复杂地质条件下压力管道开挖支护施工探讨

余建强，王慧娟

(中国水利水电第十工程局有限公司一分局，四川都江堰 611830)

1 工程概述

二台子电站位于四川省甘孜州九龙县湾坝河干流上，为低坝、长引水隧洞、地面厂房组成的水力发电枢纽。总装机容量为2×26MW。其压力管道原设计为明管布置，因环境保护要求改为洞内埋藏式布置，以减少对地表植被破坏及不可修复性生态影响。

压力管道上平段高程为2461．512m，中平段高程为2289m，下平段高程为2129m，上斜井竖直段高度为172．512m，下斜井竖直高度为160 m，总高差 332．512m，倾角 60°。主洞净断面为φ3．6m圆形。支洞为城门洞型，净断面高4．8 m，宽4．5m，顶拱半径为2．6m。

2 工程地质条件

工程区位于川滇南北向构造带西侧贡嘎山断块东南缘，属于松潘甘孜地槽褶皱系之二级构造单元巴颜喀拉冒地槽褶皱带的东南缘，区域地质构造复杂。跨地台型和地槽型两大地层岩相区，大致以磨西断裂、小金河～康定断裂为界。压力管道区域位于磨西断裂西部变质岩区，区内地层除寒武系、石炭系、白垩系缺失外，从前震旦系到第四系地层均有不同程度的分布，出露主要地层为三叠系下统菠茨沟组(T1b)的千枚状石英杂砂岩、板岩。

第四系地层主要分布于山坡、平台、坡脚、沟谷和河床。由冰水堆积、冲积、洪积、崩坡堆积形成的漂卵石、砂卵石、块碎石、块碎石土、砂层、粉土层等松散堆积物组成。

压力管道实际施工中揭示地质条件较差，主要为IV、V类围岩，岩性主要为千枚状石英杂砂岩，岩体破碎，强度低，局部为ⅢC类围岩，岩性为中厚层状砂质板岩。

压力管道上、中、下三条施工支洞均从第四系地层土体覆盖层直接进洞。

3 主要施工布置情况

3．1 施工用电

从10kV电源接入点接10kV输电线至上、中、下施工支洞口，各设1台变压器降压至400V后供施工使用。

3．2 施工用水

在取水点设第一级泵房，布置3台水泵，分别抽水至下平段、中平段的施工水池;在中平段施工水池旁设第二级泵房，布置2台水泵，抽水至上平段施工水池。各施工水池接供水管自流至工作面。

3．3 施工用风

各支洞口附近设压缩风站，接风管至工作面供施工用风。

3．4 施工交通

在下平段至中平段修建上山道路，路宽约4 m，以挖方路基为主，局部为填方路基，每隔200m左右设错车道，宽度增加3．5m，长度约16m，道路纵坡不大于9%。

在中平段至上平段架设1条起重量为10t的索道进行设备材料运输，人员施工便道解决人员交通问题。

3．5 拌合站

在各支洞口附近布置1台JDY350拌合机拌制喷浆料，设水泥库房和砂石堆存区，以保证雨季道路交通或索道运输受阻时有储备量。

3．6 钢筋制作场

在厂区布置钢筋制作场，制作钢筋拱架、锚杆、管棚钢管等，由10t平板车运至下平段和中平段，上平段材料由索道吊运。

4 支洞与平洞施工

4．1 土体洞段

4．1．1 支护形式

施工支洞及下平段末端均有较长的土体洞段，该区域土体呈粘性土、砂性或粉砂性土、碎石土及各种土交互混杂形态，形成时期跨度大，形成因素和机理复杂，强度、紧密程度、固结程度等均不一样，渗透性、孔隙率、压缩性、颗粒大小和粘聚性能均有很大差异。若采用管棚超前注浆固结支护，可能会出现以下不利情况:土体可灌性能不一致，部分洞段无法灌浆固结;灌浆固结后碎石堆积体或其它可灌土体强度将大大提高，洞体断面小，难以使用机械开挖，爆破开挖扰动范围大;灌浆增加工序交替、增加组织难度和循环时间，水泥浆需待强，进度将受到影响。

