大断面水工隧洞复合型偏压洞段施工技术

2022-07-26范庭梧巩亦真

水利科学与寒区工程 2022年6期

范庭梧,海亮，巩亦真

(1.中国水电基础局有限公司，天津 301700；2.南水北调中线干线工程建设管理局渠首分局，河南南阳 474150；3.庆阳城乡建设发展投资集团有限公司，甘肃庆阳 745000)

1 工程概况

乌斯通沟水库位于吐鲁番市托克逊县，拦河大坝总库容1405万m3，为中型规模水库，溢洪洞为城门型大断面水工隧洞，溢洪洞由进水渠、斜井段、水平洞段等组成，洞身总长206.67 m，隧洞开挖净尺寸断面为宽9.0 m、高9.5 m。溢洪洞出口为大块石加碎石土等组成的堆积体，严重架空，难以成洞。为安全顺利地进洞施工，先将堆积体进行清理至自然岩质坡面，为加快施工进度，并降低投资风险，故采取减少出口山体石方开挖工程量，同时采取在半明半暗、浅埋等条件下开挖进洞施工。0+228.84～0+257.23为复合型偏压隧洞，总长28.39 m。

溢洪洞出口洞脸边坡为自然岩质坡，与洞轴线约呈50°斜交，平均坡度56°，内侧最大坡高大于100.00 m，外侧为临河陡坡，平均坡度51°，致使隧洞外侧围岩单薄，约11.09 m洞段长的外侧围岩厚度最小3.20 m，最大7.00～8.00 m，不足1.5倍洞径，其中约17.37 m长的洞口段处于半明半暗状态，其余为浅埋状态。围岩为华力西晚期第二次侵入的红色花岗岩(γ42c)，属弱风化坚硬岩，岩体完整性差，主要有顺洞脸坡向与临河陡坡坡向的二组贯穿性卸荷裂隙切割，结构面微张附泥膜；隧洞围岩干燥，无地下水活动[1-3]。

2 设计方案

2.1 洞脸边坡处理方案

因溢洪洞出口洞脸边坡为碎石土块石堆积体，堆积体内块石架空严重，难以成洞，所以对该部位堆积体进行开挖，开挖至自然岩石坡面。边坡支护形式为：钢筋网片+系统砂浆锚杆+系统锚筋桩+喷混凝土。钢筋网片规格为：Φ6钢筋、间距20 cm×20 cm布置；系统砂浆锚杆为：Φ25钢筋、L=4.5 m、M30砂浆锚杆、半明半暗段锚杆间排距200 cm×200 cm梅花型布置；系统锚筋桩为：3根Φ25钢筋、L=9 m、M30砂浆锚筋桩，间距300 cm×200 cm梅花型布置；喷混凝土为C20混凝土，厚15 cm。

2.2 安全防护方案

出口边坡最大坡高大于100 m，且边坡顶部为强风化变形体，由于坝址所在区域地形地貌限制，同时乌斯通沟河又为V字型河谷，变形体难以清除，如果强加以清除对围岩扰动后会存在塌方等不利因素，且石方开挖工程量较大，对工期、投资等不利；故此溢洪洞出口边坡存在落石等安全隐患，为保证边坡开挖支护及洞内施工安全，在出口边坡860高程、870高程设置两道被动防护网，防止边坡落石伤及人员、财产。

2.3 复合型偏压洞段支护方案

洞口部位采用C25套拱混凝土，厚度80 cm，套拱内置：I20 mm钢拱架、间距50 cm；Φ6钢筋、间距20 cm×20 cm；钢拱架间设置联系Φ20钢筋、间距50 cm；每榀钢拱架设置13根L=4.5 m的锁角锚杆；套拱内设置Φ127管棚导向管、管棚为Φ89，长度20 m；同时，套拱及偏压洞左侧边墙设置支撑盖重C15混凝土，暗挖部位侧边墙采取埋藏式锚筋支护，支护参数为L=16～22 m、M30砂浆L=9 m锚筋桩、埋藏深度为7～13 m、间排距3 m×3 m；偏压洞防护具体见图1。

图1 偏压洞防护示意图

3 施工方法

3.1 施工准备

施工前人员、设备、材料准备就绪，坡脚安全防护设施(挡渣坎)施工完成。

3.2 洞脸边坡

3.2.1 洞脸边坡开挖

洞脸边坡堆积体开挖至岩质自然坡，为保证边坡开挖支护施工安全，同时，避免一次性开挖至设计底高程后期搭设高排架进行边坡支护，且减少作业平台搭设；边坡开挖分层高度3 m，每层开挖完成后应及时支护。在边坡开挖支护施工至洞口上方安全防护设施(被动防护网)设计高程时，边坡堆积体开挖可自下游至上游开挖或上游至下游开挖，安全防护设施被动防护网施工方向与开挖方向可实施逆向顺序施工；需注意上层已开挖完成的边坡在未支护完成前，禁止下层边坡堆积体开挖。

