沙沱水电站灌浆隧洞开挖不良段处理施工技术

沙沱水电站灌浆隧洞开挖不良段处理施工技术秦领军[摘要]在隧洞开挖中出现不良地质段是比较普遍的现象，最重要的是如何制定合理、有效的处理办法，保证施工作业人员的安全。下文就针对沙沱水电站左岸371灌浆隧洞开挖施工中出现的一些不良地质段的处理技术，进行详细的阐述，旨在对隧洞开挖不良地质的处理技术进行交流学习。[关键词]灌浆隧洞开挖不良段处理技术一、工程概况1、概述沙沱水电站水库正常蓄水位265.00m，相应库容7.70亿m2，总库容9.10亿m2，其中，防洪库容2.09亿m2，调节库容2.87亿m2，属日调节水库；电站装机1120MW，多年平均发电量45.52亿kW•h；通航建筑物按四级航道设计，过坝船舶吨位500t级，年过坝能力为220万t，大坝防洪标准按500年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核；枢纽由碾压混凝土重力坝、坝身溢流表孔、左岸引水坝段、坝后厂房及右岸垂直升船机等建筑物组成。2、灌浆隧洞设计根据沙沱水电站前期勘探等数据，该电站的防渗共分三部分，即由左右岸坝肩及大坝廊道防渗体共同组成。廓道主要穿过的地层为O1m1﹑O1h﹑O1t2-2﹑O1t2-2﹑O1t2-1﹑O1t1，主要发育有F2﹑F8﹑F9﹑f22﹑f19﹑F2断层。左岸371灌浆隧洞底高程为大坝高程，隧洞上部覆盖层薄，最薄处仅为13m。隧洞实际开挖洞身全长840m，开挖断面宽、高为4m、4.9m。支护方式为一期支护和部分地段衬砌混凝土。洞室围岩类型主要为Ⅳ、Ⅱ类岩石。衬砌完后进行回填、固结、帷幕灌浆防渗处理工作。3、水文地质条件沙沱坝址以上多年平均降水量为1091mm。降水年内分配很不均匀，5～8月降水量占全年的58.1%，4～10月降水量占全年的85.1%。年内各月降水占全年的百分比以6月分的比重最大，为17.4%。全年降水量见表1-1。表1-1沙沱坝址以上流域多年平均降水量表项目1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年降水量(mm)24.024.040.499.2162.7189.6148.4122.0102.691.651.222.91091.0占全年(%)2.22.22.79.115.017.412.612.19.58.44.72.1100坝址区出露基岩为奥陶系桐梓组（O1t）至志留系龙马溪群（S1Ln）地层，岩性包括灰岩、白云质灰岩、泥灰岩、页岩、砂岩等，沉积韵律明显。第四系零星分布，以残坡积、冲积层为主，坝址两岸Ⅰ级阶地位置地下水位低平，反映其溶蚀发育，地下水排泄畅通。暴雨后两岸边沿溶洞、溶蚀裂隙、平硐有多处出水点。二、隧洞开挖方案综述（1）本灌浆隧洞施工，因洞挖的断面尺寸较小，为了避免施工相互干扰，开挖和一期支护交叉进行，混凝土衬砌在开挖及一期支护全部完成后进行；（2）隧洞的开挖作业，采用“新奥法”施工，光面爆破，及时支护；（3）洞室开挖采用人工钻孔、全断面开挖；（4）洞室支护紧随隧洞开挖进度及时进行分段施工，与隧洞开挖平行交叉作业。根据设计图纸要求和现场实际地质情况采用挂网喷混凝土、注浆锚杆等支护方式。三、不良地质段揭露形式及处理施工技术1、桩号0+270～0+275段揭露形式：该段属于岩溶发育地段，从开挖断面出揭露情况判断，受岩溶系统发育影响，上部及左侧岩石破碎，右侧边墙出露了一垂直发育岩溶管道，有渗水，作连通性试验，管道内积水不能充满，可能与河床相通。岩石主要为灰岩，破碎，裂隙发育不规则。施工方法：（1）对两侧及顶部松动岩块进行排除；（2）按设计要求进行混凝土喷锚，进行初步加固；（3）在设计好的工字钢安装位置环边墙进行锚杆孔钻孔，安装固定锚杆；在顶部要钻设超前锚杆，对未开挖部进行锁固；（4）将洞外制作好的20b工字钢运至洞内，进行安装，间距为0.6m，中间加横向筋加固；纵向与已安装好的锚杆进行焊接。