復雜地質條件下壓力管道開挖支護施工探討

余建強，王慧娟

(中國水利水電第十工程局有限公司一分局，四川都江堰 611830)

1 工程概述

二臺子電站位于四川省甘孜州九龍縣灣壩河干流上，為低壩、長引水隧洞、地面廠房組成的水力發電樞紐。總裝機容量為2×26MW。其壓力管道原設計為明管布置，因環境保護要求改為洞內埋藏式布置，以減少對地表植被破壞及不可修復性生態影響。

壓力管道上平段高程為2461．512m，中平段高程為2289m，下平段高程為2129m，上斜井豎直段高度為172．512m，下斜井豎直高度為160 m，總高差 332．512m，傾角 60°。主洞凈斷面為φ3．6m圓形。支洞為城門洞型，凈斷面高4．8 m，寬4．5m，頂拱半徑為2．6m。

2 工程地質條件

工程區位于川滇南北向構造帶西側貢嘎山斷塊東南緣，屬于松潘甘孜地槽褶皺系之二級構造單元巴顏喀拉冒地槽褶皺帶的東南緣，區域地質構造復雜。跨地臺型和地槽型兩大地層巖相區，大致以磨西斷裂、小金河～康定斷裂為界。壓力管道區域位于磨西斷裂西部變質巖區，區內地層除寒武系、石炭系、白堊系缺失外，從前震旦系到第四系地層均有不同程度的分布，出露主要地層為三疊系下統菠茨溝組(T1b)的千枚狀石英雜砂巖、板巖。

第四系地層主要分布于山坡、平臺、坡腳、溝谷和河床。由冰水堆積、沖積、洪積、崩坡堆積形成的漂卵石、砂卵石、塊碎石、塊碎石土、砂層、粉土層等松散堆積物組成。

壓力管道實際施工中揭示地質條件較差，主要為IV、V類圍巖，巖性主要為千枚狀石英雜砂巖，巖體破碎，強度低，局部為ⅢC類圍巖，巖性為中厚層狀砂質板巖。

壓力管道上、中、下三條施工支洞均從第四系地層土體覆蓋層直接進洞。

3 主要施工布置情況

3．1 施工用電

從10kV電源接入點接10kV輸電線至上、中、下施工支洞口，各設1臺變壓器降壓至400V后供施工使用。

3．2 施工用水

在取水點設第一級泵房，布置3臺水泵，分別抽水至下平段、中平段的施工水池;在中平段施工水池旁設第二級泵房，布置2臺水泵，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 施工用風

各支洞口附近設壓縮風站，接風管至工作面供施工用風。

3．4 施工交通

在下平段至中平段修建上山道路，路寬約4 m，以挖方路基為主，局部為填方路基，每隔200m左右設錯車道，寬度增加3．5m，長度約16m，道路縱坡不大于9%。

在中平段至上平段架設1條起重量為10t的索道進行設備材料運輸，人員施工便道解決人員交通問題。

3．5 拌合站

在各支洞口附近布置1臺JDY350拌合機拌制噴漿料，設水泥庫房和砂石堆存區，以保證雨季道路交通或索道運輸受阻時有儲備量。

3．6 鋼筋制作場

在廠區布置鋼筋制作場，制作鋼筋拱架、錨桿、管棚鋼管等，由10t平板車運至下平段和中平段，上平段材料由索道吊運。

4 支洞與平洞施工

4．1 土體洞段

4．1．1 支護形式

施工支洞及下平段末端均有較長的土體洞段，該區域土體呈粘性土、砂性或粉砂性土、碎石土及各種土交互混雜形態，形成時期跨度大，形成因素和機理復雜，強度、緊密程度、固結程度等均不一樣，滲透性、孔隙率、壓縮性、顆粒大小和粘聚性能均有很大差異。若采用管棚超前注漿固結支護，可能會出現以下不利情況:土體可灌性能不一致，部分洞段無法灌漿固結;灌漿固結后碎石堆積體或其它可灌土體強度將大大提高，洞體斷面小，難以使用機械開挖，爆破開挖擾動范圍大;灌漿增加工序交替、增加組織難度和循環時間，水泥漿需待強，進度將受到影響。

