复杂地质条件下引水式电站蝶阀室开挖技术

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国水利水电第十一工程局有限公司 作者:袁旭锋

  引水式电站的蝶阀室开挖一般经过交通洞进入阀室的底部,由底部向上部开挖,在复杂地质条件下,此类施工的安全控制尤为重要,文中通过古学水电站蝶阀室的施工,来阐述类似强风化板岩、岩体破碎夹泥、溶蚀现象明显的地质条件下,蝶阀室上部顶拱开挖爆破控制和安全临时支护的施工技术,对类似工程施工具有参考价值。

一、工程概况

  蝶阀室垂直于压力管道方向布置,开挖断面为城门型,开挖尺寸为17.5×8.3×18.1m(长×宽×高),如图1 所示。

蝶阀室结构图

图1 蝶阀室结构图

  蝶阀室埋深100~120m,EL2226 高程以下出露地层岩性为三迭系中统曲嘎寺组第一段(T2q1)灰色灰岩、角砾状灰岩夹少量砂质钙质板岩,岩层产状320/NE∠55;岩体新鲜完整,较坚硬,稳定性好。EL2226 高程以上围岩为水平状层状板岩,岩体强风化且破碎夹泥,溶蚀现象较明显;洞室顶拱轴线陡倾角发育数条裂隙,裂隙间镶嵌软弱泥层,右边墙EL2228 高程出露2 个直径1.2m 溶洞,溶洞空腔影响范围为:蝶0+000~0+010 段右边墙及局部顶拱,高程EL:2226~2133,开挖后上部围岩自稳能力差。整个洞室无渗水出现,EL2226 高程以下围岩以Ⅲ类为主,EL2226高程以上围岩以Ⅳ类为主。

二、开挖支护施工方法

  1、开挖程序及方法

  由于蝶阀室EL2226 高程以上地质条件较差,为Ⅳ类围岩,开挖后上部围岩难以自稳,若开挖方法不合理和临时支护不及时,很容易发生坍塌。且蝶阀室长高比较小,与蝶阀室相连的蝶阀室交通洞开挖断面相对较小,无法按常规方法自上而下分层开挖,若先开挖下半部,则上半部因底部挖空后倒悬极易发生大范围塌方,危及下部施工人员作业安全。若将蝶阀交通洞与蝶阀室连接段蝶交0+292.60+302.6 进行扩挖,则连接段临时支护及后期混凝土衬砌工程量增加较多,对工程建设投资不利。经认真研究讨论分析,最终决定先从蝶阀室交通洞与蝶阀室连接处(蝶0+000)斜向上约32度夹角开挖一个斜导洞至蝶阀室端头(蝶0+017.5)顶部EL:2233.2 高程。蝶0+000~0+007.5 段围岩相对较好,导洞开挖断面6m×6m,以便于利用打钻台车和小反铲在下部扒渣作业;蝶0+007.5~0+017.5 段(EL:2226 高程以上)围岩变化以后,导洞按原坡度向前开挖,断面调整为3m×3m。然后沿斜导洞从蝶阀室蝶0+017.5 顶部开始反向进行顶拱及边墙扩挖,边扩挖边进行临时支护, 对已开挖到位的部位及时做好永久系统支护,顺斜导洞反向扩挖支护至蝶0+000 后,再进行下部边墙及底板开挖支护。由于不良地质段导洞开挖断面小,爆破后围岩经过应力重新分布能够很快达到再次平衡,加之临时支护及时跟进,所以不会发生大塌方,施工安全能够得到有效保证。蝶阀室分区开挖示意图见图2,开挖顺序见图3。

蝶阀室分区开挖示意图 图3 蝶阀室开挖顺序图

图2 蝶阀室分区开挖示意图   图3 蝶阀室开挖顺序图

  2、I区斜导洞开挖

  斜导洞蝶0+000~0+007.5(EL:2226 高程以下)围岩状况相对较好,基本以Ⅲ类为主,所以按6m×6m 断面开挖,主要是想利用原有打钻台车进行钻爆作业,且爆破后小反铲可直接扒渣,省略人工扒渣这一繁重的施工工序,可加快施工进度,节约工期。设计爆破参数和装药结构如下图4。

