大花水水电站引水隧洞开挖及支护Word文档格式.docx
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1工程概况
1.1概述
大花水电站引水隧洞全长5.4km,隧洞布置在整个枢纽工程左岸,引水隧洞设4条施工支洞,单洞引水,隧洞0+067~0+580桩号、1+789.8~5+368.722桩号为全圆型洞段,0+580~0+740桩号为城门洞型洞段,0+740~1+789.8桩号为马蹄形洞段,进水口底板高程830.00m,从进水口至调压井进口引水道中心线长5404.9m,坡度为5‰。
1.2地质状况
引水隧洞由进水口至调压井中心线全长5.4km,隧洞一般埋深100~160m,最大埋深260m,位于白家银一带,最小埋深洞段位于后寨冲沟、幺老寨冲沟、龙洞冲沟,分别约62m、72m、74m,并在1#支洞上游0+660(八砂料仓)处形成了严重的塌方冒顶洞段。
沿线穿越断层12条,较大者为F2、F26、F23三条,并在1#支洞上游0+910桩号、2#支洞下游2+520桩号、4#支洞上游4+580桩号出现典型溶洞;
隧洞线由平寨向斜的东翼穿过,岩层产状受构造影响,变化较大,上游段产状N0~20W,SW∠25~32,与隧洞线夹角0~35;
下游至调压井段岩层产状N15~35W,SW∠15~25,与隧洞线夹角45~55。
穿越的主要断裂有F2断层、打鱼冲断层及F23断层。
根据开挖揭露后的设计文件将引水隧洞工程围岩地质分类实际为:
Ⅱ、Ⅲ类围岩洞段3983.5m,Ⅳ类围岩洞段长701.5m,Ⅴ类围岩洞段长720m,其中Ⅱ、Ⅲ类围岩占全洞长的73.7%,Ⅳ、Ⅴ类围岩占全洞长的26.3%。
在,Ⅳ、Ⅴ类围岩中,很多洞段均出现了碳质泥岩夹煤层,给开挖和一期支护施工带来了相当大的难度。
2开挖和一期支护施工技术
2.1开挖施工方法
大花水电站引水隧洞的开挖,严格按照“新奥法”组织施工,对开挖作业面及时采取喷、锚等支护手段,充分利用围岩的承载能力,达到洞室稳定的目的。
采取先对上半洞约240°
范围的岩体进行开挖,底部预留,待贯通后再进行下断面捡底,洞内出碴采用无轨运输方式。
上断面开挖:
开挖时因围岩稳定性较差,开挖过程中严格执行了“短进尺、小药量、弱爆破、强支护”的施工技术措施。
首先,严格控制爆破进尺与装药量。
一次爆破进尺控制在1.5~2m范围,周边孔采用了光面爆破,非电毫秒雷管起爆,通过控制爆破的单孔装药量以减轻爆破震动对围岩的扰动和破坏。
其次,爆破出碴后,立即采取喷射砼对围岩封闭,再进行超前导管、锚杆、格栅拱架等支护,支护紧跟开挖工作面,随挖随支护,以确保围岩稳定。
开挖过程中,对于地下水较丰富洞段和渗水甚至涌水的部位,特别是泥岩地段,遇水便软化、膨胀,若不及时排水,会对已支护的岩体形成极大的压力,造成很大的安全隐患。
所以在开挖施工的同时,对有水的地段进行了及时打排水孔、预埋排水管后再对围岩进行支护封闭。
下断面开挖:
在上断面相邻两工作面贯通后,便进行下断面的开挖施工。
因上断面一期支护为格栅或型钢拱架,顶部围岩的稳定靠钢拱架支撑,而钢拱架又主要靠两侧的锁脚锚杆承力,泥岩段的锚杆遇水后承载力降低。
若直接采取按设计断面进行爆破施工,可能会造成上部钢拱架基脚悬空,具有掉拱的危险。
鉴于此,我们采取了对下断面拉中槽的开挖方式,即底部两侧各预留1m不开挖,只对中部拉槽爆破,待拉槽后人工用风镐配合挖机再对两侧进行修整处理,这样施工降低了掉拱的风险。
考虑到泥岩遇水会软化,爆破对底部的扰动范围较大,在有水的泥岩地段若按设计开挖边线布孔,爆破后引起的超挖量很大,达到50~100cm。
经过多次实验后我们在爆破时预留50cm的保护层,爆破后再用机械配合人工对基础清底,刚好到未扰动的设计开挖线,这样的施工方法大大减少了超挖量,节约了施工成本。
