特大斷面泄洪洞龍落尾開挖施工技術方案優化實踐

白永生, 韓進奇

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 工程概況

溪洛渡水電站是金沙江下游規劃開發的第三個梯級電站,主要由攔河大壩、引水發電建筑物、泄洪消能建筑物組成,壩高278.0 m,總裝機容量13 860 M W。電站泄洪建筑物采用“分散泄洪、分區消能”的原則,在壩身布設了 7個表孔和 8個深孔,在兩岸布設了 4條泄洪洞共同泄洪。左岸兩條泄洪隧洞平行布置,采用“有壓接無壓、中段設置閘門室、洞內龍落尾”方式進行設計。洞內龍落尾段由奧奇曲線段、斜坡連接段、反弧曲線段以及下直坡段等組成。其中 1#、2#泄洪洞龍落尾段的開挖長度分別為 303.428 m、350.838 m,垂直高差分別為 100.30 m、104.78 m,開挖斷面尺寸為 15.7 m×20.6 m～21.6 m×23.179 m(寬 ×高)。其中奧奇曲線段的曲線方程式為 Z=(X 2/400)+0.023X。奧奇曲線段的起始端設置有與補氣平洞相通的補氣豎井;斜坡段為奧奇曲線和反弧曲線之間的連接過渡段,斜坡與水平面的夾角為 22.5°;反弧段反弧半徑 R=300 m;在奧奇曲線段至反坡段共設置了三道突跌式摻氣坎,跌坎高度為 1.5 m,下直坡段底坡 i=0.08。泄洪洞出口龍落尾段覆巖體厚約 30～50 m,水平埋深 50～150 m。圍巖以Ⅱ、Ⅲ1類為主,出洞口部分為Ⅳ2類;頂拱及邊墻圍巖穩定性較差,局部滲、滴水,施工中需加強處理措施。溪洛渡水電站泄洪洞設計體型見圖1。

溪洛渡水電站 1#、2#泄洪洞龍落尾段開挖支護主要工程量為:石方開挖約 20.95萬 m3;噴C 25混凝土約 0.38萬 m3;φ 6.5鋼筋網約 34.85 t;砂漿錨桿約 8 810根。

2 施工中的重、難點問題

(1)龍落尾段結構曲線復雜,施工難度大,施工的重點在于施工進度的控制。該部位無論是開挖階段還是混凝土襯砌階段均為泄洪洞工程進度控制的關鍵,龍落尾段的開挖需要在相鄰的無壓洞段及泄洪洞出口明挖基本完成后才具備條件,施工邊界條件要求較高。

(2)龍落尾段的施工難點首先在于施工的出渣,龍落尾段的斜坡段坡度約為 22.5°,使用機械及溜渣的方式直接出渣難以實現。如何有效的解決出渣問題是本工程的一個難點;其次是龍落尾段的開挖結構斷面尺寸較大,圍巖穩定等安全問題突出;另外,由于工作面較多且施工組織難度大,如何采取有效的措施確保施工期的安全也是本工程的一個難點。

3 優化前的施工方案

3.1 方案簡述

泄洪洞龍落尾段優化前的施工方案為采取上下游工作面以 15%的縱坡對挖,中部采用“溜渣斜洞 +溜渣斜井”貫通然后逐層開挖,施工中采用分區、分層、多工作面開挖然后進行擴挖及保護層開挖的施工方案。優化前的開挖方案是將龍落尾段分為斜洞和斜井開挖,共分Ⅰ ～Ⅴ區施工,各區又分若干層進行自上而下的分部施工,分層情況為:

(1)Ⅰ區:分 3層開挖(同無壓段施工),第一層厚 8.4 m左右,中導洞先行、兩側墻跟進;第二層厚 10 m左右,全斷面施工;第三層厚 3 m左右,為保護層施工;

圖1 泄洪洞龍落尾段結構示意圖

(2)Ⅱ區:分 1層施工,層厚 8.1 m左右,采用中導洞先行、兩側墻跟進;

(3)Ⅲ區:分 10層施工,其中Ⅲ1層厚 6 m,6 m×6 m的中導洞先行開挖,兩側墻待溜渣井開挖形成后再進行擴挖施工;Ⅲ區中的Ⅲ2層 ～Ⅲ10層厚 2.1～2.5 m;

(4)Ⅳ區:分 7層開挖,分層厚度為每層 2.5～3 m;

(5)Ⅴ區:分兩層開挖,第一層厚 10.0 m左右;第二層厚 1.5～4 m,為保護層施工。

3.2 施工工期

Ⅰ區開挖與支護工期各 5個月;Ⅱ區開挖與支護工期各 3個月;Ⅲ-1區開挖與支護工期各6.5個月;Ⅲ區 2～10層開挖與支護工期 6.5個月;溜渣井施工工期各1.5個月;Ⅳ區開挖與支護工期各 4.5個月;Ⅴ區開挖與支護工期各 4個月。1#、2#泄洪洞無支洞方案施工直線工期共計 28個月。

