雙江口水電站溢洪道洞室開挖支護施工控制技術(shù)

何十美

(中鐵建大橋工程局集團第五工程有限公司，四川 成都 610500)

0 前 言

進入21世紀(jì)以來，我國清潔能源的開發(fā)和利用進入了高峰期。四川省大渡河雙江口水電站為大渡河流域水電梯級開發(fā)的控制性工程，樞紐工程由土心墻堆石壩、洞式溢洪道等組成。洞式溢洪道洞室施工區(qū)內(nèi)無區(qū)域性斷裂切割，構(gòu)造變形微弱。地表地質(zhì)測繪和勘探成果表明，施工區(qū)內(nèi)主要由一系列低序次、低級別的小斷層、擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面組成。洞式溢洪道洞身以Ⅲa、Ⅲb類圍巖為主。遇到小斷層洞段主要為碎裂巖，成洞條件差，與洞線交角小，對圍巖穩(wěn)定不利，斷層及影響帶主要為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，需加強支護處理措施。對埋深大，地應(yīng)力高的洞段，應(yīng)力釋放可能出現(xiàn)片幫和巖爆現(xiàn)象，這給施工帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1 工程條件

1.1 工程概況

洞式溢洪道由進口引渠段、控制閘段、泄槽段和出口段組成,其中引渠段長約40 m，進口平面上呈不對稱的喇叭形，底面高程2 470.00 m，最小寬度16 m。控制閘設(shè)1孔16 m×22 m(寬×高)孔口，采用開敞式WES型實用堰，堰頂高程為2 478.00 m。控制閘設(shè)有檢修閘門和弧形工作門各一道。閘室段長40 m，閘頂高程為2 508.00 m。泄槽段由無壓洞段和明槽段組成。無壓洞樁號為溢0+040.00 m～溢1+816.00 m，底坡i=0.015，無壓洞斷面采用城門洞型，寬17.5～19.3 m，高22.35～27.15 m，襯砌厚1 m。明槽段由兩個底坡段組成，前段底坡i=0.015，樁號溢1+816.00 m～溢1+935.93 m，后段底坡i=0.462,樁號溢1+947.88 m～溢2+107.39 m，兩段底坡段由跌坎、水平段和圓弧連接，明槽斷面為矩形，槽寬16 m，邊墻高12～16 m。明槽底板混凝土厚2.0 m，左右邊墻頂寬2.0 m。出口段由挑坎段和下游防護段組成，出口采用挑流消能，挑坎采用斜切鼻坎型式。為保證水流較好歸槽且防止水流沖刷下游岸坡，分別對本岸及對岸采取了擴挖，并在一定范圍內(nèi)采取了混凝土護坡。

1.2 工程地質(zhì)

1)溢0+040.00 m～溢0+073.00 m：長33.00 m，洞向N85°8'46"E，垂直埋深80～108 m。圍巖為堅硬的二云二長花崗巖，無大的斷層通過，主要發(fā)育四組裂隙：J1.N20°～35°W/NE∠25°～40°、J2.N40°～50°E/NW∠40°～56°、J3.N20°～35°W/SW∠40°～55°、J4.N75°W/NE∠84°。巖體微風(fēng)化～新鮮，地下水不豐富，局部滲滴水，偶見線狀流水。巖體為次塊狀～塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖以Ⅱ類為主，成洞條件較好。但需注意隨機分布的小斷層與節(jié)理裂隙組合的不利影響，如J1、J2、J4裂隙對頂拱和邊墻穩(wěn)定不利，應(yīng)加強支護措施。

2)溢0+073 m～溢1+423 m：長1 350 m，洞向N85°8'46"E，垂直埋深80～500 m。圍巖主要為堅硬的二云二長花崗巖，穿插偉晶巖脈，兩者多呈焊接接觸，巖體內(nèi)無大的斷層通過，主要以節(jié)理裂隙為主，優(yōu)勢裂隙有四組：J1.N20°～35°W/NE∠25°～40°、J2.N40°～50°E/NW∠40°～56°、J3.N20°～35°W/SW∠40°～55°、J4.N75°W/NE∠84°，巖體微風(fēng)化～新鮮，地下水不豐，局部滲滴水，偶見線狀流水。巖體塊狀～整體狀結(jié)構(gòu)，考慮高地應(yīng)力折減后，圍巖以Ⅲa為主，成洞條件較好。圍巖中隨機分布有小斷層，與節(jié)理裂隙相互切割形成不利塊體時，可能引起掉塊，應(yīng)加強支護措施。該洞段埋深較深，在施工中可能會遇到巖爆問題以及穿越斷層破碎帶時涌水問題，應(yīng)有預(yù)防處理措施。

