復雜地質(zhì)條件下引水式電站蝶閥室開(kāi)挖技術(shù)
引水式電站的蝶閥室開(kāi)挖一般經(jīng)過(guò)交通洞進(jìn)入閥室的底部，由底部向上部開(kāi)挖，在復雜地質(zhì)條件下，此類(lèi)施工的安全控制尤為重要，文中通過(guò)古學(xué)水電站蝶閥室的施工，來(lái)闡述類(lèi)似強風(fēng)化板巖、巖體破碎夾泥、溶蝕現象明顯的地質(zhì)條件下，蝶閥室上部頂拱開(kāi)挖爆破控制和安全臨時(shí)支護的施工技術(shù)，對類(lèi)似工程施工具有參考價(jià)值。
一、工程概況
蝶閥室垂直于壓力管道方向布置，開(kāi)挖斷面為城門(mén)型，開(kāi)挖尺寸為17.5×8.3×18.1m(長(cháng)×寬×高)，如圖1 所示。
圖1 蝶閥室結構圖
蝶閥室埋深100~120m，EL2226 高程以下出露地層巖性為三迭系中統曲嘎寺組第一段(T2q1)灰色灰巖、角礫狀灰巖夾少量砂質(zhì)鈣質(zhì)板巖，巖層產(chǎn)狀320/NE∠55；巖體新鮮完整，較堅硬，穩定性好。EL2226 高程以上圍巖為水平狀層狀板巖，巖體強風(fēng)化且破碎夾泥，溶蝕現象較明顯；洞室頂拱軸線(xiàn)陡傾角發(fā)育數條裂隙，裂隙間鑲嵌軟弱泥層，右邊墻EL2228 高程出露2 個(gè)直徑1.2m 溶洞，溶洞空腔影響范圍為：蝶0+000~0+010 段右邊墻及局部頂拱，高程EL：2226~2133，開(kāi)挖后上部圍巖自穩能力差。整個(gè)洞室無(wú)滲水出現，EL2226 高程以下圍巖以Ⅲ類(lèi)為主，EL2226高程以上圍巖以Ⅳ類(lèi)為主。
二、開(kāi)挖支護施工方法
1、開(kāi)挖程序及方法
由于蝶閥室EL2226 高程以上地質(zhì)條件較差，為Ⅳ類(lèi)圍巖，開(kāi)挖后上部圍巖難以自穩，若開(kāi)挖方法不合理和臨時(shí)支護不及時(shí)，很容易發(fā)生坍塌。且蝶閥室長(cháng)高比較小，與蝶閥室相連的蝶閥室交通洞開(kāi)挖斷面相對較小，無(wú)法按常規方法自上而下分層開(kāi)挖，若先開(kāi)挖下半部，則上半部因底部挖空后倒懸極易發(fā)生大范圍塌方，危及下部施工人員作業(yè)安全。若將蝶閥交通洞與蝶閥室連接段蝶交0+292.60+302.6 進(jìn)行擴挖，則連接段臨時(shí)支護及后期混凝土襯砌工程量增加較多，對工程建設投資不利。經(jīng)認真研究討論分析，最終決定先從蝶閥室交通洞與蝶閥室連接處(蝶0+000)斜向上約32度夾角開(kāi)挖一個(gè)斜導洞至蝶閥室端頭(蝶0+017.5)頂部EL：2233.2 高程。蝶0+000~0+007.5 段圍巖相對較好，導洞開(kāi)挖斷面6m×6m，以便于利用打鉆臺車(chē)和小反鏟在下部扒渣作業(yè)；蝶0+007.5~0+017.5 段(EL：2226 高程以上)圍巖變化以后，導洞按原坡度向前開(kāi)挖，斷面調整為3m×3m。然后沿斜導洞從蝶閥室蝶0+017.5 頂部開(kāi)始反向進(jìn)行頂拱及邊墻擴挖，邊擴挖邊進(jìn)行臨時(shí)支護， 對已開(kāi)挖到位的部位及時(shí)做好永久系統支護，順斜導洞反向擴挖支護至蝶0+000 后，再進(jìn)行下部邊墻及底板開(kāi)挖支護。由于不良地質(zhì)段導洞開(kāi)挖斷面小，爆破后圍巖經(jīng)過(guò)應力重新分布能夠很快達到再次平衡，加之臨時(shí)支護及時(shí)跟進(jìn)，所以不會(huì )發(fā)生大塌方，施工安全能夠得到有效保證。蝶閥室分區開(kāi)挖示意圖見(jiàn)圖2，開(kāi)挖順序見(jiàn)圖3。
