Ⅴ类围岩隧洞开挖超前支护施工技术

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Ⅴ类围岩隧洞开挖超前支护施工技术

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-19 2705


1工程概况湟水和大通河均发源于青海省境内,大通河发源于青海省境内的木里山,河流自西北向东南流经青海省刚察、祁连、门源、乐都等县和甘肃省的天祝、永登两县于甘、青两省交界的享堂峡汇入湟水。湟水发源于青海省境内的大坂山,上游为巴勿图河,河流源地由北向南至海晏,逐渐由湟源转向由西向东,蜿蜒曲折,先后穿过小峡,大峡等峡谷,出青海湟水至民和与大通河享堂峡在我省海石湾相汇合,通称为湟水,在甘肃省八盘峡附近汇入黄河。

甘肃华唐水电开发有限公司开发建设的湟水白川水电站项目位于甘肃省永靖县西河镇和兰州市红古区境内的湟水河干流上,电站为低坝无调节引水式电站,总装机容量36MW。电站东距兰州市约85km,西距红古区海石湾镇约35km,引水枢纽拟选在白川村拥宪渠枢纽闸门附近,厂房拟选在永靖县西河镇二房村余家河滩,引水线路及发电厂房均布置在湟水河右岸,有简易公路通行。

本工程引水系统有明渠、明洞和隧洞工程,我公司承建引水系统的Ⅰ、Ⅲ标段,⑴第Ⅰ段:桩号0+001.048~0+612.944~1+612.944m;总长为1611.896m。包括渐变段(0+001.048~0+040.00、0+528.944~0+578.944)、Ⅰ型梯形明渠(0+040.00~0+528.944)段、明洞(0+578.944~0+612.944)段、引水隧洞(0+612.944~1+612.944)段;(2)第Ⅲ段:桩号3+741.122~5+636.00m;总长为1894.88m。包括隧洞工程(桩号:3+741.122~4+741.122m)段、明洞工程(桩号:4+741.122~5+022.90m)段、渐变段工程(桩号:5+022.90~5+052.90m)段和Π型梯型明渠(桩号:5+052.90~5+636.00m)段。

明洞和隧洞断面相同,均为马蹄形。在开挖高度较高时,采用明洞,施工结束时,上部回填开挖料,恢复原地面,对于临时高边坡开挖的渠段,应及时回填。

隧洞设计水深6.685m,顶拱半径4.45m,圆心角120°,侧拱和底拱半径为13.35m,圆心角分别为16°52′28″和33°44′56″。

根据围岩类别采用不同的衬砌断面,隧洞设计有两种断面,既A型和B型断面,这两种断面的过水断面尺寸完全相同,只是衬砌厚度不同。A型适用于Ⅳ类围岩,顶拱、侧拱和底拱砼衬砌厚底均为0.40m,B型适用于Ⅴ类围岩,顶拱、侧拱和底拱厚均为0.50m。

进洞口高程1647.6m,洞内设计水深6.685m,顶拱半径4.45m,圆心角180°,侧拱和底拱半径13.30m,圆心角分别为16°52′28″和33°44′56″,底宽7.750m,顶拱和底板砼衬砌厚0.50m,侧拱为1:0.30的贴坡砼,底厚0.50m。隧洞顶拱半径4.45m,圆心角120°,侧拱和底拱半径为13.35m,圆心角分别为16°52′28″和33°44′56″。

图1隧洞洞口管棚超前支护效果图

2工程地质条件引水线路地质条件是:桩号0+010~0+612.94为渐变段、明渠。渠道通过河床及漫滩,该段渠道基本沿现拥宪渠行进,地表岩性为第四系人工堆积碎石土,厚2~3.5m,冲积含漂石砂卵砾石层(alQ43),厚约1.6~2.5m,砂卵砾石层结构疏松,渗透系数为60~90m/d。下覆基岩为白垩系下统河口群(K1hk2c)泥质粉细砂岩,强风带厚度约1.5~2.5m。

