趙 文 劍, 唐 洪 應(yīng), 萬(wàn) 柯

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

綽斯甲水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州境內(nèi),為閘壩引水式電站。引水建筑物由取水口、引水隧洞、調(diào)壓室和壓力管道等建筑物組成。引水隧洞的總長(zhǎng)度為21.185 km,其中由水電十局中標(biāo)施工的標(biāo)段長(zhǎng)度為12.30 km(隧3+000～隧15+300),施工布置有2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)四條施工支洞,其中以2號(hào)施工支洞下游主洞的開挖進(jìn)尺最長(zhǎng),單向進(jìn)尺長(zhǎng)度為2 478.5 m。引水隧洞低壓段(隧10+588上游)Ⅲ類圍巖的開挖采用平底馬蹄型斷面,其馬蹄型開挖斷面底寬7.00 m,高10.45 m,邊頂拱采用掛網(wǎng)錨噴支護(hù),底板采用素混凝土襯砌;高壓段(隧10+588下游)Ⅲ類圍巖和全隧洞的Ⅳ類、Ⅴ類圍巖的開挖直徑為9.94～10.80 m,采用鋼筋混凝土襯砌。

該引水線路處于崇山峻嶺,山坡植被茂盛,河谷深切且多呈“V”型。引水線路區(qū)的支溝較發(fā)育且個(gè)別切割較深,左岸從上至下規(guī)模較大的支溝分別有:斯泡樓溝(隧3+219～隧3+546)、斯躍武下溝(隧9+530～隧10+023)、日公塔溝(隧12+339～隧12+839)等,溝底常年流水。該工程除隧洞(隧10+023～隧12+839)圍巖為三疊系上統(tǒng)侏倭組(T3zh)薄層狀變質(zhì)砂巖與板巖、千枚巖不等厚韻律互層外,其他隧洞所處的圍巖均為三疊系上統(tǒng)雜谷腦組上段(T3z2)的灰色、中厚～厚層細(xì)粒變質(zhì)砂巖夾板巖。其圍巖主要以Ⅲ2類和Ⅳ類圍巖為主,其中Ⅲ2類圍巖占隧洞總長(zhǎng)度的49.87%、Ⅳ類圍巖占隧洞總長(zhǎng)度的9.2%。

在引水隧洞開挖過(guò)程中,受人為因素影響,圍巖中局部受裂隙切割而形成不穩(wěn)定或潛在不穩(wěn)定塊體;受地下滲水沿巖體裂隙及軟弱面流動(dòng)導(dǎo)致破壞巖體組織、造成巖體失穩(wěn)及局部不穩(wěn)定情況出現(xiàn);受地質(zhì)構(gòu)造的影響,部分洞段可能會(huì)出現(xiàn)斷層破碎帶、松散及軟弱等穩(wěn)定性差的圍巖、過(guò)溝段以及不利結(jié)構(gòu)面組合的洞段,存在發(fā)生各類塌方的可能性。

綜上所述,該工程具有單向進(jìn)尺長(zhǎng)、開挖斷面大、地質(zhì)條件較差等特點(diǎn)。為了保證隧洞的正常施工,“不良地質(zhì)條件下的安全施工措施是本工程地下工程施工的重點(diǎn)及難點(diǎn)所在”[1]。闡述了針對(duì)不良地質(zhì)洞段施工措施進(jìn)行的分析與研究。

2 不良地質(zhì)洞段處理措施

根據(jù)對(duì)隧洞地質(zhì)條件及洞內(nèi)施工情況進(jìn)行分析,制定出針對(duì)洞內(nèi)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)類型及采取的處理措施為:

(1)局部不穩(wěn)定塊體:隨機(jī)錨桿或隨機(jī)錨桿+噴混凝土。

(2)局部破碎帶或局部軟弱夾層:隨機(jī)錨桿+局部加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)+噴混凝土。

(3)局部含水破碎帶或軟弱夾層:超前錨桿或超前注漿小導(dǎo)管+噴混凝土+架設(shè)鋼拱架+鋼筋網(wǎng)+隨機(jī)錨桿+排水孔。

(4)較大范圍內(nèi)存在穩(wěn)定性極差的破碎帶或軟弱夾層:超前大管棚+素噴混凝土(厚度為3～5 cm)+架設(shè)鋼拱架+系統(tǒng)錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土至設(shè)計(jì)開挖線。

