复杂地质条件下平洞开挖施工技术浅谈

复杂地质条件下洞挖施工技术浅析复杂地质条件下洞挖施工技术浅析 摘要摘要 在水利水电洞室开挖中施工中 经常会遇到各种特殊的地质地层段 本文以 甘肃省洮河上的莲麓一级水电站为例 针对左岸二叠系棕红色 肉红色的泥质灰岩 姜黄 色碎裂结构的灰岩 岩体中微裂隙极其发育 将岩体切割成棱形块体 偶见有沿洞四周伸 展的裂隙 充填岩屑及泥质物 偶见有溶隙 溶孔 充填泥质物 形状不规则 连通性差 的地质情况以及右岸以浅姜黄色断层角砾岩 碎裂岩 压碎岩 糜棱岩 以粒状 碎渣状 为主的地质情况下隧洞开挖支护采取的措施 可供类似地质情况下洞挖施工借鉴和参考 关键词关键词 复杂地质 洞挖 技术 在水利水电施工中 隧洞施工工程项目不同 遇到的地质情况 也是不同的 洞挖施工方法将会不同 对于地质情况较差的 围岩及特殊地质地层段的洞挖施工方法更为不同 现就已施工过的 工程项目进行浅析 1 莲麓一级水电站左右岸灌浆平洞工程情况概述 工程区位于甘肃省西南部渭源 康乐交界处的洮河干流九 甸 峡 海 甸峡 河段上 为无调节河床式水电站 工程区地理坐 标东径 103 49 103 52 北纬 34 56 35 00 以洮河为界 左岸 行政隶属康乐县莲麓乡管辖 右岸属渭源县峡城乡管辖 电站距上 游九甸峡水电站厂房约 6 0km 下游距莲麓二级 峡城 水电站约 5 1km 工程区北距兰州市约 178km 现有九甸峡水利枢纽专用公路 相通 对外交通十分方便 莲麓一级水电站工程主要以发电为主 正常蓄水位 2067 0m 库容 800 14 万 m3 总装机容量 66MW 3 22MW 属中型 III 等 工程 主要建筑物为 3 级 临时建筑物为 5 级 左岸灌浆平洞位于左坝肩坝左 0 100 22 坝左 0 134 72 总长 34 5m 其中坝左 0 100 22 坝左 0 104 22 为浇筑高位水池时下部结 构作为明拱段 长度为 4 0m 剩余部位需要在左坝肩岩石内开凿成 城门洞 型 开挖断面尺寸为 3 4 4 5m 宽 高 断面面积 14 435m2 右岸灌浆平洞位于右坝肩 总长为 37 0m 其中明洞长 度为 16 0m 采取现浇砼 内部净尺寸为 4 0 5 2m 宽 高 开挖 隧洞断面分两种形式 I 型隧洞断面开挖尺寸为 5 3 6 6m 宽 高 断面面积 31 935m2 支护完成后的隧洞断面尺寸为 4 0 5 2m 宽 高 II 型隧洞断面开挖尺寸为 3 6 4 55m 宽 高 断面面积 15 0m2 支护完成后的隧洞断面尺寸为 2 5 3 5m 宽 高 支护完成后底板高程为 2068 50m 2 工程 工程地质条件 1 左岸 坝址位于柳林沟逆断层 F4 与磨沟 宗石平移逆断层 F5 之间的三角区地带 F4 断层产状 NW290 310 SW 65 80 F5 断层产状 NW315 335 NE 65 75 两断层的交汇点位于坝址 上游的柳林村北 距坝线 0 9km 受两断层的挤压 推覆影响 坝址区岩 层的小型拖曳褶曲和次一级断裂构造比较发育 主要有 F23 F30 等 次一级断层 在技施开挖揭露范围内未发现上覆块碎石土层和阶地 堆积层被上述断层断错的形迹 均属于第四纪晚期以前断层 