礫巖地質(zhì)條件下斜井與平洞段圓形洞室施工技術(shù)探討

1、·682·礫巖地質(zhì)條件下斜井與平洞段圓形洞室 施工技術(shù)探討謝紹澤(中國水利水電第四工程局第一分局引洮項(xiàng)目部，甘肅定西，09328445116)摘要：文章介紹了在礫巖地質(zhì)條件下斜井及平洞施Tm渣系統(tǒng)的選型與布置，以及各種 施工措施的應(yīng)用，為類似工程施工積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：礫巖；出渣系統(tǒng)；選型與布置；技術(shù)；應(yīng)用1概述甘肅引洮供水一期工程總干渠9 8隧洞工程位于甘肅省定西市境內(nèi)，隧洞【J距離蘭州市區(qū)約139km。隧洞全長1827km，中部包括稍家溝施T斜井丁程。本工程計(jì)劃從洮河九甸峽水利樞紐調(diào)水至甘肅省中部干旱地區(qū)定兩市一帶。 設(shè)計(jì)引水流量32m3s，加大流量36m3s，一

2、期工程設(shè)計(jì)年調(diào)水量219億m3，為大 (2)型跨流域調(diào)水工程。稍家溝斜井與總干渠98隧洞相交樁號為80+01526m，接 點(diǎn)高程EL210932m，總長約78972m，坡度為40，橫斷面為城門洞型，分A型、B 型，凈斷面尺寸分別為535mX 485m(寬×高)、525m×475m，采用鉆爆法施工，主要承擔(dān)主洞中部含漂石洞段(長920m)鉆爆法施工的出渣及一次支護(hù)施工，為 TBM機(jī)順利穿過創(chuàng)造條件。斜井與主洞交叉段長50m(樁號：79+9902680+ 04026)為加強(qiáng)段，開挖斷面直徑635m，二次混凝土襯砌，其余洞段作為TBM機(jī)的 滑行段，等TBM機(jī)穿過時進(jìn)行預(yù)制管片襯砌

3、施工。2工程地質(zhì)特性主洞中部920m洞段及稍家溝斜井圍巖類型主要為、V類圍巖。類圍巖為下第三系固原群(Egy)巨厚一厚層狀含漂石的礫巖，夾泥質(zhì)粉砂巖、礫巖地質(zhì)條件下斜井與平洞段圓形洞室施工技術(shù)探討·683·砂礫巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度差，礫巖中漂石含量在10左右，最大粒徑大于2m， 礫及砂含量在7080，泥含量約1015，礫卵石部分風(fēng)化強(qiáng)烈，呈粉末狀， 漂石、礫、卵石磨圓度、分選性差，成分多為花崗巖、花崗片麻巖，該巖性遇水易軟化， 強(qiáng)度較低。圍巖總體為層間結(jié)合差的巨厚一厚層狀結(jié)構(gòu)，單層厚度一般80200cm，局部為薄層狀結(jié)構(gòu)，單層厚度一般2060cm，圍巖中構(gòu)造不發(fā)育，巖層

4、產(chǎn)狀 NW300。SW<12。，礫巖層中含少量孔隙水，該地下水對隧洞圍巖穩(wěn)定性影響較大，將 軟化圍巖強(qiáng)度，降低圍巖自穩(wěn)能力，施工過程中有線狀流水，圍巖自穩(wěn)能力差，開挖 時易出現(xiàn)頂拱的坍塌變形破壞。地下水水質(zhì)較差，對普通水泥具硫酸鹽結(jié)晶性強(qiáng) 侵蝕。V類圍巖主要由坡洪積塊石碎石土(dlQi)組成，厚度約2030m，結(jié)構(gòu)松散，進(jìn) 洞時需要清除塊石碎石土。圍巖為下第三系固原群(Egy)巨厚一厚層狀含漂石的礫 巖，夾泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度差，該巖性遇水易軟化，強(qiáng)度較低， 屬極軟巖類，自穩(wěn)能力差，開挖中易出現(xiàn)頂拱的坍塌變形破壞。3施工機(jī)械選型31出碴設(shè)備選型9。隧洞稍家溝斜井和主洞

5、中部920m平洞段鉆爆開挖及一期支護(hù)施工交通為斜 井本身，根據(jù)斜井施工坡度較大的特點(diǎn)(坡度為40)，一般輪胎式機(jī)械根本無法具 備l葉渣條件，為此合理的機(jī)械選型及布置顯得尤為重要，通過技術(shù)論證決定選用有 軌機(jī)械設(shè)備來作為出渣及材料的運(yùn)輸比較合理。通過對工程工期的分解，以及日鉆爆進(jìn)尺單循環(huán)時間計(jì)算，運(yùn)渣設(shè)備選用長×寬×高一68m×13m×15m的側(cè)卸礦 車、軌道為I 22輕軌，牽引設(shè)備通過力學(xué)計(jì)算，采用30t卷揚(yáng)機(jī)。具體參數(shù)見表1。表l 30t卷揚(yáng)機(jī)技術(shù)參數(shù)表卷揚(yáng)機(jī)乖，jIJ爾，jl繩“徑人中電動機(jī)功率牽引速度卷揚(yáng)機(jī)自重(KN J(FIIII)(kW)(mr

