任長春

(中國水利水電第六工程局有限公司，沈陽，110013)

1 工程概況

K25巖溶斜井揭露于金沙江烏東德水電站右岸山體中，靠近大壩右拱端和上游防滲體系，巖溶斜井與大壩位置關(guān)系如圖1所示。該斜井發(fā)育在Pt2l3-3-1灰?guī)r地層中且靠近Pt2l3-2-6白云巖頂面，地表呈溶蝕洼地狀，出露高程約1090m，地表至高程864m附近總體上呈斜井狀，斜井基本上順層發(fā)育，自上而下具有向坡外發(fā)育和規(guī)模逐漸減小的趨勢，在高程920m縮為溶縫，將溶洞天然分隔為上下兩個部分，在高程864m以下尖滅為溶蝕裂隙。

圖1 巖溶斜井與大壩位置關(guān)系示意

巖溶斜井總體積約36.9萬m3，其中壩頂高程988m以上約18.7萬m3，高程988m以下約18.2萬m3。斜井內(nèi)絕大部分被充填，充填物主要為塊、碎石夾少量粉質(zhì)粘土或砂，未見明顯的地下水活動跡象，為已停止發(fā)育的死亡型巖溶洞穴。由于巖溶斜井規(guī)模較大，位于右壩肩抗力體范圍且靠近上游防滲體系，其中壩頂高程988m斜井規(guī)模達80.4m×37.4m，與拱端距離僅為25.2m，對大壩拱座變形穩(wěn)定存在一定影響。

K25巖溶斜井采取“壩頂高程以上巖溶斜井不開挖、‘頸縮’段澆筑混凝土拱形支擋結(jié)構(gòu)、壩高以下巖溶斜井進行混凝土置換”的處理方案。巖溶斜井總處理高度約為148m(1012m～864m)。

2 設(shè)計處理方案

(1)在高程967m～985m溶洞斷面“頸縮”段設(shè)置拱形混凝土支擋結(jié)構(gòu)，支擋結(jié)構(gòu)厚度2.7m，下部開挖時支擋其上部溶洞充填物；

(2)通過自上而下布置的9條施工支洞挖除K25巖溶斜井內(nèi)、拱形支擋結(jié)構(gòu)后(穹頂高程1012m以下)的充填物，并清理洞周破碎帶，同時對洞周巖體進行固結(jié)灌漿；

(3)巖溶斜井高程985m以下分層回填混凝土，高程875m以下采用堆石混凝土C20，高程875m以上采用碾壓混凝土C18020(三)，通水冷卻至周邊巖體溫度后進行接觸灌漿，混凝土內(nèi)布置灌漿兼交通、排水廊道。

3 施工布置

3.1 斜井外部施工通道布置

K25巖溶斜井自上而下共布置9條施工支洞，通過施工支洞進行溶洞充填物的開挖支護施工。施工支洞均采用不小于4.5m×5.2m斷面，末端10m～15m洞段采用擴大斷面，洞身較長支洞，為方便錯車，在洞身約中部布置錯車洞(錯車洞長約10m，寬約3m)。

圖2 K25巖溶斜井施工支洞布置及分層示意

3.2 斜井內(nèi)施工便道布置

斜井內(nèi)以9條施工支洞口為起點，通過上下兩層施工支洞之間形成“Z”字型施工便道，滿足人員設(shè)備通行，便道隨斜井的開挖下降逐步降低和挖除。斜井內(nèi)施工便道路面寬度為4.5m，最大縱坡為12%，路面為泥結(jié)石路面，滿足反鏟和自卸車通行要求。

隨斜井下挖，斜井內(nèi)空間逐漸狹小，上下相鄰施工支洞高差在15m～20m之間，內(nèi)部無法通過上下相鄰施工支洞形成貫通的施工便道。為盡可能減小上下相鄰支洞間的高差，在斜井下挖施工至支洞底板高程位置附近時，采用將支洞末端底板15m～20m洞段按12%左右坡比對底板進行放坡開挖。

4 施工方法

K25巖溶斜井為天然發(fā)育的溶蝕洞穴，施工時，首先進行穹頂修型支護及混凝土支擋結(jié)構(gòu)施工，在保證穹頂整體穩(wěn)定安全的情況下，方可進行穹頂以下充填物開挖及洞壁支護施工。

待支擋結(jié)構(gòu)及穹頂支護施工完畢后，分別利用9條施工支洞及斜井內(nèi)的施工便道共分27層自上而下進行斜井的開挖支護施工，分層高度普遍為5m，每開挖一層支護一層，支護的同時完成洞壁的固結(jié)灌漿施工。