桩号0+612.94~1+612.944段为隧洞段,围岩岩性以白垩系下统河口群(K1hk2c)褐红色泥质粉细砂岩为主,局部为泥岩、粉砂质泥岩薄层,泥质胶结,节理裂隙不发育。岩层产状NE30~50ºNW<5~10º。该段穿越Ⅲ级阶地及冲沟,地形破碎,冲沟发育,沟深约20~36m,沟宽40~280m,深切冲沟部位洞顶基岩埋深约8~30m,该段各冲沟多呈“V”型沟,冲沟中有季节性洪水,冲沟两侧自然边坡坡度约40~80º,目前边坡稳定。泥质粉细砂岩室内试验物理力学指标:天然密度2.51~2.55g/cm3,内摩擦角Φ=35.5~38.3°,凝聚力C=0.19~0.41MPa,变形模量800~1000MPa,泊松比0.22~0.24。冲沟中地表水及第四系覆盖层中赋存第四系孔隙性潜水,水质对普通水泥具腐蚀性。

桩号1+517.11~3+573.9段为明洞。引水线路在湟水右岸Ⅱ级阶地及后缘上通过,渠道中心线开挖深度约8.5~30m,地表主要为第四系冲洪积粉质壤土(al-plQ41),厚约8~11m,局部表层为坡洪积碎石土(dl-plQ43),厚度2~5m,洪积碎石土(plQ43),厚度4~8m。下部为冲积砂卵砾石层(alQ41),厚约4~5m,砂卵砾石层顶部有厚度为0.5~1m粉细砂层,该层为含水层,底部赋存地下水,水位和水量受季节和灌溉影响变幅较大。第四系孔隙性潜水对普通水泥无腐蚀,但右侧冲沟中地表水对普通水泥具强腐蚀。基岩为白垩系下统河口群(K1hk2c)褐红色泥质粉细砂岩,局部为粉砂质泥岩、泥岩及钙质砂岩薄层,节理裂隙不发育。桩号3+544.76处发育一条深切冲沟,沟深约22m,沟宽17~30m,洞顶埋深约10m,该冲沟呈“V”型沟,冲沟中有季节性洪水,冲沟两侧边坡自然坡度约70~80º,边坡稳定。明洞底基

HDPE土工膜是以(中)高密度聚乙烯树脂为原料生产的一种防水阻隔型材料。(密度为0.94g/cm3或以上的土工膜)。HDPE土工膜全称“高密度聚乙烯膜”,具有优良的耐环境应力开裂性能,抗低温、抗老化、耐腐蚀性能,以及较大的使用温度范围(-60--+60)和较长的使用寿命 (50年)。HDPE土工膜全称“高密度聚乙烯土工膜”,具有优良的耐环境应力开裂性能,抗低温、抗老化、耐腐蚀性能,以及较大的使用温度范围(-60--+60)和较长的使用寿命50年,广泛使用在生活垃圾填埋场防渗,固废填埋防渗,污水处理厂防渗,人工湖防渗,尾矿处理等防渗工程。

础为基岩,洞顶位于砂卵砾石层底板附近。

桩号3+693.9~4+730.29段,隧洞洞身段。隧洞洞身埋深大于60m,围岩为白垩系下统河口群(K1hk2c)褐红色泥质粉细砂岩为主,局部为泥岩、粉砂质泥岩及钙质砂岩薄层,泥质胶结,节理裂隙不发育,岩层呈薄~中厚层,单层厚度5~25cm,岩层产状NE70ºNW∠12º,洞室围岩弱风化带和微风化带中基本无地下水分布,岩壁干燥或局部潮湿。

