瀑布沟导流洞施工技术.pdf

瀑布沟水电站导流洞工程施工技术总结袁 向 平,王 志 强(中国水利水电第七工程局,四川 郫县 611730)摘 要:以瀑布沟水电站导流洞工程为例,详细的介绍了大型洞室的开挖、支护、衬砌的施工方法。重点介绍了不良地质洞和进口渐变段的开挖与支护方案、措施、方法。通过增加连通洞和钢模台车等措施和合理的利用施工通道组织穿插施工进行赶工,最终实现目标。对类似工程施工具有借鉴意义。关键词:导流洞;施工技术;总结;瀑布沟水电站中图分类号:TV5;TV554文献标识码:B文章编号:100122184(2006)03200322061 工程概述1.1 工程简介瀑布沟水电站位于四川省汉源县及甘洛县境内的大渡河中游枢纽由砾石土心墙堆石坝、左岸地下厂房系统(装机容量为3 300 MW,左岸共布置6台机组)、左岸岸边开敞式溢洪道、左岸泄洪洞、右岸放空洞及尼日洞引水工程等工程项目和建筑物组成。工程等级为 等,主要水工建筑物为 级。瀑布沟水电站1号、2号导流洞均布置在河道左岸(凸岸),导流洞轴线距离为45.0 m,2条导流洞按等高程、等断面设计,隧洞断面尺寸(衬砌后)为13.0 m16.5 m,进出口高程分别为673.00 m和668.00 m。1号导流隧洞长926.43m,纵坡为0.005 44;2号导流隧洞长1 007.25 m,纵坡为0.005。1.2 工程自然条件(1)水文条件。电站位于大渡河中游,多年平均流量1 230m3/s,径流变化与降水分布相一致,年内变化大,而年际变化小。主汛期集中在69月。(2)工程地质条件。工程区地处川滇南北向构造带北段东侧,区域地质构造背景比较复杂。坝区所在的瓦山断块构造破坏微弱,自晚更新世以来,具有整体缓慢上升的地质地貌特征。坝址区地震基本烈度为8度。该区域地下水主要为裂隙潜水,受地表降水补给,向河谷排泄,主要富集于断层破碎带或裂隙收稿日期:2006204220密集带内,水质属弱碱性低矿化度淡水。1号、2号导流洞进口明渠位于觉托 级阶地,由含砂漂卵石层组成,厚3450 m不等,推测下伏基岩面以25角倾向河床。进口洞脸边坡由浅变质玄武岩组成,岩石呈弱风化状态水平卸荷深度4060 m,卸荷体呈镶嵌 破碎状结构,部分为散体结构。洞身段以微风化 新鲜花岗岩为主,呈块状 镶嵌结构,岩体完整性较好,由于F7和F2断层影响,围岩大多属 类。出口洞脸边坡由弱风化(弱卸荷)花岗岩组成,谷坡陡峭,基岩裸露,自然坡高大于100 m,边坡无控制性软弱面分布,主要结构面为反坡向,边坡整体稳定。2 导流洞主要工程量与施工总进度要求2.1 导流洞工程完成的主要工程量(见表1)表1 导流洞工程完成的主要工程量表序号项目名称单位工程量1土石方明挖m33 472 8002石方洞挖m3483 9003混凝土与钢筋凝土m3189 0004喷混凝土m326 4205锚杆根65 76010预应力锚索(1 000 kN)根18611钢筋及钢筋网制安t10 49912钢结构安装t72713固结灌浆m33 80014回填灌浆m228 74016锚筋束根49 6002.2 施工总进度要求本标工程于2002年10月1日开工,计划于23第25卷第3期2 0 0 6年6月四 川 水 力 发 电SichuanWaterPowerVol.25,No.3Jun.,2 0 0 62004年10月底完工,实际按计划完成。3 主要施工技术与方法3.1 导流洞工程施工总体布置本工程导流洞施工工作面包括导流洞进出口和施工支洞工作面,其布置见图1。在施工过程中,由于受进出口施工的影响,进出口施工通道未能为洞内施工创造有利条件,洞内施工主要是通过施工支洞工作面进行,从而给洞内施工增加了难度和强度。