巖溶斜井內(nèi)充填物主要為碎石土、大小塊石，主要采用機械開挖，20t自卸汽車出渣。開挖過程中遇到反鏟無法挖除的大塊石，采用YT-28手風(fēng)鉆鉆孔進行解爆，反鏟進行挖除。

斜井內(nèi)支護類型主要為錨桿、錨索、錨筋樁、掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、洞壁固結(jié)灌漿等，由于斜井內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，具體支護參數(shù)根據(jù)開挖過程中實際揭露的洞璧圍巖條件進行確定。每層開挖完畢后采用自制支護臺車形成支護操作平臺，錨桿及固結(jié)灌漿孔主要采用100B鉆機造孔，人工插桿注漿，固結(jié)灌漿采用SNS灌漿泵分兩序孔進行。

4.1 穹頂部位施工

4.1.1 穹頂頂部新增懸吊錨筋樁施工

在進行斜井穹頂支護施工前，為保證穹頂永久穩(wěn)定及施工期斜井內(nèi)施工安全，在穹頂上部(右岸纜機平臺附近)向斜井內(nèi)穹頂方向增加懸吊錨筋樁，對穹頂整體進行加固，并將錨筋灌注砂漿調(diào)整為水泥凈漿，兼顧穹頂溶蝕帶圍巖固結(jié)。

錨筋樁為3根C32(三級鋼)鋼筋焊制而成，采用HM-80工程錨固鉆機鉆孔，孔徑為130mm，孔深為30m～70m(具體孔深以孔底距K25溶洞穹頂巖面2m～3m控制)，間排距為4.5m×4.5m。錨筋樁每隔2m安設(shè)5cm長的隔離短鋼筋和對中段鋼筋，錨筋樁和隔離短鋼筋、對中段鋼筋采用點焊固定，確保錨筋樁插入后不直接接觸孔壁，留有保護層。錨筋樁接長采用套筒連接，套筒長度不小于10cm，每根鋼筋接長位置錯開3m，錨筋樁配置在同一截面內(nèi)的鋼筋接頭的截面積應(yīng)小于鋼筋總面積的50%。

圖3 懸吊錨筋樁細部結(jié)構(gòu)

懸吊錨筋樁采用“先插桿后注漿”施工工藝，采用0.5∶1的純水泥漿進行灌注，兼顧對穹頂溶蝕帶圍巖進行固結(jié)施工，水泥采用強度等級42.5的高抗硫酸鹽水泥。20min內(nèi)完成單根錨筋樁的連續(xù)注漿(有裂隙、斷層的除外)，當(dāng)孔口溢出漿液或停止排氣時，停止注漿。

在灌注純漿時，若穹頂無明顯漏漿則繼續(xù)灌注，若穹頂漏漿比較嚴(yán)重時(單孔灌漿水泥量超過1t時)，由現(xiàn)場監(jiān)理工程師確認(rèn)后采用灌注配合比為0.4∶1∶1(水∶水泥∶砂)的水泥砂漿或減少單位注漿量的方式控制。

4.1.2 穹頂開挖修型

在通過新增穹頂施工支洞對溶洞穹頂支護施工時，穹頂存在圍巖塌落、掉塊情況。為保證施工安全，支護前對穹頂溶蝕層及破碎松動巖體進行剝離修型，并削除下垂凸體，將穹頂整體修整為大體平順圓滑的倒凹曲面。為減少圍巖擾動，穹頂修型開挖以機械為主，局部采用微小藥量爆破松動挖除。

剝離修整完成后，采用C28、L=9m及C32、L=12m相間布置的預(yù)應(yīng)力錨桿進行錨固支護，噴15cm厚C20混凝土掛圖φ6.5@20cm×20cm鋼筋網(wǎng)，并利用錨桿焊接φ18@1.5m×1.5m拉條鋼筋。

穹頂剝離修型及支護嚴(yán)格按分區(qū)進行，上一個分區(qū)支護完成且確保安全的條件下方可進行相鄰分區(qū)的剝離支護施工。

圖4 K25溶洞穹頂開挖支護分區(qū)平面示意

4.1.3 拱形支擋結(jié)構(gòu)調(diào)整方案

根據(jù)實際揭露情況，K25巖溶斜井上部頸縮段外側(cè)，圍巖條件整體較為穩(wěn)定，局部巖壁巖石條件破碎，右上角存在粉質(zhì)粘土區(qū)域，經(jīng)設(shè)計地質(zhì)確認(rèn)，無施工支擋結(jié)構(gòu)的必要，僅對該部位進行加強支護處理。