桩号4+830.29~5+808.52段为明洞、渐变段、明渠、前池,开挖深度约2~18m,引水线路通过Ⅱ级阶地后缘及Ⅱ级阶地,地形破碎,冲沟发育,地表主要为冲洪积粉质壤土(al-plQ41),局部为崩坡积碎石土(col-dlQ43),坡洪积(dl-plQ43)及洪积(plQ43)碎石土,厚约3~15m;下部为冲积砂卵砾石层(alQ41),厚约3~7m,砂卵砾石层顶部有厚度0.5~1m粉细砂,结构疏松,该层底部有地下水,水位和水量受季节和灌溉影响变化较大。基岩为白垩系下统河口群(K1hk2c)褐红色泥质粉细砂岩为主。渠底基础多位于II级阶地砂卵砾石层底板附近,渠顶位于砂卵砾石层顶部或粉质壤土中。

3洞口大管棚施工方案及施工程序管棚工法是隧道开挖施工中用以防止掌子面坍塌并限制围岩变形的一种预支护手段。其主要原理是在隧道开挖之前,沿着隧道开挖轮廓线外的设定部位水平铺设钢管,并可以通过钢管向围岩注浆,对管棚周围的围岩进行加固,使管棚成为隧道后续开挖的防护伞(棚),达到安全施工的目的。

3.1施工方案由于隧洞进口处有较厚的第四系松散堆积体覆盖层,主要为碎石土,对洞口进行开挖清理,达到设计的Ⅴ类围岩的安全边坡。管棚位置Ⅰ段在0+635.31(洞外)~0+640.423(进洞桩号)~0+691.108、Ⅲ段在4+728.93(洞外)~4+723.58(进洞桩号)~4+673.130,根据设计图和现场情况分别采用5.113m和5.35m长大管棚对随洞口进行预支护,以利成洞安全。

3.2施工程序明洞开挖及边坡支护处理——采用大管棚预支护——人工或机械挖除覆盖层及危石——支撑拱架与大管棚形成复合支护——采用自进式锚杆作为支护手段进行正常洞挖施工。

4洞口大管棚施工技术4.1洞口及边坡明挖施工按设计图纸开挖尺寸采用TCR702全站仪测量放样,利用反铲自上而下分段开挖,先清除洞口上方危石及可能滑塌的表土,按设计坡度对边坡进行削坡处理,再分别从洞口桩号0+640.423和4+723.58位置自上而下垂直开挖,形成进洞位置。洞口坡面防护待进洞54m进入正常洞挖后,在雨季到来前按设计要求进行防护。

4.2进洞前采用大管棚技术预支护管棚按设计位置施工,先打有孔钢花管,注浆后再打无孔钢花管,无孔管可作为检查管检查注浆质量,每钻完一孔便完成一根钢桁架的安装。

(1)管棚施工工艺流程。

施作套拱→搭钻孔平台→安装钻机→钻孔→清孔→验孔→安装管棚钢管→注浆。

(2)管棚施工参数

①钢管布设在圆心角约为1500的隧洞拱部;

②钢管规格:热轧无缝钢管Ф108,壁厚6mm,节长3m和6m,采用丝扣连接;

③管距:环向间距50cm,拱布41跟管;

④管心与衬砌设计外扩线间距为30cm;

⑤倾角:平行于路线纵坡;方向:平行于路线中线;

⑥钢桁架采用I18工字钢制作安装,径向间距80cm,采用同型号工字钢连接。

(3)施工套拱

采用C25混凝土护拱做管棚固定端,护拱在明洞外轮扩线以外,紧贴掌子面位置。护拱内埋设三榀I18工字钢,工字钢与孔口管焊成整体。三榀工字钢在钢筋场内加工成型,在现场安装。

