不良地質條件下調壓室開挖與支護設計

趙亞昆，尉霄騰

（中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津 300222）

1 概況

1.1 工程概況

新疆某工程采用引水式電站布置方式,發電引水系統由進水塔、發電引水隧道、調壓室、壓力鋼管等組成。其中,調壓室位于發電引水隧洞末端,為水室式調壓室,由圓形斷面豎井和城門洞形斷面上室組成。調壓室豎井最大開挖直徑16.4 m,深度132.6 m；上室開挖斷面尺寸10.4 m×12.5 m～10.4 m×14.5 m,上室長度200 m。調壓室永久支護方式為鋼筋混凝土襯砌結構。

1.2 地質條件

調壓室開挖揭露地層為泥盆系中統汗吉尕組第二段（D2H2）,巖性以灰黑色中厚層夾薄層狀凝灰質粉砂巖為主,巖石具有硬、脆、碎特點。受附近區域性構造影響,巖層產狀多變,裂隙極為發育,多呈碎裂或碎塊結構。表層強風化巖體完整性系數僅0.11,屬破碎巖體；弱風化～微風化巖體完整性系數0.17～0.33,屬較破碎巖體,前期勘探孔無法取到完整柱狀巖芯。調壓室豎井及上室開挖揭露圍巖類別以Ⅴ類為主,Ⅳ類次之,主要工程地質問題為塌方。

2 開挖支護方案

調壓室豎井開挖前,首先在溜渣井和豎井開挖輪廓線周邊進行深孔預固結灌漿,然后采用LM-300 型反井鉆機進行直徑216 mm先導孔施工,之后反提擴孔鉆頭將先導孔擴大成直徑1.4 m的溜渣井,最后自上而下進行全斷面豎井擴挖及一次支護的施工方案。

2.1 豎井深孔預固結灌漿

由于本工程調壓室豎井開挖斷面大,地質條件差,為保證施工安全,在豎井開挖前,在溜渣井和豎井開挖輪廓線周邊進行深孔預固結灌漿,深度50 m,以提高豎井圍巖的整體性、均勻性以及自穩能力。豎井擴挖前,需在井口澆筑蓋重和鎖口鋼筋混凝土,保證井口圍巖穩定。

灌漿孔共布置2 圈,第一圈在豎井中心半徑2.0 m范圍處,布置6 個灌漿孔,間距2.09 m；第二圈在豎井中心半徑9.7 m范圍處,布置30 個灌漿孔,間距2.03 m。深孔預固結灌漿孔孔底需進入弱風化線以下,深度采用50 m,灌漿孔布置方式見圖1。

圖1 調壓室深孔預固結灌漿設計圖

第一圈灌漿孔是為了在反井鉆機先導孔及擴挖溜渣井施工時,保證圍巖的密實性和穩定性,為溜渣井施工提供較好的施工條件。第一圈灌漿孔灌漿壓力控制在0.3 MPa～0.5 MPa。

第二圈灌漿孔是固結灌漿的重點,主要目的是提高豎井永久開挖線附近圍巖的整體性和均勻性,提高其自穩能力,防止豎井開挖過程中圍巖坍塌。第二圈灌漿孔灌漿壓力控制在0.5 MPa～1.0 MPa。

第二圈深孔預固結灌漿完成后,灌漿孔內安裝錨筋束（采用3 根28 鋼筋制作）,錨筋束的連接采用套筒連接方式,連接點錯開,不得在同一截面上,然后采用0.5∶1的純水泥漿進行全孔注漿封孔。

調壓室深孔預固結灌漿結束、錨筋束安裝完成、灌漿質量檢查合格后方可進行調壓室豎井的開挖施工,嚴禁邊灌漿邊開挖。

2.2 先導孔及溜渣井施工

利用反井鉆機開挖豎井是一種成熟的施工工藝,已廣泛應用于我國水利水電、煤礦等地下工程開挖施工中。利用反井鉆機開挖豎井具有操作簡便、施工效率高、安全可靠等優點。

不良地質條件下,先導孔的鉆進是反井鉆法開挖豎井的關鍵環節。本工程調壓室豎井圍巖裂隙發育、巖石完整性差,采用LM-300 型反井鉆機進行先導孔施工期間,多次出現塌孔、卡鉆等現象。為保證先導孔順利貫通,先后采用水泥漿護壁、膨潤土泥漿護壁等方法,對先導孔周圍巖體進行固結,效果良好。

先導孔貫通后,拆除導孔鉆頭,安裝擴孔鉆頭,低轉速、低鉆壓將擴孔鉆頭提升至先導孔底部巖面,之后根據圍巖的巖石強度確定鉆頭壓力,進行直徑1.4 m的溜渣井開挖。

2.3 豎井擴挖與支護

豎井開挖揭露圍巖以Ⅴ類為主,巖體破碎,豎井擴挖采用機械開挖、溜渣井出渣的方案,以減少對井壁巖體的擾動。為確保井壁圍巖穩定性,每開挖完成一個循環,立即對井壁進行一次支護,一次支護完成后方可進行下一循環的開挖。