（5）在已安装的工字钢支撑顶部摆放木板，最好是回填块石；岩溶管道设计开挖线连接钢筋¦µ3220b工字钢工字钢固定锚杆：¦µ22@回填木板3cm厚桩号0+270～0+275段（6）对右侧的空腔区堆砌50cm厚的浆砌石，直到上部未脱空部位；（7）对已进行的钢支撑进行喷射混凝土，进行第二次加固，便于钢支撑与岩壁形成整体。竹跳板安装铺设应在工字钢安装完3榀之后即可安装，可以使作业人始终在有保护状态下作业。（8）在超拱处钻设部分排水孔，排除上部积水，降低上部的压力。2、桩号0+286～0+296段揭露形式：该部位在开挖过程中暴露出来，当时在放完一轮爆之后，就不断垮塌，垮塌物多为黏土夹有部分块石。待出渣过后，洞顶揭露为较大的岩溶空腔，内部为坍塌的黏土及块石充填，左侧及顶部为完整的有限空腔，右侧有不稳定岩块，右侧有渗水。施工方法：（1）根据塌方区域判断，上部为原始岩壁，相对稳定。总体思路采用20b工字钢进行支护，两边墙回填浆砌石至起拱处，最后进行全断面喷射混凝土。（2）将洞外制作完成的工字钢运至洞内，进行安装，间距为0.5m，横向采用双层加强筋焊接或是采用工字钢焊接。（3）在位于左侧边墙处钻设固定锚杆，锚杆入深至少1.5m，外侧与安装的工字钢进行焊接。（4）工字钢安装以3榀为一组，安装后进行顶部铺设木板或是钢筋网片，如果条件及资源允许，最好是在木板下部铺设钢筋网片。木板的处好可使上部掉块软着落，避免直接冲击。但是不易于喷射混凝土形成有效整体。工字钢固定锚杆：¦µ22@设计线实际开挖线回填竹跳板20b钢支撑,榀间距1.0m桩号0+286～0+296段（5）顶部支护完成后，在工字钢与边墙之间砌筑浆砌石，使浆砌有利石与钢支撑形成整体受力。（6）对已完成的钢支护及浆砌石面，进行混凝土喷射，进一步加强顶部及两边的抗压强度。（7）依此循环进行，直至对塌空面支护完成。（8）考虑到上部临空面较大，加固范围应延伸至完整面以内至少1.5m，且在完整面上部安装钢支撑，并应在全断面内钻设锚杆与钢支撑焊接。（9）同样应施工排水孔，降低上部压力，避免积水对松软岩块的侵蚀作用。3、桩号0+325～0+440段揭露形式：该部位设计开挖断面为B断面，按设计图纸要求，本段不进行任何支护，但在开挖完成后，此部分与设计有出入，部分地段岩石为层状灰质页岩，易风化，剥落。因开挖隧洞为灌浆隧洞，洞内还需进行施工作业，为保证作业人员安全，针对此种情况，提出了加固方案。施工方法：（1）增设系统锚杆，锚杆设计参照主合同A型断面锚杆进行布置，锚杆长3m，入岩2.9m，外露0.1m。（2）岩洞壁铺设钢筋网，间距为20*20cm。（3）喷射C20混凝土，厚度10cm。（4）在局部渗水部位应钻设排水孔。4、桩号0+651～0+655段揭露形式：该部位揭露地质情况为，两边墙岩石完整，顶部破碎。顶部岩层破碎且夹有黏土，时有掉块，但不会大面积坍塌。主要是从保证作业人员安全考虑进行有效加固。施工方法：（1）先对出露面喷射一道C20混凝土，对破碎面进行初步加固；作业时要有专人指挥，随时观察顶部喷射混凝土的变化情况；桩号0+325～0+440段（2）顶部增加随机锚杆和系统锚杆，入岩深度可根据钻孔情况确定，但至少不少于3m，钻设角度为45°～60°，锚杆呈梅花型布置；（3）制作安装钢筋肋，主要是把钢筋切割成长30cm左右，按照岩壁的平整程度及钻设的锚杆进行焊接，本处使用的钢筋型号为Φ22螺纹钢。（4）待钢筋肋制作焊接完成后，再对该区域进行C20混凝土喷射，厚度10cm。必要时还可适当加厚，但应保证原有的设计断面不变或提前征得监理、设计、建设单位的同意。5、桩号0+823～0+828段揭露形式：该不良地质段是在放完一轮爆之后，发现有部分破碎，在施工完第二轮爆之后，发现不断垮塌，垮塌物为块石、黏土，块石最大有2吨多，当时掌子面已全部被垮塌物封堵，待出渣过后，揭露一因塌方形成的大型空腔。洞内靠左侧有渗水，但不大。经现场观察，桩号0+823以里为完整的灰岩，塌方处为泥夹石，岩壁不规则，且不断有掉块下来，为此，断定该部位是受地质构造影响，是属上盘下降形成的正断层。