检查时必须检查以下项目:①排浆管顺直畅通;②绑扎处牢靠,但不能使排浆管出现过大变形而影响回浆管的畅通;③孔底段斜口应紧贴锚杆,以免插杆过程中砂子堵塞回浆管。

3.2.1.4 注浆。所用砂浆均在现场按试验室开具的试验配比单进行拌制,随拌随用。拌制砂浆时根据该施工部位砂浆设计强度等级,按照施工局试验室开出的施工配合比严格进行;用于拌制砂浆的所有材料均要经过筛分后才能使用,防止杂质、超径料、水泥结块进入砂浆中。

锚杆注浆采用麦斯特注浆机进行,注浆时将注浆管管口锯成45°坡口,并插入孔内20cm～30cm。注浆过程中控制升压过程,保证注浆压力缓慢上升,待回浆管回浆后,先绑扎回浆管、后绑扎注浆管再停机。

对于先注浆后插杆的施工工艺,验孔合格后,将砂浆转入注浆机,注浆管先插至孔底,然后回抽5cm即开始注浆。注浆操作人员随着浆液的均匀注入缓慢拔管,原则上由注浆压力把注浆管慢慢挤出。锚杆安装时利用操作平台车配合人工进行,插杆工人必须熟悉各个孔的孔向,以便杆体能够一次性顺利插入。插杆要缓慢、匀速,切忌扰动杆体过大,造成浆液下掉和注浆不密实,采用棉纱将孔口临时封口。

3.2.2 预应力锚杆施工

预应力锚杆工程质量控制与普通锚杆相同,主要从布孔、钻孔、锚杆安装及注浆几个工序进行控制,严格执行锚杆施工“三证六表”,加强对锚杆施工的过程控制。

3.2.2.1 施工前的材料准备。在预应力锚杆施工前,应对其施工中所用的外加剂进行检查,并做试验,在满足工程要求后方可用于工程现场施工。

3.2.2.2 测量放线。将锚杆孔按照图纸要求现场放样,做出预应力锚杆标记,出具锚杆放样成果图,并与技术和质检人员进行交底。

3.2.2.3 钻孔。锚杆钻孔采用三臂凿岩台车,钻孔孔径D=76mm。施钻时钻头要对准锚杆孔孔位标记,将机械的推进梁调整到正确位置,按照要求最大孔位偏差不得大于10cm;在钻进5cm～15cm后,检查推进梁的角度和位置,并在钻杆上标好长度记号以控制钻孔深度。

钻孔完成后用高压水或高压风将孔清洗干净,经三检合格后报请监理工程师验收,合格后方可进行锚杆施工。

3.2.2.4 注浆。对于先注浆后插杆的施工工艺,验孔合格后,在注浆前应再次对孔深进行现场检测,满足图纸要求后方可注浆。将砂浆转入注浆机,注浆管先插至孔底,然后回抽5cm即开始注浆。注浆操作人员随着浆液的均匀注入缓慢拔管,原则上由注浆压力把注浆管慢慢挤出。

3.2.2.5 锚杆安装。锚杆制作后由质检员检查合格方可使用,预应力锚杆主要是采用先注浆后插杆的施工工艺,锚杆安装时利用操作平台车配合人工进行。插杆工人必须熟悉各个孔的孔向,以便杆体能够一次性顺利插入。插杆要缓慢、匀速,切忌扰动杆体过大,造成浆液下掉和注浆不密实,采用棉纱将孔口临时封口。

3.2.2.6 锚杆张拉。在预应力锚杆安装完成后,8h～12h内进行张拉,张拉前用活动扳手预紧螺帽,保证托板紧贴岩面,再用钢板尺测量螺帽外杆体长度。张拉采用扭力扳手加载,一次张拉至设计张拉力的110%(165kN),然后锁定杆体,再次测量杆体张拉后螺帽外杆体长度。两次测量长度之差即为张拉伸长值。

