松山河口水電站斜井開(kāi)挖支護(hù)施工方法

唐朝平, 蔡 瞳, 黃婷婷

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司第一分局,四川 成都 610066)

1 工程概述

松山河口水電站位于云南省保山市騰沖縣猴橋鎮(zhèn)境內(nèi),是檳榔江中上游河段規(guī)劃四個(gè)梯級(jí)中的第四級(jí)水電站,壩址距騰沖縣約 98 km。松山河口水電站為引水式開(kāi)發(fā),開(kāi)發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電,總裝機(jī)容量為 3×56 MW。壓力管道為地下埋藏式,布置于地面廠房后邊坡所在的山體內(nèi),從上至下由上平段、斜井段和下平段組成,采用一條主管經(jīng)岔管分為三條支管向三臺(tái)機(jī)組供水的聯(lián)合供水方式。主管總長(zhǎng) 497.733 m,斜管段長(zhǎng) 229.443 m,與水平方向夾角 48°,開(kāi)挖支護(hù)后凈空直徑為6.2 m,上平段與 3-1#施工支洞相接,斜井樁號(hào)鋼 0+156.279(基本為斜井的中間高程)處布置有 4#施工支洞,下平段與 5#施工支洞相接(圖 1)。

圖1 壓力管道縱剖面圖

壓力管道沿線巖體風(fēng)化程度總體較深,主要表現(xiàn)為全、強(qiáng)風(fēng)化層厚度相對(duì)較小,弱風(fēng)化層厚度大的特點(diǎn)。全、強(qiáng)風(fēng)化下限埋深一般為 10～30 m,弱風(fēng)化下限埋深一般為 70～120 m;壓力管道沿線地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育,斜管段已揭露的規(guī)模較大的斷層、擠壓帶 3條,主要表現(xiàn)為巖層層間擠壓,組成物質(zhì)為糜棱巖、碎裂巖、角礫巖及泥質(zhì)等,一般性狀較差。地表不良物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育,山坡整體穩(wěn)定性較好,斜管段上部圍巖主要為弱風(fēng)化巖體,巖石較碎,圍巖主要為碎裂結(jié)構(gòu)或散體結(jié)構(gòu);斜管段下部圍巖為次塊狀結(jié)構(gòu),主要為微風(fēng)化及新鮮巖體,部分為弱風(fēng)化巖體。

2 施工方案

2.1 原定的施工方案

原定的施工方案為:斜井從 4#施工支洞分為上、下兩段同時(shí)施工,采用正導(dǎo)井、反導(dǎo)井相結(jié)合的方法進(jìn)行導(dǎo)井開(kāi)挖,待導(dǎo)井開(kāi)挖完成后進(jìn)行擴(kuò)挖、支護(hù)。優(yōu)點(diǎn):地質(zhì)條件較好時(shí),施工進(jìn)度較快。缺點(diǎn):在地質(zhì)條件較差的洞段,導(dǎo)井開(kāi)挖較為危險(xiǎn);而導(dǎo)井支護(hù)較困難,且在擴(kuò)挖時(shí)需進(jìn)行拆除。

2.2 調(diào)整后的施工方案

根據(jù)開(kāi)挖后揭露的地質(zhì)情況,發(fā)現(xiàn)上斜井全段、下斜井 4#施工支洞以下約 50 m段均為泥巖,且存在斷層、破碎帶、夾泥層、大量滲水等不利因素,正導(dǎo)井和反導(dǎo)井的開(kāi)挖掌子面多次發(fā)生地質(zhì)原因的坍塌。為保證施工安全,加快施工進(jìn)度,經(jīng)參建各方反復(fù)討論,調(diào)整了開(kāi)挖方案:上斜井全段和下斜井剩余段先進(jìn)行上半拱開(kāi)挖,系統(tǒng)支護(hù)緊跟開(kāi)挖面;上半拱開(kāi)挖完成后進(jìn)行下半拱的擴(kuò)挖,擴(kuò)挖時(shí)及時(shí)支護(hù),并做好與上半拱支護(hù)結(jié)構(gòu)的連接,開(kāi)挖時(shí)遵循“短進(jìn)尺,弱爆破,強(qiáng)支護(hù),勤觀測(cè)”的原則。其中拱頂懸掛軌道 +礦斗出渣的方案,較好的解決了出渣困難的問(wèn)題。