(5)塌方:①塌落物未將洞室堵塞:塌渣清理(先支護(hù)頂部,再清除石渣)+素噴混凝土(厚度為3～5 cm)+架設(shè)鋼拱架+鋼筋網(wǎng)+隨機(jī)錨桿+塌腔回填混凝土+回填灌漿。②塌落物將洞室堵塞:對(duì)塌渣進(jìn)行固結(jié)灌漿或超前支護(hù)(超前管棚)+塌渣清理+素噴混凝土(厚度為3～5 cm)+架設(shè)鋼拱架+鋼筋網(wǎng)+隨機(jī)錨桿+噴射混凝土+回填灌漿。

(6)涌水處理:對(duì)于地下水滲水量較小的洞段,在頂拱范圍滲水部位施打一定數(shù)量的超前鉆孔作為泄水減壓孔,根據(jù)其流量大小估算可能發(fā)生的涌水量,再選擇合適的排水設(shè)備并備有一定的富余量。對(duì)于流量較大的涌水洞段,必須判明地下水流方向,可以采用“排、堵、截、引”綜合治理的方法進(jìn)行處理。

3 施工參數(shù)及方法

3.1 錨 桿

采用C25 mm或C28 mm、長(zhǎng)度為4.5～6 m的隨機(jī)錨桿。為確保施工人員安全,錨桿全部采用DW551鑿巖臺(tái)車鉆孔,孔軸方向應(yīng)與可能滑動(dòng)面的方向相反,并與可能滑動(dòng)面的傾向成約45°的交角。錨桿的注漿采用GSZ130注漿機(jī)。在采用先注漿、后插桿的先后順序進(jìn)行錨桿施工時(shí),先將注漿管插到孔底,然后退出5～10 cm后開始注漿,注漿管隨砂漿的不斷注入慢慢拔出,然后將錨桿勻速緩慢送入孔中。錨桿安裝后其孔內(nèi)的砂漿應(yīng)飽滿。

3.2 掛鋼筋網(wǎng)

局部加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片的規(guī)格為Φ8 mm@15 cm×15 cm。鋼筋的加工制作在加工場(chǎng)內(nèi)完成并使用8 t平板汽車運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng),由施工人員現(xiàn)場(chǎng)綁扎安裝。

綁扎時(shí)根據(jù)實(shí)際布置的位置測(cè)放出中線等控制點(diǎn),根據(jù)控制點(diǎn)利用隨機(jī)錨桿或預(yù)埋錨筋布設(shè)好鋼筋網(wǎng)骨架,經(jīng)對(duì)鋼筋網(wǎng)骨架的設(shè)置核對(duì)無(wú)誤后鋪設(shè)分布鋼筋。鋼筋采用人工綁扎,綁扎時(shí)使用扎絲梅花型間隔綁扎,鋼筋網(wǎng)片搭接的長(zhǎng)度為15 cm,與隨機(jī)錨桿焊接連接。

3.3 鋼拱架

當(dāng)已開挖段邊頂拱出現(xiàn)塌方且塌方規(guī)模較小時(shí),首先對(duì)未塌方洞段的兩側(cè)洞身進(jìn)行加固,以防止塌方范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,再掛網(wǎng)噴射混凝土或隨機(jī)錨桿、掛網(wǎng)與噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)封閉塌穴的頂部和側(cè)部,然后進(jìn)行清渣。在確保施工人員和設(shè)備安全的前提下,視具體情況在塌方洞段架設(shè)鋼拱架等臨時(shí)支護(hù)。

當(dāng)掌子面后方未開挖段的圍巖松散、軟弱、破碎、滲水量較大時(shí),需要立即確定掌子面后方未開挖段的圍巖類別,以便按照圍巖類別對(duì)應(yīng)的斷面一次開挖成型。對(duì)于需要安裝鋼拱架的部位,開挖時(shí)應(yīng)一次性擴(kuò)挖到位(擴(kuò)挖25 cm),并確保所安裝的鋼拱架不侵占設(shè)計(jì)開挖斷面,避免因圍巖類別變化二次擴(kuò)挖時(shí)引起大量塌方。對(duì)于松散、軟弱破碎的洞室?guī)r體開挖采取一掘一支護(hù)、穩(wěn)步前進(jìn)的方式。