頸縮段外側(cè)巖壁坡面部位采用C32，L=12m張拉錨桿進行錨固，間排距1.5m×1.5m。粉質(zhì)土區(qū)域治理采用C32，L=12m張拉錨桿與3C32，L=12m錨筋樁相結(jié)合的方式進行錨固，張拉錨桿外露15cm，錨桿及錨筋樁外露段采用C20混凝土格構(gòu)連接，格構(gòu)混凝土尺寸為40cm×20cm，具體施工布置詳見圖5。對頸縮段外側(cè)巖壁坡面及粉質(zhì)粘土區(qū)域掛6.5mm@15cm×15cm鋼筋網(wǎng)，噴C20混凝土厚度15cm。

圖5 粉質(zhì)粘土區(qū)域治理布置

4.2 斜井充填物及洞壁修型開挖

K25巖溶斜井揭露洞壁均為溶蝕風(fēng)化帶，其中上帶一般厚度2m～7m，下帶一般厚度7m～10m，根據(jù)設(shè)計要求，施工過程中需對溶蝕風(fēng)化上帶進行剝離施工，且盡量減小對溶蝕風(fēng)化下帶的擾動，保證巖體的穩(wěn)定。

表1 風(fēng)化帶主要地質(zhì)特征

圖6 裂隙溶蝕風(fēng)化帶照片

4.2.1 開挖方法確定

在K25巖溶斜井實際下挖施工過程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，充填物巖石破碎且分布不均，隨著斜井的下挖，石方量占有比例增大，充填物無法采用反鏟直接挖除，因溶洞內(nèi)“充填物塊石夾泥/砂、碎塊石架空無法成孔”、“溶蝕風(fēng)化帶厚度不均勻、無法爆破剝離”、“爆破震動對溶洞洞壁穩(wěn)定性影響較大”及“溶洞距右岸壩肩邊坡距離較近，對爆破質(zhì)點震動速度要求較高”等原因，爆破開挖施工難度較大，且影響施工工期。為減少爆破對溶洞圍巖的擾動，保證溶洞圍巖整體穩(wěn)定及施工安全，在對溶洞內(nèi)充填物開挖及洞壁修型施工過程中，提出采用除特大孤石及倒懸部位凸出的危巖體采用“微小藥量、松動爆破”方式挖除外，其余開挖均以反鏟、破碎錘等機械開挖為主的方式進行開挖。

(1)斜井內(nèi)充填物的挖除

由于溶洞內(nèi)充填物巖石占有比例較大，大塊孤石增多，為減小爆破震動對壩肩邊坡及溶洞的震動影響，保證后續(xù)施工安全，溶洞充填物開挖主要采用液壓破碎錘進行破碎開挖。施工中首先將巖層及大塊孤石采用液壓破碎錘分層破碎，液壓錘型號KCB155，1.2m3反鏟配合清除巖塊及裝渣，20t自卸汽車運至鲹魚河渣場。破碎至周邊洞壁時，暫停破碎，待設(shè)計及地質(zhì)確認(rèn)剝離層厚度后，按要求對洞壁進行破碎剝離修整施工。

(2)洞壁溶蝕風(fēng)化上帶剝離施工

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)編錄及補充勘探，充填物清挖后，揭露洞壁為裂隙性溶蝕風(fēng)化帶，其中上帶一般厚度為2m～7m，巖體質(zhì)量為Ⅳ2級；下帶一般厚度為7m～10m，巖體質(zhì)量為Ⅲ2級。由于風(fēng)化上帶圍巖穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)剝落、掉塊風(fēng)險，根據(jù)設(shè)計要求，需對洞壁溶蝕風(fēng)化上帶及出露的危巖體或倒懸塊體進行剝離修型施工，并保證洞壁的平整平順。

為保證施工安全及避免開挖對溶蝕風(fēng)化下帶巖體造成擾動影響，洞壁修型開挖采用液壓破碎錘挖除。開挖完成、洞壁支護施工之前，須采用高壓水將洞壁沖洗干凈并滿足設(shè)計及地質(zhì)編錄要求。

