复杂地层水工隧洞施工方法研究_陈小林.pdf

复杂地层水工隧洞施工方法研究陈小林1，俞晓燕2（1.中工武大设计集团有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.塔城地区水利水电勘察设计院，新疆 塔城 834700）摘 要本文以水利枢纽工程表孔溢洪洞为例，介绍了复杂地层中隧洞地下洞挖施工方法，特别是施工中采用钢筋混凝土锚固桩、大管棚、小导管、钢拱架等综合超前支护结构，解决了复杂不良地质条件下水工隧洞开挖支护的技术难题，可为类似工程提供借鉴。关键词隧洞开挖；开挖支护；施工工艺；衬砌中图分类号 TV554文献标识码B文章编号 10020624（2023）040014040 引 言隧洞施工区域因生态环境、风景名胜保护、人类活动等原因不允许进行大开挖施工时，设计方案不得不采用隧洞形式，因此，设计合理有效、安全经济的开挖方案尤为重要。围岩稳定性、围岩岩石强度、岩体完整程度、地下水等因素直接决定隧洞开挖工艺、支护类型，特别是复杂的类围岩地层，往往常规的喷锚支护、构架支护已不能保证施工进度和施工安全。某水利枢纽工程表孔溢洪洞隧洞开挖方案采用钢筋混凝土锚固桩、小导管增强侧向支护强度，顶部采用大管棚、小导管，整体断面配合钢拱架等综合支护结构，已取得实用新型创造发明专利1。基于此，下文采用钢筋混凝土锚固桩配合多种超前支护形式进行施工，保证施工进度和施工安全。1 工程概况某水利枢纽工程表孔溢洪洞有进口段、侧堰段、调整段、洞身段、泄槽段、挑流段和下游消力池及泄洪渠段共7段组成，其中，洞身段为城门洞形式，净宽5.0 m，净高6.0 m。洞身段末端有48.0 m隧洞段为类围岩，开挖断面下部为灰岩，上部为 4.413.0 m坡积混合土漂石覆盖层。开挖段工程地质表层为坡积混合土漂石，多以块石为主，岩性为灰岩，级配不良，颗粒多呈棱角状，磨圆度差，具有大孔隙性、不均匀性，架空结构，强透水性，局部中粗砂含量较多，零星含孤石，粒径 40.0100.0 cm。天然密度2.07 g/cm3，天然含水率1.01%，天然干密度2.03 g/cm3，内摩擦角35，渗透系数8.1610-1cm/s。变形和沉降不均，承载力建议值220 kPa，变形模量14 MPa，工程地质条件较差。下伏基岩岩性为灰岩，强风化层厚0.55.0 m，呈碎块状，岩石完整性差，裂隙发育，岩石锤击哑声，岩石大部分变酥，易碎，用锹镐可以挖动，坚硬部分需用爆破，弱风化基岩的饱和抗压强度为59.4 MPa。2 方案设计隧洞轴线处地形左高右低，隧洞顶部为工程地质条件较差覆盖层，方案在隧洞左侧布设钢筋混凝土锚固桩，直径1.5 m，深入基岩3.05.0 m；另在开挖洞口两侧各布置 1 个直径为 1.5 m 的钻孔锚固桩，作为导向墙的基础，同时布设小导管+钢拱架的支护结构，与覆盖层形成一侧整体支护，防止隧洞山体偏压导致开挖隧洞时隧洞顶部覆盖层发生侧向滑塌。隧洞开挖施工时采用大管棚+小导管+钢拱工程施工东北水利水电2023年第4期 14DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.04.002地面线98373141基岩线4，6架的超前支护方案，大管棚支护段长度为48.0 m，末端深入基岩3.0 m以上，采用108mm热轧无缝钢管；大管棚钢管间距为40 cm，在开挖轮廓线外50 cm处，拱部160范围布置。小导管布设在拱部160范围，采用42mm热轧无缝钢管，间距40 cm，管长为3.5 m。在山体高的一侧布设小导管与钢拱架焊接，每榀钢拱架分为顶拱3段，两侧边墙2段，底拱1段。隧洞采用马蹄形断面复合开挖，并及时喷射混凝土进行支护，隧洞开挖完成后，再将断面二次衬砌成设计的城门洞形过水断面。1钻孔锚固桩；2大管棚；3小导管；4钢拱架；5复合断面开挖；6挂网喷射混凝土支护；7城门洞形二次衬砌；8回填混凝土；9导向墙图1 方案进口段剖视图3 施工工艺隧洞施工方案工艺流程：施工准备洞脸处理测量放线定位开挖钻孔桩钻孔桩浇筑及养护（全部跳桩施工）套拱用钢拱架安装安装导向管（焊接固定）立模板喷射套拱混凝土管棚施工洞室开挖洞室衬砌。