经研究确定采用加密超前管棚与拱架支撑、挂钢筋网喷混凝土联合支护。

管棚使用一头尖的φ50钢管，长1．5m，布置在顶拱及拱脚下边墙1m范围，中心间距100 mm，外挑角为 18°。

拱架采用4根φ20主筋组成边长为20cm的正方形断面、φ16副筋焊接成桁架，分成1榀顶拱和2根立柱制作，现场焊接组立。拱架间距为0．5m，拱架间用φ20钢筋焊接连接，连接筋间距为60cm。两侧边墙挂φ6．5、20cm×20cm 钢筋网，周边喷射10cm厚C20混凝土封闭。

4．1．2 洞口施工

使用1m3挖掘机开挖形成进洞坡面。砌筑浆砌石八字形挡土墙，组立3榀拱架，顶进第一层管棚，管棚与拱架焊接牢固，拱顶铺钢板防护，坡面喷5cm厚C20混凝土。

4．1．3 开 挖

开挖分2层进行。上层高1．51m，人工开挖，进尺0．6m，土渣翻至下层;上层支护后跟进下层开挖，下层高3．49m，0．2m3挖掘机开挖;开挖渣料使用ZL30装载机装自卸汽车运出。

4．1．4 支 护

上层开挖后，人工抬运顶拱拱架至组立位置，与超前管棚焊接，用连接筋与后侧稳固的拱架焊接牢固。人工持风镐沿顶拱拱架中空位置外挑18°顶进超前管棚，喷射C20混凝土封闭。

下层开挖后，人工抬运立柱至组立位置，与顶拱焊接，用连接筋与后侧稳固的立柱连接，在立柱底垫预制混凝土块可靠支撑，避免悬空。挂网喷射混凝土封闭。

4．2 岩石洞段

4．2．1 开 挖

实施钻爆法开挖，光面爆破控制周边成形并减少围岩扰动破坏。人工持手风钻钻孔，装入乳化炸药，非电毫秒雷管连接成起爆网络，电雷管起爆。

IV、V类围岩循环进尺为1～1．2m;Ⅲ类围岩循环进尺为2m。

爆破后通风散烟，撬除松动石块，ZL30装载机装自卸汽车运出，0．2m3挖掘机清理掌子面。

4．2．2 支 护

大部分洞段为IV、V类围岩，岩体破碎，裂隙发育，部分洞段有较大的地下水流出，采用与土体洞段相同的拱架做为支撑，间距0．5～1m;周边设φ25、L=3m的径向锚杆和超前锚杆锚固岩体;挂 φ6．5、20cm ×20cm 的钢筋网，喷10cm 厚C20混凝土封闭;喷浆前将地下水妥善引排，避免水压力破坏喷浆层。

部分洞段为Ⅲ类围岩，采用φ25、间排距1．2 m，L=3m的系统锚杆锚固岩体，喷5cm厚C20混凝土封闭。

5 竖井施工

竖井采用ML200型反井钻机钻φ216导孔，再反向扩孔至φ1．4m作为溜渣井，人工自上而下实施分层钻爆法开挖，爆渣经溜渣井自落至下弯段，人工清理施工平台后支护，每层开挖后即进行本层支护，逐层循环施工。

5．1 反井钻机施工

竖井上弯段开挖支护完成后，在竖井中心位置清理基础面，浇筑反井钻机基础混凝土，待强7 d后钻机就位，浇筑地脚螺栓二期混凝土，实施过程中完成泥浆池砌筑和泥浆泵安装，然后开始导孔钻进。

原设计60°的斜井，在反井钻机施工导孔过程中，因多次卡钻而无法成功钻通，最终业主、设计根据实际地质情况，将其改为竖井后顺利完成导孔钻通和扩孔，竖孔钻通偏差为横向0．5m和0．7m，纵向1．3m 和2m。

据统计资料计算，反井钻机在本项目岩石较软弱破碎的条件下，导孔钻进约每班12m，实施过程中遇到多次塌孔卡钻，每次从提钻、灌浆到再次钻进需要约6～7d，每次需重复钻进约20m。导孔钻通后反提扩挖至φ1．4m溜渣井约每班10 m，扩孔时若竖井下弯段石渣堆积到下井口需停钻出渣，否则可能会堵塞导井。