3.2.2 洞脸边坡支护

洞脸边坡支护可与边坡开挖同步施工，边坡堆积体开挖自上游至下游开挖或自下游向上游开挖，支护施工紧跟开挖进行施工。先进行边坡基础面初步清理，初步清理完成后进行锚筋桩、锚杆施工；锚筋桩、锚杆施工完成一个区域，对该区域基础进行进一步细化清理；清理完成后先进行混凝土素喷5 cm，素喷完成后进行钢筋网片安装，网片安装完成后再进行剩余10 cm混凝土喷射。

3.2.3 复合型偏压洞

溢洪洞开挖断面尺寸900 cm×950 cm(宽×高)，偏压洞洞身开挖分为上下台阶开挖，分层高度为上台阶650 cm，下台阶300 cm，详见图2。

图2 偏压洞分层开挖示意图(单位：cm)

(1)上台阶开挖支护。首先进行半明半暗段偏压洞暗挖部位侧边墙埋藏式锚筋桩施工，埋藏式锚筋桩施工完成后进行洞口上台阶套拱施工，上台阶套拱底部高程距离溢洪洞底板设计高程3 m，在套拱施工前，应对上台阶套拱基础面进行整平，并在基础面铺设土工布，以便于洞内下台阶开挖后拱架延伸连接，套拱施工工艺流程：钢拱架架立→联系钢筋安装→管棚导向管安装→套拱模板安装→混凝土浇筑→拆模→养护。套拱混凝土浇筑至少达到3 d龄期后进行管棚施工。

其次进行半明半暗段洞内开挖，开挖必须在管棚施工完成7 d后进行开挖。洞内开挖遵循一循环一支护的原则施工。开挖完成后对暗挖部位开挖面先进行喷混凝土安全封闭，防止围岩长时间暴露，再对暗挖部位钢拱架进行延伸连接施工；钢拱架施工完成后进行锁角锚杆施工，锁角锚杆必须加工成L型，弯钩长度不小于20 cm，弯钩必须与钢拱架进行焊接，以利于钢拱架稳定；钢拱架及锁角锚杆施工完成后，对暗挖部位进行系统锚杆施工，系统锚杆须加密，其间距不小于1 m，使其偏压洞段顶拱、边墙围岩形成较强的组合体，以防止围岩变形。顶拱部位根据收敛值判定是否需要加设吊顶锚杆。如顶拱沉降值较大，则需加设吊顶锚杆，吊顶锚杆长度不小于9 m，间距可根据现场实际情况确定，吊顶锚杆其作用使顶拱围岩反悬挂，利于顶拱围岩的整体稳定；最后系统锚杆施工完成后进行钢筋网片安装及喷混凝土施工。

再次进行浅埋段偏压洞上台阶开挖施工，上台阶开挖完成后立即进行钢拱架安装；钢拱架安装完成后，进行锁角锚杆及系统锚杆施工，浅埋部位左边墙因洞壁较薄，左边墙锁角锚杆缩短至3 m，但锁角锚杆数量需进行加密，系统锚杆可不进行施工；其余部位锁角锚杆按照设计长度数量进行施工，但系统锚杆间距根据收敛值调整，收敛值较小时可将系统锚杆间距调整为2 m间距；最后在系统锚杆及锁角锚杆施工完成后，进行钢筋网片及喷混凝土施工。

(2)下台阶开挖支护。为保证偏压洞的整体稳定，在偏压洞上台阶开挖完成后，方能进行下台阶开挖，下台阶开挖时，先进行下台阶中导坑开挖，中导坑宽度不大于4 m，中导坑开挖完成后，对两侧边墙预留石方进行开挖，两侧边墙预留石方必须实施单侧开挖方法进行开挖(先进行右边墙预留石方开挖，后进行左边墙石方开挖)，每次开挖进尺不超过3榀拱架间距；对开挖完成后边墙位置外露的上台阶套拱内钢拱架进行延伸对接施工，钢拱架延伸对接施工完成后剩余施工工序为：锁角锚杆安装→系统锚杆安装→联系钢筋安装；套拱位置下台阶可不进行常态混凝土浇筑，使用喷混凝土进行填充即可。

3.2.4 支撑盖重混凝土

在复合型偏压洞段开挖支护完成后，为防止后期偏压洞段发生变形，对半明半暗偏压洞段明外侧边墙浇筑支撑混凝土墙，顶拱浇筑盖重混凝土，施工顺序为：基础混凝土浇筑→墙身混凝土浇筑→顶拱盖重混凝土浇筑；同时，因隧洞掘进爆破对浅埋段偏压洞外侧围岩造成震动，导致围岩较为破碎，对浅埋外侧浇筑贴坡混凝土，作为固结灌浆盖重混凝土，但固结灌浆必须在隧洞混凝土衬砌后进行施工，此区域固结灌浆结合隧洞内固结灌浆进行施工。