不良地质条件下大断面大坡度斜洞开挖及衬砌施工技术

不良地质条件下大断面大坡度斜洞开挖及衬砌施工技术

王杰徐永清王国飞

中国水利水电第十一工程局有限公司河南郑州450001

摘要:洪都拉斯帕图卡水电站位于中美洲，为中水电首次在未建交国家实施的综合性项目，其两条引水洞布置于右岸，坡比高达20.81%且地质条件差，项目对引水洞施工进行重点研究，克服施工中的技术难题，保障了项目工期的顺利实现和项目履约，为将来承担类试工程提供实践经验。

关键词:不良地质大断面大坡度开挖衬砌攻关

1工程概述

洪都拉斯PatucaIII水电站位于奥兰乔首府Jutigalpa以南50公里、Guayamre河和Guayape河交汇处下游，距之约5公里，距首都特古西加尔巴约200km。

工程枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、岸边引水发电系统组成。PatucaⅢ引水系统布置于右岸，由两条平行的引水洞组成，中心间距21.4m。隧洞为圆形，开挖直径为7.6m~9.0m，1#引水洞总长185.818m，2#引水洞总长212.711m。洞身岩石主要为角砾岩，围岩类别为V、IV类，洞身坡比均为i=20.814%。

2开挖施工

2.1开挖分层

采用上下半洞分层开挖的施工方法，上部工作面开挖：按照设计开挖断面的上半部240°范围开挖；下部工作面开挖：剩余下部120°开挖；

2.2洞脸支护

洞脸支护采用2排锁口锚筋桩，长度9m，用3根Φ25mm钢筋加工。洞脸处设置3榀明拱钢支撑与锚筋桩焊接，防止洞脸上部碎石跌落。

2.3爆破开挖

上半洞开挖采用棱形掏槽，分段爆破，掏槽孔间距75cm，主爆孔间距0.8m×0.8m,光爆孔间距0.6m，爆破单耗量按照1.0kg/m³控制。

下半洞开挖采用明挖方式，主爆孔间距0.8m×0.8m，光爆孔间距0.6m。自进口向出口进行。爆破单耗量按照0.40kg/m³控制。

2.4出渣方式的选择

方案1：LWL-120扒渣机出渣+4吨自卸汽车洞内装车：

扒渣机行走速度慢（速度约0.25m/s），出渣效率低（4吨/4分钟），装车过程中还要移动扒渣机与开挖平台车有干扰。4吨自卸汽车可在坡比达i=20.814%的边坡上行走，但在有地下水情况下，爬坡能力不足，容易打滑。

方案2：ZL50装载机出渣+20吨自卸汽车洞外装车：

ZL50装载机行走速度快，出渣效率高，在开挖进尺100m时，平均装车速度为20吨/8分钟。装载机爬坡能力强，轮胎胎纹深，抗滑能力强。

经比较后选择方案2：ZL50装载机出渣+20吨自卸汽车洞外装车

2.5支护施工

2.5.1支护流程

支护施工流程：超前支护（超前锚杆）→（开挖）→钢支撑安装→锚杆打设→钢筋网片安装→喷射混凝土

部分洞段位于地下水位以下，遇见裂隙发育洞段打设排水孔，孔内安装50PVC管。

2.5.2钢支撑加工

钢支撑加工：钢支撑型号选用为W6×20型工字钢，加工工具为工字钢专用弯曲机，型号为WGJ-250。

美洲习惯要求：除与连接板焊接外，其余部位不允许焊接或者切割，与国内习惯不同。

经验教训：国外工字钢型号与国内型号不同，在使用弯曲机加工时要对使用型号工字钢进行试验检查，确保采购的工字钢在加工时不发生扭曲变形。

2.5.3锚杆施工

顶拱240°范围内布置，锚杆长度为4.5m，间排距2m*2m，梅花型布置，入岩深度4m，外露长度0.3m+0.2m弯钩。

锚杆注浆浆液配比：水灰比0.5，IMIXMEGAFOW减水剂含量0.8%。

①锚杆施工程序

测量定孔位→钻孔→冲洗钻孔→注入水泥浆或水泥砂浆→锚杆插入→孔口固定→孔口处理→检测。

②锚杆施工采用手风钻或液压钻机钻孔，人工安插锚杆；

2.5.4喷射混凝土施工

喷C20混凝土厚度20cm（覆盖工字钢），分层厚度3-5cm。

利用简易台车及GPZ-7型混凝土喷射机进行喷射混凝土施工。

表1：C20喷射混凝土配合比

2.6循环进尺

由于围岩类别为V、IV类，地质条件差，每次开挖进尺为2m～2.5m，根据岩层条件，不超过3个循环进行工字钢强支护。

2.7不良地质条件处理

遇到断层与洞轴线夹角陡倾时，采用超前支护锚杆，对掌子面外围岩石进行支护，超前锚杆与工字钢焊接，超前锚杆注浆材料为锚固剂。

遇到断层与洞轴线夹角缓倾且岩石较破碎时，需进行固结灌浆。

遇到地质条件差钻孔难以成孔时，可采用注浆锚杆，注浆锚杆连接方式为丝扣连接，单根长度为2m和2.5m，单次注浆深度为4.5m。经灌浆处理后再进行钻孔爆破施工。

遇到洞顶小范围塌方时，及时对洞顶进行素喷封闭，防止由于风化和渗水带走岩隙中细颗粒造成更大范围塌方。然后进行挂网喷锚支护，设置钢支撑和副拱进行强支护，最后进行塌方段封闭并灌注混凝土。