2.2合理的爆破设计
为了最小的控制爆破对围岩的扰动并有效的控制超挖量,我们采用了周边光爆,斜眼掏槽,掘进眼和辅助眼线性爆破的方法。
经过多次爆破实验后我们得出在泥岩洞段围岩段采用如下爆破参数取得了较好的效果:
周边眼间距E=40cm,最小抵抗线V=50cm,E/V=0.75。
采用φ32mm药卷,装药系数取0.5~0.8,爆破器材选用2#岩石硝铵炸药。
为保证光爆效果,周边孔采用φ22mm细药卷,并采用间隔装药结构,线装药密度0.16g/m。
爆破采用由塑料导爆管并联及串联成爆破网络,毫秒延发雷管实现微差爆破。
即:
导火线+火雷管→塑料导爆管+传爆雷管→塑料导爆管+非电毫秒雷管→起爆炸药。
上断面开挖爆破孔位布置土
下断面捡底开挖爆破孔位布置图
为了适当减少超欠挖,钻爆作业时针对各炮孔的深度、方向、间排距进行严格控制。
当然根据围岩类别的不同钻爆设计参数也要经过多次调整。
2.3支护施工
泥岩洞段在开挖后,围岩自稳能力极差,尤其是顶部围岩,松散破碎,遇水膨胀变软,掉块剥落现象严重,需立即进行支护。
处理时,先对已暴露围岩初喷5cm厚砼封闭,然后再进行围岩支撑,支撑围岩主要采用系统锚杆、格栅钢架或型钢支撑,若遇顶部围岩很差或塌空区,还需进行超前锚杆支护、超前小导管预注浆支护等。
具体支护参数如下:
无水泥岩段
Φ25主筋格栅,格栅间距50cm,Φ25L=4.5m系统锚杆与锁脚锚杆,挂8@10cm×
10cm钢筋网片,Φ25L=4.5m超前锚杆,喷C20砼封闭
含水泥岩段
Φ28主筋格栅,格栅间距30cm,Φ25L=4.5m系统锚杆与锁脚锚杆,挂8@10cm×
10cm钢筋网片,Φ75L=6m超前小导管预注浆,喷C20砼封闭
格栅背后脱空或顶部塌空区
除上述支护外,脱空区大于50cm时,在最大脱空处埋设Φ135钢管,另埋Φ70排气管,进行C20泵送砼回填满;
脱空区小于50cm时,埋设Φ70注浆
管和排气管,回填水泥砂浆或掺和粉煤灰充填密实。
采用上述方案支护必须在开挖后及时进行,做到随挖随支、步步为营,这样可有效的稳定围岩,确保了开挖过程的安全。
但在一些应力释放较大,渗水严重的地方,单层格栅钢架支护后不足于抵挡围岩的变形,导致格栅钢架变形,喷砼开裂、剥落,严重危及已支护地段安全。
为了解决这一问题,我们在开挖时预留了支护空间,可在不减小结构断面的前提下在第一层拱下紧贴一层内拱或工字钢,再喷砼封闭,起到了有效支护的效果。
在以上支护过程中我们严格控制每道工序质量,格栅钢架要与锁脚锚杆、系统锚杆、连接筋,超前锚杆,小导管等焊接牢固。
各单元之间采用钢板螺栓连接,格栅背部尽量与围岩紧贴。
喷混凝土进行覆盖时,先喷格栅钢架,然后格栅钢架之间空隙,直至完全覆盖。
3塌方冒顶洞段的处理施工技术
3.1初期稳定措施
2005年6月17日,引水隧洞正值主汛期施工,1#支洞上游0+660桩号在开挖施工过程中,发生塌方冒顶事件,引起洞顶62m厚松散覆盖层堆积体伴随渗水溢流到开挖掌子面,造成洞顶地表面砂石料仓侧公路坍塌,山体滑坡。
在出现塌方冒顶后,立即采取了暂停出渣和开挖掘进措施。
同时,对地表面坍塌部位采用级配碎石回填密实、水泥浆灌注固结岩体;
对出现的滑动山体进行削坡减载;
在洞内开挖掌子面快速设置Φ25mm钢筋护栏,为施工人员后续施工提供安全保障,防护栏网格间距为15×
20cm,拱部插入钢筋格栅并与之焊接,底部锚入基底1m,然后在护栏外侧砌筑M7.5大块石堵头挡墙,挡墙基础宽度为7m,顶部宽度为3m。
在砌筑堵头挡墙的同时,采用人工进料对护栏内侧回填级配碎石,同时,在砌筑过程中预埋排水管将掌子面渗水排出,并预埋注浆花管,以便后期对掌子面和堵头挡墙实施固结灌浆。
按照业主的时间安排,对塌方冒顶段前期处理完毕后,暂停施工,待汛期结束,再进行该段开挖施工。