图1 导流洞布置示意图3.2 主要施工方案、技术措施和施工方法31211 石方洞挖(1)开挖分层。瀑布沟水电站导流洞成型后净断面为13 m16.5 m(宽 高),根据围岩类别,采取了不同的衬砌型式,衬砌厚度分别为60 cm、80 cm、100cm、150 cm,导流洞最大开挖尺寸为:21.2 m(宽)19.6 m(高)(渐变段开挖尺寸),隧洞断面为城门洞型。根据施工支洞布置、施工工期、施工设备与施工方案等综合考虑,导流洞一般洞段分三层开挖,上层开挖高度为8.5 m,中、下层分层高度为45m,底板保护层厚度为1.5 m。上层开挖采用全断面掘进,中下层开挖采用液压钻拉槽,两侧各留2m保护层,用手风钻造孔,光面爆破开挖(手风钻钻竖直孔)。采取此开挖分层厚度和方法具有以下优点:上层开挖分层厚度相对较小,洞挖工程量较小,可节约一定费用,进度相对较快,且开挖高度可满足各反铲、液压钻等设备对空间的尺寸要求;因分层厚度较小,在隧洞下卧爆破作业中,上部受爆破作业震动较小,有利于洞室的安全与稳定,同时也有利于充分发挥设备效率;边墙保护层开挖可布置多台手风钻同时作业,以加快施工进度。(2)开挖施工程序。投标时,导流洞开挖采用四个工作面进行,即支洞上、下游和进、出口两个工作面进行。但进、出口工作面受多种原因影响,未能及时为洞内施工提供条件,洞内施工主要采取施工支洞工作面(实际进口工作面在只完成了导流洞进口渐变段的上半洞开挖,出口工作面完成了出口30 m的上层开挖,其它洞段的开挖支护与混凝土浇筑等均通过施工支洞工作面完成)进行。隧洞总体施工程序采用先上半洞开挖,再下半洞开挖。本工程由于地质条件较差,其开挖进度一度滞后较多,后经采取有力措施,赶回了5个月工期,并将1号、2号导流洞施工有效地结合成整体,充分利用了施工通道组织好穿插作业,并采取上、下层开挖同时穿插进行的方式,从而加快了施工进度。导流洞开挖程序见图2和图3。(3)施工方法。上半洞开挖采用YT228手风钻钻孔,楔形掏槽,周边光面爆破,非电毫秒微差起爆网络起爆,炸药采用2号岩石乳化炸药,钻孔装药采用自制的钻架平台,出碴采用3.8 m3侧翻装载机,配15t、20 t自卸汽车出碴。特殊洞段的开挖:主要是F2、F7断层带及其影响洞段、辉绿岩脉破碎带以及渐变段等洞段。上半洞开挖采用先导洞开挖(根据断层在掌子面的分布情况分别采取中导洞、侧导洞开挖以保证安全),再扩挖的方法施工。导洞开挖尺寸为5 m4.5 m(宽 高),以满足装载机可以出碴为原则,导洞开挖进尺控制在2 m以内。在导洞领先扩挖掌子面约20 m时,方可进行扩挖,扩挖进尺每循环控制在1.8 m以内。下半洞开挖采用中间拉槽,两边和底板各预留保护层开挖的方法施工。中间拉槽分两层进行,每层高4 m,采用梯段爆破,两边边墙保护层和底板保护层采用光面爆破。为减少爆破飞石对顶拱结构的影响和缩短钻孔及出碴的时间,梯段爆破孔和边墙保护层爆破孔为向下竖向孔,底板保护层爆破孔为水平孔。梯段爆破竖向钻孔采用TOMROCK600液压钻机和ROC742液压钻,按、类围岩考虑,孔径 为80 mm,药卷直径d选用60 mm,最小抵抗线W取2.0 m,钻孔深度为45 m,炮孔间距为2.0 m。33图2 导流洞上半洞开挖示意图图3 导流洞下半洞开挖示意图 边墙及底板光面爆破孔为YT228手气腿钻钻孔,边墙光爆孔距为4050 cm,底板水平孔孔距为6070 cm。起爆均采用毫秒微差非电雷管起爆,下半洞出碴采用CAT325C和CAT330C液压43反铲装碴至15 t、20 t自卸车出碴。31212 洞内支护(1)特殊洞段处理。对于F2、F7断层及其影响洞段和 辉绿岩脉破碎带,围岩地质条件较差,主要采用钢支撑或格栅拱架进行支护施工。