3 斜井開(kāi)挖

3.1 導(dǎo)井施工方法

斜井施工前期,根據(jù)原定方案進(jìn)行作業(yè):上斜井采取正導(dǎo)井開(kāi)挖和反導(dǎo)井開(kāi)挖相結(jié)合的方式。因上斜井的反導(dǎo)井與下斜井施工干擾嚴(yán)重,故下斜井只開(kāi)挖反導(dǎo)井。導(dǎo)井開(kāi)挖直徑 2 m,均采用手風(fēng)鉆鉆孔。

正導(dǎo)井:導(dǎo)井底部鋪設(shè)軌道,軌道延伸至卷?yè)P(yáng)機(jī)平臺(tái)。爆破排煙后渣料由人工裝 0.7 m3礦斗,采用 5 t卷?yè)P(yáng)機(jī)沿軌道提升礦斗,礦斗拉至卸料平臺(tái)(卷?yè)P(yáng)機(jī)平臺(tái)),打開(kāi)礦斗底部卸料口直接向自卸汽車(chē)卸料,施工方法見(jiàn)圖 2。

圖 2 正導(dǎo)井開(kāi)挖施工方法示意圖

反導(dǎo)井:爆破后渣料由導(dǎo)井直接溜下,裝載機(jī)裝自卸汽車(chē)出渣。

3.2 上半拱開(kāi)挖施工方法

上斜井全段和下斜井 4#施工支洞以下約 50 m段在進(jìn)行開(kāi)挖導(dǎo)井的嘗試后多次發(fā)生塌方。實(shí)際情況證明:采用噴混凝土進(jìn)行支護(hù)的導(dǎo)井無(wú)法保證施工安全;如果采取工字鋼、錨桿等強(qiáng)支護(hù)形式,不僅導(dǎo)井施工進(jìn)度十分緩慢,而且在二次擴(kuò)挖時(shí)還需進(jìn)行支護(hù)拆除工作,總體施工工期較調(diào)整后的方案長(zhǎng),故決定采取調(diào)整后的方案進(jìn)行施工。上半拱開(kāi)挖采用手風(fēng)鉆鉆孔,開(kāi)挖時(shí)開(kāi)挖掌子面保持水平,循環(huán)進(jìn)尺控制在 1 m(指洞軸線斜長(zhǎng),下同)以?xún)?nèi),開(kāi)挖完成后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。

出渣方式:在拱頂布置一條軌道,在軌道兩側(cè)沿洞軸線打兩排對(duì)稱(chēng)的 φ25砂漿錨桿以懸掛軌道,錨桿長(zhǎng) L=4.5 m,排距 50 cm,縱向間距 1 m。錨桿與軌道通過(guò) U形扣件連接,U形扣件穿過(guò)軌道上預(yù)留的固定孔后與兩側(cè)錨桿焊接牢固。礦斗通過(guò)鋼絲繩與滑輪組連接(圖 3)。

出渣施工程序:爆破排煙后,渣料由人工裝礦斗,然后啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)順軌道提升礦斗,當(dāng)?shù)V斗達(dá)到自卸汽車(chē)頂部時(shí)停止提升,打開(kāi)礦斗底部卸料口,將渣料卸入車(chē)斗內(nèi)。該方案有兩大優(yōu)點(diǎn):(1)渣料通過(guò)礦斗直接裝自卸汽車(chē),節(jié)省裝料時(shí)間;(2)由于軌道安裝在拱頂,在上半拱施工完成后進(jìn)行下半拱施工時(shí)可繼續(xù)使用。

以上兩點(diǎn)在施工中得到很明顯的體現(xiàn),較之于原方案,不僅縮短了斜井的開(kāi)挖工期,同時(shí)施工更為安全。

3.3 擴(kuò) 挖

擴(kuò)挖采用手風(fēng)鉆鉆孔,孔徑 42 mm。崩落孔爆破間距 0.8 m,排距 0.7 m,孔深不超過(guò) 1.0 m,φ32乳化炸藥 +非電毫秒雷管分段起爆;周邊光爆孔孔距 0.6 m,孔深 1.0 m以?xún)?nèi),φ22乳化炸藥+非電毫秒雷管同時(shí)起爆。根據(jù)每循環(huán)的巖石情況及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)。渣料直接通過(guò)導(dǎo)井(已開(kāi)挖完成的上半拱)溜下,裝載機(jī)裝自卸汽車(chē)出渣。