其主要施工步骤如下。3.1 洞口套拱施工1）套拱施工工艺流程工艺流程：测量放样搭设操作平台按设计图纸要求固定安装套拱钢拱架将导向管固定在钢拱架上安装套拱模板喷射套拱混凝土套拱混凝土养护拆模，套拱混凝土达到设计强度后才可进行后续施工。2）钢拱架洞出口套拱内按间距0.6 m设3榀Q235BI20a工字钢拱架，钢拱架由3节相同尺寸的工字钢拼接而成，单节长度为4 415 mm，弯曲半径为4 610 mm。钢架外缘设140mm 壁厚 6 mm 的导向钢管，钢管与钢架焊接；钢架各单元由连接板焊接成型，单元间由螺栓连接。导向钢管间距40 cm，外插角与水平面角度为2，与洞底板面容许误差角度为1。施工时在工字钢上标注导向钢管的位置，逐根焊接于钢架上固定；焊接过程中应随时复核仰角，对不合理的及时调整；喷射混凝土作业应分段、分片依次进行，自下而上从套拱两侧开始喷射，喷射混凝土完成后及时洒水养护。3）技术要求喷射混凝土前，应用水或高压风将套拱模板的粉尘及杂物冲洗干净。喷射作业应以适当厚度分层进行，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行。若终凝后间隔1 h以上且初喷面已蒙上粉尘时，应用高压风或水清洗干净。岩面有较大凹洼时，应结合初喷予以找平。喷射时插入长度比设计厚度大5 cm的铁丝，每1.02.0 m设1根，作为喷射厚度控制标志。突然断水或断料时，喷头应迅速移离喷射面，严禁用高压风、水冲击尚未终凝的混凝土。作业完成后，喷射机和输浆管内积料应及时清除干净。喷射混凝土用混合料应随拌随喷，回弹物不得再次作为喷射混凝土用料。一次喷射厚度为50 mm，首次喷射混凝土着重填平补齐，将坡面喷平顺，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后施工。喷射混凝土终凝2 h后，应做好养护工作。混凝土满足设计强度后，方可开始管棚钻孔、进洞开挖、支护等后续施工。3.2 管棚施工1）大管棚主要参数此次大管棚超前支护段总计长度为48.0 m(含导向墙段)，支护结构采用大管棚+小导管辅助的形式。大管棚末端深入基岩3.0 m以上，采用108mm，壁厚8.0 mm的热轧无缝钢管，由3.0，5.0 m两种长度管节用丝扣连接组成，丝扣搭接长度为15 cm，钢管及钢花管同一截面内的接头数不超过管数总和的 50%2。大管棚钢管间距为 40 cm，在开挖轮廓线外50 cm处，拱部160范围内布置，外插角与水平面角度为2，与洞底板面角度为13。为提高管2023年第4期东北水利水电工程施工295 15棚的抗弯能力，在钢花管（钢管）内设置钢筋笼，钢筋笼由4根主筋和固定环组成，主筋直径为22 mm，固定环采用42mm短管节，节长5 cm，将其与主筋焊接，按1.5 m间距设置。钢花管上钻注浆孔，孔径1016 mm，孔间距25 cm，呈梅花形布置，尾部留长度不小于1.0 m不钻孔的止浆段。小导管布设在拱部 160范围，向纵向前方外插角10设注浆小导管，小导管的外露端需支撑在紧邻开挖面的钢拱架上，与钢拱架组成纵横向支撑体系，通过小导管向前方围岩注浆，使浆液渗透到围岩，既能加固一定范围内的围岩，又能支托围岩。小导管采用42mm，壁厚 3.5 mm 的热轧无缝钢管，间距40 cm，管长为3.5 m，超前小导管配合钢拱架使用，每断面布设 34 个小导管，纵向间距2.0 m，纵向搭接长度不小于1.0 m。为防止山体偏压导致开挖时隧洞内侧向土体滑塌，在山体高的一侧布设小导管与钢拱架焊接，以确保施工安全。每榀钢拱架分为顶拱3段（A单元工字钢），两侧边墙2段（B单元工字钢），底拱1段（C单元工字钢），共5段组成；每个连接处设置2根42mm 长3.5 m注浆小导管作为锁脚锚杆，分别设在拱架两侧，洞身段必须在大管棚+小导管施工以后才能进洞开挖。2）管棚施工工艺流程套拱混凝土强度达到设计及规范要求后，方可实施管棚钻孔工作，具体施工工艺流程：测量放样钻机就位奇数孔钻孔钢花管安装奇数孔注浆偶数孔钻孔钢花管安装偶数孔注浆。