3衬砌施工

3.1钢模台车的方案选择

钢模台车方案1：全断面针梁钢模台车

优点：一次成型，减少缺陷处理时间。节约二次底拱混凝土浇筑时间。

缺点：全断面针梁钢模台车内部空间狭小，钢筋、混凝土弃料、工器具等材料倒运困难，对洞内其他工作面施工影响较大。洞内坡比高达20.814%，全断面钢模台车重量大，牵引设备和支撑系统要求高，安全隐患大。1#洞向2#洞子转运时不能一次吊装，需要拆卸再次组装，消耗工期。

钢模台车方案2：下半洞拉模+上半洞钢模台车

优点：底模拉模速度快效率高，可较快为上半洞台车提供作业面。

设备重量轻，约57t。牵引设备容易选型。1#洞向2#洞子转运时可利用350T吊车一次就位。节约台车拆装时间。内部空间大，人员通相对道宽敞、材料及小型工器具倒运方便。底模拉模速度快效率高。

缺点：上半洞钢模台车支撑结构需要在混凝土面固定，需要在已浇筑的底拱混凝土面上钻孔固定马凳。马凳部位需要后期进行缺陷处理。

上下半洞分开施工，接缝处平顺度不如全洞衬砌断面，后期需要打磨处理。

综合考虑：考虑到引水洞坡比大，安全第一，以及现场350T吊装设备条件，采用方案2.

3.2拉模施工

3.2.1拉模结构组成

1-移动平台、2-滚轮装置、3-限位装置、4-抗浮支架、5-托架总成、6-模板总成（6m长）

图1拉模模体结构图

3.2.2拉模安装

１、确定安装的基准：按总图要求将模板固定在工作位置，保证安装的基准；

２、铺设轨道：轨道选用I16工字钢，焊接在预埋钢筋上。轨道中心距必须达到设计要求，误差不大于10mm；轨道高差不大于10mm；轨道中心与隧道中心误差不大于20mm；每侧长度为60m。拉模轨道预埋钢筋间距1m，采用直径25mm螺纹钢，安装时检查I16工字钢平顺度。

３、其它部分由下至上依次安装，即模板总成→托架总成→抗浮支架→滚轮装置→限位装置→液压千斤顶→平移装置。

4、各部件的检查：拉模安装安毕后，全面检查各部位螺栓联接是否有松动；各液压千斤顶、调整丝杆伸缩是否达到设计要求等；

5、检测各设计尺寸：检测拉模各重要尺寸是否达到设计要求；

6、预埋螺杆为固定马凳使用，间距1m，预埋时要加固好，防止混凝土浇筑过程中出现位移变形而丧失作用。

3.2.3拉模使用

1、拉模安装完毕后，检测各部结构是否到位，检查各部位螺栓联结是否牢固，然后进行初步调试。要求各液压千斤顶、调整丝杆动作可靠，各基本尺寸达到设计要求；

2、确定拉模工作位置的轨面标高正确后，保证轨道相对隧道中心线对称，轨道平直、轨面平整；

3、准备工作完成后，拉模即可就位；

4、为方便脱模，要在模板外侧涂抹脱模剂。

5、拖动拉模行走，使拉模在外力（10T卷扬机）牵引下行走到工作位置;

6、拉模就位后，锁定限位装置和调整丝杆，防止拉模移动。

7、操作液压千斤顶工作，上下调节；调整平移装置丝杆，左右调节，使底模外形达到施工要求;

8、把拉模前后周边范围有关的堵头板封闭牢固。

3.2.4拉模混凝土浇筑

利用HTB60混凝土泵输送至作业面，浇筑过程中注意检查螺栓是否松动、定时检查模板变形情况，混凝土浇筑速度控制在1.5m～2m/h。

为保证浇筑的平顺性和防止人为因素造成拉模两侧下料不均，模板变形跑偏，可在拉模上部搭设分溜槽。

为保证在拉模使用过程中平顺，可在卷扬机钢丝绳与拉模之间设置定滑轮，防止2台卷扬机不同步造成模板位移变形。

拉模混凝土收面时要标识出预埋螺栓位置，便于上部台车底部马凳的快速安装，混凝土浇筑结束后要检查过预埋螺栓有无损坏和位移，若不能使用需要重新钻孔，补打插筋固定上部台车马凳。

