复杂地质地下洞室开挖支护技术研究.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023复杂地质地下洞室开挖支护技术研究张广辉（中国安能集团 第一工程局有限公司，广西 南宁 530000）摘要：对于类偏差围岩或者处在断层破碎带的围岩，为了保证洞挖的稳定性，选择合适的开挖支护参数尤为重要。山西某地抽水蓄能电站地处石英砂岩地质段，岩石破碎，采用弱爆破辅助以机械开挖，在开挖过程中遇到了2次塌方和1次涌水，均得到了及时处理，经参建各方及时总结、调整，最终形成了适合石英砂岩地质的开挖支护参数，保证了后续开挖过程围岩稳定。关键词：断层破碎带；开挖支护；石英砂岩中图分类号：TV743文献标志码：Bdoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.066收稿日期：2022-12-27作者简介：张广辉（1986），男，河南许昌人，工程师，主要从事水利水电工程管理工作E-mail：1工程概况山西某地抽水蓄能电站地处石英砂岩地质段，岩石破碎，为满足引水系统上斜井和中平洞开挖、混凝土衬砌、压力钢管安装及竖井混凝土衬砌等施工要求，设置施工支洞。该施工支洞洞口位于左侧山坡，距厂房地面直线距离约500 m，地面高程为600630 m。该施工支洞洞口为露天洞口，末端与引水隧洞中平洞相接，为城门洞形隧洞，全长708.74 m，断面净尺寸7.5 m6.5 m。该隧洞埋深34110 m。F6断裂带下盘出露石英砂岩，层理、节理发育，岩体风化强烈，岩体较破碎，围岩不稳定；F6断裂带上盘出露安山岩，节理发育，岩体风化强烈，较破碎，围岩不稳定。该段发育8条断层，分别为F6断层破碎带，以及f02、F59、f03、f04、f05、f06、f07断层，主要由断层角砾岩、碎裂岩、糜棱岩、岩屑组成，断层面可见擦痕，出露宽度2.022.5 m。该段受断层带及断层影响，洞室围岩极不稳定，开挖过程中2次不同程度发生塌方，1次涌水，开挖期间掌子面小塌方、掉块不断，属类偏差围岩，采取了加强支护的措施对围岩进行处理。图纸上该施工支洞类围岩509 m，类围岩199.74 m 1，洞挖至桩号0+321.00 m左右全部为类围岩，洞室开挖每循环平均进尺约1.5 m，多采用机械开挖结合弱爆破、短进尺、强支护的形式开展。针对类围岩，原设计要求的开挖支护由初期支护和二次支护组成，初期采用I20a工字钢架及挂钢筋网喷锚支护，工字钢架间距 1.0 m，设25 mm 连接钢筋，锁脚锚杆22mm、长4.5 m；喷C25混凝土厚20 cm，锚杆22 mm、长3 m、入岩2.9 m、间排距1.5 m，菱形布置；设置8 mm钢筋网，孔距20cm20 cm；设置56 mm排水孔，孔深3 m、间排距3 m，菱形布置，排水孔内插入50 mmPVC排水管；二次支护采用60 cm厚C25钢筋混凝土衬砌。2施工异常情况及处理方案（1）塌方。施工过程中，沿拱顶左侧和右侧各塌方1次，方量约50 m3，根据现场实际情况，采取措施如下:利用台车，确保安全条件下对塌腔部位全方位素喷混凝土，封闭支护完成后对塌腔进行处理，素喷混凝土凝结后塌腔口形成钢筋网片封闭；检查确保安全后向塌腔内安装回填灌浆管2、排气兼回浆管及排水管，回填灌浆管、排气兼回浆管预埋长度根据塌腔形态按照1、2、3、4 m紧邻布置，间排距控制在0.5 m以内，排水管预埋穿过已施做钢筋网四周，支护完毕施打排水孔后重新安装排水花管，排水花管开斜孔、月牙口便于排水；喷混凝土结束待凝后对塌腔进行回填灌浆处理，为保证回填灌浆质量及洞室安全、稳定，回填灌浆分4次进行，回填高度按照1 m控制，灌浆压力控制在0.30.5 MPa内，分次回填灌浆完成后待凝时间不得小于6 h；待塌腔小导管支护、喷混凝土及回填灌浆施工完成后对处理质量进行检查评估，确认安全后逐层清除回填反压石渣（清除速度不宜过快，且清除施工过程中随时观察已支护拱架是否有变形及喷混凝土是否有开裂现象），清除完毕后进行钢拱架支护作业；拱架支护且喷混凝土至初期支护设计断面后，施钻系统排水孔及随机排水孔，系统排水孔间排距不变，孔深根据实际情况调增，随机排水孔布置在明显渗水处且孔深按入岩3 m控制，排水管所排山体渗水接引至积水坑，由水泵抽排至洞外污水处理池。