淺談軟巖隧洞施工技術

溫定煜, 湛建華, 李 彬

(中國水利水電第五工程局有限公司第一分局,四川 成都 610066)

1 工程及地質條件

沙灣水電站位于四川省木里縣境內的木里河上,為低閘引水式電站,由首部樞紐、引水系統、廠區樞紐組成。引水隧洞全長 18 775 m,開挖斷面φ7.2～9.6 m。我局承攬了樁號 11+392～18+696隧洞段的開挖支護工程,全長 7 300 m,隧洞沿線埋深:查布朗溝段 48 m,其它洞段在 145～590 m之間。

前期進行 240°拱冠斷面開挖,底部預留 2 m,形成出渣路面并保證足夠的路面寬度以方便機械施工。施工洞段的巖體為奧陶系下統人公組(Olr)、瓦廠組(Olw)板巖、千枚巖夾少量變質石英砂巖,總體屬軟巖,巖層產狀:N20°～30°W/SW∠15°～50°;主要發育查布朗斷層(F4)及勘察設計階段未查明的斷層等,擠壓揉皺強烈,一般中等發育;地下水主要為構造裂隙水及斷層帶水,以滲水、滴水、線狀流水形式溢出,局部涌水。

根據對已開挖隧洞段地質條件進行分析整理后得知,圍巖以Ⅳ類為主,斷層帶及涌水段為Ⅴ類。Ⅳ類、Ⅴ類各占 89%、11%(表 1)。

表 1 沙灣電站隧洞圍巖工程地質分類表

2 工程特點與施工難點

2.1 工程特點

巖性主要由灰色、極薄 ～薄層狀碳質、鈣質、泥質板巖或千枚巖組成;擠壓揉皺較強烈,巖體結構屬碎裂結構;巖層產狀與洞軸線夾角較小;板巖受水浸泡后迅速軟化,手可掰動,局部手可捏碎搓成泥團,圍巖自穩時間極短;地下水發育段圍巖變形快,多順巖層及裂隙組合易產生頂拱塌方;受水的侵蝕作用,掌子面超前核心土極易坍塌;板巖或千枚巖受水浸泡后的巖石力學指標低,難以滿足承載力要求,易引起支護體系沉降、反拱變形等。受地下水的影響,變形問題尤為突出,一期支護后,圍巖產生底部最大達 11.29 mm、頂拱沉降最大達 13.96 mm的收斂變形。

2.2 工程施工難點

(1)施工開挖的支護人員幾乎站在淤泥土、雨水中作業,施工困難,效率低下。軟巖軟化系數低,遇水迅速軟化,圍巖開挖后易塌方,施工人員須有豐富的施工經驗,根據掌子面揭露的地質情況及時作出準確判斷,采取相應的支護措施確保已支護段的洞身安全,否則易引起“關門”的特大安全事故。

(2)選擇經濟、合理、可靠的超前預測預報方法,對施工地質條件作出及時、準確的判斷是最大程度地規避沙灣水電站隧洞施工風險的最有效措施。根據沙灣水電站隧洞地質特征,首先應在施工地質超前預測預報方法的選擇上采取確定圍巖地質條件“四結合原則”,即地表和洞內相結合原則、長距離與短距離相結合原則、宏觀控制與微觀控制相結合原則、地質法——物探法——導洞法相結合原則,然后由掌子面出露的圍巖條件篩選預測預報方法并預測圍巖類別,再制定相應的開挖支護施工方法及措施,以保證施工順利進行。

3 軟巖施工方案設計

由所揭示的地質和鉆孔情況預測掌子面前方的圍巖類型,確定其穩定性,然后根據穩定類型選取不同的開挖、支護和控制變形的施工技術方法。

3.1 圍巖基本穩定型(Ⅳ1類)

采用低密度 0.5 g/cm2、低猛度(根據現場實際情況調整)、高威力的光面爆破炸藥,周邊孔間距 0.5 m,輔助孔間距 0.6 m,楔形掏槽,非電毫秒雷管加塑料導爆管引爆,全斷面開挖,循環進尺 2 m,φ25,L=4～5 m的隨機錨桿隨掌子面跟進,φ22,L=3 m@1.5 m系統錨桿和 C20噴混凝土支護滯后于開挖面并控制在 25～30 m之間,支護和開挖同步施工既可以加快施工進度,又可以控制圍巖變形,確保施工安全。