装药结构示意图

图4 装药结构示意图(单位:cm)

表1 爆破参数表

爆破参数表

  导洞0+007.5~0+017.5 段(EL:2226 高程以上)不良地质段,围岩以Ⅳ类为主,开挖时安全问题比较突出,因此采取了先进行临时支护再人工扒渣的安全措施,避免出现安全问题。斜导洞开挖按短进尺、弱爆破的开挖方法,循环进出控制在1.0m 左右,严格按设计爆破参数进行爆破控制,避免过大扰动周边围岩,而发生塌方。设计爆破参数如下表2。

表2 爆破参数表

爆破参数表

  导洞EL:2226 高程以下围岩较好,开挖后能够自稳,施工安全能够有保障。导洞EL:2226 高程以上围岩虽然为水平状层状板岩,岩体强风化且破碎夹泥,溶蚀现象较明显,但无渗水;由于开挖断面较小,采取短进尺弱爆破的开挖方式对岩体爆破扰动较小,爆破后围岩经过应力重新分布能够很快达到再次平衡,可确保临时支护施工安全。

  3、Ⅱ区边墙及顶拱反向扩挖

  斜导洞开挖支护完成后即可进行边墙及顶拱反向扩挖,(如图3 中2 步开挖所示)扩挖时由里向外每3.5m 为一段,每段先进行顶拱中部扩挖支护,再交替进行顶拱两侧及边墙扩挖支护,目的:一是不至于破坏设计结构而发生过大超挖,二是扩挖范围小,可及时做好该部位的临时支护和永久系统支护,不至于因安全支护不及时导致破碎围岩裸露时间过长而发生塌方,三是永久支护施工完成的部位,可作为作业人员应急避险空间。

  由于上部岩体较破碎,开挖后难以自稳而发生塌方,因此开挖过程中爆破控制至关重要,尽量减小爆破对围岩的扰动和破坏,充分利用围岩在爆破后经过应力重新分布后达到再次平衡的能力,及时做好临时安全支护,并对已开挖到位的及时做好永久支护,以防止塌方。

  由于上部顶拱曲面开挖及边墙保护层开挖质量要求高,为减少工程超挖,反向扩挖采用光面爆破工艺,按照短进尺、弱爆破、多循环方式进行开挖,严格控制超欠挖,确保开挖规格和质量。每循环开挖完成后及时做好临时安全支护,支护材料由人工通过斜导洞运往工作面,爆破洞渣通过斜导洞溜往蝶阀交通洞后装车运往渣场。设计爆破参数如下:

  主爆孔:钻孔孔径D=42 mm,孔深2.0m,孔距1.0m,排距0.8~1.0m,单孔药量Q 孔=0.75kg,单耗0.38kg/m3,采用φ32×150g 型乳化炸药连续柱状装药,非电毫秒延期导爆管雷管微差起爆网络,工业电雷管引爆。

  光爆孔:钻孔孔径D=42 mm,孔深1.8m,孔距0.45~0.5 m,光爆层厚0.5m,线装药量为120~150g/m,采用φ25 乳化炸药间隔不耦合装药,导爆索连接,电雷管引爆。

  施工结果证明:按此爆破参数进行钻爆施工,对周边围岩的扰动和破坏小,上部顶拱扩挖过程中未发生较大塌方,洞室成型效果也比较理想。

  4、Ⅲ区下部边墙及底板开挖

  上部边墙及顶拱扩挖支护完成后,再自上而下进行Ⅲ区下部边墙及底板开挖及支护施工。由于下部边墙及底板围岩相对较好,因此开挖时适当增加孔深和装药量,以增加每循环开挖进尺,加快施工进度。开挖采用分层梯段爆破,开挖分层高度2~2.5m;边墙进行光面爆破技术控制。现场施工时主爆孔孔深最大达到3.0m,单孔药量最大达到1.5kg,光爆孔孔深最大达到2.8m,线装药量达到220g/m,开挖后洞室成型较好。上游边墙围岩较好,无较大的裂隙和不利结构组合体,整体爆破效果较好,光爆残孔率达75%以上。下游边墙受EL:2228 高程溶蚀区和溶洞影响,爆破后局部边墙出现岩体滑落,开挖面平整度稍差,光爆残孔率仅40%左右。由于开挖高度较大,每开挖一层及时进行了边墙永久系统支护,所以临时支护不再施工。