圖 3 上半拱開(kāi)挖施工方法示意圖

4 斜井支護(hù)施工

系統(tǒng)支護(hù)總體思路:視需要采取“超前支護(hù)+工字鋼 +錨桿 +掛網(wǎng)鋼筋 +噴混凝土”支護(hù)。支護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 4。系統(tǒng)支護(hù)均為常規(guī)支護(hù)形式。

圖 4 斜井開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

工序流程:清理開(kāi)挖面→噴 10 cm厚素混凝土封閉裸露的巖面→視需要采取超前支護(hù)施工→工字鋼施工→錨桿施工→掛網(wǎng)鋼筋施工→噴 C20混凝土施工→待強(qiáng)→下一循環(huán)。

5 塌方段處理

施工過(guò)程中,上斜井和下斜井及 4#施工支洞均因地質(zhì)原因發(fā)生過(guò)多次塌方,其處理措施如下。

5.1 方量較小的塌方段處理措施

因斜井多為泥巖且滲水量較大,既使遵循“短進(jìn)尺,弱爆破”原則,仍不可避免的出現(xiàn)了多次小型塌方。該類(lèi)塌方的特點(diǎn)是:腰線以上為主,徑向深度多在 50～200 cm之間。處理方案:首先對(duì)空腔巖面和開(kāi)挖掌子面進(jìn)行一次噴護(hù)以封閉巖面,然后進(jìn)行“鋼支撐 +錨桿 +鋼筋網(wǎng)”系統(tǒng)支護(hù);以上工序完成后,在工字鋼靠近巖面?zhèn)冉壴粚尤习?然后進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)中的二次噴護(hù);待二次噴護(hù)的混凝土有一定強(qiáng)度后進(jìn)行空腔回填,回填依照工字鋼拱形分層噴護(hù)混凝土,每層厚度不超過(guò) 20 cm,以形成混凝土拱圈,回填完成、混凝土終凝后進(jìn)行超前支護(hù),開(kāi)始下一循環(huán)的開(kāi)挖。

5.2 上斜井大塌方處理措施

上斜井樁號(hào)鋼 0+130.000～鋼 0+140.000左右,因底部反導(dǎo)井出現(xiàn)坍塌,渣料從反導(dǎo)井溜下,導(dǎo)致該部位出現(xiàn)空腔并逐漸增大,初步穩(wěn)定后空腔高約 13 m,長(zhǎng)約 9 m,寬約 7 m,空腔位于斜井開(kāi)挖輪廓左上方。

考慮到壓力管道襯砌 5個(gè)月后方可進(jìn)行,若等到襯砌時(shí)再進(jìn)行混凝土回填,空腔穩(wěn)定性將無(wú)法保證。為避免空腔再次塌方,需將其回填密實(shí)。處理方案:

(1)首先素噴 5 cm厚混凝土封閉巖面,然后根據(jù)空腔巖面形狀,支立 I18異形鋼支撐并打φ25、L=4.5 m的砂漿錨桿,掛網(wǎng)、噴護(hù),工字鋼落腳在相對(duì)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上并加焊鋼板作為底座。

(2)搭設(shè)腳手架作為施工平臺(tái),每 3 m高差布置一圈弧形鋼支撐,鋼支撐落腳深入巖體,間距不大于 1.0 m,鋼支撐之間采用 φ22螺紋鋼作為連接筋,連接筋間距 1.0 m,長(zhǎng)度根據(jù)鋼支撐 間距 調(diào) 整。打 φ25、L=4.5 m鎖腳錨桿,錨桿在鋼支撐兩側(cè)成對(duì)布置,環(huán)向間距 1.5 m,掛網(wǎng)、噴混凝土。從最下面一層拱圈開(kāi)始分層噴護(hù),直至空腔回填密實(shí)。

該方案可將垂直方向的受力向兩側(cè)分散,并通過(guò)弧形鋼支撐和噴混凝土形成拱圈,從而增強(qiáng)其受力的整體性?；靥蠲軐?shí)后,對(duì)后續(xù)的斜井開(kāi)挖提供了安全保障。