混凝土护拱基础:为了保证混凝土护拱基础的稳定,开挖至基岩,用Ф22锚杆与基岩连接牢固。三榀工字钢与锚杆连接后再浇筑C25混凝土作为基础。

三榀工字钢按测量放样精确组装,榀间采用I18工字钢横向连接,环向间距80cm。

孔口管安装:用全站仪以坐标法在工字钢上定出其平面位置,用水准尺配合安装,保证其安装的精确度满足设计要求。孔口管应牢固焊接在工字钢上,防止浇筑混凝土时产生位移。

混凝土施工:满堂脚手架上架设木拱架作为支撑,上面拼装组合钢模板。采用强制式搅拌机和混凝土,混凝土搅拌车运至泵送点施工现场浇筑。

(4)钻机平台搭设及安装钻机

①钻机平台用钢管脚手架搭设,上铺枕木,便于根据孔位高程将钻机平台一次性搭好。

②平台支撑要着实地,连接要牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。

③钻机定位:钻机要求与已设定好的孔口管方向平行,必须精确定位。用8t吊车将钻机吊至平台上,用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法,反复调整,确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。

(5)钻孔

①采用100B潜孔钻机钻孔,钻头采用Ф110隔孔施钻。

②钻机开机时,可低速运转,待成孔1m后,适当加压。

③岩质较好的可以一次成孔;若钻进时产生塌孔、卡钻,需注浆待凝后再行钻孔,根据钻机钻进的情况判断成孔的质量,并及时处理钻进过程中出现的事故。

④认真作好钻进过程的原始记录,及时对孔内岩屑进行地质判断、描述,作为开挖洞身的地质预探预报,作为指导洞身开挖的依据。

(6)清孔和验孔

打完孔后用高风压断续扫孔3min,清除浮渣至孔底,确保孔径、孔深符合要求、防止堵孔。测量孔深并做好记录。

(7)安装管棚钢管

①棚管在专用的管上加工好丝扣,四周钻Ф20出浆孔;管头焊成圆锥形(靠掌子面4.05m的棚管不钻孔),便于入孔。

②棚管用人工装进。一次性顶进长度27m。棚管接头采用丝扣连接,丝扣长15cm,为使钢管接头错开,编号为奇数的每节钢管采用3m钢管,编号为偶数的第一节管采用6m钢管。

(8)注浆

注浆顺序:采取与钻孔流水作业,成孔一根,注浆一根。

采用注浆机将水泥浆注入管棚钢管内,初压0.5MPa,中压2.0MPa,必要时掺速凝剂。注浆前先进行注浆现场试验,出拟定注浆参数0.8∶1,具体参数通过现场试验按实际情况确定。

4.3进口洞挖大管棚完成以后,隧洞进口段开挖采用反铲人工风镐配合进行。每次开挖进尺小于1m,每次开挖后,立即架立I18工字钢钢拱架,钢拱与棚管焊成整体形成复合棚状支护。钢拱拱脚采用I18工字钢,平铺在岩基上。钢拱间距80cm。每开挖3m初喷5cm厚C20混凝土,终凝后再分2~3次喷混凝土齐平钢拱内侧,紧贴钢支撑挂Ф6.5钢筋网片后,再喷10cm厚混凝土。

5隧洞洞身开挖超前支护施工技术5.1施工总程序洞身自上而下分三层进行开挖支护。ⅰ层开挖考虑到开挖机械性能及支护施工的需要,确定开挖高度约为4~5m;ⅱ层开挖高度为3~4m;ⅲ层主要为保护层开挖,开挖高度0.5~1m。

单洞开挖施工程序依次为ⅰ层→ⅱ层→ⅲ层。ⅰ层开挖支护完成后进行ⅱ层开挖,ⅱ层开挖支护完成后进行ⅲ层开挖。

各层均利用分别向上、下游进行平行作业,其中从上层施工支洞进入完成导流洞洞身ⅰ层开挖支护;利用下层施工支洞在主洞内向上、下游升坡10至ⅱ层底面,完成导流洞洞身ⅱ层开挖支护;从下层施工支洞进入导流洞底部进行ⅲ层的开挖支护。