3)溢1+423 m～溢1+536 m：長113 m，洞向N85°8'46"E，垂直埋深80～100 m。圍巖主要為堅硬的二云二長花崗巖，穿插偉晶巖脈，兩者多呈焊接接觸，巖體內(nèi)無大的斷層通過，主要以節(jié)理裂隙為主，優(yōu)勢裂隙有四組：J1.N20°～35°W/NE∠25°～40°、J2.N40°～50°E/NW∠40°～56°、J3.N20°～35°W/SW∠40°～55°、J4.N75°W/NE∠84°，巖體微風(fēng)化～新鮮，地下水不豐，局部滲滴水，偶見線狀流水。巖體塊狀～整體狀結(jié)構(gòu)，考慮高地應(yīng)力折減后，圍巖以Ⅱ類為主，成洞條件較好。圍巖中隨機分布有小斷層，與節(jié)理裂隙相互切割形成不利塊體時，可能引起掉塊，應(yīng)加強支護措施。該洞段埋深較深，在施工中可能會遇到巖爆問題以及穿越斷層破碎帶時涌水問題，應(yīng)有預(yù)防處理措施。

4)溢1+536 m～溢1+816.0 m：長280 m，洞向N85°8'46"E，垂直埋深49～133 m。圍巖主要為堅硬的二云二長花崗巖，發(fā)育偉晶巖脈，巖體多為微風(fēng)化～新鮮，部分為弱卸荷、弱風(fēng)化下段巖體，巖體中地下水不豐，以滲滴水為主，局部線狀流水。巖體多呈次塊狀～塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖以Ⅲa類為主，局部Ⅲb類，成洞條件較好。需注意隨機分布的小斷層與節(jié)理裂隙的不利組合問題，應(yīng)加強支護措施。局部洞段可能有巖爆現(xiàn)象，應(yīng)采取預(yù)防措施。

2 溢洪道硐室開挖方法與工藝

2.1 主要施工技術(shù)要求

洞式溢洪道洞室里程：溢0+042.00～溢1+816.00，長度1 774 m,底板縱向坡度i=0.015，開挖斷面17.5 m×22.35 m～19.3 m×27.15 m分為5種開挖斷面形式。

洞室開挖分上中下及底板保護層4層開挖；上層采用“導(dǎo)洞先行兩側(cè)擴挖”、周邊光面爆破的施工方法；中下層采用預(yù)裂爆破開挖，兩側(cè)邊墻采用預(yù)裂爆破形成開挖輪廓線，中部采用梯段微差爆破，底板預(yù)留1.5 m厚保護層；底板保護層開挖采用水平光爆孔進行施工。

支護工程：系統(tǒng)錨桿+掛鋼筋網(wǎng)A6.5@15 cm×15 cm+噴C25混凝土、厚15 cm；部分圍巖破碎地段支立型鋼拱架加強支護。

2.2 主要施工工序

洞式溢洪道洞室開挖支護施工主要施工工序如下，洞式溢洪道洞身分層分部開挖順序示意圖如圖1所示。

圖1 分層分部開挖順序示意圖(單位：m)

1)①號區(qū)域上層導(dǎo)洞開挖及支護施工(8 m×8 m，寬×高)。

2)②號區(qū)域上層導(dǎo)洞兩側(cè)擴挖及支護施工(滯后導(dǎo)洞掌子面30 m)。

3)中層分為兩個區(qū)域，分別為③區(qū)域和④區(qū)域，開挖及支護施工時(中層滯后上層200～300 m)，③、④區(qū)域開挖交替前進，交替間隔150 m，以避免反復(fù)修路耽誤時間，中層至上層修路需分兩個臺階，臺階高度4.28 m，坡度25%，長度34.2 m，填渣方量586 m3。

4)下層分為兩個區(qū)域，分別為⑤區(qū)域和⑥區(qū)域，開挖及支護施工時(下層滯后中層200～300 m)，⑤、⑥區(qū)域交替進行，交替間隔150 m，以避免反復(fù)修路耽誤時間， 下層至中層修路分兩個臺階，臺階高度4.25 m，坡度25%，長度34 m，填渣方量578 m3。