4 優化后的施工方案

通過對現場龍落尾段外側霧化區邊坡及出口地形進行實地踏勘,結合龍落尾洞段在長約 303 m的洞段高差跌落達約 100 m、洞 內 縱 坡 達53.2%的結構特點,同時,結合龍落尾在運行階段洞頂補氣摻氣需求,經過分析、論證,初步構思采取在龍落尾中段布置施工支洞,將落差約 100 m的龍落尾分成上下兩個部分,如此可將龍落尾段分成 2個斜井,按照斜井的施工方法進行開挖,以解決優化前長斜洞開挖的諸多施工難點。

4.1 方案簡述

在 1#、2#泄洪洞龍落尾段中部各布置 1條施工支洞,將其分為上下兩個部分,并在上下部分各布置 1條溜渣斜井,從而形成“上下溜渣斜井 +中間平洞貫通”的“1洞 2井”施工方案。施工采用分區、分層、多工作面開挖,各工作面采用溜渣井貫通后再自上而下進行斜井擴挖。該方案即是將龍落尾段通過增加支洞后變成兩個斜井開挖,共分Ⅰ～Ⅵ區施工,各區又分若干層自上而下進行分部施工,分層情況為:

(1)Ⅰ區:該段為奧奇曲線段,施工難度較大。第一層厚 8.4 m,中導洞先行、兩側墻跟進。第二層按高度 2～3 m向前掘進至第一層開挖面后,采用作業臺車向前掘進;

(2)Ⅱ區:分一層施工,層厚 8.4 m,采用中導洞先行、兩側墻跟進;

(3)Ⅲ區:分一層施工,層厚 6.5 m,采用中導洞先行,形成裝渣和出渣的作業通道;

(4)Ⅳ區、Ⅴ區:根據實際情況分層開挖,分層厚度為每層 2.5～3.5 m,隨開挖跟進支護;

(5)Ⅵ區:分兩層開挖,第一層厚 10 m左右;第二層厚 1.5～4 m,為保護層施工。

4.2 施工工期

Ⅰ區開挖與支護工期各 5個月;Ⅱ區開挖與支護工期各 3個月;Ⅲ區開挖與支護工期各 1.5個月;溜渣井(共 4個)施工與支護工期各 1.5個月;Ⅳ區開挖與支護工期各 5個月;Ⅴ區開挖與支護工期各 4個月;Ⅵ區開挖與支護工期各 1個月。

1#、2#泄洪洞有支洞方案施工直線工期共計24個月。

5 優化前、后方案的對比分析

從工程施工難度、質量控制、安全風險等方面進行對比,優化施工方案明顯優于最初方案,主要表現在:

(1)優化方案采用了增加施工支洞,且支洞設計布置在龍落尾摻氣槽頂部,支洞兼做后期的摻氣平洞,可改善泄洪洞運行時的摻氣結構,對工程永久運行有益;

(2)方案優化后施工時無需采用機械通風設備,不僅自然改善了洞內作業環境,而且節約了大量的設備資源投入,節能環保;

(3)優化方案可將工期提前 4個月,從而大大緩解了龍落尾段開挖目標的工期壓力;

(4)增加的施工支洞使后期混凝土澆筑通道更為順暢,有利于組織混凝土生產施工;

(5)新方案是對大型龍落尾洞型施工的一種新嘗試,有利于積累“龍落尾”泄洪洞洞型的工程經驗,為后續工程提供技術保證。

綜合考慮,采用優化后增加施工支洞的方案更為可行。

6 優化后方案的施工方法

6.1 施工程序

增加施工支洞后,龍落尾段施工可分三個工作面同時進行:即上游工作面(施工通道為無壓段及無壓段中下層施工支洞)、中部工作面(施工通道為龍落尾段施工支洞)和出口工作面(施工通道為泄洪洞出口臨時施工便道),中間工作面施工完成后,將龍落尾分成上下兩個“斜井”施工區獨立施工,施工時采用分區、分層、從上至下逐層開挖。

6.2 工藝流程

為了保證施工安全,不同類別的圍巖采用的施工工藝不同,分為以下兩類:

(1)Ⅱ～Ⅲ類圍巖洞段開挖工藝流程:測量放線、布孔→鉆爆→出渣→臨時支護→下一循環開挖、臨時支護→系統支護(滯后開挖面不大于20 m)→下一層開挖。

(2)Ⅳ類圍巖洞段開挖工藝流程:測量放線、布孔→第Ⅰ層導洞開挖→第Ⅰ層超前支護→鉆爆→出渣→系統支護(噴混凝土)→下一循環開挖、支護→下一層開挖。

6.3 施工方法

(1)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區開挖施工方法。

Ⅰ區為奧奇曲線段,由無壓段進入施工工作面,采用分層開挖的方法,共分三層,底板坡度 i=15%。第一層厚 8.4 m,中導洞先行、兩側墻跟進,采用 Y T 28氣腿鉆造孔,楔形掏槽、微差爆破,周邊間隔裝藥光面爆破;第二層層高 10 m,由于頂拱為奧奇曲線,施工時采用采用 Y T 28氣腿鉆按 2～3 m高度分次掘進;第三層為底板保護層開挖,層高 3 m,采用手風鉆造水平孔,底板光面爆破。各層開挖時系統支護跟進施工。

Ⅱ區為龍落尾段出口反弧段,該區為平洞開挖,設計分區高 8.4 m,由泄洪洞出口施工便道進入施工工作面。施工時采用中導洞先行開挖,中導洞設計斷面 11 m×8.4 m(寬 ×高),采用 YT 28氣腿鉆造孔,楔形掏槽、微差爆破,周邊間隔裝藥光面爆破。由于出洞口段巖石條件差,開挖時要求一炮一支護,同時對頂拱圍巖布置了臨時監測(錨桿應力計和收斂觀測)。兩側墻在中導洞開挖完成后進行擴挖,周邊結構面采用光面爆破,同時為給第Ⅵ層留出預裂鉆孔空間,邊墻擴挖時采用了 15 cm的技術超挖。

Ⅲ區為斜坡段,由 1#、2#龍落尾段中部增設的施工支線進入Ⅲ區施工工作面,分別向上、下游進行開挖施工,開挖底坡 i=15%。該區中導洞設計斷面 6.5 m×7.5 m(高 ×寬),采用 Y T 28氣腿鉆造孔,楔形掏槽、微差爆破,周邊間隔裝藥光面爆破。中導洞開挖完成后,形成裝渣和出渣的通道,其左右側墻在Ⅳ區開挖時進行施工。

(2)溜渣井開挖施工方法。

在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區開挖完成后,即具備了兩條斜井開挖的施工條件。

1#、2#溜渣井開挖斷面采用 R=6 m的圓形斷面,傾角約 60°,長度約 17 m。溜渣斜井開挖采用“一次鉆孔、分次反向爆破”的挖井技術。施工時自上而下采用 100B鉆機按照爆破設計將所有孔位鉆孔完成,然后采用導管裝藥法自下而上分次爆破,每次爆破進尺 3～4 m。

(3)Ⅳ、Ⅴ區開挖施工方法。

1#、2#溜渣井施工完成后,即進行Ⅳ、Ⅴ區開挖。施工時,先用 100B鉆機鉆孔將溜渣井進行擴大爆破施工,然后對Ⅳ、Ⅴ區頂拱部分采用手風鉆造孔、光面爆破壓頂開挖,開挖渣料直接填于先前開挖的Ⅲ區中導洞內,頂拱光面爆破每次掘進2.5～3 m,直至將Ⅳ、Ⅴ區上部(Ⅲ區頂上部分)開挖完成。由于洞內坡度約 22.5°,開挖時頂拱只跟進進行隨機安全支護,待上部全部開挖完成后,在爆破洞渣上搭設腳手架支護平臺進行系統支護施工。

上部系統支護完成后再進行出渣和Ⅳ、Ⅴ區下部開挖。下部開挖采用平洞開挖方式,用手風鉆造水平孔,從下向上開挖爆破以便于出渣,掘進進尺 3～3.5 m,底板保護層采用光面爆破。

(4)Ⅵ區開挖施工方法。

Ⅵ區分兩層梯段開挖,第一層Ⅵ-1厚度為 10 m左右,第二層Ⅵ-2厚度為 1.5～4 m(保護層)。Ⅵ-1采用 100B潛孔鉆機造孔,深孔梯段爆破,周邊預裂爆破;Ⅵ-2采用手風鉆水平造孔,周邊采用間隔裝藥雙向光面爆破。

7 結 語

溪洛渡水電站泄洪洞龍落尾段特殊的設計體型和洞內開挖條件的復雜性,導致了其施工過程的艱難。在工程施工實踐中,通過對現場實際地形條件和龍落尾的泄洪運行特點進行分析,提出了新的施工方案,采用新增施工支洞將龍落尾分解成“一洞兩井”進行施工,有效解決了龍落尾22.5°的開挖難題,同時為混凝土施工創造了有利的施工條件和通道,保證了生產進度的順利完成。目前,優化后的方案已成功實施,施工質量和工程進度滿足合同要求,無一起質量安全事故發生。