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新奥法施工在云南某水电站隧洞工程破碎围岩中的应用

新奥法施工在云南某水电站

隧洞工程破碎围岩中的应用

 

李英全  尹茂宏

云南建工水利水电建设有限公司

 

【摘  要】目前,在地下洞室开挖中,新奥法已得到了广泛采用。本文主要针对新奥法在破碎围岩中的应用进行探讨,结合工程实例总结出破碎围岩中的合理施工方法。

【关键词】新奥法施工  破碎围岩  应用

 

 

一、引言

目前的地下洞室开挖中,新奥法已得到了广泛采用,新奥法最基本的原则是:充分利用与调动围岩自承能力。新奥法在我国地下工程中已得到广泛应用,尤其在软弱破碎围岩的应用中也已取得很多成熟的经验,但实际施工中在遇到地质复杂的破碎围岩时,仍然会出现问题。工程实践证明,如果把新奥法不恰当地应用到所有岩层中去,并采取了不恰当的施工方法,便会误导施工,导致失败,引发塌方,给工程施工带来较大损失。新奥法是一种概念,而不能理解为一种施工方法。否则,生搬硬套到劣质岩层中,会给工程带来严重后果。很多工程实例中的经验教训,也充分证明了这一点。光面爆破、锚喷支护、变形量测是实施新奥法慨念所采取的三种最基本手段,但在劣质岩层中,这三种基本手段并不能满足洞室安全施工需要,特别在支护手段上,根据不同的地质情况,采取了越来越多的支护方式,如超前导管、钢格栅、钢支撑等等。 

根据新奥法的核心是提高围岩弹性抗力充分利用与调动甚至提高围岩的自承能力,大多采取了开挖后及时实施加强一次支护的形式,并根据软弱岩石变形量较大的特点,在围岩变形趋于稳定后再实施钢筋混泥土衬砌等永久支护形式。

二、支护形式与支护参数问题

新奥法的核心是提高围岩弹性抗力和充分调动甚至提高围岩的自承能力。而支护形式与参数的确定就是要以充分提高围岩弹性抗力,充分调动围岩自承能力为出发点。新奥法将原来作为荷载的岩体(也就是围岩荷载全部由支护结构承担),转变为具有承载能力的结构物的一部分,也就是将原来被动受力岩体转化为主动受力岩体。这一观念上的转变,使地下洞室的支护手段得到发展。但决不是在任何一类围岩中都可以轻而易举实现这一点。特别是在软弱破碎围岩中,自稳时间极短,甚至没有自稳时间,仅通过简单的锚、喷支护是无法实施新奥法原理的,必须通过管超前、预注浆、强支护(钢格栅或钢支撑)早封闭等手段,软弱围岩早期也使用柔性支护理论,但对于不良地质大跨度洞室柔性支护偏弱,会导致塌方发生,这些工程使用柔性支护发生工程失败,使人错误认为新奥法不能应用于软弱破碎岩体中,曾束缚着新奥法在劣质围岩中的发展应用。快捷、简便的锚、喷支护,它在硬岩中,势能迅速提高与发挥围岩自承能力的,而在软岩中,因缺少足够的刚度与支护强度,是无法抑制住围岩变形的。在硬岩中,因岩石块体强度较高,爆破后松动范围。送ü榷ㄑ姨,其作用可以延伸到较大范围,通过稳定岩块很自然地能承受住岩体变形所产生的局部应力集中。而在软岩中,锚杆只能在杆体周边有限的范围内起控制作用。因为岩层在一定范围内完全是一个朔性体或松散体,其围岩变形压力,通过锚杆和喷混凝土作用范围以外的空间应力传递到支护结构物上,足以使薄弱结构物破坏。