5)排水洞開挖及支護施工(洞式溢洪道下層開挖支護2017年12月25日施工到排水洞對應(yīng)里程)。

6)排水洞洞口段襯砌、灌漿施工及底板襯砌施工。

7)⑦區(qū)域底板開挖、支護及墊層混凝土澆筑施工(下層開挖完成后開始施工)，從溢0+908分界，進出口兩個工作面同時施工，洞式溢洪道分層以及底板保護層開挖分部見圖2，溢洪道中下層道路規(guī)劃見圖3。

圖2 洞式溢洪道上中下及底板保護層開挖分部示意圖

圖3 洞式溢洪道中下層道路規(guī)劃示意圖

8)洞式溢洪道洞室進洞后為施工支洞提供出洞口施工工序：洞式溢洪道上層開挖至溢0+200后右側(cè)從樁號溢0+072.5開始向中層降坡至溢0+129.5(坡度15%，降坡長度57 m)后繼續(xù)開挖前進至溢0+229.5時開始爬坡至上層溢0+263.7處，然后上層左側(cè)從樁號溢0+072.5開始向中層降坡至溢0+129.5(坡度15%，降坡長度57 m)后繼續(xù)開挖前進至溢0+229.5時開始爬坡至上層溢0+263.7處，中層開挖自溢0+263.7分③、④區(qū)域交替開挖掘進。中層右側(cè)自樁號溢0+178.5處反向降坡至樁號溢0+111.8處(含底板保護層開挖，坡度15%，降坡長度66.7 m)時繼續(xù)開挖至溢0+072.5處，1#施工支洞與主洞交界樁號為溢0+100，此時已具備出洞條件。1#施工支洞施工完成后邊仰坡動工前中層左側(cè)自溢0+129.5處開挖至溢0+072.5處，完成后中層左側(cè)自樁號溢0+178.5反向降坡至樁號溢0+111.5處(含底板保護層開挖，坡度15%，降坡長度66.7 m)時繼續(xù)開挖至溢0+072.5處，下層開始按照⑤、⑥區(qū)域交替開挖前進。中下層溢0+042.5至溢0+072.5段在洞口邊仰坡開挖時再從洞外向洞內(nèi)開挖施工，以便洞外土石方開挖時溢洪道洞口段的結(jié)構(gòu)安全，1#支洞開挖順序見圖4，洞式溢洪道與1#施工支洞空間關(guān)系圖如圖5所示。

圖4 洞式溢洪道與1#施工支洞施工關(guān)系示意圖

圖5 洞式溢洪道與1#施工支洞空間關(guān)系圖

3 支護結(jié)構(gòu)施工方法與工序

洞身系統(tǒng)支護的原則是緊跟掌子面，在圍巖較好洞段，為了加快施工進度，系統(tǒng)支護可滯后掌子面一定距離，原則上不超過30 m，可展開與開挖平行作業(yè)，但應(yīng)避免出現(xiàn)系統(tǒng)支護滯后掌子面較長距離。洞身臨時支護施工：II類圍巖邊頂拱范圍內(nèi)采用隨機布置C22，L=3 m錨桿、噴射C25混凝土；III類圍巖邊頂拱范圍內(nèi)采用隨機布置C25，L=4.5 m錨桿、噴射C25混凝土；IV、V類圍巖邊頂拱范圍內(nèi)采用隨機布置C28，L=6 m錨桿、噴射C25混凝土。

1)錨桿施工。

(1)錨桿施工工藝流程如圖6所示。

圖6 錨桿施工工藝流程圖

(2)施工準(zhǔn)備。測量放樣，按設(shè)計布孔，在巖壁上用紅油漆標(biāo)出錨桿孔位置；三臂鉆、YT-28鉆機、施工人員就緒；接風(fēng)水電，啟動空壓機供風(fēng)，開啟水泵供水，電源開啟提供照明。

(3)鉆孔施工。錨桿鉆孔采用三臂鉆及YT-28鉆機鉆孔；砂漿錨桿的鉆孔孔徑應(yīng)大于錨桿直徑，并滿足施工圖紙要求。施工圖紙未作規(guī)定時，對于注漿錨桿，若采用“先注漿后安裝錨桿”的程序施工，鉆頭直徑應(yīng)大于錨桿直徑 15 mm 以上；若采用“先安裝錨桿后注漿”的程序施工，鉆頭直徑應(yīng)大于錨桿直徑 25 mm以上，采用孔底注漿時鉆頭直徑應(yīng)大于錨桿直徑 40 mm以上。錨桿孔應(yīng)按施工圖紙進行布置，其孔位偏差應(yīng)不大于 15 cm。

