吉牛水电站蝶阀室开挖技术

摘要:吉牛水电站蝶阀室长高比较小,整个洞室围岩为IV类围岩,渗水严重,多为缓倾角不利体结构,因此洞室的开挖和临时支护控制是关键,文章对此进行了论述。

关键词:斜导洞;反响扩挖;径向压力;三轴平衡;台阶开挖;锚喷支护;光面控制

中图分类号:TU457文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)28-0066-03

1工程概况

吉牛水电站蝶阀室全长15m,高16.5m,开挖断面为城门洞形,如图1所示:

蝶阀室所处的地层出露地层为志留系第四岩组(Smx4)薄~中层二云片岩夹二云英片岩及石英岩,岩层产状N40°～60°W/NE∠30°～70°,其中二云英片岩和二云片岩具不等粒粒状结构,主要由石英、长石、云母等组成,两种岩石因石英含量的增减呈渐变过渡关系,二云英片岩石英含量较高,岩性较坚硬(属中硬岩),二云片岩由于石英含量相对较少,云母含量增多而相对较软弱。发育有3～4组裂隙,裂隙最大宽度达10cm,且相互纵横剪切,上部岩石较风化,顶部裂隙平缓倾角分层发育,两侧边墙沿洞室轴线陡倾角发育数条裂隙,且裂隙间均镶嵌软弱泥层,局部有宽0.2～0.5m的次级小断层及挤压破碎带,开挖后上部自稳能力较差。地下水相对不丰富,以滴状渗水为主,局部可见线状渗水。上部围岩以IV类为主,下部以III类为主。

2开挖方法

2.1开挖顺序

由于蝶阀室所处的地层地质条件较差,上部围岩为IV类围岩,开挖后难以自稳,如果临时支护不及时,极易发生塌方。且与蝶阀室相连的蝶阀室交通洞的开挖断面较小,无法按常规的先上后下分层开挖施工,如果先开挖下半部分后开挖上半部分,则由于底部挖空上部倒悬,上半部分极可能发生大塌方,如果下半部分边开挖边进行临时支护,则循环的临时支护,投入的人力物力过大,浪费巨大,工程投资将增大较多,且会拖延工期,于工程建设极为不利。经过认真研究讨论和分析比较,最后决定采用先从蝶阀室交通洞与蝶阀室相连处斜向上约42°夹角开挖一个导洞至蝶阀室端头顶部,导洞断面尺寸约宽3.5m×高2.5m,并逐渐缩小,至端头顶部时大小约宽2.5m×高2m,然后从蝶阀室端头顶部开始反向及两侧扩挖,边扩挖边进行临时支护,扩挖断面随导洞不断增大,并顺导洞扩挖至蝶阀室起点桩号,之后进行台阶开挖,最后再进行导洞下半断面开挖。由于开挖的导洞断面较小,围岩爆破后经过应力重分布能很快又重新达到平衡,因此不会发生塌方堵塞导洞,施工安全能够得到保证。斜导洞开挖示意图见图2,开挖顺序图见图3:

2.2导洞开挖

由于斜导洞的倾角较大,开挖时安全问题比较突出,因此必须采取措施避免出现任何安全问题。斜导洞开挖应采用浅钻孔、弱爆破的开挖方法,以避免过大扰动周边围岩,发生塌方而堵塞导洞。设计爆破参数如下:

表1导洞开挖爆破参数

炮孔类别 炮孔直径 孔深 孔间距 抵抗线 装药量

周边孔 42mm 1.3m 40～50cm 40～60cm 150～200g/m

崩落孔 42mm 1.3m 50～70cm 50～70cm 0.6～0.8kg/孔

掏槽孔 42mm 1.5m 80～100cm 1.0kg/孔

注:下部岩石开挖取大值,台阶以上较破碎岩石开挖取小值。

下部岩石较好,开挖后能够自稳,施工安全有保障;台阶高程以上岩石虽比较破碎,但由于开挖断面较小,采用短进尺、弱爆破对岩层的扰动较小,对岩层的整体破坏较小,爆破开挖后围岩能在较短时间内经过应力重分布重新达到平衡,因此无论是上部岩层开挖还是下部岩层开挖,只需在下一循环钻孔前将松散的岩块敲除掉就可确保临时支护施工安全。