圖2 蝶閥室分區開(kāi)挖示意圖 圖3 蝶閥室開(kāi)挖順序圖
2、I區斜導洞開(kāi)挖
斜導洞蝶0+000~0+007.5(EL：2226 高程以下)圍巖狀況相對較好，基本以Ⅲ類(lèi)為主，所以按6m×6m 斷面開(kāi)挖，主要是想利用原有打鉆臺車(chē)進(jìn)行鉆爆作業(yè)，且爆破后小反鏟可直接扒渣，省略人工扒渣這一繁重的施工工序，可加快施工進(jìn)度，節約工期。設計爆破參數和裝藥結構如下圖4。
圖4 裝藥結構示意圖(單位：cm)
表1 爆破參數表
導洞0+007.5~0+017.5 段(EL：2226 高程以上)不良地質(zhì)段，圍巖以Ⅳ類(lèi)為主，開(kāi)挖時(shí)安全問(wèn)題比較突出，因此采取了先進(jìn)行臨時(shí)支護再人工扒渣的安全措施，避免出現安全問(wèn)題。斜導洞開(kāi)挖按短進(jìn)尺、弱爆破的開(kāi)挖方法，循環(huán)進(jìn)出控制在1.0m 左右，嚴格按設計爆破參數進(jìn)行爆破控制，避免過(guò)大擾動(dòng)周邊圍巖，而發(fā)生塌方。設計爆破參數如下表2。
表2 爆破參數表
導洞EL：2226 高程以下圍巖較好，開(kāi)挖后能夠自穩，施工安全能夠有保障。導洞EL：2226 高程以上圍巖雖然為水平狀層狀板巖，巖體強風(fēng)化且破碎夾泥，溶蝕現象較明顯，但無(wú)滲水；由于開(kāi)挖斷面較小，采取短進(jìn)尺弱爆破的開(kāi)挖方式對巖體爆破擾動(dòng)較小，爆破后圍巖經(jīng)過(guò)應力重新分布能夠很快達到再次平衡，可確保臨時(shí)支護施工安全。
3、Ⅱ區邊墻及頂拱反向擴挖
斜導洞開(kāi)挖支護完成后即可進(jìn)行邊墻及頂拱反向擴挖，(如圖3 中2 步開(kāi)挖所示)擴挖時(shí)由里向外每3.5m 為一段，每段先進(jìn)行頂拱中部擴挖支護，再交替進(jìn)行頂拱兩側及邊墻擴挖支護，目的：一是不至于破壞設計結構而發(fā)生過(guò)大超挖，二是擴挖范圍小，可及時(shí)做好該部位的臨時(shí)支護和永久系統支護，不至于因安全支護不及時(shí)導致破碎圍巖裸露時(shí)間過(guò)長(cháng)而發(fā)生塌方，三是永久支護施工完成的部位，可作為作業(yè)人員應急避險空間。
由于上部巖體較破碎，開(kāi)挖后難以自穩而發(fā)生塌方，因此開(kāi)挖過(guò)程中爆破控制至關(guān)重要，盡量減小爆破對圍巖的擾動(dòng)和破壞，充分利用圍巖在爆破后經(jīng)過(guò)應力重新分布后達到再次平衡的能力，及時(shí)做好臨時(shí)安全支護，并對已開(kāi)挖到位的及時(shí)做好永久支護，以防止塌方。
