钢拱架与钢格栅在马马崖一级水电站隧洞开挖施工中的运用

2013-08-29贾志敏张齐炳

中国水能及电气化 2013年4期

贾志敏张齐炳

(1.贵州黔源北盘江马马崖电站建设公司，贵州关岭 561300;2.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵州关岭 561300)

随着新奥法思想得到土木工程行业的普遍肯定，锚喷支护在各类隧洞开挖施工中得到了广泛运用。尤其当隧洞断面尺寸较大而围岩条件又较差时，一期支护一般在普通支护外采取增设钢拱架或钢格栅的方式增强支护系统强度及刚度。但二者存在着显著差别，应该注意到，在不同的条件下采用不同的支护形式，可以获得较高的性价比。贵州北盘江马马崖一级水电站工程进厂交通洞及导流洞工程采取了上述两种的不同支护形式，均取得良好效果，对类似工程具有一定的参考意义。

1 概况

1.1 工程概况

马马崖一级水电站位于北盘江中下游，地处贵州省关岭县花江大桥上游20.2km的峡谷中。该电站为北盘江干流 (茅口以下)梯级的第二级。马马崖一级水电站水库正常蓄水位585m，相应库容1.365亿m3;校核洪水位590.29m，相应库容1.695亿m3;电站装机容量558MW，安装3台单机容量为180MW的水轮发电机组和1台单机容量为18MW的生态流量机组，属日调节性水库。电站枢纽布置方案为碾压混凝土重力坝，最大坝高109m;引水发电系统及地下厂房洞室群均布置于左岸山体内。枢纽工程等级为二等，工程规模属大 (2)型。

1.2 地质概况

该工程导流洞布置于右岸，断面为11m×12m城门洞形，隧洞长648.91m，出口明渠长65m，沿线主要穿越地层为三叠系中统关岭组第二段第三层第二小层 (T2g2-3-2)灰色深灰中厚层夹厚层、薄层细晶灰岩，晶洞灰岩;三叠系中统关岭组第二段第三层第一小层 (T2g2-3-1)灰色、深灰色中厚层夹薄层灰岩，中部夹10m左右晶洞灰岩，顶部以薄层为主。由上游至下游，导流洞穿过F6，破碎带宽0.1～1.0m，影响带宽0.8～2.0m。裂隙以 N10°～30°W，SW∠65°～85°(以卸荷裂为主，主要发育于进、出口边坡)、N10°～30°E，NW∠50°～70°及 N50°～70°W、NE∠55°～75°四组较发育。

进厂交通洞位于坝址下游左岸，断面为11.98m×8.83m(宽×高)马蹄形，全长753.34m，进口底板高程555.0m、隧洞埋深50～150m，同样主要穿越T2g2-3-1、T2g2-3-2地层。进口洞脸和两侧边坡均为斜向坡。洞身段以Ⅲ类围岩为主，局部有断层破碎带、溶洞或受风化影响，为Ⅳ～Ⅴ类围岩。

2 钢拱架与钢格栅作用

钢拱架及钢格栅均属钢架类加强支护系统，其主要作用是在喷射混凝土未达到设计强度之前或不能及时进行喷混凝土支护位置预先承担围岩压力和约束变形，提高初期支护系统的抗力，确保洞内施工安全;同时在后期支护中成为永久支护系统的一部分，有利于洞身结构稳定。

由于结构形式和制作工艺的差别，钢拱架及钢格栅在支护效果上存在一定的差别，各有优缺点:

型钢钢拱架截面面积大、刚度大、承压能力较强，能够有效控制围岩初期变形。但存在不易与岩体贴合紧密、背后空腔喷混凝土不易填充密实、与岩体接触面积小，应力较为集中等不足。另外，钢拱架存在单榀重量大，运输及安装就位不便等局限。

钢格栅与混凝土接触面积大、粘结效果好，能够共同变形，共同受力，不易出现收缩裂缝。钢格栅采用柔性的钢筋制作，安装时可以尽量贴合岩壁，整体性较好，其后方不易出现空腔问题。而且其造价相对较低，经济性好;重量轻，制作简单，运输和安装方便。但是钢格栅又存在整体刚度较低、无法抵抗较大围岩应力产生的形变等不足。

根据相关研究，“钢拱架刚度比钢格栅高10%～20%，钢拱架的初期支护能够承受的均布荷载压力比钢格栅高约13%。喷混凝土超过24h后，喷射混凝土以及与锚杆形成的组合拱成为主要的承载结构，此时钢拱架和钢格栅除提高整体强度外，在控制喷射混凝土结构径向、环向、斜向裂缝方面也具有相当作用”。

3 马马崖一级水电站隧洞开挖中加强支护措施的选用

根据设计勘探情况，导流洞工程及进厂交通洞工程地质情况如图1、图2所示。

图1 导流洞工程地质剖面图

图2 进厂交通洞工程地质剖面图

马马崖一级水电站坝址两岸地质情况基本相同，左岸为逆向坡，右岸为顺向坡。实际施工开始后发现，由于所在高程和穿越地质层面有所不同，导流洞工程和进厂交通洞工程地质情况亦存在一定程度的不同，故在施工过程中采取了不同的支护形式。