4.2.2 功效對比分析

(1)分析原則

溶洞爆破開挖按明挖響炮時間考慮，即早上6∶30～7∶00，晚上18∶00～18∶30，不考慮鉆孔錯過響炮時間因素。

鉆爆開挖不考慮因地質(zhì)條件導(dǎo)致的鉆孔不成孔及重復(fù)掃孔的影響時間。

破碎錘開挖按“白班破碎開挖為主、夜班出渣為主”考慮，1h按破碎10m3～16m3考慮。

(2)爆破開挖功效分析

單次爆破方量按200m3考慮，爆破開挖采用手風(fēng)鉆鉆孔，乳化炸藥松動爆破，藥卷直徑32mm。單次爆破規(guī)?？刂圃?0個炮孔以內(nèi)，炮孔間排距按1.5m×1.5m考慮，孔深約5m，單孔裝藥量約4kg，總炸藥量在96kg以內(nèi)，爆破最大單響藥量在16kg以內(nèi)。

鉆孔作業(yè)時間Td=(NL)/(VmKφ)

式中：Td——鉆孔作業(yè)時間，min；

N——鉆孔數(shù)量，個；

L——炮孔深度，m；

V——純鉆孔速度，m/min；手風(fēng)鉆取0.15m/min；

m——鉆孔時間利用系數(shù)，一般為0.7～0.9；

K——工作面同時工作的鉆孔設(shè)備數(shù)量；

φ——多個鉆孔設(shè)備同時工作系數(shù)，取0.8～0.9。

根據(jù)以上鉆孔作業(yè)時間公式計算得出，正常情況下每排炮理論鉆孔時間約為7h。

溶洞開挖爆破循環(huán)作業(yè)時間如表2。

表2 溶洞爆破開挖循環(huán)作業(yè)時間

(3)破碎錘開挖功效分析

根據(jù)實際施工過程中經(jīng)驗，溶洞內(nèi)共投入1臺液壓破碎錘，每天出渣量在20～30車內(nèi)，初步預(yù)計每小時破碎方量為10m3～16m3，按“白班破碎、晚班出渣考慮”，1臺液壓破碎錘1d按工作12h考慮，破碎錘每天可破碎方量為120m3～200m3。

(4)功效對比

爆破開挖單次爆破方量約200m3，單次循環(huán)時間為13.5h，若考慮鉆孔不成孔、重復(fù)掃孔或因鉆孔錯過當(dāng)日響炮時間等因素影響，單次循環(huán)時間更長。自裝藥開始，溶洞內(nèi)人員、設(shè)備須全部撤離，距離爆破部位較近的風(fēng)水電管線全部拆除，暫停一切施工，直至響炮安全排險結(jié)束，重新布設(shè)風(fēng)水電管線后方可繼續(xù)施工，人員設(shè)備窩工情況較為嚴(yán)重，造成溶洞內(nèi)施工的不連續(xù)性。且根據(jù)灌漿技術(shù)要求，洞壁灌漿30m范圍內(nèi)嚴(yán)禁響炮，由于溶洞內(nèi)空間狹小，導(dǎo)致溶洞開挖支護施工與固結(jié)灌漿施工干擾極大，固結(jié)灌漿占用溶洞開挖直線工期，嚴(yán)重影響施工進度。

根據(jù)實際施工情況，采用破碎錘開挖，在12h內(nèi)即可破碎約200m3，且在破碎施工期間，無需對人員設(shè)備進行撤離，可同步進行溶洞內(nèi)固結(jié)灌漿、洞壁支護等施工，對溶洞內(nèi)其他工序施工影響小，根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，破碎錘開挖基本可滿足支護施工進度，形成良性的循環(huán)，與爆破開挖相比，避免了爆破震動對溶洞圍巖的擾動影響，可最大程度控制洞壁修型開挖的施工質(zhì)量，且可避免人員設(shè)備的窩工及與其他工序的施工干擾，在一定程度上加快施工進度。

4.3 洞壁支護施工

K25巖溶斜井洞壁支護根據(jù)開挖分層高度緊隨開挖進行，支護根據(jù)實際地形情況采用自制臺車或者搭設(shè)施工排架進行。由于巖溶斜井地質(zhì)條件及地形條件較為復(fù)雜，洞壁支護需根據(jù)實際揭露洞壁圍巖情況，分區(qū)分部位確定支護參數(shù)。斜井總體支護原則如下：

(1)洞壁清理干凈后，掛φ6.5mm@15cm×15cm鋼筋網(wǎng)、噴12cm/15cm厚C20混凝土。

(2)下游側(cè)倒懸洞壁采用相間布置的系統(tǒng)錨筋樁、張拉錨桿進行支護，系統(tǒng)錨筋樁為3φ32、L=12m錨筋樁，間排距4.5m×4.5m，系統(tǒng)錨筋樁內(nèi)加密、交錯布置φ32、L=12m張拉錨桿(張拉力50kN)，間排距1.5m×1.5m，錨桿及錨筋樁均外露不小于20cm。局部洞壁巖體破碎區(qū)增設(shè)φ18@1.5m×1.5m壓條鋼筋，緊貼壁面掛網(wǎng)鋼筋布置并與系統(tǒng)錨桿、錨筋樁焊接；