根据勘探平洞资料 坝线左岸泥质灰岩地层中 有岩溶形成的 小溶洞 溶孔和溶隙 多沿构造及卸荷裂隙交汇带发育 岸坡溶洞和 溶孔以垂直和斜坡向为主 水平向次之 并多为粉质壤土 粘土充 填或半充填 河床左侧泥质灰岩的溶洞 孔 内粉质粘土充填较好 连通性较差 根据坝线枢纽区砖红色泥质灰岩 浅肉红色灰岩的物理力学性 质的试验成果 结合坝基岩体受风化 构造挤压后的破碎程度 按 水 利水电工程地质勘察规范 GB50287 99 坝基岩体工程地质分类 标准规定 左坝肩岩体属于中硬岩 B 类岩体 左岸灌浆平洞根据开挖揭露 隧洞围岩为二叠系棕红色 肉 红色的泥质灰岩 姜黄色碎裂结构的灰岩 岩体中微裂隙极其发育 将岩体切割成棱形块体 偶见有沿洞四周伸展的裂隙 充填岩屑及 泥质物 偶见有溶隙 溶孔 充填泥质物 形状不规则 连通性差 在洞顶 侧壁局部塌落 掉块 洞顶塌落深度超过设计开挖线 0 6 1 0m 目前掌子面上岩性以碎裂结构的灰岩为主 经过爆破后 岩体呈松散的岩渣 但结构比较密实 根据 水利水电工程地质勘 察规范 GB50487 2008 附录 N 可划分为 类围岩 围岩的自稳 时间短 可能发生较大规模的各种变形和破坏 2 右岸 右岸原勘探资料 上部为阶地冲洪积砂卵砾石 坡积块碎石土 厚度不等 结构松散 基底以右岸 F5 断层为界 西侧为二叠系上统 P2 褐紫色泥质灰岩 肉红色 灰白色灰岩 紫红色及灰绿色粉 砂岩的夹层组合 岩层呈一背斜和向斜构造 与坝线呈 62 82 角相 交 东侧为三迭系中统 T2 厚层灰岩夹薄层砂岩 粉砂岩 岩层 单斜倾向坡内 与坝线呈 62 82 交角 根据右岸灌浆平洞开挖揭露洞内岩性 洞 0 026 3 洞 0 029 7 段为坡积块 碎石土 结构松散 根据 水利水电工程地质勘察规 范 GB50487 2008 附录 N 可划分为极不稳定的 类围岩 洞 0 029 7 洞 0 050 段为三叠系灰黄色变质砂岩 青灰色含粉砂泥钙 质板岩夹细砂岩 岩性软弱 微裂隙发育 层面清晰可见 单层厚 度 0 05 0 23m 岩体的产状 NW348 NE 50 岩层走向与洞轴 线夹角约 50 洞子下右侧最大超挖 0 8 m 存在片帮 掉块现象 根据 水利水电工程地质勘察规范 GB50487 2008 附录 N 可划 分为 类围岩 在进洞掌子面上上部为三叠系基岩 下部为 F5 断层 破碎带 呈现浅姜黄色断层角砾岩 碎裂岩 压碎岩 糜棱岩 以 粒状 碎渣状为主 见图 1 图图 1 3 施工方法 针对上述地质情况 左右岸平洞采取了不同的开挖方法 3 1 左岸平洞 左岸平洞 右岸边坡 地质图片 针对左岸岩石情况 指定的相应方案为 对洞口开口线以上的 岩石边坡进行素喷砼 以保证开口线以上岩石不会出现坍塌和滚石 现象 进洞前锁口采用 大管棚加锁口锚杆 结合的方式进行施工 进洞后采用 小管棚加短进尺加及时 密支护加系统锚杆 随机锚 杆的方法进行施工 进入新鲜岩石后采用常规洞挖施工 3 1 1 施工程序流程 施工程序为 施工准备 支撑 加固钢拱架 钻孔 顶进钢管棚 清孔 注浆管路检查 注浆 进入下道工序 工艺流程 管棚施工工艺流程图 准备工作 1 制作钢花 管 2 安放钢拱 架 钻 孔 顶进钢管棚 清 孔 注浆管路连接 