滇中引水工程破碎圍巖洞室開挖支護方案分析

李 堅,郭亞欣,張磊磊

(云南省滇中引水工程有限公司,云南 昆明 650000)

0 引 言

在不良地質條件下,國內外洞口超前支護常采用超前大管棚、超前小導管、鋼拱架錨噴支護等措施,對于邊坡常采用打設錨桿、掛網、噴混凝土等錨噴支護措施,但對于淺埋覆蓋層隧洞洞口和破碎至散體結構為主的邊坡,該種支護措施難以達到理想的支護效果[1-2]。因此,本文以滇中引水工程的石鼓水源工程為例,分析了不良地質條件下該工程進水隧洞與進水箱涵連接段的支護方案。

1 工程概況

石鼓水源工程是滇中引水工程三大主體工程之一,位于云南省麗江市玉龍縣石鼓鎮境內。石鼓水源工程按一級泵站布置,從位于沖江河河口上游的金沙江右岸引水,經長約1.27 km的引水渠沉沙后,通過兩條長約3 km的進水隧洞和0.8 km的進水箱涵將金沙江水輸送至位于沖江河右岸竹園村上游的地下泵站,經地下泵站提水至連接香爐山隧洞進口的出水池。

石鼓水源工程沖江河右岸進水隧洞包括:1-2號進水主洞,長548.101 m;2-2號進水主洞,長498.499 m,進水主洞開挖直徑7.9～8.9 m,為圓形斷面;連接進水箱涵K0-025～K0+000段長25 m,開挖斷面呈馬蹄形。沖江河右岸進水隧洞連接箱涵段(K0-025～K0+000)為沖洪積砂礫卵石及殘坡積碎石土層,強(溶蝕)風化帶,溶縫較發育,巖石多風化色變呈灰黃色、灰褐色,灰巖類巖質呈半堅硬至半疏松狀,片巖類巖質疏松,以碎裂至散體結構為主,巖體破碎,判定該斷圍巖類別為穩定性極差的Ⅴ類。沖江河右岸進水隧洞連接箱涵段(K0-025～K0+000)因屬于進洞段,地質條件較差,主要存在淺埋覆蓋層與破碎巖體的變形與穩定問題,有進口段邊坡垮塌,甚至冒頂的風險[3-4],對箱涵基坑正面邊坡穩定不利。

2 開挖支護方法及措施

2.1 開挖方法

進水隧洞的進口段主要為V類圍巖,開挖斷面呈馬蹄形,采用預留核心土法分上下兩層進行開挖,循環進尺0.5～1.5 m(圖1)。裝載機裝渣,由自卸汽車運至指定渣場。采用“新奧法”原理組織各工序的施工,遵循“管超前、短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測”的施工原則[5-6]。

圖1 開挖分層詳圖Fig.1 Detailed excavation stratification

2.2 支護措施

沖江河右岸進水隧洞與進水箱涵連接段(總長25 m)為砂卵石層段,為確保隧洞安全和后續箱涵邊坡成型安全,覆蓋層段支護施工程序為:施工準備—超前預灌漿(視地質情況)—超前支護(視地質情況)—短臺階或全斷面開挖—初噴3～5 cm厚混凝土—鋼支撐和連接筋—鎖腳錨桿—系統錨桿—掛鋼筋網—復噴混凝土施工至設計厚度—下一循環開挖支護。

2.2.1 超前支護措施

根據實際情況,進水箱涵與右岸進水隧洞設置連接段(K0-025～K0+000段)。因連接段布置在砂礫石層內,考慮主要施工方案包括超前大管棚、超前小導管、超前堵水灌漿、豎向鋼管樁[7-10]等。另外,為增加進口段隧洞的自穩能力,根據設計要求,在進口段開挖完成后,及時進行全斷面固結灌漿施工,以加固邊坡底部砂卵石層,固結灌漿孔深度為8 m。

(1) 超前大管棚。超前注漿大管棚長12 m,采用外徑108 mm,壁厚6 mm鋼管以絲扣連接而成,管棚環向間距40 cm,外傾5°～15°,管棚鋼管管身鉆注漿孔,注漿孔孔徑為15 mm,孔間距30 cm,尾部止漿段長4.5 m。施工時運用測斜儀量測鋼管鉆進的偏斜度,保證鉆孔方向準確。為使鋼管接頭錯開,編號為奇數的第一節鋼管采用3 m長鋼管,編號為偶數的第一節鋼管采用6 m長鋼管,以后每節均采用6 m長鋼管,末端采用非標準長管節,避免鋼管接頭在同一斷面。注漿壓力達到設計終壓后繼續注漿10 min以上可結束注漿。