开挖前,在顶拱施工25、L=6 m的超前锚杆,间距50 cm。钻爆出碴后,及时进行喷混凝土封闭,施工 25、L=3 m或25、L=6 m的固定锚杆,安装钢支撑或格栅拱架,钢支撑或格栅拱架与超前锚杆和固定锚杆焊接,钢支撑安装间距为11.5 m,钢支撑或格栅拱架之间用2530 cm连系钢筋连接,榀与榀之间挂网,格栅拱架或钢支撑安装后,用喷混凝土填满钢支撑(格栅拱架)与岩壁之间的空隙以保证整体受力。根据围岩实际情况采取锚筋桩、加强锚杆、网喷和钢纤维喷混凝土进行加强支护,局部洞段采取管棚和固结灌浆对岩体进行加固。实际情况证明,通过上述加固措施进行处理后,保证了施工进度和工程安全。(2)进口渐变段开挖及支护。导流洞进口渐变段岩体为浅变质玄武岩,裂隙发育,存在较多“人”字形不稳定体,围岩自稳能力差;加之渐变段断面为方变城门型断面,最大断面尺寸为21 m19.5 m(宽 高)。此段施工若不采取有效开挖与支护措施,将存在较大的安全隐患。因此,在此段施工中采取了如下施工程序和方法:首先完成了进洞锁口。锁口采用30 m长的超前大管棚,并完成了洞脸的锚喷支护和边坡固结灌浆,再进行渐变段洞挖。1号导流洞渐变段石方洞挖。开挖施工程序为:第一步:先进行导洞开挖,导洞设计尺寸为8m6 m(宽 高);第二步:将中间导洞用工字钢(20)桁架进行加固,排架间排距为75 cm;第三步:扩挖上层两侧剩余部分;第四步:上部洞段开挖支护完成后再进行下层开挖。开挖爆破参数:由于进口渐变段的岩石均为 类围岩,故采用“短进尺、弱爆破,周边孔加密布置,间隔装药爆破”的方式,单响药量控制在15 kg以内,以便最大限度地降低爆破震动对围岩的不利影响。渐变段导洞上半洞 类围岩钻孔孔径为50mm,孔深1.52.0 m;周边孔孔距为50 cm,光爆抵抗线为80 cm;崩落孔孔距为70 cm;掏槽采用双空孔六边形掏槽,掏槽孔孔径50 mm,孔深150cm。渐变段下半洞开挖采用手风钻钻孔,开挖分层高度为3 m,分段长度为5 m,以减少爆破震动,完成支护后再进行下一循环的施工。边墙保护层和底板周边孔均采用光面爆破,下半洞开挖的最大单响仍按4 kg控制。渐变段支护。导洞支护:在每开挖循环钻爆孔前,均需进行管棚固结施工(管棚管为48钢管,L=6.0 m,间距50 cm,钻孔方向向洞外偏转10 15)和超前锚杆(25,L=4 m)施工。导洞开挖爆破后先素喷混凝土对围岩进行封闭,钻打径向锚杆(28,L=8 m,间排距为1.0 m1.0 m),立钢支撑和钢桁架,钢支撑与径向锚杆焊接牢固,钢支撑及钢桁架之间用 22螺纹钢连接,喷C25钢纤维混凝土。1号洞中导洞在两侧的临时边墙采用 25,L=4 m(间排距为1.5 m1.5 m)的径向锚杆进行支护。2号洞侧导洞在主洞边墙及顶拱采用钻打径向锚杆(28,L=8 m,间排距为1.0 m1.0 m),另在主洞边墙采用锚筋束(L=12 m;328,间排距为2 m)进行支护,在中墩临时边墙采用 25,L=4 m的径向锚杆、随机锚杆进行支护,以确保高边墙的稳定。扩挖支护:扩挖支护步骤为:第一步:进行洞口锁口锚杆施工;第二步:扩挖时随时跟进钢支撑及钢桁架;第三步:进行喷钢纤维混凝土作业;第四步:每开挖循环钻爆孔前,均需进行超前锚杆和径向随机锚杆施工,并将锚杆与钢支撑焊接牢固另外,需进行管棚施工;第五步:两侧下部扩挖前对围岩进行径向固结灌浆,并进行锚筋束施工以确保边墙稳定;53第六步:在两侧下部扩挖时,及时将工字钢下接,并及时进行系统锚杆和随机锚杆施工,将锚杆、锚筋束和钢支撑焊接牢固;第七步:钢支撑的间距为75 cm;锚筋束的间排距为200 cm,其规格为328,L=12 m。渐变段开挖支护程序及方法见图4。