5.3 下斜井大塌方處理

下斜井開(kāi)挖至樁號(hào)鋼 0+163.000～鋼 0+171.000段發(fā)生了兩次較大的塌方,且在樁號(hào)鋼 0+170.000～鋼 0+180.000段發(fā)現(xiàn)了一個(gè)已經(jīng)塌方形成的空腔,前后兩個(gè)空腔連成一體,形成了一個(gè)高約 23 m、長(zhǎng)約 25 m、寬約 12 m的大空腔,空腔位于斜井中心上方稍微偏左,與已經(jīng)開(kāi)挖的反導(dǎo)井連通。經(jīng)過(guò)各方現(xiàn)場(chǎng)勘察、討論,制定了以下處理方案:

(1)首先噴 10 cm厚 C20混凝土封閉巖面,然后進(jìn)行斜井塌方段上半拱的系統(tǒng)支護(hù)。

(2)在系統(tǒng)支護(hù)形成的拱圈上搭設(shè)腳手架作為施工平臺(tái)進(jìn)行空腔的支護(hù)施工?？涨徊捎娩撝巫鳛橹黧w支護(hù),間距0.8 m左右,鋼支撐在盡量貼近巖面的同時(shí),保證其整體的弧形結(jié)構(gòu);鋼支撐之間采用 φ22螺紋鋼作為連接筋,連接筋間距為1.0 m,長(zhǎng)度根據(jù)鋼支撐間 距調(diào) 整。打 φ25、L=4.5 m鎖腳錨桿,錨桿在鋼支撐兩側(cè)成對(duì)布置,環(huán)向間距 1.5 m,然后進(jìn)行掛網(wǎng)、噴混凝土施工。

(3)支護(hù)完成后,方可對(duì)堵塞的反導(dǎo)井進(jìn)行疏通。疏通采用少量炸藥進(jìn)行小規(guī)模爆破。疏通后,空腔底部的虛渣從反導(dǎo)井溜下,待溜渣停止后,及時(shí)對(duì)座落在虛渣上的鋼支撐拱腳進(jìn)行接腿,并保證最終的拱腳座落在堅(jiān)實(shí)的巖石基礎(chǔ)上。

(4)支護(hù)完成后,對(duì)空腔四周進(jìn)行固結(jié)灌漿,完成后進(jìn)行下斜井?dāng)U挖。待進(jìn)行斜井襯砌時(shí),對(duì)空腔進(jìn)行混凝土回填。

該方案在保證安全的前提下,支護(hù)完成后并不立即進(jìn)行噴混凝土回填,而是在襯砌時(shí)再進(jìn)行混凝土回填,從而節(jié)省了空腔的處理工期,加快了開(kāi)挖進(jìn)度。

6 施工效果分析

壓力管道斜井與水平方向夾角為 48°,工程巖體條件差、滲水嚴(yán)重,斷層、破碎帶、夾泥層等不利結(jié)構(gòu)較多,施工非常困難。利用超前支護(hù)、灌漿加固巖體,通過(guò)錨桿、鋼支撐和噴混凝土構(gòu)建支護(hù)體系,巖體和支護(hù)體系共同受力,較好的達(dá)到了支護(hù)目的。其中上半拱開(kāi)挖、拱頂懸掛軌道出渣的施工方案較好的解決了出渣速度慢、導(dǎo)井開(kāi)挖危險(xiǎn)性大的問(wèn)題。

7 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于坡度較大的斜井開(kāi)挖分兩種情況:(1)地質(zhì)條件較好的洞段,采用正導(dǎo)井和反導(dǎo)井相結(jié)合的方法開(kāi)挖溜渣井,然后自上而下進(jìn)行擴(kuò)挖、支護(hù)的開(kāi)挖方式是較為合理的開(kāi)挖方案;(2)地質(zhì)條件較差的洞段,采取“管棚 +灌漿”超前支護(hù),上部和下部分部開(kāi)挖,拱頂懸掛軌道出渣,支護(hù)緊跟開(kāi)挖的方式進(jìn)行。該方案較好地解決了斜井的安全問(wèn)題,又確保了施工進(jìn)度,對(duì)類(lèi)似工程施工有一定的借鑒作用。