6、ain)(t)3fJ028200140 12920m主洞材料及石渣運(yùn)輸原計(jì)劃采用電瓶車運(yùn)輸，通過施工條件及消費(fèi)比的 論證，選用5臺農(nóng)用三輪車作為運(yùn)輸設(shè)備，石渣運(yùn)輸至斜井底部卸渣地溝處倒人礦 車，再由礦車運(yùn)出斜井。優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，簡便、可靠、安全。·684·32裝碴設(shè)備選型由于斜井最小斷面為525m×475m、主洞最小斷面直徑為595m，大、中型裝 渣設(shè)備回轉(zhuǎn)困難。根據(jù)出渣施工強(qiáng)度、機(jī)械設(shè)備性能等各項(xiàng)參數(shù)的比較計(jì)算，選用 SWES0小型液壓挖掘機(jī)裝渣。具體參數(shù)見表2。表2 SWES0小型液壓挖掘機(jī)技術(shù)參數(shù)表最小回轉(zhuǎn)半徑最大挖掘高度斗容下車總寬車身高度(ram)(r

7、am)(ITl2)(ram)(mitt)23624963018195025714施工平面布置41出碴系統(tǒng)布置 根據(jù)斜井進(jìn)洞點(diǎn)及其現(xiàn)場實(shí)際地形，靠近進(jìn)洞口右側(cè)有一干河灘，地勢較高，雨季洪水較大，平時干枯，為達(dá)到防汛目的，洞口右側(cè)填筑防汛圍堰，且針對斜井開挖 施工的特性，為滿足卸渣條件，卷揚(yáng)機(jī)室設(shè)在離洞口70m處(樁號：0+075)，因其基 礎(chǔ)在干河灘內(nèi)，無法滿足卷揚(yáng)機(jī)拉運(yùn)角度，所以回填石渣增高，填至設(shè)計(jì)高度。卸渣 地溝設(shè)在離卷揚(yáng)機(jī)室30m處，地溝尺寸6mX 5mX 6m(長×寬×高)。軌道系統(tǒng)布置 在斜井左側(cè)(出渣軌道中心線偏中一189m)，右側(cè)作為履帶式小反鏟等機(jī)械的運(yùn)行

8、通道。42拌和系統(tǒng)布置針對軌道布設(shè)情況及現(xiàn)有地形，砼拌和系統(tǒng)布置在洞口左側(cè)(樁號：0+1000+140)，面積1600m2，拌和樓布置于樁號o+115處，緊靠軌道旁，架設(shè)高度為3m，以 利混凝土拌和后直接送入礦車運(yùn)輸。43風(fēng)、水、電管路架設(shè)為規(guī)范化施工，洞內(nèi)風(fēng)、水、電管路統(tǒng)一架設(shè)于隧洞右邊墻，布置形式如圖1，管 路支架每6m一個固定于右邊墻，且每6m架設(shè)一盞低壓燈泡作為施工照明。管路 支架見圖1。礫巖地質(zhì)條件下斜井與平洞段圓形洞室施工技術(shù)探討·685· 瓷瓶圖15洞室開挖施工方法51洞臉開挖根據(jù)地形，采用梯段分層方式進(jìn)行洞臉覆蓋層開挖，分層高度按4m一層進(jìn)行劃 分，分兩個梯

9、段。開挖時采用裝載機(jī)裝渣，自卸車?yán)\(yùn)的方式進(jìn)行?？窟吰?m范圍 利用反鏟扒面，預(yù)留03m人工配合進(jìn)行修正，局部采用小藥量，松動爆破的方式進(jìn) 行開挖。512洞13施工方法根據(jù)所揭示地質(zhì)情況，洞口外側(cè)先架設(shè)3榀鋼拱架作一明拱，拱架間距05m，并用漿砌石砌筑，明拱表面噴015m厚混凝土；洞口掌子面沿設(shè)計(jì)輪廓線外010m 處打設(shè)超前管棚管，角度為下傾10度，間距為045m，管棚長3Om，并進(jìn)行注漿施 工，管棚管與鋼拱架進(jìn)行焊接，形成一個聯(lián)合受力整體，從而增大了洞臉圍巖的自穩(wěn) 能力。513洞室鉆爆及支護(hù)施工的幾種方式 (1)洞口開挖針對地質(zhì)條件，洞口部位一改過去常使用的全斷面或上下半洞的開挖方式，采用中