1号渐变段开挖及支护图 2号渐变段开挖及支护图图4 导流洞渐变段开挖图4 混凝土施工4.1 混凝土拌和系统导流洞工程混凝土总量约为190 000 m3;主体工程混凝土最高月施工强度约为30 000 m3/月。本标工程混凝土选用31.5 m3拌和楼,其设计生产能力为75 m3/h。为提高混凝土生产强度保证率、备用需要以及拌制特殊混凝土,另布置了一套HZS35拌和站。实践证明,这种配置是合理的,满足了浇筑强度,进而保证了工期。412 混凝土施工由于地质原因的影响,导流洞混凝土浇筑工期滞后了约6个月时间。为保证总工期要求,采取了在1号、2号导流洞各增加一台钢模台车和钢筋台车及其它资源等措施,以加快施工进度。实际情况表明,经过采取此项措施,达到了赶工效果,实现了工期目标。(1)浇筑分层、分段。渐变段浇筑采用先底板,再边墙,后顶拱,再底板,最后中墩的方法施工。一般洞段浇筑采用先底板,再边顶拱的方法施工。因1号、2号导流洞支洞上游混凝土衬砌与开挖穿插作业,为保证开挖施工通道,采取先施工两侧底板,再边顶拱,最后施工中部底板的方法。边顶拱和底板分缝长度均为9 m或12 m,以保证施工缝在同一断面。施工方法及程序见图5。边顶拱混凝土施工:边顶拱钢模台车衬砌混凝土一般直线工期为5 d(最快时实现了3 d浇筑一段),月平均每台车可浇60 m,最高时浇筑达84 m/月。台车就位。边顶拱钢模台车均在洞内组装。通过打在顶拱上的天锚,用25 t汽车吊、辅以手动葫芦完成安装。钢模台车按使用说明书在厂家指导下进行安装和使用,组织专业班组按操作规程将台车就位,并固定牢固。安装偏差应符合GB50204292规定。模板在使用前应清理干净,并涂刷符合监理工程师要求的脱模剂。模板与已浇混凝土面的接触必须平整严密,以保证混凝土表面的平整度和混凝土的密实性,避免产生错台、挂帘等缺陷。63图5 混凝土浇筑分层分块图 混凝土入仓。仓号准备:混凝土浇筑前,将开挖面大致清理平整,发现有尖角石块时要及时处理,以避免衬砌应力集中。仓号准备完毕,待监理工程师验收合格后,再进行混凝土浇筑。混凝土浇筑前应润湿基岩面和混凝土施工缝。每套钢模台车配两台HB60混凝土泵泵送混凝土入仓。混凝土供料与运输:混凝土由混凝土拌和楼生产,混凝土运输采用6.0 m3混凝土搅拌车运输。混凝土入仓:HB60混凝土泵泵送入仓。混凝土入仓后采用振捣器辅以人工摊铺,铺料厚度为50 cm。两侧混凝土应均衡上升,两侧混凝土高差不大于50 cm。同一浇筑块在浇筑时左右对称,均匀连续进行,并加强振捣,以保证混凝土表面质量。入仓振捣:混凝土振捣根据不同衬砌厚度和不同部位(边墙、顶拱)选用80、50插入式振捣器振捣。振捣时均匀移动振捣器,移动间距不得大于振捣半径;振捣上一层混凝土时,应将振捣棒插入下一层混凝土15 cm,以免漏振和过振。为使所浇筑混凝土内实外光,除软轴插入式振捣器振捣外,还在模板侧的一定位置布置一定数量的附着式平板振捣器进行振捣。封 拱:拱顶沿中心线左右两侧对称、均匀地浇筑,以免混凝土对模板产生过高的偏压力,引起模板的变形,进而影响浇筑的正常进行。当混凝土浇到超过隧洞顶拱后,泵管出口埋在混凝土面以上适当的深度以保证填满。泵管做好标记,以便随时可观察到泵管出口的埋置深度。浇筑设备由有经验的工人操作,以确保混凝土能被泵送压力压入岩面的所有凹凸面内,填满整个顶拱。为保证混凝土填满整个顶拱,使混凝土与岩面紧密结合,在每一浇筑段中,在实际开挖高程最高处埋设检查管,管口靠近并朝向岩面,当检查管有浆液流出时即可证明顶拱已填满混凝土。