經研究確定采用加密超前管棚與拱架支撐、掛鋼筋網噴混凝土聯合支護。

管棚使用一頭尖的φ50鋼管，長1．5m，布置在頂拱及拱腳下邊墻1m范圍，中心間距100 mm，外挑角為 18°。

拱架采用4根φ20主筋組成邊長為20cm的正方形斷面、φ16副筋焊接成桁架，分成1榀頂拱和2根立柱制作，現場焊接組立。拱架間距為0．5m，拱架間用φ20鋼筋焊接連接，連接筋間距為60cm。兩側邊墻掛φ6．5、20cm×20cm 鋼筋網，周邊噴射10cm厚C20混凝土封閉。

4．1．2 洞口施工

使用1m3挖掘機開挖形成進洞坡面。砌筑漿砌石八字形擋土墻，組立3榀拱架，頂進第一層管棚，管棚與拱架焊接牢固，拱頂鋪鋼板防護，坡面噴5cm厚C20混凝土。

4．1．3 開 挖

開挖分2層進行。上層高1．51m，人工開挖，進尺0．6m，土渣翻至下層;上層支護后跟進下層開挖，下層高3．49m，0．2m3挖掘機開挖;開挖渣料使用ZL30裝載機裝自卸汽車運出。

4．1．4 支 護

上層開挖后，人工抬運頂拱拱架至組立位置，與超前管棚焊接，用連接筋與后側穩固的拱架焊接牢固。人工持風鎬沿頂拱拱架中空位置外挑18°頂進超前管棚，噴射C20混凝土封閉。

下層開挖后，人工抬運立柱至組立位置，與頂拱焊接，用連接筋與后側穩固的立柱連接，在立柱底墊預制混凝土塊可靠支撐，避免懸空。掛網噴射混凝土封閉。

4．2 巖石洞段

4．2．1 開 挖

實施鉆爆法開挖，光面爆破控制周邊成形并減少圍巖擾動破壞。人工持手風鉆鉆孔，裝入乳化炸藥，非電毫秒雷管連接成起爆網絡，電雷管起爆。

IV、V類圍巖循環進尺為1～1．2m;Ⅲ類圍巖循環進尺為2m。

爆破后通風散煙，撬除松動石塊，ZL30裝載機裝自卸汽車運出，0．2m3挖掘機清理掌子面。

4．2．2 支 護

大部分洞段為IV、V類圍巖，巖體破碎，裂隙發育，部分洞段有較大的地下水流出，采用與土體洞段相同的拱架做為支撐，間距0．5～1m;周邊設φ25、L=3m的徑向錨桿和超前錨桿錨固巖體;掛 φ6．5、20cm ×20cm 的鋼筋網，噴10cm 厚C20混凝土封閉;噴漿前將地下水妥善引排，避免水壓力破壞噴漿層。

部分洞段為Ⅲ類圍巖，采用φ25、間排距1．2 m，L=3m的系統錨桿錨固巖體，噴5cm厚C20混凝土封閉。

5 豎井施工

豎井采用ML200型反井鉆機鉆φ216導孔，再反向擴孔至φ1．4m作為溜渣井，人工自上而下實施分層鉆爆法開挖，爆渣經溜渣井自落至下彎段，人工清理施工平臺后支護，每層開挖后即進行本層支護，逐層循環施工。

5．1 反井鉆機施工

豎井上彎段開挖支護完成后，在豎井中心位置清理基礎面，澆筑反井鉆機基礎混凝土，待強7 d后鉆機就位，澆筑地腳螺栓二期混凝土，實施過程中完成泥漿池砌筑和泥漿泵安裝，然后開始導孔鉆進。

原設計60°的斜井，在反井鉆機施工導孔過程中，因多次卡鉆而無法成功鉆通，最終業主、設計根據實際地質情況，將其改為豎井后順利完成導孔鉆通和擴孔，豎孔鉆通偏差為橫向0．5m和0．7m，縱向1．3m 和2m。

據統計資料計算，反井鉆機在本項目巖石較軟弱破碎的條件下，導孔鉆進約每班12m，實施過程中遇到多次塌孔卡鉆，每次從提鉆、灌漿到再次鉆進需要約6～7d，每次需重復鉆進約20m。導孔鉆通后反提擴挖至φ1．4m溜渣井約每班10 m，擴孔時若豎井下彎段石渣堆積到下井口需停鉆出渣，否則可能會堵塞導井。