根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)要求,“从50%拉力设计值到最大荷载之间张拉伸长值应该超过自由段长度理论伸长值的80%,小于自由段长度与1/2锚固段之和的理论弹性伸长值。”

由材料力学公式l=NL/EA,得杆体理论伸长值允许范围为4mm～7mm。

3.3 喷混凝土施工质量控制

喷混凝土主要包括钢纤维混凝土、挂网(钢筋网)喷混凝土等类型,喷混凝土选用湿喷法工艺。

3.3.1 由施工局试验室按照施工规范要求,对水泥、骨料、水、外加剂、钢筋网及钢纤维等原材料按规定的频次取样检测,并将材质证明和材料试验结果报监理审查,合格后方能用于工程施工。

3.3.2 喷混凝土施工作业阶段质量控制实行一证三表制度。一证三表即《开仓证》、《喷混凝土基础面处理质量验收表》、《喷混凝土厚度及外观检测记录表》、《喷混凝土支护钢筋网(钢拱架)单元工程验收签证表》、《喷射混凝土单元工程质量评定表》。

3.3.3 高压水枪冲洗喷面,保证基岩面洁净。对光滑岩面,须按设计要求进行处理。基础面处理经三检自检合格后向监理提出工序验收申请,监理确认符合要求后签认《喷混凝土基础面处理质量验收表》。

3.3.4 喷混凝土按分层分块进行,首选对作业面初喷5cm～8cm混凝土,然后挂设钢筋网,钢筋网的规格尺寸满足施工图纸要求,对凹陷较大部位,加设锚杆、挂网后分层喷护。钢筋网与锚杆焊接牢固,搭接处采用铅丝捆扎,搭接长度不小于40d,捆扎点间距不大于50cm。在完成钢筋网施工经三检自检合格后,向监理提出工序验收申请,监理工程师确认后签认《喷混凝土支护钢筋网(钢拱架)质量验收表》。

3.3.5 喷射作业分段分片依次进行,区段间的接合部位和结构接缝处做妥善处理,不得漏喷。喷射作业中喷嘴与受喷面垂直,保持0.6m～1.2m的距离;分层喷射时,一次喷射厚度为5cm～7cm,后一层喷射在前一层混凝土终凝后进行;若终凝超过1h,须先用风水清洗喷层表面再行喷射。喷层终凝2h后,进行喷水或喷雾养护,养护时间为14d。

3.4 锚索施工质量控制

1#变顶高尾水隧洞顶拱预应力锚索共计50根,全为1500kN级,其中对穿锚索25根、端头锚索25根。2#变顶高尾水隧洞顶拱预应力锚索共计26根,全为1500kN级,其中对穿锚索13根、端头锚索13根。

锚索施工过程质量控制要点:

3.4.1 材料和工器具质量控制。锚索施工的主要原材料必须有出厂合格证书和材质检验报告,每批材料进场后必须抽查检验,合格方可使用。锚索张拉施工的机具、设备和仪表要配套率定,率定周期为6个月,并将资料报送监理工程师审批同意后方可使用。

3.4.2 造孔。钻孔的位置、方向、孔径及孔深,应符合施工图纸要求。钻孔的开孔偏差不得大于10cm;孔斜误差,端头锚不得大于孔深的2%,对穿锚不得大于孔深的1%,钻孔方位角的允许偏差为2°。

3.4.3 锚索体制作。钢绞线采用砂轮机机械切割,要求切口整齐无散头现象;下料长度应考虑混凝土垫墩厚度、千斤顶长度、工具锚和工作锚的厚度要求,适当留有余度。锚索内锚段和张拉段,按设计图纸要求穿设对中支架,两对中支架间绑扎无锌铅丝一道,应保证钢绞线平行,不得交叉,最后在锚索端头套上导向帽。

3.4.4 锚索体安装。采用人工辅以机械方法安装,锚索就位的曲率半径不宜小于3m,穿索中不得损害锚索结构,否则应予更换。锚索安装完毕后,应对外露钢绞线进行临时防护。