(下转第41页)73表4 戗堤进占抛投料使用情况表进占区段/m戗堤进占长度/m小石/m3中石/m3大石/m3特大块石/m3总量/m39870705050353520200左戗堤8.03 9001 30000右戗堤20102 200000左戗堤00000右戗堤204 8501 51000左戗堤7151 8702 4002 2000右戗堤7152 3102 1401 8400左戗堤7152 5001 2501 4201 920右戗堤7152 4402 0801 1301 830左戗堤101 400640490200右戗堤101 4006405102007 4006 36012 76013 5705 480小计-9822 87010 9607 5904 150合计-45 57045 570各级抛投料占总量的百分比/%501224111616911-(2)抛投材料备存量。抛投料粒径的选择系根据模型补充试验计算结果并结合其它工程实践经验得出。针对大渡河瀑布沟水电站工程的截流特点,为了保证截流快速、高效、有序、稳妥地进行,截流备料要充足,备料系数龙口困难段(5020 m段)取2.2,龙口200 m段取2.0,龙口7050 m段取1.5,非龙口段(9870 m段)备料系数取1.3,则综合备料总量为模型补充试验计算抛投量的1.9倍,分别为小石40 000 m3,中石22 000 m3,大石17 000 m3,特大石9 000 m3,合计88 000 m3。(3)混凝土四面体、钢筋笼、块石串的抛投。在截流进占过程中,由于龙口落差大、流速大,抛投材料产生一定的流失。为减少流失量,根据业主要求,准备了15 t混凝土四面体200个、2.6 m3钢筋石笼500 m3、5 m3块石串2 000 m3,在龙口段进占过程中进行抛投,起到拦石坎的作用。在B=45 m左右时,在左、右戗堤上挑角开始抛投四面体、钢筋石笼、块石串,直至跟进抛投的大中块石基本稳定为止。3 结 语2005年11月22日,瀑布沟水电站大坝工程截流一举成功,实测最大落差4.35 m,最大流速8.1 m/s,抛投强度最高3 352 m3/h,平均强 度 为2 793 m3/h。从实测指标来看属于大落差、高流速截流,而且截流段河床地形地质条件复杂,截流难度很大,但由于截流设计合理、组织有序、准备充分,实现了工程业主要求的高标准截流,为类似大落差、高流速条件下的截流设计积累了更加丰富的经验。作者简介:彭国勇(19712),男,湖北天门人,葛江津联营体总经理助理兼工程技术部部长,工程师,学士,从事水电工程建设管理工作;张安平(19482),男,湖北宜昌人,葛江津联营体总工程师,教授高工,从事水电工程建设管理工作;宋凯涛(19792),男,吉林梨树人,葛江津联营体工程技术部副部长,助理工程师,学士,从事水电工程建设管理工作 1(责任编辑:李燕辉)(上接第37页)渐变段混凝土施工。导流洞的进口30 m为渐变段,渐变段起点衬砌后断面尺寸为18.0 m16.5 m的矩形,渐变段的终点衬砌后断面为13.0 m16.5 m的城门洞型,前20 m设有中墩;进口渐变段采用普通组合钢木模板衬砌,承重为木排架和满堂钢管脚手架。渐变段的衬砌顺序为:先边墙再顶拱,采用定向控制爆破拆除临时中墩,再底板,最后中墩。5 结 语瀑布沟水电站导流洞工程具有工期紧、工程量大、隧洞较长、地质条件差、工作面少以及外部干扰大等不利施工因素,使得工期和安全压力巨大。但通过有效的施工组织和加大施工资源投入、采取赶工措施等,最终实现了工期目标。在开挖爆破和支护中采取适合围岩类别的开挖方法和支护措施,从而保证了施工安全,实现了安全目标。作者简介:袁向平(19752),男,四川郫县人,瀑布沟项目部副经理,工程师,从事水电工程建设施工技术管理工作;王志强(19762),男,四川郫县人,瀑布沟项目部生产经营部主任,工程师,从事水电工程建设施工技术管理工作 1(责任编辑:李燕辉)14