(3)洞壁非倒懸、陡坡部位(坡度大于70°)采用規(guī)格為φ32、L=12m和φ28、L=9m相間布置的帶墊板的砂漿錨桿進行系統(tǒng)支護，間排距1.5m×1.5m，外露20cm，安裝后施加5kN的張拉力，洞壁巖體破碎區(qū)增設(shè)φ18@1.5m×1.5m壓條鋼筋，緊貼壁面掛網(wǎng)鋼筋布置并與系統(tǒng)錨桿、錨筋樁焊接；

(4)洞壁非倒懸、陡坡部位(坡度50°～70°)采用規(guī)格為φ28、L=9m和φ28、L=6m相間布置的普通砂漿錨桿進行系統(tǒng)支護，間排距2.5m×2.5m，外露20cm。

以上洞壁系統(tǒng)支護分區(qū)、起止樁號待洞壁清理干凈、編錄完成后由設(shè)計、地質(zhì)人員進行確認(rèn)，局部洞壁可根據(jù)設(shè)計要求增加錨索、隨機錨桿、隨機錨筋樁等加固措施。

5 安全防護措施

由于巖溶斜井工作區(qū)域狹窄，高差較大，且上、下交叉作業(yè)，在施工中安全防護尤為突出，為了保證施工安全，根據(jù)施工的需要，巖溶斜井進行如下安全防護的施工措施。

(1)配安全員巡視檢查：整個施工過程中，設(shè)立醒目安全警示牌，配置責(zé)任心強、素質(zhì)高、經(jīng)驗豐富的專職安全員，24h對施工進行巡視和檢查，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即采取緊急撤離等措施確保施工人員安全。同時在巖溶斜井頂拱及邊墻巖體內(nèi)設(shè)置臨時變形監(jiān)測點和永久變形監(jiān)測儀器，加強對斜井巖體的變形監(jiān)控量測，及時了解掌握圍巖變形情況，包括量測穹頂下沉以及凈空水平收斂。

(2)腳手架操作平臺外側(cè)從下到上搭設(shè)斜爬梯，爬梯寬度為0.6m～1m，踏步高為0.3m，每個踏步采用兩根腳手架鋼管并排鋪設(shè)。腳手架的外側(cè)、通道和作業(yè)平臺均搭設(shè)1.2m高防護欄，并且掛滿密目安全防護網(wǎng)，安全網(wǎng)距離工作面的最大高度不得超過3m。操作平臺上均滿鋪一層竹馬道板，并采用鉛絲綁扎牢固。

(3)在溶洞自上而下開挖支護施工過程中，除根據(jù)設(shè)計要求布置永久變形監(jiān)測點外，在穹頂及下部洞壁上增加臨時變形監(jiān)測點，檢驗圍巖應(yīng)力和變形情況，驗證支護設(shè)計和施工效果，保證圍巖穩(wěn)定和施工安全，對可能發(fā)生的危及施工安全的隱患或事故提供及時、準(zhǔn)確的預(yù)報并及時反饋動態(tài)監(jiān)測信息，使有關(guān)各方有時間做出反應(yīng)、避免事故的發(fā)生。臨時安全監(jiān)測主要采用全站儀遙測技術(shù)定期進行施工期圍巖變形監(jiān)測，通過收斂觀測對圍巖和支護系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進行監(jiān)控，并將監(jiān)測成果及時上報。

圖7 K25溶洞穹頂及洞壁臨時監(jiān)測點布置示意

6 結(jié)論

K25巖溶斜井高差及跨度大，地質(zhì)條件復(fù)雜，屬超大特異性巖溶洞穴，在國內(nèi)水利工程中尚未有同類工程施工經(jīng)驗可參考借鑒。施工中通過對施工方案的不斷摸索、調(diào)整及優(yōu)化，最終形成了一套系統(tǒng)的、可行的開挖支護方案。目前K25巖溶斜井已開挖支護至920m高程并已啟動高程920m以上混凝土回填施工，施工期間未出現(xiàn)任何安全事故，且根據(jù)斜井內(nèi)埋設(shè)的永久監(jiān)測儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)，斜井穹頂及洞壁整體變形不明顯，處于穩(wěn)定狀態(tài)，證明上述方案在斜井內(nèi)施工完全可行，對今后水利工程類似工程施工具備一定的參考及借鑒價值。