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復雜地質條件下超長隧洞爆破開挖與支護方案探討

2015-11-24 17:02:58 責任編輯:崔瑋娜

 

王守偉1  饒輝燦2  王小和3

(1.重慶市公安局,重慶,4011472.重慶銀利土石方工程有限公司,重慶,400023

3.葛洲壩建設工程有限公司,湖北宜昌,443002)

摘要:巴基斯坦Neelum-Jhelum工程因地下洞窀的地質條件復雜,開挖長度、難度以及工程量等在國內外實屬罕見。本文著重介紹巴基斯坦N-J項目地下工程超長隧洞開挖施工中的高應力區段、高透水地段以及高溫洞段的施工方案及施工支護處理措施,并對超長隧洞開挖施工中的通風提出膚淺看法,以供探討。

關鍵詞N-J工程;超長隧洞;CD法開挖;地質缺陷跨越;隧洞支護

 

1基本情況

11工程概況

巴基斯坦N-J項目全稱Neelum-Jhelum(尼魯姆-杰盧姆)工程,位于巴基斯坦克什米爾地區,距離印度Tithwal(停火線)以西6km,距伊斯蘭儇253km,海拔在6001100m

(1)地下引水系統隧洞總長約40km,在NauseirThotha之間的20km隧洞開挖工程為整個工期的控制段。斷面面積為82m2的單隧洞,隧洞上段10km基本水平,可用于壩后前池每日峰值儲備調節用。隧道穿越Jhelum河流EL4000以下的部分,其在河床底的埋深接近380m

(2)隧洞沿線設置8個施工支洞以用來運輸隧洞開挖石渣。其分布為Nauseri1個,Thotha2個,Maijhoi1個,Chattar Kalas 3個,Muzaffarabad1個。

(3)調壓室系統由34216m高的豎井和一個接近820m長的調壓隧洞組成。調壓豎井開挖成Ф107m,并用混凝土噴射澆注其表面。

(4)35km長的尾水隧洞截面積為82m2

(5)地下廠房有四臺機組,總裝機容量為963MW。正常泄洪速度280m3s。電站廠房長1316m,寬212m,從水輪機底座算起高40m(地下廠房開挖及支護不在本文中敘述)

本工程總工期為93個月。

12主要工程量及特征

本項目地下工程主要包括施工支洞、引水洞及尾水洞等的開挖和支護工程,隧洞開挖總量340萬立方米。主要地下洞室工程特征見表l

13現場自然條件

工程地區夏季炎熱,冬季寒冷。六七月份最熱,溫度為+42℃,而1月份最冷,溫度為-4℃。在NeelumJhelum河流交匯之間較高的海拔處,來劃分降雪界線。

工程地區海拔為6001100m,地勢較高,地質條件復雜,地下滲水最大漏量達2000Lmin以上。

尼魯姆-杰盧姆約32km長的隧洞將穿過巖層(由陡降的夾層砂巖和頁巖組成)。兩大主要的斷層將對本工程構成影響。其中,MURREE斷層由大壩支承,而引水隧洞將在THOTHA區穿過喜馬拉雅前逆斷層。

質量中等或較差的巖石在整個隧洞系統中占主導地位,在河流交叉處的下游,質量狀況有所改善。在整個隧洞中,各類巖石與滲水情況見表2 

電站區地震水平加速度為020gcm3,進水口區地震水平加速度為025g,/cm3,垂直加速度是水平加速度的13

 

2長隧洞開挖方案

21工程特點及難點

引水隧洞開挖與支護是控制本工程的關鍵項目,它具有地質條件復雜、洞挖斷面小、地應力高、工程量大、線路長等特點。洞內地下滲水、巖爆、圍巖穩定等將對洞室安全施l:極為不利,是本項目施工控制的難點。

為此,合理規劃排水、通風散煙路徑是保證施工順利進行的前提;合理安排施工程序;采取有效控制爆破措施,減少對圍巖的振動破壞,是保證順利完成施工任務的關鍵。施工中還應充分考慮Ⅳ類、V類圍巖及斷層等不良地質缺陷對洞室穩定的影響,以及開挖過程中可能發生的滲、涌水對施工的不利因素,保證開挖、支護及混凝土澆筑等工程質量是本標施工的重點。

引水調壓豎井深34216m,開挖與混凝土澆注均存在較大的風險。主要包括導洞的開挖精度,導洞擴挖炮渣可能堵塞導洞,混凝土澆注的垂直運輸與人員上下安全。

22主要施工對策

    結合本工程的具體情況,施工中擬采取以下主要對策:

(1)配置各類先進的地下洞室施工設備和優秀的施工作業人員,采用新奧法施工作業,保障洞內施工滿足招標文件技術要求。

(2)加強洞室圍巖安全監測,建立健全安全預警機制。根據監測分析報告,及時調整鉆爆參數和開挖、支護程序及方法。

(3)對地下隧洞擬采用C6系列多功能快速鉆機進行快速長距離超前地質鉆探,超前30m預報地質情況,并利用該設備對地下水進行防突,注漿止水,超前支護管棚作業,搶險救助,基礎錨固、錨索、錨桿等處理。

(4)對豎井在高程780m增加一條施工隧洞解決豎井一次開挖過深的問題,亦可削弱混凝土施工難度。

23長隧洞的爆破開挖

231地下洞室爆破開挖的總體程序

爆破開挖總體程序可考慮設備配置能力進行安排。

隧道屬于Ⅳ類、V類圍巖且斷面積不大,其施工采取超前小導洞(4m×5m)的施工方法進行施工,超前小導洞超前46m,然后采取全斷面擴挖跟進,周邊光爆開挖成型。在圍巖地質情況較為惡劣的洞段,采取CD法及雙側壁導坑法進行,洞室頂拱可采取超前管柵灌漿支護。Ⅱ類、Ⅲ類圍巖及正常隧洞采取全斷面開挖。

2311  鉆眼爆破

(1)鉆眼:采用二臂或三臂鉆眼臺車及手持式氣腿鉆機鉆孔,分區定人定眼。

(2)炮眼數目:炮眼數目與巖層性質,掘進斷面和裝藥結構等因素有關,在施工進度過程中,施工技術人員應根據上述特點并經過多次試驗后及時調整。

(3)炮眼布置:掏槽質量的好壞,直接影響全斷面爆破的效果,要提高掏槽質量,除要求好的爆破設計外,施工技術人員及打眼操作人員必須嚴格按照眼的位置、角度、深度以及裝藥量等方面進行操作。

(4)炮眼深度:Ⅱ類、Ⅲ類圍巖及正常隧洞采取全斷面開挖,炮眼深度選擇3540m,掏槽眼比其他眼深02m,循環進尺3236m,炮眼利用率90%。

Ⅳ類、V類圍巖采用超前小導洞及地質條件較差地段炮眼深度選擇2021m,掏槽眼比其他眼深02m,循環進尺20m;全斷面擴挖爆破炮眼深度40m,循環進尺38m。炮眼利用率90%。

(5)裝藥結構:周邊眼采用空氣柱裝藥法,掏槽眼和輔助眼采用反向連續裝藥結構。

(6)爆破:采用光面爆破技術,考慮爆破對圍巖的擾動太大而不利于巖石的穩定,所以還是按光面爆破進行設計,力圖對圍巖的擾動降到最低限度,為順利施工打下基礎。

2312  挖裝運輸

(1)雙線洞渣料采用120180m3h立爪式扒渣機裝渣,單線洞渣料采用25m。側卸裝載機裝渣,15t自卸汽車運輸。

(2)洞內出渣采用無基座汽車回轉平臺進行調頭。斷面較小的雙線隧洞,在計劃安裝回車平臺處的兩側各擴挖12m,以利安裝汽車回轉平臺,后期用于安裝洞內箱式變壓器或汽車錯車平臺。

(3)隧洞掘進過程中Ⅱ類、Ⅲ類圍巖及正常隧洞采取二掘一噴護的掘進模式,在遇地質缺陷段時,采用短進尺、弱爆破法施工、一掘一噴護。開挖前進行適當的超前支護,開挖后及時進行系統支護。

錨桿施工緊跟開挖面,噴射混凝土工程滯后開挖面30m。錨桿采用多臂液壓鑿巖臺車、YZ-90型導軌式鑿巖鉆機或手持式氣腿鉆機鉆孔,平臺臺車配合人工掛鋼筋網,噴射混凝土采用麥斯特DOK-VK088型濕噴臺車或TK-96l型濕噴機。