3.2 圍巖穩定性差型(Ⅳ2類)

薄層至中厚層泥、鈣、碳質板巖互層結構,巖層走向與洞軸線交角較小,且受水的作用局部軟化,手可將其掰成碎片,整體穩定性差。針對其特點采用的施工工藝流程:全斷面開挖→C25鋼纖維混凝土封閉掌子面→格柵安裝→超前支護、鎖腳錨桿施工→噴 C20混凝土。采用新奧法施工,周邊孔間距 0.4 m,周邊孔采取 φ22乳化炸藥隔孔不連續裝藥。光面爆破裝藥結構見圖 1。

圖 1 光面爆破裝藥結構示意圖

線裝藥密度控制在 50 g/m,耗藥量為 0.6 kg/m3。為減小圍巖變形,首先用鋼釬維混凝土封閉整個掌子面,然后在頂拱輪廓線外 25 cm處120°范圍內打兩排 5 m超前錨桿進行超前加固,超前錨桿相互搭接長度為 2 m,第一排超前錨桿仰角依據巖層傾角一般控制在 15°～25°之間,錨桿外露部分與格柵鋼架焊接,薄層狀圍巖通過此排錨桿形成整體。為減少軟巖超挖量,第二排超前錨桿穿過緊鄰掌子面格柵斷面打入巖體,仰角為 5°以內,通過兩排錨桿串連而成的薄壁梁結構增加了其圍巖抵抗變形能力,加大了開挖單循環進尺,循環進尺在 1.5～2 m之間。格柵鋼架網噴C20混凝土緊隨掌子面,其參數見表 2。在有水地段進行噴射作業時采取以下措施:改變混凝土配合比,增加水泥用量,先噴干混合料,待其與涌水融合后,再逐漸加水噴射。噴射時,先從遠離出水點處開始,再逐漸向涌水點逼近,將散水集中,安設導管,將水引出,再向導管逼近噴射。當涌水嚴重時,設置排水孔,邊排水邊噴射。噴射作業分段、分片由下而上順序進行,每段長度根據圍巖情況控制在 1～4 m,噴射后 4 h方能進行爆破作業。

3.3 圍巖不穩定型(Ⅴ類)

該類型圍巖自穩時間極短或爆破后即將產生塌方。影響圍巖穩定的主要因素有巖性、地質構造及地下水等。采取的施工方法如下:

3.3.1 地下水處理的施工方法

表 2 整體短期穩定型施工參數表

樁號 12+050～12+178、15+858～15+928以線流、面滲和集中涌水的形式出現,涌水處流量達 114 m3/h,水溫 37℃。如此大的滲流量使薄層泥質板巖、鈣質板巖、千枚巖軟化成泥土,巖體各項力學指標急劇下降,無法保證圍巖穩定,施工人員難以進入工作面,地下水問題成為開挖成敗的關鍵。由于采取灌漿堵水的方法對軟巖行之無效,故開挖前在斷面水量集中處用風鉆將 φ50花管打入巖體,花管長 4 m,出水口與橡膠軟管相接引排至排水溝,遠離工作面。

3.3.2 斷層及破碎帶施工方法

由于圍巖為軟巖,開挖頂拱和掌子面存在面狀或線狀滲水,因此開挖后的頂拱極易坍塌。防止坍塌的應對策略:(1)自掌子面沿輪廓線向前方巖體內打入 φ50@20 m,L=6 m的超前小導管,用支護好的鋼支撐、打入小鋼管和前方巖體形成的支撐體系臨時共同承受頂部土體壓力,在臨時支撐體系的保護下采用淺孔小炮或風鎬、挖掘機開挖,單循環進尺 0.5～0.8 m;(2)在開挖出的輪廓面上立即噴射厚度為 5～10 cm的鋼纖維混凝土封閉巖面,及時控制圍巖變形;(3)架設型鋼、打鎖腳錨桿,模噴混凝土封閉頂拱。