10、部預(yù)留核心土，先挖出靠設(shè)計(jì)輪廓線Im范圍的巖層，即按設(shè)計(jì)輪廓線造設(shè)一排 周邊孔，第二排孔與周邊孔形成57。的夾角進(jìn)行布孔，周邊孔內(nèi)不裝藥，起到減輕爆 破震動對圍巖影響的作用(如圖2所示)，從而增大圍巖自穩(wěn)能力。周邊圍巖(I區(qū)) 開挖出渣后及時架設(shè)鋼拱架強(qiáng)行支護(hù)，同時掛網(wǎng)噴砼，然后再挖出核心土形成洞挖·686·斷面。圖2爆破參數(shù)見表3。根據(jù)巖石強(qiáng)度單耗取g一04kgm3；爆破孔與周邊孔夾角盧=57。裹3傾角孔深孔徑間距單耗孔類(。)(m)(mm)(cm)(kgm3)周邊孔OO65045爆破孔5712509004(2)斜井V類圍巖開挖方式采用短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)的方式進(jìn)行施工

11、，鉆爆施工采用上下半洞非電毫秒 微差光面爆破開挖方式進(jìn)行。主要目的最大限度地減小爆破震動縮小爆破松動 圈。具體體現(xiàn)在上下半洞分兩次爆破和裝藥結(jié)構(gòu)上的調(diào)整；第一，掌子面全斷面造 孔，分兩次爆破，先爆破下半洞，后再裝藥爆破上半洞；第二，裝藥結(jié)構(gòu)上的調(diào)整主要 體現(xiàn)在周邊孔上，根據(jù)現(xiàn)場爆破實(shí)驗(yàn)總結(jié)出，此類巖石一改過去周邊孑L全孔敷設(shè)導(dǎo) 爆索，進(jìn)行間隔裝藥的結(jié)構(gòu)形式，而是取消了導(dǎo)爆索的敷設(shè)，只在孔底裝200 4009 藥量(根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)整)，主要承擔(dān)爆破周邊孑L的殘埂的任務(wù)；從爆破效果來看，半 孔率在84以上，整個洞型的平整度比較好。爆破參數(shù)見表4。襄4傾角孔深孔徑間距排距單耗單響藥量孔類(。)(m)

12、(mm)(cm)(cm)(kgm3)(kg)周邊孔23504536輔助孔2350904004624掏槽孔6528505080O9684爆破孔235060800972礫巖地質(zhì)條件下斜井與平洞段圓形洞室施工技術(shù)探討·687·V類圍巖支護(hù)方法鑒于V類圍巖的地質(zhì)條件，掘進(jìn)前采取了洞室頂拱范圍打安超前管棚的方法對 圍巖進(jìn)行超前支護(hù)，超前管棚長30m，管棚與洞軸線夾角10度左右，孔內(nèi)進(jìn)行同結(jié) 灌漿，且進(jìn)行系統(tǒng)錨桿(L一4m)的打安及架設(shè)鋼拱架并掛網(wǎng)噴混凝土(噴層厚度15cm)施工。支護(hù)施工工序：蹬渣打系統(tǒng)錨桿孔出渣安裝錨桿架設(shè)鋼 拱架打按管棚管棚灌漿噴砼。(3)斜井類圍巖開挖方式采用全

13、斷面開挖方式，單循環(huán)進(jìn)尺在21-23m左右，每23個循環(huán)后，進(jìn)行 一次支護(hù)，從而加快了循環(huán)時間，提高了施工進(jìn)度。支護(hù)形式：打安系統(tǒng)錨桿掛 網(wǎng)噴砼(4)平洞段圓形洞室開挖技術(shù) 根據(jù)地質(zhì)條件與圓形洞室的特點(diǎn)，采用上、下半洞階梯開挖方式，其主要優(yōu)點(diǎn)施工方便，能充分地發(fā)揮機(jī)械效率；上半洞掏槽采用楔型掏槽方式，鉆爆施工采用非電 毫秒微差光面爆破開挖方式進(jìn)行；上、下半洞間的階梯長度約5m左右，以便于搭設(shè) 工作平臺，且能充分發(fā)揮山河50E挖掘機(jī)的裝渣速度。如圖3。囝3(5)斜井與主洞交叉段的施工斜井與主洞交叉段是應(yīng)力集中部位，此部位設(shè)有信號間洞室(35mX 25m× 2m)，變壓器室(4mX 3m