2313  主要生產作業線機械設備配置

根據總的施工原則和確定的總體施工方案,在施工管理上以大型專用設備為主,形成三條主要生產作業線。主要生產作業線機械設備配置詳見表3

232 地下洞室開挖方法

2321全斷面隧道開挖段的施工方法

全斷面隧道開挖段的施工方法于隧道斷面不大且地質條件不復雜的洞段,如施工支洞((455)m×(57)m)1-4號引水岔管((4867)m×(6166)m)1-4號尾水岔管((4260)m×(5262)m)以及雙線引水洞(769m×706m)

A洞挖施工流程

各水平隧洞包括施工支洞、引水洞及尾水洞等,先在洞口處進行鎖口錨桿等洞口加強支護工作,洞口準備工作做好后,開始進行洞挖,洞挖施工采用全斷面開挖一次成型。每一循環開挖施工工藝流程如圖1所示。

B施工方法

各水平隧洞開挖采用全斷面一次開挖成型,為保證各隧洞的成型與穩定,在初進洞56m范圍內,采取先中間導洞,后擴挖成型,支護跟進的施工方法。初噴混凝土及錨桿施工緊跟開挖面,掛網和復噴混凝土滯后開挖面30m左右跟進施工。8條施工支洞中,除2號、7號、8號施工支洞、調壓豎井支洞、廠房連通洞、引水岔管及尾水岔管等因開挖斷面較小,采取TCAD型二臂電腦導引鑿眼臺車或YTP-28型手持式氣腿鉆機造孔外,其他施工支洞、引水洞、尾水洞及調壓平洞均采用TPC型三臂電液控鑿眼臺車或YTP-28型手持式氣腿鉆機造孔,人工配合在臺車的操作平臺上裝藥聯網,鉆孔孔徑Ф4245mm,小斷面孔深3035m,較大斷面孔深3540m,采用條形乳化炸藥,掏槽孔及崩落孔孔內藥徑為Ф3235mm,耦合裝藥,周邊光爆孔藥徑為Ф25mm,不耦合間隔裝藥。起爆采用非電毫秒雷管和導爆管,光爆孔內采用導爆索引爆。渣料采用3m3側卸裝載機或120180m3h斗式扒渣機(小斷面洞)15t自卸汽車運至指定的料場或渣場,反鏟進行巖面清理。錨桿施工采用三臂鑿眼臺車、YZ-90型導軌式鑿巖鉆機或手持式氣腿鉆機鉆孔,自制移動平臺臺車配合人工掛網,噴混凝土采用麥斯特DOK-VK088型濕噴臺車或TK-961型濕噴機施工。

由于引水洞、尾水洞及大部分施工支洞較長,為了行車方便,在較長洞的工作面前裝一個ST-30H30t無基座汽車回轉平臺,回轉平臺距作業平臺不超過300m。鑒于支洞斷面較小,可每隔300m左右將支洞斷面擴挖成長96m、寬88m、高50m的擴散段,以利安裝汽車回轉平臺(該擴挖面可用作安裝洞內箱式變壓器、排水接力點或汽車交匯點)

洞挖掘進過程中遇Ⅳ~V類圍巖及地質缺陷段時,采用短進尺、多循環、弱爆破的施工方法,開挖前先進行適當超前支護,開挖后及時進行系統支護,如需要按工程師的指示架設鋼支撐加強支護,并隨時觀測,一旦出現異狀,及時分析并采取相應措施進行處理,地質缺陷段按設計及工程師的要求處理。

2322 CD法施工方案

CD法施工爆破方案適用的范圍,為施工支洞((7108)m×(8106)m)以及單線引水洞(974m×974m)洞段,該段的輪廓類型:城門洞形和馬蹄形。由于該型開挖斷面較大且為Ⅳ~V類圍巖,因此采取CD法開挖施工。CD法又稱中隔壁法,用于淺埋及比較軟弱地層中,而且是大斷面隧道開挖。CD法是在用鋼支撐和噴射混凝土的隔壁分割開進行開挖的方法,是在地質條件要求分部開挖及時封閉的條件下采用。其優勢在于可減小軟弱圍巖隧道及大跨道分部開挖跨度和開挖高度,通過增加中壁墻等臨時支護構件,形成分部開挖初期支護快速封閉環,使分部開挖環環相扣,最后完成全部斷面開挖與初期支護。

A施工方法

(1)本隧道分項工程圍巖穩定性較差且開挖斷面大,施工嚴格遵循“早預報、管超前、嚴注漿、弱爆破、短進尺、少擾動、緊支護、勤測量、快襯砌”的原則施工。

(2)采用CD法施工(必要時采用前錨釬預支護),噴錨網或噴錨+注漿、網一次支護,輔以鋼拱架加強支護,全斷面襯砌,施工仰拱超前襯砌施作(施工程序見圖2)