3.3.3 地下水發育 +擠壓揉皺發育段的施工方法

采用超前勘探、管棚、錨桿、分層分部開挖、型鋼噴混凝土綜合支護等方法進行施工。

(1)掌子面坍塌問題的分析及控制。因掌子面處的地下水較大,呈面狀、股狀滲流,極薄層泥質、鈣質、碳質板巖、千枚巖軟化成糜磷狀,加之前方土體為超前小導管的受力支點,因此,掌子面在水的作用和頂拱土體壓力的共同作用下極易發生坍塌。只要前方掌子面滑動乃至坍塌過多,則超前小導管前方支點失去作用,導致小導管和頂拱土體隨同掌子面坍塌造成大塌方,所以對掌子面坍塌的控制是施工的關鍵。在遇到富水的軟巖開挖中,為了避免掌子面發生滑塌,采用分層分部開挖法,先進行上部開挖,每次開挖長度控制在 5 m左右,再開挖兩側,中間留核心土控制前方土體變形,若掌子面出現流土則用巖性較好的洞渣換填核心土反壓,最后施工中間部分的核心土。分層分部開挖情況見圖 2。

圖 2 分層分部開挖法示意圖

(2)初期支護。①開挖后立即噴射 C20鋼纖維混凝土封閉巖面,周邊巖面噴射厚度 5 cm,掌子面噴射厚度 10 cm,防止圍巖卸荷后遇空氣急劇風化,控制圍巖整體變形。②型鋼緊貼巖面支護,型鋼規格為 I20b工字鋼,型鋼中對中間距可根據實際情況調整為 50～80 cm,拱腳、拱肩設置8根定位錨桿并輔以 φ25,L=4.0 m隨機錨桿進行固定支撐。上臺階支護型鋼時,在型鋼底腳處鋪設鋼板以增大受力面積,鋼板厚 1 cm,寬 40 cm,縱向鋪設,型鋼之間采用角鋼或 φ25鋼筋三角連接,確保型鋼整體受力。型鋼接腿前需在接腿的下臺階次榀型鋼渣體上打入 φ50小導管,以阻擋前方渣體溜渣引起坍塌。由于軟巖各項力學指標極低,為防止支護結構受頂部土壓力作用發生整體沉降變形,采取型鋼底部縱向連接 I20型鋼并澆筑斷面為 40 cm×30 cm C20鋼筋混凝土地梁,型鋼外側鋪設 φ6.5@20 cm×20 cm網格鋼筋,C20噴射混凝土與型鋼面噴齊平。初期支護工藝見圖 3。

4 塌方體處理

圖 3 初期支護工藝圖

在開挖爆破后極短的時間(來不及采取支護措施)內即產生塌方。如進入隧洞樁號 12+169～12+178和樁號 15+877～15+885時,掌子面巖體均較好地按原設計的Ⅳ類圍巖進行全斷面開挖施工,開挖進尺1.2 m,當開挖至樁號 12+170.2和 15+877后幾乎不到 1 h,掌子面即發生突發性大坍塌,引起頂部和右邊墻不斷掉塊,右側鋼拱架嚴重變形,擠入洞內 0.8 m,幾小時后由于不斷掉塊,致使臺架被掩埋,施工受阻無法掘進。第一個塌方體雖通過兩天出渣,塌渣仍然充填整個掌子面,塌渣厚度未知;第二個坍塌體渣體清除后,斷面以外空腔體高 9 m。經過多方案比較,塌渣覆蓋段采用固結灌漿、小管棚、留核心土臺階開挖法,空腔地段采用巖面噴網筋混凝土、鋼管空間網架、型鋼模噴混凝土三位一體的支撐體系順利地通過了坍塌體;對軟巖塌方體采取小管棚注漿或小導管梁相結合的棚架體系進行超前支護、塌腔面采用網架支撐體系等輔助支護、型鋼梁噴護混凝土主體支護工法均有效地控制了結構周邊收斂和頂拱下沉,確保了施工安全和結構穩定。

4.1 塌渣覆蓋段施工工藝

(1)灌漿、管棚、型鋼支護。首先對塌方體格柵或型鋼已襯影響段采取回填和固結灌漿相結合的方式以確保工作空間的安全;其次,探明現有塌方體情況,對塌方體掌子面采用梅花形布置灌漿孔,采取小導管進行水泥固結灌漿或水泥砂漿回填灌漿,使其結構斷面以外達到 5 m厚以上的膠結體。當空腔段灌漿強度達到 70%以上時,對隧洞范圍內塌方的石渣進行清運,型鋼支撐跟進支護,型鋼支護不得侵占結構斷面尺寸,型鋼間掛網φ6.5@23 cm×23 cm,噴 25 cm厚鋼纖維混凝土。向前掘進采取淺孔小炮,針對不同巖石擬用超前錨桿(輔以隨機錨桿)、小管棚或大管棚、型鋼跟進支護。其施工流程見圖 4。