鋼拱架安裝部位開挖后,立即素噴一層5 cm厚C25混凝土封閉巖面。鋼拱架(20號(hào)工字鋼)為自制,按開挖斷面的大小在加工場(chǎng)分節(jié)加工制作成型、洞內(nèi)連接,鋼拱架的榀距為60～120 cm;安裝允許的偏差為:橫向和垂直方向均為5 cm。其必須緊貼巖面,每段鋼拱架端頭焊接8 mm厚的鋼板(30 cm×30 cm),其連接采用高強(qiáng)度螺栓,相鄰鋼拱架采用C25 mm鋼筋連接,環(huán)向間距為50 cm,縱向搭接長(zhǎng)度為30 cm。鎖腳錨桿采用C25 mm,L=4.5～6 m的錨桿,在鋼拱架左右兩側(cè)各設(shè)置2排、每排2根、每榀共設(shè)置8根,第一排與第二排之間的距離為1.5 m左右,將鎖腳錨桿制作成L型,其短邊長(zhǎng)0.2 m、長(zhǎng)邊長(zhǎng)4.3～5.8 m。鎖腳錨桿孔位開孔前用紅油漆進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)放樣,將孔軸方向垂直于開挖面。L型鎖腳錨桿的長(zhǎng)邊安裝孔內(nèi)應(yīng)填滿砂漿,其短邊與鋼拱架滿焊牢固。鋼拱架安裝完成后,對(duì)其邊頂拱增加鋪設(shè)了一層鋼筋網(wǎng)片,規(guī)格為Φ8 mm@15 cm×15 cm,鋼筋網(wǎng)應(yīng)緊貼噴護(hù)基面且與錨桿外露端頭焊接連接。最后噴射20 cm厚C25混凝土至設(shè)計(jì)開挖線。

鋼拱架的安裝不應(yīng)侵占設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的斷面尺寸。鋼拱架安裝后,應(yīng)對(duì)破碎軟弱地段的鋼拱架頂拱進(jìn)行監(jiān)測(cè),遇到危險(xiǎn)情況時(shí)應(yīng)及時(shí)增強(qiáng)鋼拱架或采取其它加強(qiáng)措施予以處理。對(duì)于地質(zhì)條件較差段,在其分層開挖過(guò)程中需要進(jìn)行鋼拱架加固支撐時(shí),應(yīng)分別根據(jù)分層高度制作鋼拱架,待其下層開挖后及時(shí)將鋼拱架及錨噴支護(hù)向下延伸至底板。

3.4 噴射混凝土

噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C25,初噴厚度為3～5 cm,噴射混凝土采用濕噴法施工工藝并添加液體速凝劑以減少回彈。噴射順序應(yīng)先拱后墻、分段分塊進(jìn)行。當(dāng)噴射混凝土厚度較大時(shí)應(yīng)分層進(jìn)行噴射,邊墻混凝土的厚度不宜超過(guò)8 cm,頂拱不宜超過(guò)6 cm。分層噴射時(shí),相鄰兩層的間隔時(shí)間不亦太短,一般情況下應(yīng)在初噴混凝土終凝后再進(jìn)行復(fù)噴。噴混凝土采用PX-3016濕噴臺(tái)車施噴,噴混凝土料由9 m3混凝土罐車從拌和站運(yùn)料至各個(gè)工作面,濕噴機(jī)械手直接噴射。

3.5 超前錨桿及注漿小導(dǎo)管

在頂拱120°范圍內(nèi)布置超前錨桿,其環(huán)向間距為30 cm,外插角α= 6°～12°,采用C25 mm或C28 mm,L=4.5～6 m的超前錨桿,排距2～4 m。

注漿小導(dǎo)管施工前,在距掌子面最近的位置安裝鋼拱架,鋼拱架的頂部按照40 cm的間距開導(dǎo)向孔,孔徑為5 cm。注漿小導(dǎo)管直徑為42 mm、L=4.5～6 m,環(huán)向間距40 cm、排距2～4 m、注漿壓力約為0.3 MPa。將注漿小導(dǎo)管前端做成尖錐狀,尾部焊接兩道Φ6 mm加勁箍,間距10 cm,以防止安裝小導(dǎo)管施打時(shí)造成其尾部開裂,尾部預(yù)留1 m不進(jìn)行鉆孔而作為止?jié){段,在該管口設(shè)置止?jié){閥,在管壁均勻布置四排、直徑為10 mm的出漿孔,其孔間距為15 cm,交錯(cuò)布置。鉆孔孔向?yàn)殚_挖輪廓線向上傾斜,外插角α= 6°～12°。