 

(3)施工時先行導坑與后行導坑前后錯開8lOm,采用微振弱爆破開挖。

(4)襯砌段每循環進尺為12m,每095m架設一榀鋼拱架。

(5)每部開挖后及時施作一次支護和臨時支撐。

B施工工藝

(1)先行導坑施工。本先行導坑以微振弱爆破開挖為主,以人工風鎬開挖為輔,每循環進尺10m。根據“新奧法”施工要求,隧道開挖必盡可能減輕對圍巖的破壞,充分發揮圍巖的自承能力,故在鉆爆作業中采用微振控制爆破技術,實施光面爆破,并根據圍巖情況,及時修正爆破參數,達到最佳爆破效果,并形成整齊準確的開挖斷面。

(2)鉆爆設計。爆破設計遵守以下原則:盡量提高炸藥能量利用率,減少炸藥量;減少對圍巖的擾動,采用光面爆破,控制好開挖輪廓;控制好起爆順序,提高鉆爆效果;在保證安全的前提下,盡可能提高掘進速度,縮短工期;掏槽形式采用直眼掏槽。

3)鉆爆參數。鉆爆參數見表4

4)超欠控制。鉆爆法開挖的關鍵是控制好超欠挖,鉆爆施工中采取如下措施加以控制:一是根據不同地質情況,選擇合理的鉆爆參數;二是選用配備多種爆破器材,完善爆破工藝,提高爆破效果;三是提高畫線、鉆眼精度,尤其是周邊眼的精度;四是提高裝藥質量,杜絕裝藥的隨意性,防止雷管混裝;五是斷面輪廓檢查,發現問題分析原因,及時調整減少誤差;六是加強控制測量,及時反饋信息,嚴格施工管理。

2323  雙側壁導坑法施工方案

雙側壁導坑法施工方案的適用范圍為調壓洞隧道段(106m×106m),本段隧道跨度高且斷面大,根據設計及現場施工實際條件,本隧道段擬定采用雙側壁導坑法開挖。開挖施工在雙側壁導洞開挖時采用人工搭建施工平臺開挖,主洞開挖時使用機械開挖。

A施工準備   

(1)導線控制點、水平基點已布設,軸線放樣和標高測量滿足施工要求。

(2)圍巖周邊吸斂儀、精密水準儀等監控測量儀器齊全,洞口監控量測點已布設,量測數據反饋信息滿足開挖正常施工要求。

(3)鉆孔設備、出渣運輸車輛等各項機械設備性能良好可靠,可滿足施工作業需要。

(4)供電、供水、通風及排水等輔助作業應滿足需要。

(5)對施工人員進行技術交底或技術培訓。

    B測量放樣

隧道開挖,測量人員定出開挖斷面中線、水平線,根據設計圖將開挖輪廓線標示在掌子面上。

C隧道開挖

因本工程圍巖較差,嚴格遵循“早預報、管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、少擾動、緊支護、勤測量、快襯砌”的原則施工,洞身在超前注漿小導管及超前大管棚的超前支護下,采用雙側壁導坑法開挖施工。開挖主要采用人工風鎬為主,輔以機械配合,局部進行控制弱爆破松動。