圖 4 施工工藝流程圖

(2)超前預支護。在掌子面拱頂 90°輪廓線外 20 cm施打兩排超前小導管,排距 20 cm,梅花形布置,鄰近輪廓線的第一排仰角 1°左右,導管內穿一根鋼筋以加大導管的抵抗矩,增大導管的梁效應;另一排仰角約 10°,每排間距 30 cm,前后兩個循環之間搭接長度 2.0 m,通過小導管灌漿形成 1.5 m厚的漿土結合體并有一定承載力的護拱圈,臺階法開挖中留有核心土控制前方土體不滑動或坍塌,控制小管棚前方土體支點的變形,改善小管棚的受力條件,上臺階循環進尺 0.5 m,初噴混凝土厚 5 cm,具體支護參數見表 3,超前支護方式見圖 5,網架支撐體系結構見圖 6。

4.2 空腔塌方體處理

先噴 8 cm厚 C20鋼纖維混凝土封閉塌腔面,在確保安全的前提下進行 I20b@80 cm型鋼加強支護,型鋼支護盡量緊貼巖面并模噴 30 cm厚C20混凝土,對未達到巖面的部位采用 φ80鋼管支撐,鋼管之間采用鋼筋縱橫連接,形成空間網架受力體系,緊貼鋼纖維混凝土表面沿斷面方向設置環向 φ22鋼筋與鋼管頂部相接,環向鋼筋外側設置 φ6.5@25 cm×25 cm網格鋼筋,然后在鋼纖維混凝土表面加噴 10 cm厚常態 C20混凝土,使巖面網噴混凝土、鋼管空間網架、型鋼模噴混凝土形成三位一體的支撐受力體系,共同承受塌腔面頂部荷載。

表3 超前預支護參數表

圖5 超前支護示意圖

5 施工期安全監測

施工期間采用信息化監測手段以保證隧洞施工安全,主要對圍巖進行變形觀測,監測儀器主要采用 TR702全站儀和數字水準儀等。量測斷面縱向間距設置:Ⅳ1類圍巖 150 m,Ⅳ2類圍巖 50 m,Ⅴ類圍巖 10 m。施工過程的監測項目見表 4,隧洞周邊位移和頂拱沉降情況見表 5。

圖6 網架支撐體系結構示意圖

表 4 施工監測項目一覽表

表 5 隧洞周邊位移和頂拱沉降值表

6 結語及體會

在地下水豐富的軟巖洞段采取小管棚超前支護時應采用臺階開挖法以降低開挖高度,減小圍巖壓力;爆破后隨即初噴 5～10 cm厚的 C20鋼纖維混凝土封閉周邊及掌子面可減小圍巖松動圈。

在處理塌方體或不穩定圍巖施工中,采取小管棚超前支護時,采用了兩排小導管,第一排小導管施作梁效應,第二排小導管施作灌漿加固。只要將間排距控制在 30～40 cm之間,前后管棚搭接長度大于 1.5 m,均能通過不良地質段;采用小管棚施工工藝,避免了大管棚施工工藝的高成本投入,可取得良好的綜合性價比。

變形是軟巖隧洞的特性,尤其是地下水豐富的千枚巖、泥質板巖支護段變形量更大,因此,開挖施工斷面應適當放大 5～10 cm左右,否則變形后侵占結構斷面較多,影響支護質量。

軟巖施工中應特別注意反拱變形,隧洞底部的變形易使剛性或柔性的邊頂拱初期支護產生貫通裂縫,甚至脫離巖面失去支護作用。為了避免產生嚴重的安全隱患,可采用以下兩種方法:(1)沿著剛性或柔性的環向支撐打系統錨桿和鎖腳錨桿;(2)在剛性或柔性支撐底部挖槽澆筑縱梁混凝土或對撐混凝土梁。