2.3反向扩挖

斜导洞开挖完成后即可开始反向扩挖(如图3中所示2步开挖)。之所以先扩挖台阶2米以上部位岩石,一是利于下一步台阶开挖时较易形成台阶,不致破坏设计结构和发生过大超挖,二是利于及时进行蝶阀室顶拱和上部边墙的临时安全支护,不致因安全支护不及时导致破碎岩石暴露时间过长而发生塌方。由于上部岩石较破碎,开挖后难以自稳容易发生塌方,因此必须采取措施尽量减小爆破对周边围岩的扰动,充分利用围岩在爆破后经过应力重分布重新达到平衡的能力,并及时进行临时安全支护封闭围岩,以防发生塌方。反向扩挖(及下部开挖等)采用光面爆破工艺,浅钻孔、弱爆破,一个循环开挖后马上进行临时安全支护,安全支护材料(钢筋网片、锚杆等)通过斜导洞人工运到工作面,反向扩挖的洞碴通过斜导洞溜到蝶阀室交通洞内后再转运至弃碴场。设计的爆破参数如下:

表2IV类围岩开挖爆破参数

炮孔类别 炮孔直径 孔深 孔间距 抵抗线 装药量

光爆孔 42mm 1.2m 30～40cm 40～50cm 80～120g/m

崩落孔 42mm 1.2m 60～70cm 70cm 0.45kg/孔

掏槽孔 42mm 1.4m 80cm 0.73kg/孔

表3III类围岩开挖爆破参数

炮孔类别 炮孔直径 孔深 孔间距 抵抗线 装药量

光爆孔 42mm 2m 50cm 60cm 200～250g/m

崩落孔 42mm 2m 60～70cm 70cm 1.2kg/孔

掏槽孔 42mm 2.2m 120～150cm 1.4kg/孔

反向扩挖的钻孔爆破示意图如下:实践证明,按此爆破参数进行钻爆施工,对周边围岩的扰动小,在上部爆破开挖过程中未发生较大塌方,洞室成型较好。

2.4临时安全支护

由于上部岩石较破碎,每个开挖循环完成后都必须及时进行临时安全支护,在开挖围岩面形成封闭衬护体,帮助围岩尽快重新达到稳定状态,确保施工安全。临时安全支护主要为以下几项支护措施:锚杆;钢筋网;喷砼。

2.4.1喷锚支护作用在洞室开挖后,围岩发生卸荷并暴露,经过应力重分布重新达到平衡需要一定时间,尤其是IV、V类围岩,原有的平衡改变后,其本身是难以自行重新达到平衡的,如果不及时施加外力帮助其重新达到平衡,极可能发生较大塌方。喷锚支护能够有效的封闭围岩,对围岩提供径向压力,为围岩重新创造和保持开挖前的三轴应力状态,防止围岩继续产生有害的松动破坏,尽量发挥围岩的自身承载能力极为有利和有效。

2.4.2上部喷锚支护由于上部岩石比较破碎,且蝶阀室的开挖断面较大,如果顶拱及上部边墙的临时安全支护工作做得不到位,对下部岩层开挖及后续的压力管道开挖、钢管安装及砼浇筑等都是一个极大的安全威胁,甚至可能影响到工期目标的实现。因此在进行顶拱及上部边墙的临时安全支护时采取了比较保守的支护方案:在开挖完成后先素喷5cm厚C20砼封闭开挖岩面,初步形成一个保护壳以防止围岩继续产生松动破坏和掉块等,之后沿开挖面径向施工系统锚杆,考虑到支护的及时性和早期强度需要,锚杆采用药卷锚杆,锚杆规格Φ25,长3.5m,顶拱部位间距1.5m×1.5m,在个别围岩破碎部位还可适当加密锚杆间距至1.0m×1.0m,边墙部位间距2.0m×2.0m,锚杆施工完成后对开挖面(底板除外)挂φ6.5的钢筋网片(考虑到支护的及时性和现场实际情况,钢筋网片在洞外先制作好),网片大小1.0m×2.0m,网格间距15cm×15cm,钢筋网片尽量与开挖面紧贴,相邻两块网片之间采用焊接连接,最后再喷15cm厚C20砼封闭。在实际施工过程中,由于靠下游侧顶拱(约有5O大小)有线状渗水,岩石较风化,遇水后易软化,表层岩石十分破碎,第一次按上述临时安全支护方案实施过程时,喷砼难以与开挖岩面良好粘合,加之锚杆长度较短,未锚至内层岩石整体强度较高处,顶拱出现了较大垮塌,经四方现场研究讨论后决定将锚杆长度调整为4.5m,间距加密至0.8～1.0m,并先打4个排水孔(孔深2.0m)导排渗水,实施后效果较好,未再发生垮塌现象。

