王文学

(中国水利水电第五工程局有限公司 一分局,四川成都 610065)

1 概 述

狮子坪水电站位于四川省阿坝藏族、羌族自治州理县境内岷江右岸一级支流杂谷脑河上,是杂谷脑河梯级水电开发的龙头水库电站,水库总库容 1.353亿 m3,调节库容 1.189亿 m3,具有不完全年调节能力。电站装机容量为 195 M W,为单一发电工程。主要建筑物包括导流(放空)隧洞、泄洪隧洞、发电引水隧洞、调压井、压力管道和地下厂房系统。引水隧洞位于杂谷脑河右岸,全长 18.713 k m,断面形式为马蹄型和圆形两种,主要为Ⅳ类围岩,有少量Ⅲ类围岩和Ⅴ类围岩。

2 塌方情况及成因分析

2.1 塌方情况

隧洞开挖至桩号 13+058处发生塌方,随后采取了格栅拱架的支护措施。由于在支护过程中洞顶不断掉块,施工人员的安全得不到保证,格栅拱架支撑到 13+060时即停止,持续掉块的状态延续了近 2个月,塌方一直延伸至 13+066处,13+058～13+060段的格栅拱架也被压垮。塌方块体充填了整个断面并封闭了塌腔,据施工人员粗略测量,自左拱角至右边墙形成一高度约 10 m的塌腔,为一大型塌方。塌方纵剖面情况见图 1。

2.2 塌方成因分析

经业主、设代、监理和施工单位四方联合进行多次现场调查分析后认为隧洞塌方主要是由不良地质因素引起的。该塌方段地层岩性为炭质板岩、炭质千枚岩,岩性软,层间结合差;岩层总体产状为 N 80°E/S W∠45°,洞轴线沿水流的方向为143°,岩层倾下游,偏内侧;该段发育一顺层面的挤压性断层破碎带,主错带宽约 4 m,破碎带物质为碎裂岩、糜梭角砾、石英团块等,大部分呈碎块状,岩体稳定性很差,判定围岩类别为Ⅴ类。

图 1 塌方纵剖面示意图

3 塌方处理方案及措施

3.1 塌方段处理方案一:大管棚法施工

3.1.1 支护型式

临时支护采用“管棚 +钢拱架 +系统锚杆 +钢纤维喷射混凝土支护”的方法。支护工艺流程:管棚施工——钢拱架架立——系统锚杆——20㎝厚钢纤维喷射混凝土。

管棚参数:管棚布置在拱部 180°范围内,管棚间距为 0.4 m,布置 37根,管棚与洞壁夹角控制在 5°～8°,每根管棚长 15 m,均采用 φ 114 ×6热轧无缝钢管,每根管棚由三节组成,每节长 5 m,中间用 150 m m丝扣连接。钢管内放置等长度的 3×φ 22钢筋束做加强筋,钢筋束侧布置一根 φ 25 P V C注浆管,钢筋束布置情况见图 2。管内的加强筋接头采用对焊焊接,在管壁上钻孔,直径 20 m m,梅花形布置,孔与孔间距为 200 m m。

图 2 钢筋束布置图

灌浆参数:采用加水玻璃的水泥浆液灌注,注浆初压力为 0.5～1 M P a,终压力力为 2～2.5 M P a,注浆半径不小于 1 m。注浆结束后用 M 10水泥砂浆充填管口及管周围的空隙。

钢拱架的主要参数:钢拱架采用 I 20工宇钢制作,间距 0.5 m。每榀钢架底角各设 φ 22、L=3 m的锚杆。相邻钢架用 φ 22钢筋焊接,间距 1 m,每圈 20根。每榀格栅钢架分 4个单元,单元间用钢板绑焊连接,钢板规格为 A 3、δ=10 m m。

系统锚杆:采用 φ 25钢筋,L=4 m锚杆,间排距 1.5 m×1.5 m,梅花型布置。

钢纤维喷射 C 20混凝土厚 20 c m。

管棚端部应与格栅钢架焊接,使钢架与管棚共同形成棚架支护体系。止浆墙采用钢纤维喷混凝土,混凝土厚 20 c m。

3.1.2 管棚施工工艺

(1)管棚施工顺序。

首先对塌方部位的掌子面采用 C 20混凝土全断面喷护封闭,厚度为 10 c m,然后架设工作平台,测量放样确定管棚的位置,架设钻机。钻孔施工采用高压风清管,置入加强钢筋及灌浆管、注浆,清拆工作面转入开挖及支护施工程序。

