管棚型鋼法加強支護鎖口在提前進洞施工中的應用

孫寶山, 趙慧仙

(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 工程概述

西溪河是金沙江左岸的一級支流,流域位于涼山州境內,地洛水電站是西溪河梯級開發方案規劃中的第四個梯級電站,是一座以發電為主的引水式電站,位于布拖縣地洛鄉境內。樞紐工程永久性建筑物主要由擋水壩、引水系統和發電廠房等三部分組成,屬三等中型工程。地洛水電站工程主要建筑物包括:首部樞紐擋水建筑物、左岸取水建筑物和廠區建筑物。

導流洞布置在左岸進水閘上游約 120 m處,隧洞洞身長 304.51 m,進口底板高程 1 192.0 m、出口底板高程 1 191.0 m,縱坡 i=0.8%,采用半圓形城門洞型,設計斷面 4 m×5 m,全斷面鋼筋混凝土襯砌,其中Ⅲ類圍巖襯砌厚 40 cm、Ⅳ類圍巖襯砌厚 60 cm、Ⅴ類圍巖襯砌厚 80 cm。

2 工程地質情況及邊坡穩定性分析

隧洞出口邊坡在 1 197.8 m高程以上地表分布 5～15 m厚的崩塌堆積塊碎石土,下伏基巖體為泥質粉砂巖和泥質白云巖。鉆孔揭示巖體強風化厚 15～20 m,弱風化厚 20～25 m。洞口以上在高程 1 191～1 197.8 m基巖邊坡高度為 5～6 m,由強風化巖體組成。巖層傾向坡內,有利于邊坡穩定,但強風化巖體風化強烈,呈散體 ～碎裂結構,需要進行處理。邊坡在 1 197.8 m高程以上地表分布 5～15 m厚的崩塌堆積大塊碎石土,自然邊坡整體穩定,在施工開挖不當或遭遇暴雨等工況條件下可能失穩,需要采取支護處理措施,并加強坡面排水,施工中盡量避免開挖切腳。設計建議永久坡比為:覆蓋層 1∶1.5,強風化 基巖 1∶0.75 ～ 1∶1.0。

3 管棚施工方案的確立

3.1 原高邊坡開挖及支護施工方案

導流洞出口原設計方案為:邊坡進行覆蓋層和強風化巖體土石方開挖和邊坡掛網錨噴支護,高程范圍為1 190.2～1 253.58 m,坡高 63.68 m,為高邊坡施工,合理工期 2.5個月。主要工程量:土石方開挖 2.1萬 m3,錨桿(綜合)1 200根,噴混凝土 500 m3,掛網鋼筋 31 t。原出口設計施工圖見圖 1。

圖1 導流洞出口原設計施工圖

3.2 管棚施工方案的選擇

經現場多次勘察研究,我們提出了管棚型鋼強支護提前進洞的施工方案。從工期時間角度分析,采用管棚方案,用 20 d時間進行邊坡開挖及支護可以完成并形成洞臉,15 d完成管棚施工,7 d待強后開始進洞施工,約 40 d可進洞施工形成洞內作業面;而采用高邊坡開挖及支護共分三級,平均每 25 d開挖及支護完成一級邊坡,開挖及支護施工需要 75 d方可進洞施工形成洞內作業面。與之相比,管棚施工至少節約 1個月的工期;從成本經濟合算分析,導流洞出口邊坡開挖及支護造價為 75萬元,而采用管棚支護造價為 32萬元,節約成本 40多萬元;從施工安全角度分析,高邊坡開挖及支護風險等級高,而管棚方案則大大降低了安全風險等級;從環境保護角度分析,管棚方案降低了邊坡的開挖高度,減少了對植被的破壞面積及水土流失;從節能降耗分析,管棚施工大大減小了邊坡開挖及支護工程量,減少了土石方機械的油料等能源消耗,減少了鋼筋、水泥等原材料的消耗;綜合以上對比,采用管棚方案無論是在節約工期、保證施工安全、環境保護、節能降耗等方面,還是在經濟合算、降低成本方面以及社會效益等,管棚方案均為導流洞出口的最優方案。最終確定采用 φ108(壁厚 δ=6 mm)無縫鋼管管棚配型鋼支撐加強支護鎖口提前進洞的施工方案,計劃管棚施工兩個循環。

4 管棚型鋼法施工及控制

4.1 施工準備

管棚型鋼支護前,洞臉土石方已經開挖完成,形成洞臉,鉆機的腳手架和操作平臺已經搭設完畢,鉆機已經就位,管棚的孔位和孔向已經確定,管棚花管已經準備完成,灌漿設備已經到位,型鋼拱架開始制作等。

4.2 鉆孔和洞臉支護

管棚棚管布置在半圓的頂拱范圍,中心間距0.6 m,造孔采用 300型地質鉆機,鉆機平臺采用腳手架搭設,上鋪 5 cm厚木板并做圍欄等安全防護,孔向洞軸線徑向外展 3°,孔深平均為 12 m,孔徑 130 mm,嚴格控制鉆孔角度,尤其是開孔后連續進行測控,直至孔向符合要求為止,每一孔均盡量鉆取巖芯并對鉆孔取出的巖芯做好標記,將其作為勘探和地質預報的重要資料;鉆孔期間,同時進行洞臉和洞臉邊坡的掛網錨噴支護,并做好洞臉邊坡排水溝和漿砌石攔石坎,見圖 2。