2.4.3下部喷锚支护由于下部岩石相对较好,开挖后一般能够自稳,因此临时安全支护方案相对简单得多。只需在开挖后对相对较破碎岩石先素喷5cm厚C20砼封闭岩面,之后打系统锚杆Φ22,长2.5m,间距2.5m×2.5m,挂钢筋网φ6.5@15cm×15cm,最后再喷10cm厚C20砼封闭即可。

2.5台阶开挖

上部开挖和临时安全支护完成后,进行台阶开挖。由于台阶部位的岩石仍比较破碎,需采取特殊的开挖方法才能尽量避免台阶受到较大破坏、破坏设计结构和发生较大超挖。经现场多次研究讨论,决定对台阶开挖实施预裂爆破和松动爆破相结合的开挖方法,

最后决定调整部分开挖顺序(如图4所示),先进行先3步开挖,将台阶轮廓暴露出来,并沿开挖面径向施工两排锚杆(Φ22,L=2.5m),间距2.0m×2.0m,以锁住台阶下部岩石,防止垮塌。

预裂爆破完成后,再沿底部设计开挖线以上10cm左右钻一排光爆孔,孔深1.2m,间距40cm,每孔装药100g,在预裂缝外70cm左右钻一排爆破孔,孔间距40cm,孔深1.8m,每孔装药800g,两排孔同时起爆,完成台阶开挖,见图6和图7。之后按下部临时安全支护方法(2.4.3条)进行安全支护。

上述台阶开挖方法是综合考虑到蝶阀室的地质条件和台阶大小而设计的,实际开挖证明,此开挖方法是适合和正确的,蝶阀室台阶的成型较好,无大的垮塌发生,基本达到了设计意图。

2.6下部开挖

上部和台阶开挖及临时安全支护完成后,才开始进行下部开挖。由于下部的围岩相对较好,因此开挖时可以考虑适当增加孔深和装药量,以增大每循环的开挖进尺,加快开挖进度。开挖仍然采用光面爆破技术,在实际施工时,光爆孔深最大达到3.0m,每孔装药量达到250g/m,崩落孔装药量最大达到1.7kg/孔,开挖后洞室成型较好,无塌方发生。上游边墙围岩较好,基本无较大的裂隙和不利结构组合体等,整体性较好,光爆半孔率达到75%以上,下游边墙局部围岩稍差,存在两组不利结构组合体,爆破后有小块体岩石滑落,表面平整度稍差,光爆半孔率只有50%左右。为确保后续压力管道等部位的施工安全,下部局部围岩稍破碎带仍然进行了临时安全支护,具体支护方式见2.4.3条下部喷锚支护。

3开挖评价

虽然蝶阀室由于开挖断面高度较高,长度较短,上部和顶拱岩石比较破碎,台阶部位岩石也比较破碎,且台阶至顶拱的高度较低,实施预裂爆破存在一些不利因素,施工难度较大,但由于采用了正确的开挖顺序和方法,设计的爆破参数也比较合理,尤其是台阶开挖采用了比较特殊的开挖方法,顶拱和上部围岩也进行了较好的临时安全支护,确保了施工质量和施工安全,工程投资也控制在合理范围之内,开挖工期共历时1个半月,比预期工期缩短了近半个月,因此蝶阀室的开挖方法无论从施工质量、施工安全、工程投资和工程进度等方面评价都是成功的。

作者简介:杨柳(1976-),中国水利水电第七工程局有限公司革什扎吉牛水电站项目经理,研究方向:项目管理。