5．2 开 挖

常规钻爆法开挖，光面爆破控制周边成形。人工持YT28手风钻钻孔，装乳化炸药，非电毫秒雷管连接成传爆网络，电雷管起爆。IV、V类围岩循环进尺1m;Ⅲ类围岩循环进尺1．5m。

本项目上竖井岩石较均匀，强度中等，扩挖较顺利。下竖井岩石较破碎、软弱，扩挖过程中，下落的石渣不断冲击碰撞溜渣井壁，致使溜渣井不断扩大，从井口向下40m以后形成了一个上小下大，逐渐扩张的巨大塌腔，空腔最大断面为16m×10m的椭圆形，总高度约50m。此空腔底部出现一层完整性较好、强度较高的中厚层砂岩在此岩层段溜渣井未出现大的扩张。

对上部空腔进行支护后发现，砂岩层下层面有少量地下水流出，岩石再次变得很破碎、软弱，在地下水和上部溜渣冲击作用下已形成更为巨大的下部空腔，且一直不断脱落少量的岩石碎块。

5．3 支护与塌腔的处理

本工程竖井大部分为IV、V类围岩，仅有少量Ⅲ类围岩洞段。

IV、V类围岩采用钢筋拱架做环形支撑、周边系统锚杆、挂网喷浆的联合支护形式。Ⅲ类围岩采用周边系统锚杆和挂网喷浆联合支护。

拱架的断面尺寸与前期使用的相同，分成3榀1/3圆拱型制作，现场焊接组立。拱架间距60 cm，拱架间用φ20钢筋、间距60cm焊接。开挖面不规则位置及下竖井第一个塌腔采用复拱形式，先沿不规整岩面组立折线形的钢筋拱架，再在设计位置组立圆形拱架，岩面拱架与圆形拱架之间用直钢筋拱架连接成整体，以保证结构刚度和对岩面实施可靠支撑。

系统锚杆采用 φ25、L=2．5m 钢筋，挂 φ6．5、20cm×20cm的钢筋网，喷5～10cm厚C20混凝土封闭。

下竖井因第二塌腔空洞过大，不断脱落岩块而无法使用拱架支撑和锚杆锁固岩体。最终采用回填混凝土进行填充。

填充混凝土原计划用组合钢模板按设计洞断面立模，一次浇筑成形，但施工人员在塌腔内自下而上组立模板时间长，不安全，若模体位移则后期处理困难。随后取消了一次浇筑成形方案，用木模板在上部平台制作成1．5m×1．5m的方形桶状，每层高3m，由卷扬机吊运入塌腔内安装，土袋堆码固定第一层模体，然后从上部平台设带缓冲装置的溜管泄C20早强混凝土入塌腔浇筑，每过一段时间人员到塌腔内振捣密实后立即撤离。当浇筑至第一层木模板筒体上口后再吊运第二层木模筒体，上下筒体间用木方、铁钉快速连接，然后再次浇筑混凝土，循环将空腔填满。

地下水设导管引排。浇筑完后待强3d，撤除木模筒体，待强至设计强度后钻爆法开挖成形。

下竖井第二塌腔处理时间为45d，过程中未发生安全事故。后期整个竖井由于填充混凝土的可靠支撑，未发生岩体进一步变形松动，稳固可靠、效果良好。

6 结语

复杂成分土体洞段密集管棚支撑较管棚灌浆法可简化施工流程，避免了土体可灌性能不均带来的灌浆效果差异，在成本相当(增加钢管费用，减少灌浆费用)的情况下，施工速度较快。在软弱破碎岩体中，反井钻机钻倾斜孔比竖直孔更易出现塌孔事件，施工速度慢，工期不可控，成孔偏差大，实际使用效果不好。软弱破碎岩体中的溜渣井因泄渣冲击作用易造成井体扩大，施工中应做好充分的应对准备。塌腔处理要及时、快速、可靠，要有效抑制岩体的进一步松动变形，否则将产生巨大危害，危及工程的整体安全。