圖2 導流洞出口實際施工情況圖

4.3 下 管

每一孔成孔后,立即將準備好的 φ108無縫鋼管(已做成花管,每 m設 1個 φ20孔)按編號對應送入相應孔內,孔內無小掉塊、小塌孔現象的可人工直接將棚管推入孔內,對于孔內的一些小掉塊、小塌孔用沖擊鉆機頂管進孔,整個過程未出現較大的塌孔,大部分可人工并輔以 YT-28風鉆入孔。為了提高管棚的抗剪能力,每一無縫鋼管內再填入由 3根φ25鋼筋點焊組成的鋼筋束。灌漿管和排氣管同時隨無縫鋼管下入孔內。

4.4 灌漿固結控制

由于洞頂覆蓋層較薄,最薄處僅為 2.3 m,故按無蓋重進行灌漿設計,水泥采用 P.O42.5普通硅酸鹽水泥,初始灌漿壓力為 0.2 MPa,開灌水灰比為 2∶1,漿液分為 2∶1、1∶1和 0.8∶1三個比級,結束灌漿壓力為 0.25 MPa。先從拱腳孔開灌,采取間隔分序、孔間加密原則進行灌漿。

4.5 小導管代換施工

管棚的主要作用為頂托上部坡積體及風化巖,主要承力為頂部棚管。為加快施工進度,在兩側邊拱處各間隔取消兩根 φ108棚管,代換為四根 φ48注漿小導管,小導管仍為花管,每循環 3.5 m,有效長度 1.5～2.0 m,φ108管棚灌漿完成后灌注注漿小導管(圖 3)。

圖3 棚管及小導管布置圖

4.6 鋼支撐鎖口

在洞口安設一榀 I25工字鋼拱架支撐,頂拱與棚管及小導管牢固焊接,直墻部分 采用間隔1.0 m固定(鎖腳)錨桿與巖體錨固,錨桿為錨固劑錨桿,深入巖體 3.0 m。

5 進洞開挖

5.1 直接挖除

用 PC240挖掘機挖除掌子面下半部分的風化巖體,進尺 1.0 m。對于上半部分挖掘機挖不到的部位,采用松動爆破后人工清理挖除,直至設計開挖線滿足型鋼拱架支護的斷面尺寸要求,再間隔 0.8 m安設型鋼拱架并進行掛雙層網噴混凝土支護。

5.2 弱爆破洞挖施工

對于挖掘機不能直接開挖的部分采取弱爆破松動后再開挖。進洞的前幾米,先對下半洞進行松動爆破,再對上半洞進行二次擴挖爆破,進尺至6 m左右時,洞口的加強支護已經完成,6 m以后再采用全斷面爆破開挖。

5.3 型鋼拱架及小導管跟進支護

每次控制開挖進尺為 1.0 m左右,并及時進行型鋼拱架支撐配合掛網錨噴支護,前三榀型鋼拱架間距 0.3 m,第四榀與第三榀之間 0.5 m,其余各拱架之間根據圍巖情況在 0.5～0.8 m之間微調,最大間距不超過 1.0 m,開挖至注漿小導管有效范圍后,及時進行小導管施工。

當開挖至管棚有效范圍后,經參建各方現場對開挖揭露的地質情況進行分析后得知,已不需要再繼續進行管棚施工,只需進行型鋼拱架支撐配合掛網錨噴支護即可確保圍巖穩定,故本方案只施工一個循環的大管棚。

6 施工中的安全監測

管棚灌漿施工期間,在開挖的洞臉邊坡上設置了觀測點。進洞施工期間,在型鋼支撐上設置觀測點,采用全站儀進行初始觀測及變形觀測。整個施工過程無論是洞臉還是洞內圍巖,變形量均滿足安全要求,管棚型鋼加強支護效果非常好。

7 結 語

地洛水電站導流洞出口施工并未采取常規的混凝土明拱鎖口,從而避免了混凝土施工工序復雜及混凝土與洞臉不能很好連接的問題,而是采用比較適合的管棚固結灌漿形成拱圈的加強支護方案提前進洞,減少了邊坡開挖及支護的工程量,節約了寶貴的工期并節約了 30%以上的成本;同時,減少了邊坡開挖對植被的破壞和對穩定邊坡的擾動,確保了邊坡的安全。地洛水電站導流洞出口采用管棚型鋼法加強支護提前進洞施工的出口段及洞臉邊坡,在導流洞整個施工期間經歷了2006年 7月 7日 20年一遇超標洪水和 2006年 9月 18日大洪水及整個汛期的各種雨水,直至今日已經過多年的時間考驗其依然安全穩定。另外,在管棚施工中,若遇塌孔嚴重情況,可提前根據巖石特性選擇跟管鉆孔法施工方案和機械。