(1)開挖施工在兩側壁導洞開挖時采用人工搭建施工平臺開挖,正洞開挖時,使用機械開挖,開挖施工方法及順序如圖3所示。

(2)局部控制弱爆破鉆爆參數見表5

D注意事項

(1)圍巖較軟段,每循環縱向進尺以安放一榀工字鋼長度即50cm為宜;圍巖稍好段每循環縱向進尺以安放一榀工字鋼長度即100cm施工,但不宜大于100cm

(2)側壁開挖后,中央部分實際處于懸空狀態,這部分圍巖經開挖已擾動過兩次,中部開挖方法不當,易導致臨對壁墻破壞,為此應以不爆破開挖為宜,同時加強支護、量測。

(3)由于分多次開挖,應加強斷面測量工作,防止超欠挖,并配合出碴進行斷面檢查,清除欠挖,處理危石。

(4)臨時側壁的拆除,必須等圍巖穩定后進行。

(5)隧底兩隅與側壁連結處應平順開挖,避免引起應力集中,當遇變形很大的膨脹性圍巖時,兩隅應預先打入錨釬或其他措施加固。

(6)位于洞口淺埋段,應加強地表穩定性及圍巖穩定性的判別,并根據變形管理等級及時采取相應措施。

(7)施工中及時處理和分析監控量測數據,當位移-時間曲線出現反常的急驟變化時,表明此時圍巖支護系統已處于不穩定狀態,應立即停止開挖,并對危險地段加強支護。

(8)隧道洞身開挖時嚴格控制爆破振動,開挖輪廓要預留支撐沉落量,并利于用量測反饋信息及時調整。

(9)嚴格控制超欠挖。

233引水洞調壓豎井開挖

2331施工程序

鑒于引水洞調壓豎井較深,施工難度較大,為了方便開挖及混凝土襯砌,擬在豎井的中部E L780Om的部位增加一條5Om×45m的施工支洞,支洞全長約700m,洞內縱坡比約10%,將引水洞調壓豎井分成兩段施工。在上部的調壓平洞、豎井施工支洞及下部引水洞開挖支護施工完成后,形成上、中、下層三條通道。

(1)第一段上部可由8號施工支洞EL950Om進入到調壓豎井的上開口,下部從施工支洞進入到中段的EL780m

(2)第二段上部呵從施工支洞進入到EL780m的調壓豎井中段,下部從引水洞EL5981m進入到調壓豎井的底部。

分別用BMC-400反井鉆機自上而下鑿一個Ф270mm的導向孔,然后再分別在EL780m施工支洞端頭底板和引水洞E L5981m的底板調換鉆頭,從下至上擴鑿成Ф2Om的溜渣導井,為了確保順利溜渣,正井開挖施工分成兩次擴挖成型。

開挖采用人工手持Y-26型風鉆鉆孔爆破從上至下進行擴挖(人員及器具用5t卷揚機牽引Ф3Om的鋼制吊籃),同時臨時支護跟進,每次自上而下的擴挖高度為2Om。引水洞調壓豎井開挖程序如圖4所示。

2332  施工方法

引水洞調壓豎井開挖先采用BMC-400反井鉆機從上至下鉆導孔,然后換鉆具從下至上擴鉆為Ф20m溜渣導井,反導井的渣料在引水洞內用30m3側卸裝載機裝15t自卸汽車運至指定的存、棄料場。

在Ф20m溜渣導井形成后即可進行第一次擴挖,第一次擴挖尺寸為Ф52m的較大溜渣導井,采用從上至下的施工方法,為防止石渣堵塞溜渣導井,每層正井擴挖高度約20m,且只能用手持風鉆鉆孔,布置兩排鉆孔擴挖;第二次擴挖成型尺寸為Ф107m,第l2排為主爆孔,周邊鉆光爆孔。擴挖施工時,操作人員必須系帶安全繩,并固定在井壁周邊的錨桿上,鉆孔作業時,Ф2052m的溜渣導井口必須用吊籃或鋼箅覆蓋。鉆孔孔徑Ф42mm,主爆孔藥卷Ф3235mm,連續裝藥,周邊光爆孔藥徑為Ф25mm,不耦合間隔裝藥,非電雷管引爆,周邊孔孔內用導爆索引爆,渣料大部分通過溜渣井溜至E L780m施工支洞和引水洞,少部分用人工清渣溜至EL780m施工支洞和引水洞,用3Om3側卸裝載機裝15t自卸汽車運至指定的存、棄料場。

井挖掘進過程中遇Ⅳ~V類圍巖及地質缺陷段時,采用短進尺、多循環、弱爆破的施工方法,并先在四周便墻進行適當超前支護,開挖后及時進行系統支護,并隨時觀測,一旦出現異狀,及時分析并采取相應措施進行處理,地質缺陷段按設計及工程師的要求處理。

為解決擴挖爆破時,部分石渣堵塞溜渣導井時,可用氫氣球綁上炸藥引爆,疏通溜渣導井。

234施工循環作業時間

地下洞室開挖支護作業循環工序時間見表6

24掏槽方式與爆破設計

(1)采用光面爆破,根據地質條件選擇合理循環進尺。

(2)選擇合理的掏槽形式(主要為直眼掏槽形式或斜眼掏槽形式)