所以在软岩中,支护结构不仅要有足够的强度,还要有一定的刚度,且通过超前小导管并预注水泥浆等手段最大限度提高围岩弹性抗力。在围岩中采用格栅钢架或钢支撑并喷射网喷混凝土,且施打比硬岩中还要重要的锚杆。这样,通过超前小导管、预注浆、格栅钢架、钢支撑、喷混凝土、环向锚杆及具体作用范围内的岩体,使他们组成一个牢固的支承拱环,阻止围岩变形。

在强支护这方面,国内外广泛使用超前小导管、钢支撑、格栅钢架,随着工艺发展,钢支撑一次滚压成型,加快了钢支撑加工进度,但比格栅钢架,成本上要提高,对于一般不良地层,采用格栅钢架,它灵活、方便、轻巧的主动支护结构物且成本低廉、制作简单,比钢支撑具有更多的优越性。它与喷混凝土、锚杆组成的联合体,能使围岩的自承能力得到充分的发挥。但对于塌方和松散岩体,宜采用钢支撑,它比格栅钢架具有更好的刚度,更能承受围岩的巨大压力。只要支护手段恰当,开挖方法得当,用超前小导管且预注浆、钢支撑(格栅钢架)+锚杆+喷混凝土和排水等手段,可以应用于任何劣质岩体的。

工程实例:

云南某水电站引水隧洞围岩有Ⅱ~Ⅳ类,从开挖揭露的地质情况看,局部洞段围岩为Ⅳ~Ⅴ类,围岩呈强全风化,围岩为泥夹砾石,且渗水较严重,局部出现了小面积塌方。为了加快施工进度,保证施工安全,采用“超前小导管并灌注水泥浆+工字钢支撑+锚杆+挂网喷混凝土”的方案替代传统的衬砌混凝土方式,加快了施工进度。

在施工中,考虑到围岩差,在支护形式和支护参数上采取以下几种施工方法:

(一)超前支护

超前支护采用两种支护形式,一种为超前普通砂浆锚杆,另一种是超前小导管并灌注水泥浆。超前锚杆采用普通的全长粘结砂浆锚杆,砂浆标号为M25,钢筋型号为Φ25或Φ28,锚杆长度一般为3~6米并不得小于开挖进尺的1.5倍,超前砂浆锚杆布置方向为沿洞开挖边线布置,距开挖轮廓边线10~20cm,间距30cm。超前小导管采用φ48的钢管,钢管长度基本上确定为6.0m,沿洞室开挖边线外10~20cm环向布置,钢管基本上平行洞轴线,并向外辐射5度左右,管内灌注1:1的水泥浆,灌浆压力一般控制在0.2MPa~0.5MPa之间,根据实际围岩的情况确定超前小导管循环施打的距离,一般为2m或3m一循环。

(二)加强支护

引水隧洞加强支护措施为格栅拱梁加网喷或工字钢拱梁加网喷两种形式,钢支撑榀间距0.5~1.0m,榀间通过钢筋进行连接,形成整体。

(1)钢筋格栅拱梁

钢筋格栅拱梁是一种灵活、方便、轻巧的主动支护结构物,它成本低廉、制作简单并具备一定的刚度。它与网喷混凝土、锚杆组成的联合体,能使围岩的自承能力得到充分发挥,因此在本工程中相对较破碎的围岩地段均采用此种支护方式。

(2)工字钢拱梁

工字钢拱梁是一种强刚度支护措施,对于十分破碎的围岩具有很强的稳定效果,它与网喷混凝土、锚杆组成的联合体,能使围岩的自承能力得到充分发挥,因此在本工程中十分破碎的围岩地段均采用此种支护方式。

(3)钢筋网喷砼

架设钢支撑后挂钢筋网,喷射20cm厚砼。

三、支护时间问题

在新奥法的22条原则中,其中很重要的一条是支护时间问题。支护要在适当的时间进行,太早或太晚都是不好的。根据实践证明,软岩在二次应力作用下,不断松弛的整个过程属于塑性变形。随着围岩的塑性变形,势必对支护物的阻力不断增大,因此一次支护时间越早越好。 

