复杂地质条件下平洞开挖施工技术浅谈.docx

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复杂地质条件下平洞开挖施工技术浅谈

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

【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】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Ⅳ、Ⅴ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

（GB50487-2008）附录N可划分为Ⅳ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Ⅴ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0.8m，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Ⅴ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：

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

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Ⅰ18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Φ25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°。

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=πRk2Lη，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。

η—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Φ25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2右岸平洞支护后图片

3.2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。

3.2.1I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3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4反铲开挖图

3.2.1II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）

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。

待全部松散石渣清理完成后，在洞内已安装完成的钢拱架两侧掏空部位增加浆砌石砌筑，两侧范围各约为1m*2.25m，另沿拱顶120°范围内布置螺纹钢φ20mm，单根长3m，间距10cm，有效的将钢拱架连成一体,切实起到安全支护的作用。

再沿平洞开挖轮廓线安装钢模板，模板吊挂与钢拱架连接，分为三层浇筑砼，第一层均为1.5m厚度的C20砼第三层采用C15砼进行浇筑。

砼浇筑均采用砼泵入仓。

在后续平洞开挖过程中，严格按照“短进尺、弱爆破、强支护”的施工要点，单循环进尺前进行超前锚杆的施工，对照如此破碎岩石的情况，采用螺纹钢φ25mm，单长3m的钢筋作为锚杆，为保证锚杆施工质量，在钢拱架上打孔，采用TY-28手风钻造孔，与坝轴线成30°角，间距3m。

图5冒顶后的天窗图片

5、总结

在特殊地质条件下进行洞室的开挖应注意以下几个方面的要点：

1）、首先要进行砼洞脸的施工，如此可保证平洞开挖断面的体型保证，直接进洞，孔口极易产生喇叭口的形状，给后续开挖带来不便。

2）开挖严格遵照“短进尺、弱爆破、强支护”的指导思想。

3）开挖控制单耗药量和单响药量。

4）安排专人查看施工过程中周边岩石变化情况。

可根据具体地质情况，表面素喷一层砼，用于容易观察裂缝。

参考文献：

1、《水利技术监督》

2、《水利规划与设计》

3、《新编爆破工程实用技术大全》

4、《水利水电施工组织设计手册》