(3)選擇品種規格合適的炸藥及其他火工材料。

(4)合理選擇周邊孔間距及最小抵抗線。

(5)嚴格控制周邊孔的裝藥量,采用不耦合間隔裝藥結構。

(6)選擇合理單響藥量,控制爆破質點振動速度。

5為方形直眼掏槽形式,圖6為矩形V字斜眼掏槽形式。

3地下洞室支護施工

31施工項目

本項目支護施工主要支護類型有:

(1)36m錨桿(砂漿錨桿、樹脂錨桿、膨脹錨桿等),約456萬根。

(2)噴射混凝土(包括噴射素混凝土、噴射鋼纖維混凝土、鋼筋網噴射混凝土),約281萬立方米。

(3)預應力錨索2400束。

(4)格柵鋼拱架支護22122t

32支護施工程序

洞挖施工時,洞室圍巖淺層支護隨每層洞室開挖而跟進,即洞室開挖每個工作面成型且滿足設計要求后應立即進行支護施工,錨噴支護工作面滯后開挖工作面不大于30m。對于揭露出來的地質缺陷所顯現的不穩定巖體,隨時進行隨機錨桿錨固。在特別松散、軟弱破碎的沿體中開挖洞室時,采取“一掘一支護”的方式進行支護施工,即:開挖一循環先噴混凝土,然后錨桿鉆孔制安、掛網,再噴混凝土至設計厚度,如此循環掘進。上層支護施工未結束不得進行下層洞室開挖爆破作業。同時為加快施工進度,進行淺層支護盡量使用多臂鑿巖臺車,以縮短施工直線工期。

33支護施工簡要說明

本項目支護工程主要施工簡要說明見表7

(1)設備配置原則:洞室支護受施工部位狹小、施工干擾大等限制,支護施工主要以機動性強、效率高、轉運靈活的設備進行施工。

(2)鉆孔設備的選擇。

1)小斷面洞室孔深不大于50m的錨桿及排水溝孔采用TH-50l型兩臂鑿巖臺車或YTP-28型手持式氣腿鉆造孔,較大洞室內不大于50m的錨桿采用353E型三臂鑿巖臺車造孔,鉆孔孔徑一般大于錨桿直徑15mm以上(按設計孔徑)

2)孔深大于50m的錨桿采用YZ-90型導軌鉆機造孔,鉆孔孔徑一般大于錨桿直徑25mm以上,該型鉆機偏轉范圍0°~360°,鉆孔深度可達2030m,適于洞內中長錨桿及深排水孔的施工。

3)錨索孔施工采用MZ-165型錨固鉆機,具有質量輕、可拆性好、扭矩大、鉆進能力強等優點,還可配置跟管鉆進,適用于本工程復雜地質條件下鉆進。

4)洞室內漲殼式錨桿采用多臂鑿巖臺車造孔或手持式氣腿鉆機造孔,其孔徑為Ф4245mm

5)洞室內隨機錨桿采用多臂鑿巖臺車造孔或手持式氣腿鉆機造孔,其孔徑為Ф4245mm

(3)本標段錨索孔施工,其施工設備質量大,移位轉場頻繁,利用DHY3t電動環鏈提升機作為排架上大型設備及材料的垂直運輸手段,其提升系統結構簡單、安拆快捷方便,可快速形成現場施工條件。

34支護施工時機

(1)各洞室支護施工遵循在開挖過程中,自上而下分層進行的原則,其中主廠房頂拱第一層分塊開挖,分塊支護,頂拱支護完成后,方可向下開挖第二層。在上一層開挖完成后,先進行下一層的預裂爆破,再進行上一層的支護施工,只有在該層的支護施工完成后才能進行下一層的松動爆破作業。

(2)伴隨開挖面的掘進延伸,及時進行錨噴支護。錨噴支護滯后開挖工作面不少于3050m

(3)洞室支護按初噴、錨固、復噴的順序施工。

(4)張拉錨桿、錨索、砂漿錨桿及隨機錨桿根據情況在開挖支護工作面噴完第一層混凝土后施工。

4施工排水布置

41  洞外布置

在引水洞的各支洞洞口分別設置污水處理池處理由洞內排出的施工廢水,處理能力為300m3h。污水經處理后全部排出。

42洞內布置

隧洞開挖采用意大利C6多功能快速鉆機,具有超前地質預報、防突和注漿止水等作用。考慮多功能鉆機注漿止水作用將減少隧洞滲水量,因此在隧洞施工布置排水設備時,地下洞室最大滲漏量按100m3h考慮。