(4)錨桿的安裝和注漿。錨桿安裝或注漿前應(yīng)用高壓風(fēng)、水沖洗錨桿孔，確保孔內(nèi)不留石粉。注漿采用專業(yè)高壓注漿泵注漿；插桿采用人工配合吊車插桿，最后安裝墊板，并用螺帽固定牢固。

2)鋼筋網(wǎng)施工。鋼筋網(wǎng)施工時運輸車把在鋼筋加工場地內(nèi)焊接成1.5 m×1.5 m(寬×長)的鋼筋網(wǎng)片運輸至工作面，操作人員以支護臺架作為作業(yè)平臺，把鋼筋網(wǎng)與錨桿、插筋連接部位焊接牢固，使其固定在巖面上，鋼筋網(wǎng)與巖面間距為3～5 cm。

3)噴射混凝土施工。

(1)工藝流程。濕式噴射混凝土工藝流程見圖7所示。

圖7 濕式噴射混凝土工藝流程圖

(2)施工準(zhǔn)備。噴射混凝土前，認(rèn)真檢查隧洞斷面尺寸，對欠挖部分及所有開裂、破碎、出水、崩解的破損巖石進行清理和處理，清除浮石和墻角虛渣，并用高壓水或風(fēng)沖洗巖面。

拌和站、混凝土運輸車、施工人員、濕噴機、噴漿臺車就緒；接風(fēng)水電，啟動空壓機供風(fēng)，開啟水泵供水，電源開啟提供照明。

(3)噴射混凝土施工。噴射混凝土采用濕噴法，拌和站拌和混凝土，混凝土罐車運輸混凝土，濕噴機噴射混凝土。噴射時分初噴及復(fù)噴兩道工序，在開挖每循環(huán)完成后，立即對揭露圍巖進行初噴；在錨桿、鋼筋網(wǎng)等工序施工完畢后，進行復(fù)噴。

噴射混凝土技術(shù)要求：噴射時噴頭距巖面距離以0.6～1.2 m為宜，噴頭垂直受噴面，作連續(xù)不斷的圓周運動，以保證混凝土噴射密實；噴射時遵循分段、分塊，先墻后拱、自下而上的順序，同時掌握風(fēng)壓、水壓及噴射距離，減少回彈量；噴射混凝土終凝2 h后，進行噴水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于14 d；噴射混凝土與開挖同步施工時，下次爆破時間距噴射混凝土完成時間的間隔不得小于4 h。

4)鋼拱架施工。廠內(nèi)加工成型鋼拱架，試拼合格，肢解后運輸車運至施工工作面，機械配合人工安裝。

鋼拱架施工前，測量人員用測量儀器檢查斷面情況，對欠挖的斷面提前處理；鋼拱架施工時采用測量儀器對鋼架進行測量定位，作業(yè)人員根據(jù)測量人員的指示將鋼架安放并調(diào)整到位，然后打鎖腳錨桿、焊連接筋、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，噴射混凝土填充鋼拱架與巖面間的空隙及覆蓋鋼拱架。

每道工序施工前都要及時報請監(jiān)理工程師檢查驗收合格后方可進入下道工序施工；并且中層開挖前必須完成上層支護質(zhì)量檢查驗收工作。

4 結(jié) 論

1)針對工程地質(zhì)條件較差的硐室施工，應(yīng)采取合理的分部開挖方式，形成連貫的開挖工序，在保證施工安全的情況下，合理分層、分部開挖施工，以保證工程安全。

2)在對工程條件進行分析后，確定支護結(jié)構(gòu)方案、具體的施工參數(shù)和各支護的施工流程。既保證了硐室支護結(jié)構(gòu)的安全性也滿足工程經(jīng)濟性的要求。工程結(jié)構(gòu)的參數(shù)可為后續(xù)類似工程提供相關(guān)的工程經(jīng)驗借鑒。

3)工程地質(zhì)條件變化多樣，不同的地質(zhì)條件采用不同的施工工法和支護結(jié)構(gòu)。在具體施工時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實際地質(zhì)情況進行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整和支護措施的完善。

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