“小導(dǎo)管采用手持風(fēng)鉆施工,方便靈活,可加快施工進(jìn)度”[2]。采用自制臺(tái)車作為施工平臺(tái),鉆孔完成后立即由人工安裝小導(dǎo)管。值得注意的是:地質(zhì)條件不好的洞段難免會(huì)出現(xiàn)超挖,因此,應(yīng)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)纳咸Я?以防止鋼管侵入開挖斷面以內(nèi)。

小導(dǎo)管內(nèi)均采用水泥漿灌注。注漿前,在小導(dǎo)管中沿管壁安裝一根直徑為10 mm的塑料硬管至孔底,將小導(dǎo)管灌漿口處的塑料硬管管口與止?jié){塞排氣孔相連接作為注漿時(shí)的排氣孔,在該排氣孔上設(shè)置止?jié){閥。將注漿管與止?jié){塞的進(jìn)漿孔相連接,止?jié){塞與小導(dǎo)管緊固連接。注漿采用從孔口一次性注入的方式,注漿按環(huán)向分為兩序,采用間隔注漿的方式。為防止串漿和跑漿現(xiàn)象的發(fā)生,注漿前首先對(duì)掌子面巖面進(jìn)行噴射混凝土封閉。注漿結(jié)束后、漿液初凝前對(duì)小導(dǎo)管內(nèi)的漿液進(jìn)行清理,采用水泥砂漿將其填充飽滿、密實(shí),以增強(qiáng)小導(dǎo)管的剛度和強(qiáng)度。

3.6 管 棚

“在穿插局部塌方區(qū)和斷層、破碎帶時(shí)采用超前大管棚施工技術(shù)”[3]。將管棚設(shè)置在頂拱120°范圍,管棚在加工場(chǎng)內(nèi)加工。“管棚采用外徑108 mm的鋼管(壁厚6 mm)”[4],將其加工成長(zhǎng)度為3 m、6 m兩種規(guī)格,絲扣長(zhǎng)度為15 cm。前端加工成尖錐形,在鋼管上鉆注漿孔,排距為20 cm,每排布置4個(gè)孔,孔徑為10 mm。鋼管尾部預(yù)留1 m不進(jìn)行鉆孔而將其作為止?jié){段,按照9 m一段,環(huán)向間距30 cm,搭接長(zhǎng)度為2 m,外插角2°布置。

在管棚起始位置設(shè)置2榀鋼拱架,將管棚鋼管的尾端布置于鋼拱架頂部并焊接牢固。管棚施工利用潛孔鉆機(jī)及特制鉆桿打孔,鉆孔前,按照鉆孔位置編號(hào)順序鉆孔。鉆孔形成后,將管棚鋼管送入孔內(nèi)并做好孔口封閉,待全部大管棚施工結(jié)束及時(shí)對(duì)管棚進(jìn)行注漿,注漿材料使用水泥漿液。為便于插管,鉆孔直徑應(yīng)比管棚設(shè)計(jì)直徑大2～3 cm。鉆機(jī)開鉆應(yīng)采用低速、低壓,待成孔3 m左右可根據(jù)圍巖情況逐漸調(diào)整鉆速及風(fēng)壓。

成孔困難時(shí),采用M4履帶式錨固鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)工藝施工。跟管鉆機(jī)的套管采用DZ40高頻淬火無(wú)縫鋼管,每節(jié)的長(zhǎng)度為1.5～2 m,隨孔跟進(jìn)。管棚施工完成后,采用破碎錘開挖,開挖進(jìn)尺為50 cm,開挖完成后對(duì)掌子面素噴5 cm厚C25混凝土,再架設(shè)1榀鋼拱架,鋼拱架安裝完成后方可進(jìn)行下一循環(huán)施工。

3.7 排、堵水施工

(1)排水措施:當(dāng)已開挖洞段出現(xiàn)大面積滲水或淋水情況時(shí),應(yīng)根據(jù)淋水量的大小在淋水部位采用鑿巖臺(tái)車施打一定數(shù)量的排水孔,該排水孔的孔深根據(jù)實(shí)際流水情況確定,其孔徑為42 mm,再將直徑40 mm的PVC管插入排水孔內(nèi)。將PVC管與巖壁之間的縫隙用無(wú)紡布封緊,再用1∶1的水泥砂漿(摻加速凝劑)堵在無(wú)紡布外部以迫使?jié)B水沿PVC管排出。