3.1 导流洞工程

导流洞进口地处右岸12号冲沟所形成的溶蚀带，上方存在DR8、DR4危岩体。进洞后发现，该处岩体以厚层夹中厚层为主，但层间夹层及裂隙较为发育，夹层为软塑状黏土夹碎石，裂隙多为铁质及方解石、黏土质填充，局部溶蚀强烈，沿层面容易出现大面积塌落的情况。同时由于进口洞段靠近河流且埋深较浅，在卸荷裂隙切割及岩层层面组合作用下，围岩多形成不稳定楔形体，易导致层状岩体塌方及掉块。经参建各方研究，决定对进口段采用20a工字钢制作钢拱架进行加强支护，间距0.5m。主要优点是依靠钢拱架较大的强度及刚度对厚层岩体形成有效支撑，由此也可保证其上部整体性较好的层状结构的稳定，防止沿结构面发生大规模垮塌情况。

另外，F6断层从导流洞0+390～0+420桩号穿过，其产状为N25～45°W，SE∠80°，逆断层，破碎带宽0.1～1.0m，影响带宽0.8～2.0m。充填方解石、泥质、铁质胶结角砾岩。根据开挖出露情况，考虑到导流洞断面较大，钢拱架较大的刚度在抗微小变形时具有的优势，对拱顶围岩整体稳定有利，该洞段也选择了工字钢拱架进行加强支护。

从埋设在采用工字钢拱架支撑的洞身段K0+30桩号处的多点位移计监测数据来看，采用钢支撑加强支护的洞段，围岩应变较小且呈收敛状态，无明显增大趋势，说明钢支撑对围岩发挥了较好的支撑作用。多点位移计过程线见图3。

图3 K0+030.00桩号，左右边墙位移计过程线

3.2 进厂交通洞工程

进厂交通洞工程洞身段以Ⅲ2、Ⅳ类围岩为主，地质条件与导流洞基本相同，但洞身断面较小。施工过程中经过了几个断层破碎带及溶蚀带，主要不良地质情况为:晶洞灰岩的溶蚀破碎带容易出现小块掉块，薄层岩体层间的黏土夹碎石夹层易出现成层大面积塌落 (层厚普遍10cm至20cm)，由于地下水溶蚀形成囊状溶洞或小型空腔，部分内部充水。

根据现场情况，采用钢格栅结合挂网喷混凝土支护进行了加强支护，钢格栅采用2与16的钢筋焊接形成，钢格栅支护后进行挂 6钢筋网喷混凝土，快速形成支护体系。根据观察，采用钢格栅加强支护的洞段，在后续施工中未再出现掉快现象。在顶拱位置，还采取钢筋网片与锚杆焊接后形成悬吊格栅系进行支护，端部加设钢格栅，也取得了良好效果。

钢格栅可以采取现场制作安装，能及时对不良地段进行及时支护，有利于加快施工进度并保障施工安全。钢格栅结构形式见图4。

图4 钢格栅结构形式

4 施工中发现的问题

在隧洞开挖中，应用钢拱架与钢格栅进行支护可以有效地提高支护系统的抗力，而在马马崖电站实际施工过程中也发现了一些问题，具体如下:

(1)在导流洞施工中，由于中厚层夹薄层岩体及层间夹层发育的地质情况易产生顺层塌落，导致了开挖成型效果差，很多部位开挖断面未能形成城门洞，而是形成类似于矩形的断面。此时采用钢支撑支护，仅顶部及边墙部分能够接触岩体，受力点集中，整体受力情况较差，出现拱架偏压变形情况，后采取“拱上拱”结构，增加了对开挖岩面的接触后趋于稳定。

(2)钢支撑须形成整体城门洞结构受力。导流洞部分洞段边墙地质情况较好，但钢支撑仍需延伸至边墙底部，存在一定程度的浪费。

(3)钢支撑与开挖顶拱之间的空腔，喷混凝土不易填充饱满，采用“拱上拱”结构可加大支撑受力面积，但该空腔仍然难以处理，导致二衬后回填灌浆量大。

(4)钢格栅本身刚度较差，如不与喷射混凝土联合作用很难起到支撑作用，但因开挖掌子面后续爆破作业影响，一般不具备喷混条件，容易导致支护不及时而发生掉块、薄层垮塌情况，破坏已施工的钢格栅。

(5)钢格栅采取现场加工，超挖部位仍可以沿开挖面布置，与岩面贴合性较好，喷混凝土时也易于密实结合。但存在焊接工程量大、工艺复杂的问题。施工过程中要严格控制钢筋间距和焊接质量，否则容易因受力钢筋变形或焊接处断裂而发生弯折。

综上几点，采用钢拱架或钢格栅支撑系进行一期支护，各有优缺点，建议小断面，易发生薄层、小块掉落的情况选用钢格栅;大断面，强卸荷、裂隙切割较深的情况选用钢拱架，并视情况综合采取“拱上拱”等加强措施。