(1)引水洞、尾水洞及其他平洞施工排水。分別在引水洞、尾水洞及其他平洞每隔1000~1500m左右布置一個約20m3集水井(50m×20m×20m),安裝125080m3h污水泵,開挖的廢水及滲水由設置在掌子面附近的1530m3h潛水泵抽排至集水箱,經過排水泵站加壓后排出洞外,并經污水沉淀池處理后才能就近排放。

(2)其他地下洞室施工排水。其他地下洞室的施工排水在掌子面附近布置的5080m3h潛水泵抽排至外洞外的污水經沉淀池排放。

洞內落差太大時,可根據實際情況,在潛水揚程范圍內設置集水井將污水分級排出。而引水洞最低位置處位于江底,此處山體滲水較大,應在此處設置集水井,用潛水泵將污水打入到施工支洞集水井內。

5不良地質段開挖安全措施

根據表l、表2及相關地質資料顯示,本項目地下洞室存在一定比例的Ⅳ~V類圍巖和部分洞段出現較大地下水滲漏的情況,必須進行提前預防和處理,主要出現在施工支洞、引水洞及尾水洞等。其長度約為39840m,其中:Ⅱ~Ⅲ類圍巖長度為19257m,占4834%;Ⅳ類圍巖長度為17103 m,占4293%;V類圍巖長度為3480m,占873%。漏水量小于2000Lmin的圍巖長度為18295m,占 459%;漏水量大于2000Lmin的圍巖長度為6238m,占157%。因此,在Ⅳ~V類圍巖和漏水量大于2000Lmin的圍巖部分洞段需采取圍巖超前加固和超前堵漏。

51超前地質勘探

施工過程中,當接近斷層破碎帶及節理發育地段時,為了準確了解地下洞室中尚未開挖巖體的地質情況,及時研究選定掌子面開挖后的支護形式,對前方可能出現的涌水、有害氣體、崩塌等及時采取防范措施,改進施工方法,避免工程事故,確保人身安全。

在開挖中設超前鉆探孔,水平超前鉆探孔平行于隧洞軸線,布置35個超前鉆探孔,位置在斷面上半部中間,采用意大利CASAGRAND公司的C6型全液壓旋轉沖擊地質鉆機鉆孔,孔徑根據地下洞室斷面大小及圍巖情況為65170mm,孔深1230m(該鉆機可集造孔、巖芯取樣、止水、預埋注灌漿管及注漿和灌漿于一體,一次最深鉆孔可達100150m。,可根據Ⅳ~V類圍巖及斷層破碎帶的深度一次采取更深至3050m),在鉆進過程中根據巖粉、巖碴、巖芯取樣及鉆孔的成形情況進行試驗和分析,通過對鉆孔內水壓力的量測或抽水試驗,探測各段水文地質情況,包括涌水量和水壓力等,通過對巖芯分析,判斷該段巖性、產狀、巖層的性質和厚度、節理裂隙、斷層以及巖體的結構。

(1)選擇合理施丁方法。當斷層破碎帶內充填軟塑狀斷層泥或特別松散的顆粒時,采取超前錨桿或超前導管以及超前管棚法超前支護,在超前支護的保護下,進行分部分層開挖。若斷層地段出現大量涌水,則采取排堵結合的治理措施。

(2)采取分部開挖、分部支護;采用淺鉆孔、弱爆破、多循環的施工方法,嚴格控制炮眼數量、深度及裝藥量,盡量減少爆破對圍巖的振動。

(3)采取超前錨固,一掘一支護,爆破后立即噴混凝土封閉巖面,出渣后,再打系統錨桿、掛網、噴混凝土,必要時設置鋼拱橋(或格柵支架)

52地下水堵漏措施

對地下水活動較嚴重地段,除加大工作面的排水強度外,在工作面上采用C6型全液壓旋轉沖擊地質鉆機鉆孔,鉆孔的深度可根據C6型地質鉆機顯示的回水減弱到壓力,最長水平深度不超過80m,上斜45°,孔深不超過60m,并采用該鉆機進行導管預注漿或全封閉深孔固結止水注漿進行綜合治理。可提前在隧洞的掌子面用Ф101~125mm的鉆機鑿3~512~30m的超前勘探鉆孔(根據透水層的深度一次采取更深至30~50m),以及用Ф101~125mm的鉆機沿拱頂和便墻鑿一排輻射灌漿孔,灌漿孔間距10~15m,孔深120~300m,鉆孔角度向巖壁內傾斜5°~15°的超前勘探鉆孔進行灌漿處理。