5.2施工队伍配置Ⅰ、Ⅲ段各配置一个开挖队伍,每个开挖队各设一个台车钻爆班、一个支护班和一个混凝土喷护班。

5.3常规洞段开挖支护施工常规洞段共1849.404m(Ⅰ段洞身917.4m、Ⅲ段洞身932.004m),进口洞段共111.135m(Ⅰ段洞身60.685m、Ⅲ段洞身50.45m)。

开挖施工工艺流程见图2。图2隧洞开挖施工工艺流程图

常规洞段即i、ii、iii类围岩段:

(1)洞身第ⅰ层开挖施工程序:中导洞超前贯通后进行周边扩挖,初期支护滞后3~5米进行,与后循环开挖平行作业,ⅲ类围岩视危岩情况及时进行局部支护。

(2)洞身第ⅱ层开挖施工程序:边墙用手风钻预裂4.5m,初期支护滞后3~5米进行,与后循环开挖平行作业,ⅲ类围岩视危岩情况及时进行随机支护。

(3)洞身第ⅲ层开挖施工程序:两侧边墙手风钻预裂到底,ⅲ层采用手风钻及凿岩台车分半开挖,底部光爆,初期支护滞后30米进行,与后循环开挖平行作业,ⅲ类围岩视危岩情况进行随机支护。

本工程围岩主要是Ⅴ类围岩,岩性软弱,裂隙发育,风化程度严重,稳定性差,给施工带来一定难度。施工中根据地质条件和现场实际情况,施工采取了洞口大管棚技术、超前支护、稳步推进的方法,增加了锁脚、随机锚杆等支护方式,加强测量观测工作。采取有效垂直加固措施,防止洞顶塌落,隧洞开挖严格按“新奥法”工艺施工,开挖钻爆按照“先支护(强支护)、短进尺、弱爆破、少扰动,快封闭,勤量测”的原则施工,本隧洞工程施工技术具有其特点和先进性,消除安全隐患,保证施工进度和施工质量,以确保围岩成洞稳定及施工安全,同类工程的施工提供了可借鉴的经验。

6质量控制(1)钻孔前,精确测定孔的平面位置、倾角和外倾角,并对每个孔进行编号。

(2)严格控制钻孔平面位置,管棚不得侵入隧洞开挖线内,相邻的钢管不得相撞和立交。

(3)钻孔需经常量测孔向,发现误差超限及时纠正,至终孔仍超限者应封孔,原位重钻。

(4)掌握好开钻及正常钻进的压力和速度,防止断杆。

(5)在遇到松散的堆积层和破碎地层时,钻进中可以考虑增加套管护壁,确保钻机顺利钻进和钢管顺利顶进。

(6)管棚注浆时随时观察注浆情况并做好记录,确保钻孔与管壁注浆饱满。

7安全措施(1)施工时现场派专职安全员,随时观察洞顶及洞内围岩稳定情况及时组织人员撤离。

(2)严格执行机械操作规程,非作业人员不得靠近作业现场。

8结语白川水电站引水隧洞施工从2008年4月30日开始进行大管棚施工,完成洞口开挖支护施工后,随后进入隧洞Ⅴ类围岩石方爆破开挖施工,最终提前全部完成隧洞的开挖施工和衬砌工作,利用管棚套拱支护和超前支护技术在不良地质条件下进洞的隧洞施工中的应用,确保安全、顺利的完成隧道挂口进洞,并安全、快速的通过不良地质段,防止了塌方事件的发生,减少了隧洞超欠挖带来的损失,施工质量得到了有效控制,引水隧洞Ⅰ段平均超挖为0.182cm,Ⅲ段平均超挖为0.204cm,导流隧洞施工期观测结果表明:Ⅰ、Ⅲ段引水隧洞围岩变形观测值呈收敛状态,没有突变现象发生;锚杆应力受力较好,观测结果稳定;隧洞开挖时,爆破参数控制较好,对围岩松驰圈影响范围较小。证明了白川水电站引水隧洞开挖支护方案是科学的。为隧洞施工创造了良好的开端、积累了丰富的施工经验。


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