  5、安全支护

  在洞室开挖后出现临空面,围岩发生卸荷并裸露,打破了原有的三维应力平衡状态,经过应力重新分布形成了新的应力场(即二次应力),围岩也同时向洞室内侧位移,如果围岩自身能够抵抗二次应力,则可以保持自身稳定。而Ⅳ类围岩开挖后原有平衡改变后,很难自行达到新的平衡状态,若不施加外力帮助其重新达到平衡,极有可能发生塌方。而锚喷支护是一种柔性支架,它允许围岩寻求新的平衡而产生的有限位移,可以解决以上问题。蝶阀室上部岩石较破碎,每个开挖循环完成后都必须及时进行临时安全支护,使开挖岩面形成封闭衬护体,帮助围岩重新达到二次稳定状态,确保施工安全。安全支护主要为锚杆、ф4mm 100×100cm镀锌钢丝网、Φ8 钢筋网和喷混凝土等几项支护措施。临时支护参数:先素喷5cm 厚C20 混凝土,再打设ф22,L=3.0m 随机锚杆挂Φ4 机编镀锌钢丝网复喷C20 混凝土10cm;系统支护参数:EL2226.9 高程以上:系统锚杆Φ28、L=6.0m,间排距2m 和1.5m,挂Φ8 钢筋网喷C20 混凝土厚15cm,排水孔Φ56、L=5.0m,间排距3.0m。EL2226.9高程以下:系统锚杆Φ25、L=4.5m,排距2m,挂Φ4 机编镀锌钢丝网喷C20 混凝土厚10cm。

  蝶阀室斜导洞上部及顶拱反向扩挖,由于围岩较破碎,且蝶阀室开挖断面较大,如果上部顶拱及边墙临时支护及永久支护不及时到位,对下层岩体开挖及后期压力管道斜井开挖都是一个极大的安全隐患。因此斜导洞上部及顶拱反向扩挖,每循环都必须及时先素喷5cm 混凝土,再打设ф22,L=3.0m 锚杆挂网复喷C20 混凝土10cm;对于顶拱及边墙已扩挖到位的部分及时做好永久系统支护,下部边墙及底板由于开挖高度较大,每开挖一层后都及时进行了边墙永久系统支护,所以临时支护不再施工。

  6、溶蚀溶洞区域加固处理

  为保证电站施工期及运行期的永久安全,经过业主、设计、监理及施工方共同研究决定:对右边墙EL2228 高程溶洞溶蚀区域进行加固处理,以确保电站运行期间安全。加固处理措施如下:1、蝶0+000~0+010 段顶拱及右边墙系统支护后,再挂设φ8150×150mm 钢筋网喷C20 混凝土厚5m 进行封闭。2、喷混凝土等强后,蝶0+000~0+010 段顶拱及右边墙(EL2225 高程以上)按间排距2m 进行梅花型钻设径向注浆孔,进行回填兼固结灌浆,使围岩较破碎部位岩体能够胶结为一整体,同时也对空强部位岩体进行了回填和填充,增强岩体的自身稳定能力。灌浆孔孔径φ42mm,孔深3.0m,灌浆压力控制在0.3MPa 左右,水灰比1:1~0.5:1。

三、结语

  虽然蝶阀室长高比较小,洞室EL2226 高程以上多为强风化板岩,岩体破碎夹泥,溶蚀现象较明显,实施光面爆破存在一些不利因素;且导洞上部开挖及反向扩挖,每循环需人工搭设作业平台,临时支护材料均需人工运输,施工难度较大,但由于采取了正确的开挖顺序和方法,爆破设计参数合理,临时支护及时到位,确保了施工质量和施工安全,工程投资在可控范围内。开挖工期历时1.5 个月,比预定工期缩短了0.5 个月,因此蝶阀室开挖支护方法无论是从施工质量安全上,还是从工程投资、施工进度上来评价都是成功的。

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