(2)施工程序说明。

封闭整个工作面的目的是使整个掌子面形成一个封闭状态,确保灌浆部位的密实度,防止灌浆时浆液窜浆至掌子面外而达不到预期的目的。由于该段垮塌松散体夹杂有大小不均的各类岩石,且岩石的可钻性在 5～6之间,因此,直接钻孔后再放至管棚这种施工工艺无法实施,故采用 φ 110偏心锤跟进管边钻孔、边放置管棚的施工工艺予以完成,管棚钻孔达到设计深度后退出,将管内碎石、粉尘用高压风消除,然后置入加强钢筋及灌浆管于钢管中,最后用止浆阀封孔灌浆,使管栅圆周50 c m范围内达到固结。

3.2 塌方处理方案二:超前小导管法施工

3.2.1 施工程序(图 3)

图 3 施工程序图

3.2.2 施工方法

(1)打超前小导管,结合超前锚杆进行预固结灌浆。

采用超前小导管边钻、边灌浆的施工方法,超前小导管选用 φ 48有孔钢管,长度 L=4 m、6 m,环向间距为 30 c m,外仰角为 5°～8°,搭接长度不小于 1.5 m。加强钢筋规格为 φ 25钢筋,长度L=4 m、6 m。

(2)人工开挖上台阶并架设上台阶拱支撑。

采用人工凿挖法开挖,上台阶预留土心以便施工,循环进尺控制在 1 m之内 ,拱支撑采用 I 20工字钢制作,拱支撑的中心间距为 0.5 m;工字钢架设时要将两榀拱支撑焊缝焊好,并用 2 c m厚的连接板加强连接;拱支撑安装到位后及时焊接φ 25、环向间距为 50 c m的连接筋。

(3)下台阶开挖、摆设竖立撑。

仍然采用人工凿挖法开挖,遇到大孤石时放小炮,每循环进尺不超过 1 m。拱支撑采用I 20工字钢制作,工字钢间距与上台阶顶拱的工宇钢间距一致,焊接牢固;竖支撑安装连接后,仍采用φ 25钢筋将其连接成一个整体。

(4)打锁脚锚杆、挂网、喷混凝土。

普通径向锁脚锚杆在一定程度上起固定拱脚的作用,选用 φ 25钢筋,长度一般控制在 3 m以内,将露出部分的长度控制在 20～30 c m,并将露出部分与型钢的拱脚焊接牢固。网片采用 φ 6.5钢筋制作,间距@20 c m×20 c m,钢筋网应铺设在纵向连接筋与岩面之间,与围岩的间隙不大于 5 c m,同时将钢筋网通过焊接与型钢连接为整体。混凝土喷护厚度为 20 c m,喷射混凝土面必须保证平整,最好将整个第一次支护的受力骨架覆盖,使第一次支护形成一个受力整体。

4 塌方处理方案的比较及选择

施工造价比较:如果采用大管棚法施工,每进尺一延米造价约 3万元;采用超前小导管法施工,每进尺一延米造价约 1.5～2万元。

从施工难度考虑,采用大管棚法施工需要大型设备。因钻机工作平台为洞渣填筑,其顶部渗水较严重,钻机在斜坡上就位困难,钻孔方向不易控制,洞渣在钻机振动力作用下产生下沉现象,加之塌方体内岩性软硬不一,体内被埋的格栅钢架对钻进影响较大。致使钻头和套管经常被卡,施工难度较大;采用超前小导管法施工不需要大型设备,可以及时组织材料、人员进行施工,基本不存在造孔难、钻孔方向不易控制的问题。

通过上述比较得知,超前小导管法的优点显而易见。具体实施过程中,用浅孔、小炮分区进行,导洞高度约为 3.5～4 m,顶部采用超前锚杆、注浆小导管或灌浆固结支护,型钢支撑跟进支护,待导洞通过塌方段后再进行下部开挖,并将该部分型钢与上半部分焊接牢固。

5 施工效果的分析与评价

由于该工程塌方段工程地质条件差、成洞困难,采用超前小导管法施工,钢拱架与喷锚网喷构成了纵、横向整体的支护体系,阻止和限制了围岩变形,被加固的围岩与支护共同受力,从而进一步提高了“围岩——支护体系”的承载能力。施工过程中未发现工宇钢支撑发生变形,进展较为顺利,共计 31 d即完成了整个塌方段的处理,至目前为止未见任何异常情况,效果较为理想。