结 束 压力流量 达到要求 注浆管路检查 注 浆拌 浆 是 否 3 1 2 进洞前锁口施工方法 首先在洞口开口线以上的岩石边坡素喷砼完成后 搭设造孔和 注浆平台 同时进行大管棚钢管和钢拱架的制作 大管棚制作采用 外径 48mm 壁厚 3 5mm 长度 3m 钢管上采用台钻钻注浆孔扩散 孔 孔径 5 10mm 孔间距 20cm 呈梅花型布置 尾部留不钻孔 的止浆段 100cm 支护加固钢拱架的制作采用 18 工字钢制作的钢 拱架在制作平台上进行加工 圆弧段与直段的连接采用连接板现场 焊接 造孔平台形成以后 测量人员现场放线 大管棚和锁扣锚杆 沿圆拱段 180 范围交错布置 管棚和锁口锚杆环向间距均为 50cm 锚杆采用 25 螺纹钢 造孔采用 TY 28 型气腿式手风钻 管 棚钻孔直径不小 60mm 钻机定位 锁口锚杆钻孔直径不小于 40mm 钻孔方向与洞轴线平行 上仰倾角为 1 3 且不大于 5 拱拱拱 拱拱 拱拱拱 拱拱拱 拱拱拱 注浆孔口管应牢固焊接在第一品工字钢支撑上 钢拱架安设的平面 位置 倾角 外插角的准确度将直接影响管棚钻孔的质量 应用测 量仪以坐标法在工字钢架上定出其平面位置 用水准尺配合坡度尺 设定孔口管的倾角 用前后差距法设定孔口管的外插角 钢管顶进 到位后 用小木楔在钢管与围岩壁楔紧 再用防水胶泥 锚固剂 将空隙封闭住 注浆孔口与注浆泵之间用橡胶软管相连 两端用 8 铅丝绑扎固定 以上工作完成以后 对管棚进行清孔 注浆 考虑 岩石情况 注浆初始压力为 0 2MPa 终压采用 0 5MPa 终压值参 数根据实际情况适当调整 单根钢花管的注浆量按下式估算 Q Rk2L 式中 Q 注浆量 Rk 浆液扩散半径 取 Rk 0 6Lo Lo 为钢花管中中至中的距离 L 钢花管长度 空隙 率 断层破碎带 5 Q 0 04m3 水泥浆液水灰比 1 1 重量比 锚杆安装好以后注浆的浆液比例为水泥 砂 1 1 1 2 重量比 水泥 水 1 0 38 1 0 45 注浆用的浆液由高速制浆机拌制 采用注浆机将水泥浆注入管棚钢 管内 注浆量达到设计注浆量或达到终压 0 5MPa 后可停止注浆 将 注浆机闸阀关闭 卸下进浆管 弯折后固定于注浆孔部位 进入下 一循环 洞脸的大管棚及锁口工作完成后 按常规方法进行洞进口明拱 段砼施工 明拱段砼施工模板采用满堂脚手架 自制拱架以及标准 3015 和 1015 钢组合模板 砼运输采用砼罐车 入仓采用 HB60 砼泵 待砼强度达到要求后 拆除脚手架和模板 开始进行进洞开挖 洞 挖钻孔采用 TY 28 型气腿式手风钻钻孔 中间菱形单空孔掏槽 周 边光面爆破 全断面开挖一次成洞的施工方法 出渣采用装载机运 至洞外坝顶 装到 15t 自卸汽车运至弃渣场 在第一次洞口进尺时 控制进尺为 0 8 1 0m 第二循环开挖增加进尺至 1 2m 进洞至 10m 后 控制每循环进尺在 1 8m 2 0m 左右 施工中由于岩石破碎 为 保证每个循环开挖后岩石的稳定和安全 在进行下一个循环施工前 先安装超前锚杆 锚杆为 25 螺纹钢 采用 TY 28 手风钻造孔 与 坝轴线呈 7 夹角 孔深为 3 0m 锚杆间距为 20 30cm 同时在每 个循环钻爆出渣完成后立即进行拱架支护 