(2) 超前小導管。小導管孔距30 cm,排距3 m,孔深4.5 m,外插角10°～15°,搭接長度1.58 m(斜長)。導管釆用外徑42 mm,壁厚3.5 mm的鋼管加工而成,長度為造孔深度,尾部焊套箍,頂部做成錐形,管壁按梅花形布鉆小孔,孔眼直徑8 mm,間距為15 cm。鋼管入巖長度不小于管長的90%,外露部分應在襯砌設計線以外。注漿前對開挖面及距掌子面5 m范圍內邊、頂拱噴混凝土封閉,噴厚5～10 cm,注漿壓力0.1～0.5 MPa,水泥漿的水灰比控制在0.8∶1～1∶1,具體情況根據現場試驗后最終確定,孔口設置止漿塞。從拱頂向下逐孔注漿,如遇冒漿或串漿,則間隔一孔或幾孔分序注漿。

(3) 超前堵水灌漿。該部位臨近進水箱涵,需將地下水降至開挖面以下0.5 m,右岸山體內地下水會滲流至進水箱涵,且右岸山體內水滲流量較大。進口段開挖總長25 m,注漿完成后再進行開挖,每循環30個孔計,共實施2個循環,超前堵水注漿1 500 m。超前堵水灌漿采用水泥水玻璃雙漿液,水灰比為1∶1～0.5∶1,灌漿壓力為0.5～1.5 MPa。

(4) 豎向鋼管樁。在1-2號、2-2號進水隧洞與一期箱涵結合部位兩側各布置一排豎向鋼管樁,按L形對稱布置,共計4排。每個鋼管樁采用潛孔鉆機外徑219 mm跟管(壁厚10 mm,單節長度1.5 m)直接成孔(跟管不拔),樁長15 m,造孔完成后灌注M30(一)混凝土直接成樁。每邊20根,共計80根。

2.2.2 錨桿施工

錨桿施工采用手風鉆或鑿巖臺車鉆孔,錨桿在鋼筋加工廠制作,用8 t載重汽車運至施工現場,人工安裝錨桿,注漿采用錨桿注漿機進行,按照“先注漿后插錨桿”或“先插錨桿后注漿”的程序進行。

2.2.3 掛網噴混凝土

噴混凝土與開挖、錨桿施工跟進平行交叉作業,噴射方法采用濕噴法[11],混凝土噴射臺車或濕噴機施噴,除特殊地段采用先噴后錨的程序外,其他部位均按如下工藝流程進行施工:施工準備—巖面清理—倉面驗收—掛鋼筋網—錨噴料拌和運輸—分層噴射—厚度檢查—復噴處理—檢查驗收。

2.2.4 鋼支撐

沖江河右岸進水隧洞IV,V類圍巖設計要求設置I20a@75～100 cm型鋼拱架支撐加固,鋼支撐由沖江河右岸鋼筋加工廠加工成型,釆用8 t載重汽車運輸至施工現場,鋼支撐利用鎖腳錨桿和系統錨桿加固,鋼支撐固定錨桿采用C25鋼筋,長4.5 m,設置在鋼支撐拱腳處及各段連接處,露出部分與鋼支撐焊接牢固,另鋼支撐連接筋采用C25@50～100 m鋼筋串連。

3 混凝土襯砌施工方案

4 穩定性分析

4.1 施工期安全監測

沖江河右岸進水隧洞開挖跨度B約為7.9～8.9 m,對于開挖跨度5 m

表1 錨噴支護工程監控量測項目

表2 允許變形標準

4.2 1-2號進水隧洞樁號JD1K0+010.000

在1-2號進水隧洞樁號JD1K0+010.000布置一個綜合監測斷面,包括3套多點位移計、5支錨桿應力計、4支滲壓計、3支測縫計、4支鋼筋計、4支應變計、2支無應力計。

(1) 多點位移計監測結果見表3。截至2022年11月,沖江河右岸1-2號進水隧洞多點位移計實測位移為-0.7～0.6 mm,位移月變化量出現在M3-JD1K-010(孔口),變化值為-0.6 mm;目前右岸1-2號進水隧洞實測位移及變化量較小,未見異常情況。

表3 1-2號進水隧洞多點位移計特征值

(2) 測縫計監測結果見表4。截至2022年11月,沖江河右岸1-2號進水隧洞實測開合度為-0.09～0.59 mm;目前右岸1-2號進水隧洞實測開合度量較小,未見異常情況。