该水电站引水隧洞工程施工过程中,就发生过由于不及时支护而引发塌方的实例。开挖时,由于该洞室洞口段实际地质条件较差,大多为Ⅳ、Ⅴ类围岩,按施工措施开挖进尺一米(一排炮)后立即进行一次加强支护,施工队按该方法实施后洞室开挖进展比较正常,但施工队由此而产生了麻痹思想,连续有两到三排炮均未进行支护,结果导致了洞室塌方,不得不停下来进行塌方处理,影响了施工进度。对于抗压强度高与抗压强度低岩体互层时,经过工程实践,支护滞后开挖掌子面10~15为宜,如滞后较多,则岩体会产生开裂和松驰。    

四、爆破及开挖分块

新奥法部分观点是开挖尽可能一次爆破成型,以减少爆破振动次数和避免应力多次重分布。应该说这同样是对具有足够自稳时间的围岩而言的。对于劣质岩层,具有一定规模的洞室,这种一次成型的做法,只会产生相反效果。因为断面大的洞室,爆破开挖后其自稳时间不足以满足支护时间的要求,而仅靠喷混凝土来稳定围岩或延长围岩自稳时间是有问题的。所以在劣质岩层中,只能短进尺、弱爆破,如洞室跨度不大于10m,则最好采用上、下分层开挖,如大于10m则在上层开挖时,宜采用双侧壁导坑法或中导洞进行开挖,自上而下,待上层支护完成后再开挖下层,在下层开挖时,应先进行中间抽槽,两侧预留保护层,则预留保护层前后错开开挖,以免爆破振动,导致边墙不稳而发生塌方。

工程实例:

该水电站引水隧洞分上下两层开挖,对Ⅱ、Ⅲ类围岩,每层开挖一次爆破成型,围岩地质条件差的洞段施工采用“新奥法”,开挖钻爆遵循“预支护、短进尺、弱爆破、及时强支护、早封闭、勤量测”的原则施工,确保成洞稳定。具体施工方法如下:

(1)上部开挖支护

根据洞室断面尺寸,选择合适的上层高度,采取短进尺(一般结合采取的钢支撑榀间距确定)开挖,开挖后立即素喷5cm砼,然后施打锚杆、架设钢支撑、挂钢筋网,最后复喷砼至设计厚度。

(2)下部开挖

在进行下部开挖时,为确保施工安全,下部开挖采用中间抽槽,两侧预留保护层锚开开挖,进尺仍按榀间距控制,开挖出一侧后立即进行锚杆施工、钢支撑接腿、挂网、喷砼等施工,结束后才开挖另一侧预留保护导层并及时进行支护。施工成型后按规范要求埋设观测设施,加密观测,及时反馈观测信息,指导隧洞施工。

通过实践证明该种施工方法效果较好,采用该种方法从未发生塌方等意外事故。

五、地下水处理

地下水丰富是地下洞室施工中最为棘手的问题。地下水压力的存在,使喷混凝土困难,它把岩石裂隙中的细颗粒带走,像润滑剂一样降低了岩层之间的摩擦力,使岩层易发生错动,对于软弱岩体地下水还加快了岩石软化,加快和扩大围岩变形,甚至造成洞室失事。

对地下水,视工程具体情况而各有其处理办法,最好的办法之一是排除地下水或降低地下水位。

该水电站引水隧洞工程地下水活动属微弱地段,因此采取的措施是:在洞室周边布设随机排水孔,排水孔垂直于洞室周边,孔径为φ40,孔深为3.0~6.0m,周边的锚杆安插采用速凝药卷,经过这种处理后,有效的降低了水压力,确保了洞室围岩的稳定。

六、塌方的处理

在隧洞的开挖中,塌方是因为对地质状况的认识不足和施工方法错误造成的。根据产生的地质条件及其处理方法,一般可分为两种类型:

一类是块状结构即多节理裂隙的破碎岩体,它们岩石单块强度较高,开挖后在爆破力及二次应力下极易成松散体。这类岩体中所产生的塌方一般规模不大,塌落高度很少超过一倍洞径。处理这类塌方,要引进新奥法概念,因为,在塌方产生后尽管所造成的洞室形状极不规则,但未塌落部分岩体仍然存在着自承能力。塌方的处理,就是利用这种自承能力为基点。塌落后切忌出渣,利用松渣抑制坍方范围的进一步扩大,然后再从顶部开始,自上而下,对未扰动岩体进行层层喷锚。

第二类是产生在松散体或高塑性软岩中,如大断层破碎带,极松散的软岩象三叠纪劣质煤层等。这类塌方规模都很大,塌落高度高,有时可沿软弱破碎带或松散体塌落通天,高度可达百米以上。

这类塌方的处理,同样要应用新奥法概念,严禁出渣,以免塌落空腔进一步扩大,其处理方法与步骤如下:

第一步:沿开挖规格线压入可注浆管,组成管棚,并进行中低压灌浆,使管棚附近形成一固结拱圈;第二步:安置有足够强度与刚度的钢拱架;第三部:布置环向注浆管,并用中压进行注浆;第四步:在钢拱架内层布上钢筋网并喷混凝土,使钢拱架与喷混凝土组成一整体,而后对松散塌落体进行挖掘;再重复上述作业。这过程一则是提高松散体力学强度,改善它的自承能力;二则是使钢拱架喷混凝土与固结后的松散塌落体组成一环向支撑拱,这是一个强大的支撑拱,它足以承载上复数十米高的崩落堆积体。即使有数百米高的冒顶塌方,由于上覆松散体堆积物的重力大部分可传递到周边岩体中,所以使用该办法能够对付任何规模的塌方。

工程实例:

该引水隧洞开挖至螃蟹沟段,穿越一个大的断层,又遇较强地下水活动时,发生了高10m左右大塌方, 对塌方段采用了超前小导管且预注浆+钢支撑+锚杆+喷砼施工方法,成功进行了塌方段处理。具体处理方案为:第一部,沿开挖线压入φ48注浆管,组成管棚并进行灌浆,灌浆压力为0.2~0.5MPa,使拱圈附近形成一固结拱圈;第二部,安装Ⅰ20工字钢拱架;第三步,布置环向可注浆管,并用中压进行注浆;第四步,在钢拱架内层布上钢筋网并喷混凝土,使钢拱架与喷混凝土组成一整体,然后对松散塌落体进行挖掘;再重复上述作业。塌方处理详见如下示意图。

七、变形量测

变形量测是新奥法的核心措施之一,是监测围岩变形并作信息反馈的必要手段,在软岩开挖或塌方处理中更为重要。目前,使用最广泛操作最简捷且效果最显著的是收敛变形观测。

软岩中的允许变形量比硬岩大得多,如该引水隧洞下游侧塌方段,其收敛量达140mm时,仍然不是破坏性量值。值得提醒的是,即使是软岩,也不能过于放纵,变形量仍控制在50~100mm为好。在使用格栅拱梁地段,属半刚性支护,允许变形量应减半。有学者认为日允许变形量不应大于3mm,也有学者认为日变形量小于1mm为稳定,是否可用一个界线来划分稳定与否,值得探讨。在该引水隧洞开挖施工中,采用了收敛量测,严格监测变形量,根据量测变形情况指导施工,取得了较好效果。

围岩稳定的标志是收敛变形速率呈递减趋势,无论在什么条件下,绝不允许出现变形加速,这是破坏的征兆。

八、总结

通过对破碎围岩的施工,对新奥法的概念有了更深刻的了解,对新奥法在破碎地质的应用有了进一步的体会,同时觉得,在破碎地质进行地下工程的施工要严格按照新奥法所规定的要求去组织施工,这样施工进度才会顺利,施工安全、质量才有保证。

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