（2）涌水。涌水发生部位位于起拱线以下，为岩石裂隙水、无压水，水量较大，无应力集中现象，右侧边墙及顶部岩体处于稳定状态。处理措施如下：钢拱架施工完成后，立即施做锁脚锚杆；拱架支护完成后立即组织喷混凝土，喷混凝土至初期支护设计断面后进行系统排水孔及随机排水孔施工，系统排水孔间排距不变，孔深根据实际情况调增，随机排水孔布置在明显涌水处，随机排水管用无缝钢管制作。做好涌水段水流引排工作，防止围岩及钢支撑基础长时间浸泡，排水管所排涌水接引至积水坑，由水泵抽排至洞外污水处理系统。（3）收敛变形。该施工支洞经过为期一个月的变形监测，发现 4 个监测断面的收敛变形量分别为 33.25、28.56、28.17、25.99 mm，日均收敛变形量为0.586.57 mm。变形原因：洞室开挖后变形段110 m范围内出露1条宽22.67 m、规模较大的断层F6（南窑西北庄断裂）和7条宽0.82.5 m、规模不等的断层F59、f02f07，该段断层密集，为岩块岩屑型结构面，断层带胶结差、性状差；断层间围岩节理发育，岩体较破碎，围岩不稳定，应力重新分布后沿开挖断面产生了变形；洞挖过程中未及时设置收敛变形监测点，设置后经过连续一个月的监测，发现最大收敛变形量超过3 mm/d，局部累计收敛变形量达到48.31 mm，存在较大安全隐患；开挖完成初期支护后未及时进行变形监测，无法根据监测数据及时加强支护，同时未及时进行钢筋混凝土衬砌施工，导致洞室收敛变形逐步发展扩大。采取措施：施工过程中发现局部约110 m洞内变形较大，存在较大安全隐患，洞室开挖作业暂停施工，作业人员全部撤到洞外，在洞口做好封闭警戒，未经同意，不得进入洞内；对变形洞段采取底部拱起部位增加I20a工字钢支撑，原则上底板清理1榀安装1榀，每榀钢支撑长9 m，剩余节料焊接在两榀之间，同时在临时钢支撑上部覆盖石渣压重，后期视临时补强支护变形监测结果确定是否继续补强；对变形段每隔20 m设置一监测断面，加强观测，每天3次，异常情况及时反馈，经后续连续变形观测，收敛变形近于稳定，效果较好。3调整后的设计方案（1）召开专家咨询会。针对该施工支洞类偏差围岩情况，项目参建各方邀请国内水工隧洞方面的专家对变形原因及下一步开挖支护的参数进行探讨研究，形成了有建设性的意见建议。主要有：根据施工支洞前期揭露的地质条件和现场洞室 129人 民 黄 河2023年S1围岩变形情况，总结分析已开挖段开挖方法、程序及支护方案下围岩稳定性和支护效果，进一步划分围岩类别，研究调整围岩支护参数（如加密锚杆间距、适当加长部分锚杆长度等），加强支护3，保证施工支洞后续开挖支护施工安全；后续开挖施工中，严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测、速反馈、控变形”的开挖支护设计要求，细化“防塌方、防突水突泥”等应急方案；锚杆工艺做到先注浆后插杆，注砂浆，不成孔时可用小导管取代，为增加与围岩的握裹力，可以在锚杆表面焊铁碎片等简便措施；施工支洞断层带采用初期支护工字钢支撑为开口结构，为保证钢支撑安全，建议强化钢支撑锁脚支护强度，可采用注浆小导管或锚筋束等方式；建议加强施工现场参建各方协作配合，加强超前地质预报、短距离地质预报，确定设计和施工方案后加强现场施工组织；施工过程中加强施工期监测4，根据监测数据及时调整支护方案；结合变形监测结果，建议对二次钢筋混凝土衬砌加固处理方案进一步细化，以中间变形量为基础研究衬砌断面，局部拆除边墙最大变形断面的钢拱架，尽量扩大施工支洞衬砌的净断面尺寸，以减小对引水系统钢管运输的影响；根据大变形洞段的地质条件，建议增加围岩变形、渗透压力、支护结构应力等永久监测项目，同时加强监测资料的整理整编和分析。（2）新开挖支护参数。