3.3上部钢模台车施工

3.3.1马凳及轨道支撑系统安装

在底拱混凝土强度达到7天强度后即可安装马凳，马凳采用1cm后钢板焊接。安装时预先对准预埋螺栓孔，按照测量预定高程固定马凳并使其与混凝土面接触良好，防止在安装支撑梁是

轨道支撑梁铺设时两轨要平行，轨距符合台车设计轮距并于马凳接触良好，检查无误后点焊固定，防止台车倾斜和倾覆。

轨道型号为43kg/m重轨，轨道与支撑梁连接采用螺栓压板连接。

3.3.2钢模台车组成

1-模板2-托架3-平移机构4-门架5、8、10、11、12、13、-螺旋千斤顶6-模板销轴7-水平油缸

9、17-油缸14-限位架15-抗浮千斤16-工作梯18-油缸导向柱19、20-双轮从动机构21-门架千斤

22-钢轨23-马凳24-轨道支撑系统

3.3.3钢模台车组装

钢模台车在洞外安装，预先铺设好轨道平台，采用50T汽车吊吊装，台车安装完成调试结束后，利用卷扬机和行走机构将台车开进洞内。

安装步骤为：铺设轨道→门架安装→平移小车到位→安装托架总成→安装模板总成→安装液压站及液压管道→电器配线→部件检查→检查设计尺寸→安装验收

使用台车必须严格按照操作顺序及要求，正确使用和维护保养，以确保台车安全正常工作和使用寿命。

3.3.4牵引设备的选型

台车移动牵引力计算公式为：（台车重量57t）

牵引力F=G+f，式中：F为牵引力、G为下滑力，f为摩擦力

下滑分力取

G=Wsina=57×sin12°=57*0.225=12.83（t）；

摩擦力取

f=μP，P=Wcosa=57×cos12°=53.56（t）。

钢与钢之间的滑动摩擦系数取μ=0.05～0.1，此处取0.075，

f=0.075×53.56=4.017（t）。

台车移动牵引力

G=12.83+4.017=16.85（t），

考虑2倍安全系数，故台车向上移动需牵引力

F=16.85×2=33.7（t）。

使用两台10T卷扬机分别通过将导向机构4根钢丝绳滑轮组完成台车的移动。

需要牵引力33.7/4=8.4（t）≤10（t）

故选用2台10T的卷扬机+2组滑轮组可满足要求。

3.4钢模台车混凝土浇筑

3.4.1工艺流程

3.4.2顶拱混凝土浇筑

1、边顶拱安装安装在钢模台车进洞前预先安装，安装时清理一次支护面的杂物。

2、橡胶止水安装时要用止水夹固定，防止混凝土浇筑时止水移位失去作用。止水与堵头模板结合严实。

3、基础面和钢筋验收在钢模台车就位前完成。

4、钢模台车就位后经测量检查复核无误后，固定钢模台车及模板。

5、施工缝凿毛，贴膨胀止水条。结构缝装闭孔泡沫板和橡胶止水带。

6、浇筑分层厚度不大于50cm，两侧边拱均匀下料。混凝土仓号内要有专人检查混凝土下料时两边拱混凝土高差，避免出现跑模。

7、浇筑至顶拱部位时，由于坡比大，台车两头高差大，为保证顶拱浇筑饱满，在顶拱混凝土浇筑时将入料口设在顶拱上游侧，直至入料口混凝土溢出时才可确认顶拱部位浇筑饱满。

3.4.3注意事项

1、从洞外向洞内利用混凝土泵输送混凝土为下坡时，要设置缓冲装置，防止堵泵。

2、为保证仓号内混凝土下料高度和骨料的均匀性，仓号要设置溜筒，防止出现骨料集中。

3、预埋回填灌浆和固结灌浆管时一定要加固牢固，防止混凝土浇筑过程中发生位移，导致后期钻孔时角度不对，造成废孔还要进行缺陷处理。

4、为保证底部混凝土与上部混凝土的整体性，避免出现渗流，在施工缝范围内设置膨胀止水条。设置止水条宽度范围内不必凿毛。

5、结构缝位置止水要加固牢固，以防后期止水失效后对结构缝的渗水处理。

3.5拆模时间

1、拆模时间控制在12h-18h。

2、拆模后洒水养护时间不少于14天。

4钢模台车拆除

钢模台车使用完成后，洞内拆除通风条件差，吊装设备难以近身，可利用轨道移出洞外，利用汽车吊拆除。

5结语

洪都拉斯帕图卡项目引水洞施工从2016年2月开始于2018年4月份结束，项目从洞室开挖出渣到洞内混凝土衬砌整个过程进行研究。从钢模台车施工方案、台车组件和钢结构的结构设计、现场制作组装、混凝土浇筑的实施和完工拆除等整个过程，解决了不良地质条件下大断面大坡度开挖及衬砌的技术问题，施工过程非常成功，取得了良好的效益。表明了装载机出渣和钢模台车上下半洞施工综合技术研究成果的先进性和适用性。通过对大断面大坡度斜洞施工的研究和掌握，不仅掌握了丰富的施工经验，也为开拓水电市场提供技术支持和案例。