Ⅴ類圍巖洞段采用“鋼拱架+系統錨桿+鋼筋網噴射混凝土”的支護方案,具體支護參數如下：C30 噴射混凝土厚0.2 m,鋼筋網片φ8@0.2 m×0.2 m；鋼拱架為I20 a工字鋼,間距1.0 m；為避免砂漿錨桿造孔過程中的頻繁塌孔與卡鉆,加快施工進度,錨桿采用Φ25 自進式錨桿,間排距1.25 m×1.25 m,梅花形布置。

Ⅳ類圍巖洞段不設置鋼拱架,其他支護參數同Ⅴ類圍巖。

2.4 上室開挖與支護

豎井開挖至上室底高程后,進行上室的開挖與支護。上室開挖揭露巖性為泥盆系汗吉尕組（D2H2）凝灰質粉砂巖。上室進洞0～21 m,洞室兩壁及頂拱巖石強度較低、裂隙極發育,圍巖以散體結構為主,局部呈碎裂結構,圍巖破碎,洞室干燥,無地下水活動,屬Ⅴ類圍巖,圍巖不穩定～極不穩定；進洞21m以后,圍巖條件略有好轉,巖石具有一定強度,裂隙發育,圍巖較破碎,以碎裂結構為主,洞室干燥,圍巖不穩定。

Ⅴ類圍巖洞段支護參數如下：C30 噴射混凝土厚0.2 m,鋼筋網片φ8@0.2 m×0.2 m；Φ25 系統錨桿,L=4.0 m,間排距1.25 m×1.25 m,梅花形布置；鋼拱架為I20 a工字鋼,間距1.0 m；頂拱113°范圍設Φ25 超前錨桿,L=4.0 m,間距0.4 m,排距1.6 m。

Ⅳ類圍巖洞段支護參數如下：C30 噴射混凝土厚0.15 m,鋼筋網片φ8@0.2 m×0.2 m；Φ25 系統錨桿,L=4.0 m,間排距1.25 m×1.25 m,梅花形布置。Ⅳ類圍巖不穩定洞段,設I14鋼拱架,間距1.0 m,必要時,頂拱113°范圍設Φ25 超前錨桿,L=4.0 m,間距0.4 m,排距1.6 m。Ⅳ類圍巖穩定性相對稍好洞段不再設置鋼拱架及超前錨桿。

3 溜渣井塌方處理

3.1 塌方原因分析

調壓室在進行豎井擴挖過程中,發現溜渣井底部出渣量異常,溜渣井頂部不甩渣時,出渣口仍有石渣掉落,懷疑溜渣井內部出現塌方。通過孔內錄像,基本確定了溜渣井內塌方范圍、深度及具體位置。從孔內錄像看,溜渣井塌方最深處已經坍塌到深孔預固結灌漿孔內的錨筋樁位置。

通過分析,此種碎裂型巖體結構中,溜渣井井壁塌方是受溜渣過程中石渣沖擊、井壁巖體應力釋放等因素所致。目前圍巖坍塌位置仍不穩定,塌方范圍存在進一步擴大的風險。為防止豎井向下開挖時出現冒頂,甚至影響豎井成井,必須采用主動控制和治理措施盡快處理塌方,同時加強溜渣井內圍巖的穩定性觀測。

3.2 塌方處理方案

首先在溜渣井內安裝一根直徑1.2 m的鋼管形成鋼溜筒,以確保溜渣通道暢通,并對溜渣井井壁進行保護。為防止井壁外側石渣將鋼管擠壓變形,可在鋼管外側間隔2 m設置一道加勁環,增強其抗外壓變形能力。鋼溜筒底部應采用錨筋、鋼拱架支撐等方式將管口固定牢固,保證底部支撐系統能夠支撐鋼管自重及溜渣的沖擊。在鋼管安裝固定完成后,盡快采用開挖渣料將溜渣井塌方區回填密實,并對回填區進行固結灌漿處理,防止塌方范圍進一步擴大。

4 結語

（1）采用上述開挖支護方案,目前本工程調壓室已全部開挖支護完成,驗證了設計方案的可靠性,對類似地質條件下的豎井開挖具有借鑒意義。

（2）不良地質條件下豎井的開挖,由于溜渣井空間狹小,無法進行錨噴支護施工,可在溜渣井內提前安裝鋼溜筒,防止石渣對井壁的沖擊造成塌方。

（3）地質條件較差時,調壓室豎井、上室一次支護應緊跟掌子面進行,并根據實際揭露的地質條件進行動態設計。