此空腔上部大，下部小，根据出渣记录，总的是垮塌物约为700方。施工方法：（1）首先要对不良地质进行地质判断，确定是何种原因形成，另要观察塌方物为软质还是硬质。因形成原因不同，塌方物岩性不同，处理方法亦不同。（2）针对此处是受构造运动形成的断层带且塌方物为黏土夹块石，不亦采用管棚法，黏土导致浆液无法扩散或是扩散效果不好，从而无法在塌方体形成有效加固体。（3）通过以上分析，确定该部位的基本处理思路为：“堵头封堵，回填混凝土、短进尺、弱爆破开挖，强支护”。（4）塌空区比较大，先对靠近临空面进行加固。加固方法采用钢支撑，间距0.5m，再进行喷射C20混凝土。（5）在完成的岩壁及临空面间浇筑厚1m的混凝土墙作为堵头，随着堵头上升，不断在塌空区回填废木条及稻草。回填物高度不超过设计开挖线。回填物的作用可以减少掏心区施工的困难。（6）在浇筑堵头时，应预埋泵管，泵管埋设至少要保证两根，一可以起到排气作用，二可以作为备用，三还可以使混凝土扩散更大。泵管延伸至临空面的高度应为开挖线以上3米，保证浇筑混凝土有足够的厚度，提高顶部的受压强度。（7）回填混凝土，混凝土要求为高流态，自密式混凝土，此处回填为C15混凝土。混凝土输送采用HBTA60泵。（8）待回填混凝土达到初凝时，应在环底拱边墙钻设锚杆，锚杆长度根据塌空区域及设备性能，此处设计为砂浆锚杆，锚杆长度6m。与回填混凝土形成有效整体，提高回填混凝土的抗拉、抗压强度。（9）实施堵头及塌空区内的开挖，开挖采用“短进尺、弱爆破”，每一轮开挖长度控制在1m左右。（10）开挖出渣后，即刻进行支护跟进，支护采用20b工字钢，间距0.5m，工字钢之间采用双层筋加固。（11）支护完成后进行C20混凝土喷射，提高支护强度。由于底部岩体软弱，固在一定的钢支撑形成后，底部应沿钢支撑部位浇筑50cm厚的混凝土，防止钢支撑下沉。（12）依此循环，直至穿过此塌空区。（13）在两边墙超拱处，钻设排水孔，排除回填混凝土封闭后形成的积水。钢支撑加固示意图处理剖面图处理平面图塌方后形成断面图废木条及稻草填充物地质说明：该段为黄绿、灰绿色页岩夹粉砂岩，下部泥质灰岩、灰岩与页岩互层,遇水泥化。实际塌空线左帷0+820回填C15混凝土脱落空腔边线设计顶拱线Φ22抗拉锚杆开挖底板线边墙顶线C20设计衬砌混凝土1m厚C10混凝土回填C15混凝土废木条及稻草填充物1m厚C10混凝土C20设计衬砌混凝土Φ22抗拉锚杆桩号左帷0+822左帷0+823左帷0+829左帷0+825.5左帷0+825.5左帷0+829左帷0+823左帷0+822桩号左帷0+820预埋混凝土泵管理边墙钢支撑连接实际开挖线20b工字钢20b工字钢钢支撑连接筋（φ20@30cm）6、桩号0+828～0+865段揭露形式：该段受地质构造运动影响，上盘下降形成的岩体。岩体为黄绿、灰绿色页岩夹粉砂岩，下部泥质灰岩、灰岩与页岩互层,泥质页岩遇水泥化，具有塑性。在部分地段有渗水，在水力作用下，顶部及边墙不断垮塌，在开挖底板高程仍为同样的岩体。施工方法：施工方法：（1）针对此种情况，如在该地层预灌浆，效果不是很理想，经过分析，在此处是采用超前锚杆固定，边开挖边支护的方法进行。（2）在已采用工字钢加固的部位钻设超前锚杆，锚杆长度控制在4.5m左右，顶拱锚杆是在工字钢中间打眼儿，锚杆从工字钢中预留的孔中穿过，钻设在待要开挖的岩体中。两边墙亦同样存在坍塌，固边墙两侧仍需钻设超前锚杆。（3）在超前锚杆的固壁作用下，采用短进尺、弱爆破开挖，每轮开挖长度控制在1m左右。（4）将洞外制作好的20b工字钢运至掌子面进行安装，间距控制在0.5m左右。且新安装的工字钢要预留有锚杆孔，方便钻设超前锚杆与工字钢连接成整体。（5）因顶部不断在坍塌，为此，在工字钢架设安装完成后，就在顶拱钢支撑上部铺设一条废木条，防止土体坍塌，引起上部不稳定。（6）因底板处仍为泥质页岩，遇水泥化，防止已安装的钢支撑承受过大压力，整体下陷。在钢支撑安装2～3榀后，就对两边墙处的钢支撑底角进行浇筑0.5m高混凝土加固（7）对已安装的钢支撑全断面喷射C20