(2)堵水措施:該工程對(duì)地下滲水“采用排、堵、截、引等綜合治理措施進(jìn)行處理”[5]。對(duì)未開挖段已探明前方有突涌水時(shí),采用超前注漿堵水的方式;而對(duì)已開挖段出現(xiàn)涌水、股狀水、大面積滲水時(shí),采用徑向注漿堵水的方式予以治理。

為了防止串漿和跑漿現(xiàn)象的發(fā)生,徑向鉆孔注漿在初期支護(hù)完成后進(jìn)行,并將注漿范圍控制在開挖輪廓線以外4～6 m,注漿孔垂直于開挖巖面,其深度不小于4 m。注漿應(yīng)分段、分片進(jìn)行,注漿順序宜從上往下進(jìn)行,應(yīng)從水少的區(qū)域向水多的區(qū)域進(jìn)行,可多孔同時(shí)注漿,注漿終壓宜為0.5 MPa。灌漿材料優(yōu)先選擇水泥灌漿堵水和水泥-水玻璃雙液灌漿堵水。

當(dāng)隧洞開挖前方發(fā)現(xiàn)水體時(shí),對(duì)于地下水滲水量較小的洞段,在其頂拱范圍的滲水部位施打一定數(shù)量的超前鉆孔作為泄水減壓孔,并根據(jù)其流量大小估算可能發(fā)生的涌水量,再選擇合適的排水設(shè)備(備有一定的富余量)進(jìn)行排水。可能出現(xiàn)涌水時(shí),應(yīng)采取開挖前超前堵水的方案,注漿堵水的橫向范圍為隧洞開挖前方開挖半徑2～3倍的全部區(qū)域,其鉆孔深度、注漿壓力、漿液濃度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖情況確定。注漿材料優(yōu)先選擇效果較好的水泥-水玻璃雙液灌漿堵水和化學(xué)灌漿堵水。

3.8 回填混凝土

若塌方部位較大、噴射混凝土無(wú)法將塌方空腔部位噴滿時(shí),則需采用回填混凝土的方式填滿空腔部位。首先,在安裝鋼拱架的同時(shí)在頂拱預(yù)埋混凝土輸送管,所預(yù)埋的輸送管道宜采用無(wú)縫鋼管材質(zhì)且其管徑與混凝土泵送管道匹配。管道埋設(shè)的位置應(yīng)均勻分布于頂拱中心、左右側(cè)拱角三處以保證混凝土鋪料均勻。預(yù)埋排氣管道兼作控制混凝土澆筑厚度的溢漿孔道,宜設(shè)置于頂拱中心位置,管道的長(zhǎng)度應(yīng)依據(jù)回填混凝土的總澆筑厚度計(jì)算確定。

對(duì)于塌方體部位,采用泵送C25混凝土回填,若塌方部位較大,則回填混凝土方量大,應(yīng)采取短間歇、分層回填,先兩側(cè)邊墻、后頂拱,直至回填至預(yù)定高度?；靥钸^(guò)程中采用全站儀對(duì)鋼拱架拱頂?shù)南鲁吝M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以防止一次性回填混凝土工程量過(guò)大而導(dǎo)致鋼拱架變形。

4 結(jié) 語(yǔ)

引水隧洞工程是一個(gè)線形地下隱蔽工程。因其所處環(huán)境的特殊性,通常將其布置于山體內(nèi)部且其埋深較大,導(dǎo)致在工程地勘階段無(wú)法準(zhǔn)確判斷山體內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)及地下水活動(dòng)情況,且因山體內(nèi)的圍巖千變?nèi)f化而造成不良地質(zhì)洞段在地下洞室的實(shí)際開挖過(guò)程中常見,導(dǎo)致其施工存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。在綽斯甲水電站引水隧洞施工過(guò)程中,通過(guò)對(duì)不良地質(zhì)洞段的巖體類型進(jìn)行分析研究,制定出相對(duì)應(yīng)的措施并予以實(shí)施,當(dāng)施工中遇到不良地質(zhì)洞段時(shí),能夠快速地對(duì)不良地質(zhì)洞段進(jìn)行支護(hù)封閉處理,同時(shí)使現(xiàn)場(chǎng)安全、質(zhì)量、進(jìn)度得到保證,效果較好,所取得的經(jīng)驗(yàn)對(duì)類似地下工程施工具有推廣借鑒作用。