53跨越巖爆洞段的措施

由于本工程地下隧洞的埋藏深度均很深,其最大深度達到2000余米,屬于高應力區,極有可能產生巖爆,對可能發生巖爆的洞段擬才取如下措施:

1)采取超前鉆孔卸壓,在可能發生巖爆的掌子面上結合中心掏槽爆破孔鉆3個孔徑102mm、孔深10m左右的孔,以釋放巖體中的高構造應力。

2)在可能發生巖爆的掌子面上超前鉆爆掘進一個4m×4m的小導洞卸壓。并噴霧灑水濕潤圍巖,以利應力釋放。

3)采取光面爆破以減少圍巖的局部應力集中區的形成。

4)加強支護工作,爆破后立即噴射混凝土,再加設錨桿和鋼筋網,以盡可能減少巖層暴露時間,減少巖爆發生和確保人身安全。

54高溫地段的防護措施

1)首先對地質條件進行預報,采用大功率軸流式強力風機通風,設置冷卻站,工作面采用冷風機加強通風。

2)在高溫地段噴霧灑水濕潤圍巖,以確保洞內始終處于常溫狀態。

6  隧洞內通風系統布置

61引水、尾水隧洞通風量計算

按最低允許風速計算風量見式(1):

Vd=60vmin×Smax               (1)

式中 Vd _____保證洞內最小風速所需風量,m3/min

     Vmin_________洞內允許最小風速,大斷面隧洞不小于025m/s

             根據招標文件要求最小風速取015~03m/s

Smax__________隧洞最大斷面面積,m2

單線洞:V=60vmin×Smax=60×03×82=1476m3/min

雙線洞:Vd=60vmin×Smax=60×03×43=774m3/min

62豎井爆破所需風量

井深小于300m的豎井爆破后炮煙溫度比氣溫高,有一定的自然通風作用,一般宜采用壓入式通風。其工作所需量按式(2)計算:

Vw=(QS2H 2K1)13×78t       (2)

式中Vw_____豎井通風量,m3min

H______井筒最終深度,m

S______井筒斷面面積,m2

K______修正系數。

調壓豎井:直徑107m,斷面面積S=90m2;井筒深度H=(950610)2=170m,修正系數K1=1,通風散煙時間t=30min

調壓豎井首先采用反井鉆機掘進Ф270mm的導向孔平均進尺3Omh,第一、二次擴挖每循環進尺平均為2m

Q=2×50×045=45kg,取50kg計算。

Vw=(50×902×1702×1)13×7830=590m3min

根據上述式(2),我們做了包括國內外的幾種通風方案,并經過充分考察論證,結論是:(1)國內三家通風機的總功率約為49906660kW,其通風機、風筒等購置和安裝成本約為17001800萬元。(2)國外兩家通風機的總功率約為27902960kW,其中芬蘭GIA公司的專業通風機的總功率約為2170kW,但其通風機、風筒等購置和安裝成本約為25002600萬元。(3)本工程地下洞室總的通風換氣時間約為40萬小時,其主要經濟指標為運行成本。表8為各主要地下洞室的通風設施布置及比較。

通過各主要地下洞室的通風設施布置與比較,可以看出,雖然芬蘭GIA公司的通風機購置和安裝成本要高于國內的產品,但從裝機總功率來看,芬蘭GIA公司的通風機要少22003800kW,按總運行時間約40萬小時計算,可節省成本約8000萬元以上(還不包括少安裝46630800kVA的變壓器及相應的高壓電纜等),而且減少了許多運行管理量。

7結語

鑒于巴基斯坦N-J項目地下洞室這樣的超長隧洞在國內外都不多見,存在著復雜的地質條件風險、高應力的風險、高地溫問題的風險、長隧洞施工通風排水風險、人員居住區安全問題的風險、洞室地下滲水風險、深豎井施工技術風險、外界干擾因素等。為此我們在編制技術方案的工程中,對國內外有難度的較大型水電站地下洞室施工進行了考察與調研,并請教了國內的同行專家,尤其得到了一些國內知名爆破專家的指導,深表謝意。

參考文獻

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[3]吳賢振,劉洪興.井巷工程[M].北京:化學工業出版社,2011

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[5]中交第一公路工程局有限公司.JTG F60___2009公路隧道施工技術規范[S].北京:人民交通出版社.2009

摘自《中國爆破新進展》


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