表4 測縫計特征值

(3) 錨桿應力計監測結果見表5。截至2022年11月,右岸1-2號進水隧洞實測錨桿應力為-34.5～0.1 MPa,錨桿應力月變化量最大值出現在MG1-JD1K-010,變化值為-19.4 MPa;目前右岸1-2號進水隧洞實測錨桿應力及變化量較小,未見異常情況。

表5 錨桿應力特征值

(4) 滲壓計監測結果見表6。截至2022年11月,右岸1-2號進水隧洞圍巖滲透實測滲透壓力為0.3～49.5 kPa,圍巖滲透實測滲透壓力變化最大值出現在底板P1-JD1K-010,其他滲壓計無異常情況。

表6 1-2號進水隧洞滲壓計特征值

4.3 2-2號進水隧洞樁號JD2K0+020.000

在2-2號進水隧洞樁號JD2K0+020.000布置一個綜合監測斷面,包括3套多點位移計、5支錨桿應力計、4支滲壓計、3支測縫計、4支鋼筋計、4支應變計、2支無應力計,目前安裝完成3套多點位移計、5支錨桿應力計、3支滲壓計。

(1) 多點位移計監測結果見表7。截至2022年11月,2-2號進水隧洞多點位移計實測位移為-1.7～2.1 mm;目前沖江河右岸2-2號進水隧洞實測位移量較小,未見異常情況。

表7 2-2號進水隧洞多點位移計特征值

(2) 錨桿應力計監測結果見表8。截至2022年11月,2-2號進水隧洞實測錨桿應力為-12.4～-5.3 MPa,錨桿應力呈現受壓狀態;右岸2-2號進水隧洞實測錨桿應力未見異常變化。

表8 錨桿應力特征值

(3) 滲壓計監測結果見表9。截至2022年11月,2-2號進水隧洞圍巖滲透實測滲透壓為4.0～6.7 kPa,滲透壓力無異常變化。

表9 2-2號進水隧洞滲壓計特征值

4.4 結果分析

(1) 截至2022年11月,1-2號進水隧洞內部變形在1 mm以內;測縫計開合度在0.6 mm以內;錨桿支護應力呈受壓狀態,最大受壓應力為34.5 MPa;圍巖滲透實測均有壓力,最大滲透壓力為底板49.5 kPa;1-2號進水隧洞各監測物理量無異常變化情況。

(2) 截至2022年11月,2-2號進水隧洞內部變形在3 mm以內;錨桿支護應力呈受壓狀態,最大受壓應力為12.4 MPa;圍巖滲透實測均有小幅壓力,最大滲透壓力為6.7 kPa;2-2號進水隧洞各監測物理量無異常變化情況。

(3) 進水箱涵邊坡支護和右岸進水隧洞洞口于2022年5月施工完成,截至2022年11月已施工完成6個月,通過永久性觀測結果可知,該段多點位移計、測縫計、錨桿應力計等監測數據均在合理范圍內。通過滇中引水石鼓水源工程一期進水箱涵和右岸進水隧洞施工實踐,在淺埋覆蓋層隧洞洞口和破碎至散體結構為主的邊坡支護中,對箱涵邊坡采用豎向鋼管樁支護措施,對隧洞洞口采用超前大管棚、超前小導管、鋼拱架錨噴支護、超前堵水灌漿多項支護措施,能有效控制邊坡變形和隧洞洞口收斂,該類支護方案可適用于穩定性極差的Ⅴ類圍巖進洞段開挖支護。

5 結 語

石鼓水源工程沖江河右岸進水隧洞存在較破碎至破碎軟質圍巖的變形與穩定問題,上覆巖體厚度極薄,沖江河地下水、洞室圍巖垮塌甚至冒頂的風險極大,對箱涵基坑正面邊坡穩定極為不利。在沖江河右岸進水隧洞與進水箱涵連接段開挖支護過程中,進水箱涵邊坡采取豎向鋼管樁支護方案,右岸進水隧洞洞口采用超前大管棚、超前小管道、鋼拱架錨噴支護、超前堵水灌漿多項支護措施,對該地質條件下箱涵邊坡和洞口進行了有效的支護,確保了施工安全和施工質量,開挖時采用施工期臨時安全監測,確保拱頂下沉和斷面收斂均在規定值內,并及時進行混凝土襯砌施工,順利完成了沖江河右岸進水隧洞和進水箱涵交接段進口的施工,可為類似工程項目的建設提供參考。