依据专家组咨询意见，结合与该施工支洞围岩地质情况相近的其他施工支洞洞挖支护的成功经验，经参建各方多次沟通协调，调整支护参数：工字钢I20a间距由原设计1.0 m调整为0.50、0.75 m交替进行，并设置25 mm连接钢筋；锁脚锚杆由原设计长L=4.5 m调整为锁脚小导管（每榀拱架左右两侧各4根，L=4.5 m），注浆要求同超前小导管；系统锚杆由原设计22 mm、长3 m、入岩2.9 m、间排距1.5 m调整为25 mm、长4.5 m、入岩4.2 m、间排距1 m，菱形布置；增加超前小导管（每环33根，L=4 m、排距2.5 m）；循环进尺控制在1.25 m内，56 mm排水孔孔深3 m、间排距3 m，菱形布置，插入L=1m、50 mmPVC排水管；回填灌浆孔间排距3 m，菱形布置，预埋52 mm的塑料管深入围岩10 cm；喷C25混凝土20 cm，8 mm钢筋网，孔距20 cm20 cm；采用60 cm厚C25钢筋混凝土衬砌。4开挖支护技术应用效果结合现场实际条件，调整开挖支护参数后5，每天开挖循环进尺1.25 m，经过每10 m的监测断面持续监测，洞室围岩收敛变形量每天保持在0.5 mm内，说明调整后的开挖支护参数是适合类偏差围岩的。梳理总结前期出现的问题，原设计开挖支护存在偏弱的情况，尤其忽略了复杂地质条件下对系统锚杆的作用，经过对前期开挖支护情况的摸索总结，越是地质条件比较差的围岩，系统锚杆起到的作用越大，越要重视砂浆锚杆的作用。经过参建各方和专家多次沟通协调，最终确定的开挖支护参数是适合类偏差围岩的，对国内存在类似较差围岩情况尤其是处在断层破碎带的围岩开挖支护可以提供一定借鉴和参考。参考文献：1 漆祖芳，孔建，饶志文，等.乌东德水电站复杂地质条件下大型导流隧洞群开挖支护设计 J.水利水电快报，2022，43（12）：41-482 肖厚云，杜安朋.复杂地质大型地下洞室开挖与支护技术 J.四川建筑，2021，41（2）：177-179.3 王盼.复杂地质条件下地下硐室群开挖支护的效果评价 J.江西水利科技，2019，45（4）：260-268.4 潘福营，李璟延.复杂地质条件下隧洞开挖支护施工技术 J.水电与抽水蓄能，2015，1（4）：42-44.5 徐懿.复杂地质条件下水工长隧洞开挖支护方案优化 J.山西建筑，2015，41（17）：162-163.【责任编辑吕艳梅】（上接第128页）以后，地表变形逐渐收敛，并趋于稳定。（3）实践过程中盾构顺利接收，证明依靠端头加固并辅以降水作业的干接收技术可确保高水压条件下超大直径盾构的顺利接收。5总结与讨论（1）气囊辅助封堵技术通过动态控制气囊与盾构机密贴面积和压力，提高洞门的密闭性能，避免地下水和水泥浆液渗漏到接收井中，有助于地层稳定，适用于超大盾构的洞门封堵止水。（2）采用洞门密封钢板技术，无须拆除洞门防水装置和外伸管片，提高了洞门密封效果且保证了洞门井接头的施工安全，为高风险条件下盾构洞门接收施工提供了新的技术方案。（3）盾构同步注浆、二次注浆以及径向克泥效注浆的联合使用，有助于增强背衬注浆层防水性和密实度，可有效填充管片环形间隙和盾体外地层间隙，减少地层扰动。（4）盾构采用搅拌桩+MJS桩+塑性混凝土墙端头加固的干接收技术，施工便捷可靠，可有效节省工期和节约造价，为超大直径盾构接收提供了新的思路和案例。通过采用端头加固并辅以高效的洞门封堵技术，顺利完成超大直径盾构在高水压条件下黄河阶地的盾构接收，但如何建立其接收技术的选择和控制标准，使其适用于不同工程环境条件，以满足当前大规模超大直径盾构应用的技术需求，仍有待进一步总结和研究。参考文献：1 王文灿.冻结法和水平注浆在天津地铁盾构接收中的组合应用J.现代隧道技术，2013，50（13）：183-190.2 李忠海，李义堂，李天果，等.盾构端头井水平注浆加固施工技术J.建筑结构，2010，40（增刊1）：366-368.3 吴亮，颜治国.水平袖阀管注浆加固方案及效果分析 J.科技创新导报，2009，6（35）：79.4 岳红波，梁聪，刘媛莹，等.杯形水平冻结法端头加固联合钢套筒盾构接收技术研究 J.施工技术，2020，49（4）：19-21.5 马俊，杨平，刘增光，等.浅埋富含水砂层盾构下穿敏感性建筑水平冻结+短钢箱接收技术 J.防灾减灾工程学报，2020，40（2）：260-267，308.6 徐向勇.地铁盾构接收端冻结加固施工技术 J.建筑技术开发，2021，48（17）：30-32.7 胡奇凡，袁庆利，田巧焕.富水软弱地层盾构明洞接收技术应用分析 J.城市建设理论研究，2015，5（20）：10852-10854.8 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