5．2 開 挖

常規鉆爆法開挖，光面爆破控制周邊成形。人工持YT28手風鉆鉆孔，裝乳化炸藥，非電毫秒雷管連接成傳爆網絡，電雷管起爆。IV、V類圍巖循環進尺1m;Ⅲ類圍巖循環進尺1．5m。

本項目上豎井巖石較均勻，強度中等，擴挖較順利。下豎井巖石較破碎、軟弱，擴挖過程中，下落的石渣不斷沖擊碰撞溜渣井壁，致使溜渣井不斷擴大，從井口向下40m以后形成了一個上小下大，逐漸擴張的巨大塌腔，空腔最大斷面為16m×10m的橢圓形，總高度約50m。此空腔底部出現一層完整性較好、強度較高的中厚層砂巖在此巖層段溜渣井未出現大的擴張。

對上部空腔進行支護后發現，砂巖層下層面有少量地下水流出，巖石再次變得很破碎、軟弱，在地下水和上部溜渣沖擊作用下已形成更為巨大的下部空腔，且一直不斷脫落少量的巖石碎塊。

5．3 支護與塌腔的處理

本工程豎井大部分為IV、V類圍巖，僅有少量Ⅲ類圍巖洞段。

IV、V類圍巖采用鋼筋拱架做環形支撐、周邊系統錨桿、掛網噴漿的聯合支護形式。Ⅲ類圍巖采用周邊系統錨桿和掛網噴漿聯合支護。

拱架的斷面尺寸與前期使用的相同，分成3榀1/3圓拱型制作，現場焊接組立。拱架間距60 cm，拱架間用φ20鋼筋、間距60cm焊接。開挖面不規則位置及下豎井第一個塌腔采用復拱形式，先沿不規整巖面組立折線形的鋼筋拱架，再在設計位置組立圓形拱架，巖面拱架與圓形拱架之間用直鋼筋拱架連接成整體，以保證結構剛度和對巖面實施可靠支撐。

系統錨桿采用 φ25、L=2．5m 鋼筋，掛 φ6．5、20cm×20cm的鋼筋網，噴5～10cm厚C20混凝土封閉。

下豎井因第二塌腔空洞過大，不斷脫落巖塊而無法使用拱架支撐和錨桿鎖固巖體。最終采用回填混凝土進行填充。

填充混凝土原計劃用組合鋼模板按設計洞斷面立模，一次澆筑成形，但施工人員在塌腔內自下而上組立模板時間長，不安全，若模體位移則后期處理困難。隨后取消了一次澆筑成形方案，用木模板在上部平臺制作成1．5m×1．5m的方形桶狀，每層高3m，由卷揚機吊運入塌腔內安裝，土袋堆碼固定第一層模體，然后從上部平臺設帶緩沖裝置的溜管泄C20早強混凝土入塌腔澆筑，每過一段時間人員到塌腔內振搗密實后立即撤離。當澆筑至第一層木模板筒體上口后再吊運第二層木模筒體，上下筒體間用木方、鐵釘快速連接，然后再次澆筑混凝土，循環將空腔填滿。

地下水設導管引排。澆筑完后待強3d，撤除木模筒體，待強至設計強度后鉆爆法開挖成形。

下豎井第二塌腔處理時間為45d，過程中未發生安全事故。后期整個豎井由于填充混凝土的可靠支撐，未發生巖體進一步變形松動，穩固可靠、效果良好。

6 結語

復雜成分土體洞段密集管棚支撐較管棚灌漿法可簡化施工流程，避免了土體可灌性能不均帶來的灌漿效果差異，在成本相當(增加鋼管費用，減少灌漿費用)的情況下，施工速度較快。在軟弱破碎巖體中，反井鉆機鉆傾斜孔比豎直孔更易出現塌孔事件，施工速度慢，工期不可控，成孔偏差大，實際使用效果不好。軟弱破碎巖體中的溜渣井因泄渣沖擊作用易造成井體擴大，施工中應做好充分的應對準備。塌腔處理要及時、快速、可靠，要有效抑制巖體的進一步松動變形，否則將產生巨大危害，危及工程的整體安全。