挂网喷锚 由于岩石非 常破碎 钢拱架的安装间距采用 40cm 严格保证开挖工程中的安全 问题 待钢拱架安装完成后 用直径 22 螺纹钢将钢拱架连接牢靠 间距布置 50cm 特殊部位还采取了钢管与钢拱架 岩石间的支撑加 固方式 连接钢筋安装完成后 进行系统锚杆和随机锚杆的施工 常规手风钻造孔 锚杆安装 水泥药卷充填 在此不做细说 锚杆 施工完成后 进行挂网 喷砼施工 挂网钢筋 6 5 盘条 喷砼为 C20 15cm 厚 全断面喷护 见图 2 图图 2 右岸平洞支护后图片右岸平洞支护后图片 3 2 右岸平洞 右岸平洞 考虑右岸平洞进口有 8 米位于坡积体上 要处理边坡 工程量 非常之大 工期非常长 为了尽早施工 与设计单位商定 右岸平 洞两部分 也就分为两种不同断面 I 型隧洞的断面尺寸必须满足进 洞后底板固结灌浆要求 跟管钻机造孔 II 型洞与左岸平洞尺寸一 致 3 2 1 I 型隧洞施工 考虑 I 型隧洞位于坡积体上的 首先进行边坡坡脚清理 然后 进行砼洞脸浇筑 浇筑厚度为 1 5m 1 8m 城门洞型 在浇筑前 在 顶拱 180 范围内开挖线以外 60cm 预埋 Dg100 钢管 钢管长度 1 5 1 8m 砼浇筑采用砼泵 砼模板拆除以后进行坡积体上的超前 固结灌浆施工见图 3 水平孔的造孔施工 采取在洞脸砼上预埋钢 管确定孔位 直接用履带液压钻机打孔 设计孔深 8m 无需采用 其他设备 出现塌孔现象的处理办法即提前灌浆 待凝后继续钻进 灌浆 超前固结孔共布置了 38 个孔 图图 3 超前固结灌浆造孔图超前固结灌浆造孔图 超前固结工作完成以后进行进洞开挖 洞挖采取短进尺施工 开挖采用小反铲与人工共同开挖的方法 详见图 4 局部孤石可采 用小范围解爆的措施 一榀钢拱架的安装即为一个开挖进尺 支护 采用 18 工字钢制作钢拱架 间距 30 40cm 采用在钢拱架上打孔 孔眼直径满足钢架管要求即可 在顶拱 180 范围内 布满用钢管 制作而成的小管棚 间距为 20cm 一个循环施工完成后 立即视现 场情况进行随机锚杆的施工 挂网 喷砼施工过程同左岸施工工艺 开挖完成至 8m 进入较好的基岩 即进入 II 型断面 图图 4 反铲开挖图反铲开挖图 3 2 1 II 型隧洞施工 II 型洞的开挖相对平稳 采取了常规洞子的开挖施工 即手风 钻打孔 周边光爆 中部掏槽 开挖进尺在 1 8m 2m 间 一个循环 进行了钢拱架安装 间距 60cm 系统锚杆与随机锚杆的施工 挂网 钢筋 6 5mm 喷砼 C20 全断面 15cm 的方法 4 特殊情况处理 主要为冒顶施工处理 特殊情况处理 主要为冒顶施工处理 在左岸开挖的过程中 在洞口位置 按原设计施工时 出现冒 顶详见图 5 开天窗的情况发生 天窗位置约为进尺距离 6m 左右 5m 高程方向约为 20m 已安装完成的钢拱架被砸坏 3 榀 采取的 施工方法为 首先对已安装的 3 榀钢拱架进行加固处理 处理办法为 利用钢管 对钢拱架进行加固 钢管一端与钢拱架焊接 另外一段抵到岩石面 上 然后人工配合装载机将洞内坍塌的碎石清理干净 包括平洞上方的 坍塌石渣 边坡上有松动的小岩石块 视其稳定程度 集中进行清 理 清理出来的石渣利用坝顶门机吊渣斗直接卸入自卸汽车内 待 全部松