3.2围岩稳定固结措施
2005年10月17日,根据当地气象资料显示,大花水地区汛期已基本结束,塌方冒顶处地表面通过处理和自然沉跌已趋于稳定,对塌方冒顶段开始实施开挖前的围岩固结措施,首先采用钢管搭设操作平台,对拱部120°
范围采用φ50mm小导管进行固结灌浆固结围岩,小导管沿径向打入围岩6m,间排距1m,固结灌浆采用水灰比为0.5:
1的浓浆进行灌注,为确保固结效果,浆液中加入水玻璃和粉煤灰;
同时对塌方冒顶扩散段格栅每榀补加6根Φ28,L=6m锁脚锚杆;
在拱顶固结灌浆和锁脚锚杆施工完成后,开始从掌子面里程往下游方向对拱部120°
范围打入φ50mm超前小导管和Φ36mm超前锚杆进行预支护,小导管采用风钻改装冲击打入,超前支护共打5排,纵向排距0.5m,每排设两层,第一层与第二层之间纵向间距0.2m,第一层以45°
角打入,第二层以斜向上15°
角打入,每层的导管与超前锚杆之间的环向间距均为10cm,交错布置,小导管和锚杆的打入深度根据现场实际施工情况而定,再同样压注水泥浆和水玻璃双液浆进行灌注,对已架立单层9.3m内径格栅段套8.3m工字钢内拱,间距30cm,导管尾部与工字钢焊接牢固;
在5排小导管注浆完成后,拱部120°
范围用潜孔钻打入一排φ108mm大管棚,环向间距0.5m,外插角30°
,管棚长度在15m~20m,压注水泥浆和水玻璃双液浆进行灌注。
3.3超前支护
在拱顶固结灌浆施工完成后,开始从K0+670里程往上游方向对拱部120°
范围打入L=6m,Φ50超前小导管和Φ36超前锚杆进行预支护,小导管采用风钻改装冲击打入,超前支护共打5排,纵向排距0.5m,每排设两层,第一层与第二层之间纵向间距0.2m,第一层以45°
角打入,每层的导管与超前锚杆之间的环向间距均为10cm,交错布置,小导管和锚杆的打入深度根据现场实际施工情况而定,再同样压注水泥-水玻璃双液浆进行灌注,对已架立单层9.3m内径格栅段套8.3m内拱,间距离0.3m/榀,导管尾部与工字钢焊接牢固;
3.4大管棚加强支护
范围用潜孔钻打入一排Φ108大管棚,环向间距0.5m,外插角30°
,管棚长度在15m~20m,压注水泥-水玻璃双液浆进行灌注。
该方案主要作用为固结塌方松散体,通过超前小导管注浆能使围岩顶部胶结成整体从而形成一层加固圈。
再利用钢管作为纵向支撑,钢拱架作为横向环形支撑,从而形成纵、横向整体较大的承载力,能有效的阻止和限制围岩变形。
施工时需要注意进行小导管和管棚的加工制作时采用无缝钢管制作,顶部加工成尖锥状,管壁按梅花型布置小孔,采用氧气、乙炔气割进行烧孔,孔眼间距为10~20cm,直径为φ6~8mm。
大管棚采用人工配合挖掘机分段顶入,管棚以6m一节分段,以三段为一棚,段与段之间采用焊接。
一段顶入后,外露约1m长,再焊接长另一段,如此递推,将三段全部顶入。
小导管采用风枪改装,人工配合风枪将加工好的导管从钢架腹部沿隧洞纵向开挖轮廓线向外打入孔内,尾部与钢架焊接成一体。
注浆采用挤压式注浆泵,注浆时孔口设止浆塞,先注无水孔,再注有水孔,如遇冒浆或串浆,则间隔一孔或几孔分序注浆。
固结塌方体后接下来就是掘进通过塌方区,这一步是比较关键的,也是难度最大的,塌方区前方具有太多不可预见的因素。
围岩稳定性差,爆破震动后极易坍塌。
为此,我们采用只开挖周边岩体,预留中部岩体的松动爆破开挖施工技术,取得了较好的效果。
施工时我们根据边顶拱岩层松散,底部左侧岩石较为完整的特点先对周边孔进行钻孔,孔深控制在60cm,孔距为35cm,底部左侧除周边孔外,还钻取6个内圈眼,外圈与内圈间距为50cm。
装药时边顶拱采取间隔一孔装药,单孔装药量为75g,底部周边眼单孔装药300g,内圈眼单孔装药450g。