14、×3m)和礦車受渣地溝，應(yīng)力分布復(fù)雜，此部位的施工必須 小心而謹(jǐn)慎，經(jīng)過現(xiàn)場多次論證，采用先施工交叉段，后施工變壓器室、信號間、卸渣 地溝等部位。施工布置 斜井樁號o+860o+88704為水平洞段，按受料礦車參數(shù)，三輪車回轉(zhuǎn)半徑及變壓器技術(shù)安全要求等綜合考慮，變壓器室設(shè)在斜井樁號0+864o+868右邊 墻；信號間設(shè)在樁號o+870o+8735左邊墻；從樁號o+865開始按l：8坡降降 至樁號o+882作為礦車受渣地溝。0+860樁號為斜井斜坡段與水平段的折點(diǎn)，為 了平順的鋪設(shè)礦車軌道，從樁號0+840-0+865段軌道底部回填石渣作為過渡段。 如圖4。施工措施·688&

15、#183;圖4A開挖方式 主洞加強(qiáng)段(與斜井交叉點(diǎn)上下游各25m為二次混凝土襯砌段，樁號為79+99026,-一80+4026)施工進(jìn)行邊開挖邊支護(hù)的原則，斜井進(jìn)入主洞，先按斜井?dāng)嗝?進(jìn)行開挖，挖至離主洞右邊墻05m停止，然后進(jìn)行主洞下游面上坑道的開挖，上坑 道向下游掘進(jìn)10m，6m范圍之內(nèi)漸變挖至主洞斷面，其余4m邊開挖邊支護(hù)，支護(hù)完 成后，反向向上游進(jìn)行擴(kuò)挖，邊開挖邊支護(hù)。B支護(hù)方式在變壓器室、信號間室、卸渣地溝麗側(cè)斜井部位各架設(shè)3榀I 16鋼拱架并掛網(wǎng) 噴砼，鋼拱架架設(shè)間距為06m、噴砼厚度為015m，并打安+22、L=25m、間排距為 2m×06m、人巖23m的系統(tǒng)錨桿，以增

16、強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性。斜井與主洞交叉部位斜井15m范圍架設(shè)了5榀鋼拱架，間距為05m，靠主洞 處兩榀拱架焊接成整體，作為主洞與斜井交叉處懸空鋼支撐的支腿。6主洞920m軌道床澆筑(1)模具選型總干渠98隧洞工程中部920m洞段TBM滑行軌道床砼澆筑，模具由加工廠制 作，具體結(jié)構(gòu)尺寸見圖5。拉模設(shè)備選用1臺5t卷揚(yáng)機(jī)為滑模滑動提供動力。 (2)鋼筋制安根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的要求，TBM滑行軌道床為現(xiàn)澆鋼筋砼，鋼筋選用串14級鋼筋，礫巖地質(zhì)條件下斜井與平洞段圓形洞室施工技術(shù)探討·689·囝5鋼筋安裝前，將鋼筋在加工廠按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行加工，再經(jīng)斜井礦車倒運(yùn)至施工現(xiàn)場。 鋼筋安裝前必須根據(jù)測量放線數(shù)

17、據(jù)架設(shè)架立筋，然后按照鋼筋制安、綁扎有關(guān)規(guī)范 要求進(jìn)行綁扎或焊接，對鋼筋網(wǎng)進(jìn)行整體加固，滿足設(shè)計(jì)要求，并經(jīng)三檢人員檢查， 自檢合格后申請監(jiān)理工程師驗(yàn)收。(3)143鋼軌敷設(shè) 根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的要求，TBM滑行軌道床鋼筋砼澆筑時需預(yù)埋143重型鋼軌以作為TBM滑行的軌道。為了確保TBM滑行軌道安裝精度，待基礎(chǔ)面清理干凈后在預(yù) 埋143重型鋼軌沿線每隔20m的位置環(huán)向增設(shè)人巖20cm、外露20cm、L一40cm的 2奪28插筋，主要承擔(dān)架設(shè)軌道的穩(wěn)定及混凝土入倉等各種荷載；插筋打按采用手風(fēng) 鉆造孔，安裝前先在孔內(nèi)注水泥基錨固劑或水灰比為04：1的灰漿，然后再安裝插 筋，插筋安裝后在28h內(nèi)不得敲擊或擾動，待強(qiáng)度達(dá)到要求后方可進(jìn)行軌道加固與 調(diào)整。插筋布設(shè)沿左右軌道測量位置平行布設(shè)。詳見圖6：圖6TBM滑行軌遁安裝增設(shè)箍腸圖(4)混凝土的入倉運(yùn)輸 為了方便混凝土的入倉運(yùn)輸，加快施工進(jìn)度，節(jié)約成本，混凝土入倉考慮在鋼筋和軌道鋪設(shè)和驗(yàn)收后，軌道頂部每隔30m鋪設(shè)一對方木(o25m×025m X 3m)，其 上鋪設(shè)馬道板，作為混凝土運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃炷吝\(yùn)輸用人工推架子車的方式進(jìn)行。 為防止軌道間距因混凝土運(yùn)輸而造成變形，則每隔3m左右用425鋼筋進(jìn)行加固。(5)澆筑和振搗措施中部920m洞段TBM滑行軌道床