3.4.5 锚索张拉。正式张拉前,先对每股钢绞线施加30kN的张拉荷载进行预张拉,以使锚索各钢绞线受力均匀、完全平直,并将该荷载锁定在锚板上。将所有钢绞线一起张拉至超张拉荷载,锚索锁定48h;当预应力损失超过设计应力10%,应进行补偿张拉。

张拉过程中每一级达控制张拉力后稳定5min再进行下一级张拉,达到最后一级张拉力后稳定30min,即可锁定。张拉时,升荷速率每分钟不超过设计应力的1/10,卸荷速率每分钟不超过设计应力的1/5。

现场张拉过程中,主要控制张拉力及伸长值两项参数,以拉力控制为主,辅以伸长值校验。出现实际伸长值大于理论计算值10%或小于5%时,则暂停张拉,查明原因并采取相应措施予以调整后,方继续张拉。

3.4.6 锚索灌浆。灌浆采用强度等级42.5MPa高抗硫酸盐水泥浓浆,水泥浆强度等级为50MPa(7d结石强度达到35MPa)。灌浆浆材配比及外加剂掺量由室内试验确定,并报监理工程师批准后方可采用。灌浆采用灌浆自动记录仪记录,技术质量管理人员全程跟踪监督。

3.5 过程检测成果及分析

3.5.1 开挖施工。开挖在每一茬炮后均进行爆破效果评价,以便改进施工工艺。变顶高尾水隧洞检查统计见表1及表2。

表1 1#变顶高尾水隧洞开挖质量效果评价统计

表2 2#变顶高尾水隧洞开挖质量效果评价统计

3.5.2 锚杆施工。1#、2#变顶高尾水隧洞工程锚杆检测由监理工程师按5%抽样进行。共抽检189根,最大平均密实度为91.6%,最小平均密实度为84.9%,合格率为100%。M25锚杆砂浆检测,28d抗压强度51.4MPa～66.9MPa,合格率为100%。

3.5.3 网喷施工。根据设计图纸要求对基岩面进行网喷施工,喷混凝土厚度检测全部符合设计要求,喷混凝土强度检测,C25湿喷28d抗压强度28.5MPa～46.8MPa,合格率为100%。喷混凝土厚度检测共检测119点,设计要求厚度为20cm,检测厚度最大值为46cm,最小值为19cm,合格率为100%。

4 施工期监测

4.1 爆破振动监测

监测过程中最大爆破振动速度峰值实测统计成果见表3及表4。

对监测成果进行分析,可以看出,绝大部分场次的开挖爆破过程,各测点实测峰值质点振动速度均小于建议的安全控制标准(10cm/s),仅有1#变顶高尾水隧洞Ⅰ层下游CZ0+56.0m～0+59.0m在扩边爆破开挖过程中,与爆破掌子面距离最近测点(12m)最大振动测值为水平径向13.82cm/s,另外水平切向峰值振速为13.16cm/s,但是仍小于规程规范规定允许振速上限值。

表3 1#尾水隧洞Ⅰ层开挖爆破实测最大振动速度峰值统计

表4 2#尾水隧洞Ⅰ层开挖爆破实测最大振动速度峰值统计

4.2 爆破影响深度检测

综合各次爆破影响深度检测成果,1#变顶高尾水隧洞Ⅰ层0+75m部位开挖导致的保留岩体爆破影响深度在0.5m～0.9m范围以内,各组爆破影响深度检测的平均值为0.8m,且多数情况下岩体爆后波速变化率较小,个别孔波速值随深度略有起伏(平均值4549m/s)。2#变顶高尾水隧洞0+45m部位,波速值随深度起伏不大。以各孔的孔底稳定波速平均值(4606m/s)为比较值,孔口一定范围内未见明显波速下降。2#尾水洞0+45m部位开挖导致局部约0.9m深度的甚微破坏或未破坏。