由于上部頂拱曲面開(kāi)挖及邊墻保護層開(kāi)挖質(zhì)量要求高，為減少工程超挖，反向擴挖采用光面爆破工藝，按照短進(jìn)尺、弱爆破、多循環(huán)方式進(jìn)行開(kāi)挖，嚴格控制超欠挖，確保開(kāi)挖規格和質(zhì)量。每循環(huán)開(kāi)挖完成后及時(shí)做好臨時(shí)安全支護，支護材料由人工通過(guò)斜導洞運往工作面，爆破洞渣通過(guò)斜導洞溜往蝶閥交通洞后裝車(chē)運往渣場(chǎng)。設計爆破參數如下：
主爆孔：鉆孔孔徑D=42 mm，孔深2.0m，孔距1.0m，排距0.8~1.0m，單孔藥量Q 孔=0.75kg，單耗0.38kg/m3，采用φ32×150g 型乳化炸藥連續柱狀裝藥，非電毫秒延期導爆管雷管微差起爆網(wǎng)絡(luò )，工業(yè)電雷管引爆。
光爆孔：鉆孔孔徑D=42 mm，孔深1.8m，孔距0.45~0.5 m，光爆層厚0.5m，線(xiàn)裝藥量為120~150g/m，采用φ25 乳化炸藥間隔不耦合裝藥，導爆索連接，電雷管引爆。
施工結果證明：按此爆破參數進(jìn)行鉆爆施工，對周邊圍巖的擾動(dòng)和破壞小，上部頂拱擴挖過(guò)程中未發(fā)生較大塌方，洞室成型效果也比較理想。
4、Ⅲ區下部邊墻及底板開(kāi)挖
上部邊墻及頂拱擴挖支護完成后，再自上而下進(jìn)行Ⅲ區下部邊墻及底板開(kāi)挖及支護施工。由于下部邊墻及底板圍巖相對較好，因此開(kāi)挖時(shí)適當增加孔深和裝藥量，以增加每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺，加快施工進(jìn)度。開(kāi)挖采用分層梯段爆破，開(kāi)挖分層高度2~2.5m；邊墻進(jìn)行光面爆破技術(shù)控制�，F場(chǎng)施工時(shí)主爆孔孔深最大達到3.0m，單孔藥量最大達到1.5kg，光爆孔孔深最大達到2.8m，線(xiàn)裝藥量達到220g/m，開(kāi)挖后洞室成型較好。上游邊墻圍巖較好，無(wú)較大的裂隙和不利結構組合體，整體爆破效果較好，光爆殘孔率達75%以上。下游邊墻受EL：2228 高程溶蝕區和溶洞影響，爆破后局部邊墻出現巖體滑落，開(kāi)挖面平整度稍差，光爆殘孔率僅40%左右。由于開(kāi)挖高度較大，每開(kāi)挖一層及時(shí)進(jìn)行了邊墻永久系統支護，所以臨時(shí)支護不再施工。
5、安全支護
在洞室開(kāi)挖后出現臨空面，圍巖發(fā)生卸荷并裸露，打破了原有的三維應力平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)應力重新分布形成了新的應力場(chǎng)(即二次應力)，圍巖也同時(shí)向洞室內側位移，如果圍巖自身能夠抵抗二次應力，則可以保持自身穩定。而Ⅳ類(lèi)圍巖開(kāi)挖后原有平衡改變后，很難自行達到新的平衡狀態(tài)，若不施加外力幫助其重新達到平衡，極有可能發(fā)生塌方。而錨噴支護是一種柔性支架，它允許圍巖尋求新的平衡而產(chǎn)生的有限位移，可以解決以上問(wèn)題。