3）施工方法先进行奇数孔钻孔，然后安装钢花管，经验收合格后，根据注浆试验成果采用水泥浆液水灰比1 1（重量比）进行注浆，注浆完成后，再进行偶数孔施工。当遇孤石不易成孔或施工误差大于设计允许误差时，采用跟管钻进工艺。奇数孔和偶数孔中钢管规格按管棚每断面接头数不超过50%的原则合理选择；钢管管壁进行打孔加工，布孔以梅花形布置，孔径为1016 mm，孔间距为 250 mm，每排 2 个孔，导管尾部留 100 cm不打孔的止浆段。注浆时，初压为0.51.0 MPa，终压力为2.0 MPa，以地层不出现鼓包、劈裂为控制原则，采用BW-250/50型注浆泵注浆。为了保证注浆效果，在规定的压力下，根据进浆量情况分级调整浆液浓度，直至裂隙逐渐被填充，单位吸浆量逐渐减小，达到结束标准即停止注浆。采用压力与注浆量双控制，一般以单管设计注浆量为标准，当注浆压力达到设计终压不小于20 min或进浆量达到设计标准时结束注浆。注浆结束后用M30水泥砂浆填充，形成钢管混凝土。3.3 洞室开挖支护1）开挖支护工艺流程：施工准备洞室开挖素喷混凝土一道（3 cm）打系统砂浆锚杆安装8mm钢筋网片打锁脚锚杆（42mm注浆小导管）立钢拱架（22mm的联系筋）喷射混凝土（25 cm）打注浆小导管（注浆）进行下一循环进尺。2）洞室开挖。管棚施工完成后，注浆浆液待凝时间至少10 h，然后开始洞室开挖。隧洞设计过水截面尺寸为城门洞形，考虑到施工安全，选择适合地质条件差、承受山岩压力大的马蹄形断面开挖。洞室开挖采用预留核心土七步开挖法，每循环进尺不大于50 cm，每循环开挖完毕后，及时素喷混凝土一道，且开挖宜采用人工为主、机械辅助进行。3）洞室支护。每循环开挖一层支护一层，上半部开挖完成后，及时素喷混凝土一道（35 cm）,然后安装I20a号工字钢拱架，拱圈底部两侧设置4根42mm长3.5 m注浆小导管作为锁脚锚杆，分别设在拱架两侧，锁脚锚杆入岩2.5 m，外伸1.0 m，完成注浆后，锁脚锚杆外露部分须对折90 与水流方向平行；利用开挖时预留的核心土平台，对顶拱部分进行支撑。钢拱架安装、固定后，安装8mm钢筋网片，打25mm 系统砂浆锚杆,喷射 C20 混凝土进行支护。先进行区开挖、支护，然后依次进行，区施工，最后将，核心土挖除，安装底部钢拱架。3.4 洞室二次支护隧洞开挖完成后，利用钢模台车浇筑二衬混凝土，进行回填灌浆，最终完成全部二次支护，形成设计的城门洞形过水断面。4结 语工程方案不用将地质条件较差的隧洞段大开工程施工东北水利水电2023年第4期 16挖，可减少因明挖施工对自然环境的破坏。综合超前支护结构，将部分荷载有效地吸收和传递到已封闭的支护结构上，在软弱松散不良地质地带，通过管棚注浆补充固结土体，增强隧洞上方土体的稳定性，避免人为地质灾害发生，也不影响隧洞施工区域其他施工作业。该施工方法对工程地质条件较差的类围岩地层隧洞洞挖工程领域有着广泛的应用前景。参 考 文 献1中工武大设计研究有限分公司.一种水工隧洞开挖支护结构：202120342965.4 P.2021-02-04.2刘雪霞，陈雪燕，魏珂，陈浩东.超前管棚支护在输水隧洞复杂地层中的应用 J.人民黄河，2019（8）：134-137.3刘献求.管棚法超前支护在板坡隧洞施工中的应用 J.低碳技术，2016（7）：75-76.收稿日期 2022-09-16收稿日期 2022-11-17（上接第13页）表2 紊动能计算结果2.3 消能率利用模型计算获得的相关数据，计算出不同方案下消力池的消能率，绘制消能率随突扩比的变化曲线，如图2所示。由图2可以看出，消力池的消能率随着突扩比的增大呈现出先增大后小幅减小的变化特点，无论是设计工况还是校核工况，突扩比为1.4时的消能率均最高。因此，将背景工程消力池的突扩比设置为1.4时，可以获得最佳的消能效果。图2 消能率变化曲线综合上述计算结果，建议该水电站消力池的突扩比为1.4。3 结 语突扩式跌坎消力池是一种能够适用于高水头、大单宽且对环境友好的消能工，有着良好的