爆破后只对周边围岩进行了松动,中部岩体未受影响。
然后人工采用风镐对周边进行修整,将周边岩体向前掘进60cm。
在中部岩体的保护下能使顶部围岩暂时自稳,给我们下一步架立工字钢支撑赢得了时间。
架立工字钢将周边岩体支撑住后,再进行超前小导管施工,然后喷砼封闭,最后再对小导管注浆。
按此工序每循环向前支护60cm,两循环后再对中部预留未开挖岩体进行分层弱爆破,用反铲配合中部排险,然后再喷砼封闭掌子面,稳固围岩。
如此施工可做到一天一小循环,两天一大循环。
平均按每天60cm的进尺。
向前掘进塌方区的同时,我们密切观测已通过地段围岩的变形情况,在发现变形明显的地方,我们立刻采用内拱工字拱支撑在外拱上,防止围岩进一步变形。
如此弱爆破、短进尺、强支护步步为营的施工,我们顺利通过此塌方区。
3.5开挖掘进
对塌方冒顶段完成围岩固结和加强支护后,开始进行开挖掘进施工。
首先开始采取少药量爆破堵头,对新鲜出露含水丰富的碳质泥岩掌子面预留核心部位,并采用挂网喷C20混凝土进行封闭,喷射厚度15cm,下部埋设一定数量的钢管将水导出,完善洞内排水系统。
3.6对塌方冒顶辐射段的开挖施工
由于受塌方冒顶段地质影响,隧洞通过塌方区后,围岩仍处于吴家坪组碳质泥岩典型不良地质洞段,在隧洞浅埋软岩地区,自稳性差的软弱破碎围岩、严重偏压地段、岩溶泥流地段、断层破碎带以及涌水地带施工时,掌子面围岩失稳,而初期支护又不能满足围岩稳定要求,极易再次发生塌方、冒顶现象。
所以,我们主要采用了以下施工措施:
1、稳定开挖工作面:
即预留核心部位稳定开挖面;
喷射混凝土封闭工作面;
2、超前小导管锚固稳定前方围岩;
3、管棚超前支护前方围岩;
4、超前小导管注浆加固围岩和堵截渗水;
然后采用型钢支撑进行支护封闭,进行下一循环施工。
3.7钢筋混凝土加强支护
由于塌方冒顶洞段上部正处于人工砂石料场生产车间,为了确保塌方冒顶洞段第二次安全度汛和砂石料场车间安全,在顺利跨过塌方冒顶洞段后,我们对该段采取了钢筋混凝土衬砌戴帽的加强支护措施,稳定了塌方冒顶高危洞段,使该段达到了一劳永逸的效果。
4.瓦斯洞段的安全施工
引水隧洞1#施工支洞上游0+667桩号在开挖过程中,经瓦斯检测仪现场检测,掌子面瓦斯浓度达到1.27%,最高时达到4.47%,超过1%的规范允许浓度。
为此,我们立即果断采取“瓦斯地段施工预案”。
处理措施主要以有利于通风、有利于防治瓦斯为前提,除考虑施工进度、岩层条件、施工机械、掘进断面因素外,还考虑爆破作业对围岩的影响及爆破效果等因素。
在实施过程中,考虑瓦斯比空气轻,聚集在隧道顶部,隧道开挖爆破使用煤矿安全炸药和瞬发电雷管,使用毫秒电雷管时,最后一段的延期时间不得超过130ms。
采取光面爆破,开挖周边力求圆顺,尽量避免尤其是顶部出现凹穴、空洞、死角形成瓦斯积聚。
开挖后及时进行喷锚支护,封闭围岩、堵塞岩隙,防止瓦斯继续溢出。
同时,在隧洞进洞口设置安全警戒岗哨,对进洞检查工作和施工人员严格实行实名制度,对进洞人员要求将一切火源统一交付洞口安全警戒岗哨值班人员暂管,出洞后逐一登记领回。
5结语
对于塌方冒顶洞段的处理,采用稳定围岩、超前支护、预留核心土和钢筋混凝土加固的全方位控制手段,安全顺利的完成了施工任务,这是一次隧洞“新奥法”施工中应用多角度施工技术的成功典范,已被贵州格立桥水电站和和贵州其他隧洞工程借鉴与推广。
通过贵州大花水电站不良地质洞段的开挖支护措施,我们认识到,在喀斯特地貌溶岩地区典型碳质泥岩夹煤层和大型塌方冒顶伴随瓦斯的高危洞段,只有采取具有针对性和可靠性的施工方法,严格控制工序过程质量,才能达到隧洞稳定和施工安全的目的。
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- 大花水 水电站 引水 隧洞 开挖 支护