蝶閥室上部巖石較破碎，每個(gè)開(kāi)挖循環(huán)完成后都必須及時(shí)進(jìn)行臨時(shí)安全支護，使開(kāi)挖巖面形成封閉襯護體，幫助圍巖重新達到二次穩定狀態(tài)，確保施工安全。安全支護主要為錨桿、ф4mm 100×100cm鍍鋅鋼絲網(wǎng)、Φ8 鋼筋網(wǎng)和噴混凝土等幾項支護措施。臨時(shí)支護參數：先素噴5cm 厚C20 混凝土，再打設ф22，L=3.0m 隨機錨桿掛Φ4 機編鍍鋅鋼絲網(wǎng)復噴C20 混凝土10cm；系統支護參數：EL2226.9 高程以上：系統錨桿Φ28、L=6.0m，間排距2m 和1.5m，掛Φ8 鋼筋網(wǎng)噴C20 混凝土厚15cm，排水孔Φ56、L=5.0m，間排距3.0m。EL2226.9高程以下：系統錨桿Φ25、L=4.5m，排距2m，掛Φ4 機編鍍鋅鋼絲網(wǎng)噴C20 混凝土厚10cm。
蝶閥室斜導洞上部及頂拱反向擴挖，由于圍巖較破碎，且蝶閥室開(kāi)挖斷面較大，如果上部頂拱及邊墻臨時(shí)支護及永久支護不及時(shí)到位，對下層巖體開(kāi)挖及后期壓力管道斜井開(kāi)挖都是一個(gè)極大的安全隱患。因此斜導洞上部及頂拱反向擴挖，每循環(huán)都必須及時(shí)先素噴5cm 混凝土，再打設ф22，L=3.0m 錨桿掛網(wǎng)復噴C20 混凝土10cm；對于頂拱及邊墻已擴挖到位的部分及時(shí)做好永久系統支護，下部邊墻及底板由于開(kāi)挖高度較大，每開(kāi)挖一層后都及時(shí)進(jìn)行了邊墻永久系統支護，所以臨時(shí)支護不再施工。
6、溶蝕溶洞區域加固處理
為保證電站施工期及運行期的永久安全，經(jīng)過(guò)業(yè)主、設計、監理及施工方共同研究決定：對右邊墻EL2228 高程溶洞溶蝕區域進(jìn)行加固處理，以確保電站運行期間安全。加固處理措施如下：1、蝶0+000~0+010 段頂拱及右邊墻系統支護后，再掛設φ8150×150mm 鋼筋網(wǎng)噴C20 混凝土厚5m 進(jìn)行封閉。2、噴混凝土等強后，蝶0+000~0+010 段頂拱及右邊墻(EL2225 高程以上)按間排距2m 進(jìn)行梅花型鉆設徑向注漿孔，進(jìn)行回填兼固結灌漿，使圍巖較破碎部位巖體能夠膠結為一整體，同時(shí)也對空強部位巖體進(jìn)行了回填和填充，增強巖體的自身穩定能力。灌漿孔孔徑φ42mm，孔深3.0m，灌漿壓力控制在0.3MPa 左右，水灰比1：1~0.5：1。
三、結語(yǔ)
雖然蝶閥室長(cháng)高比較小，洞室EL2226 高程以上多為強風(fēng)化板巖，巖體破碎夾泥，溶蝕現象較明顯，實(shí)施光面爆破存在一些不利因素；且導洞上部開(kāi)挖及反向擴挖，每循環(huán)需人工搭設作業(yè)平臺，臨時(shí)支護材料均需人工運輸，施工難度較大，但由于采取了正確的開(kāi)挖順序和方法，爆破設計參數合理，臨時(shí)支護及時(shí)到位，確保了施工質(zhì)量和施工安全，工程投資在可控范圍內。開(kāi)挖工期歷時(shí)1.5 個(gè)月，比預定工期縮短了0.5 個(gè)月，因此蝶閥室開(kāi)挖支護方法無(wú)論是從施工質(zhì)量安全上，還是從工程投資、施工進(jìn)度上來(lái)評價(jià)都是成功的。
