CN104612699A - 大断面尾水隧洞带帽开挖方法 - Google Patents

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刘松涛
林毅
王克生
梁勇
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    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries

Abstract

本发明公开了一种大断面尾水隧洞带帽开挖方法，包括以下步骤：对I层进行开挖，先进行中导洞I-1的开挖和支护，再依次进行两侧I-2和I-3的扩挖和支护；对II层边墙进行预裂；对I层顶部进行砼挂顶；对II层进行开挖，先进行中槽II-1的开挖和支护，再依次进行两侧II-2和II-3的扩挖和支护；对III层进行开挖，先进行中槽III-1的开挖和支护，再依次进行两侧III-2和III-3的扩挖和支护；对IV层进行开挖，先进行中槽IV-1的开挖和支护，再依次进行两侧IV-2和IV-3的扩挖和支护；对V层进行开挖，先进行中槽V-1的开挖和支护，再依次进行两侧V-2和V-3的扩挖和支护；对VI层进行开挖。本发明优化了现有大断面变顶高隧洞的施工工艺，减少了施工工序，缩短了施工工期，降低了工程造价。

Description

大断面尾水隧洞带帽开挖方法
技术领域
本发明涉及大断面尾水隧洞开挖施工领域，具体涉及一种大断面尾水隧洞带帽开挖方法。
背景技术
我国高山峡谷地区的水利水电工程建设，受地形地质条件的约束和为满足水电工程经济指标的需要，地下洞室尺寸有逐渐加大的趋势，地下洞室群的设计和施工难度也越来越大。变顶高尾水隧洞方案，它具有一定的尾水调压作用，可达到取消调压室的目的。这种方案既可简化地下洞室群布置，避免洞室群分布密集给围岩稳定带来的不利影响，又可在保证电站安全运行的条件下减小工程投资。
例如向家坝水电站变顶高尾水隧洞断面尺寸现为国内外最大，2条尾水洞变顶高段的总长463.564m，1#尾水洞长263.782m，2#尾水洞长199.782m，最大开挖断面24.30×38.20m（宽×高），衬砌后净尺寸20.00×34.00m（宽×高），低部坡度为3%，顶部坡度4%，两条变顶洞中心线相距67.094m，衬砌后净距47.794m。
从向家坝水电站尾水系统所处地质条件来看，变顶高尾水隧洞段位于T32-6-2、T32-6-3的岩层中，地层结构以灰白色厚至巨厚层状中细至粗粒砂岩为主，顶部见薄层状泥质粉砂岩、粉砂质泥岩透镜体，底部有含砾粗砂岩。围岩类型顶拱以Ⅱ～Ⅲ类为主，边墙以Ⅱ类为主，局部节理裂隙发育段为Ⅲ类，软弱夹层为Ⅴ类。出口段位于强卸荷带内（水平深度约72m，占变顶尾水洞长度的27％～36％），分布有夹泥的长大裂隙，围岩类别为Ⅳ类。在洞身出露的软弱夹层主要有JC2-2、JC2-3和JC2-4。此外，NWW组和NEE组节理与尾水洞轴线夹角较小，它们与NWW组节理组合形成的块体，当下部存在软弱面时将会产生倾倒破坏。边墙岩体中NWW或NEE组节理与洞壁间距较小时，其切割的板状岩体亦易产生弯折破坏。工程区内地下水为基岩裂隙水，尾水系统洞室均位于下层水位以下，尾水洞出口底板高程明显低于河水位。以上拱顶分布的不利地质结构面和洞周地下水作用的影响都给该工程的安全施工带来较大的难度。
经工程预分析和研究，不戴帽方案，施工难度表现在：①钢模台车自身系统（含辅助设施）设计难度大，采用全断面设计，初步估算台车重量为850t，造价约为500万元，经济代价太高，安装及运行都非常困难。②超大断面洞室条件下顶拱钢筋就位及安装困难，需要配置高约32m的可移动式安装平台。采用戴帽方案能容易解决上述施工困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大断面尾水隧洞带帽开挖方法，采用本开挖方法可以保证开挖期间的洞室稳定，可以避免开挖期间局部塌方可能引发的大面积塌方、塌顶事故，也可以避免洞室变形稳定后在外来水压力作用下突变而导致的塌方，顶拱衬砌的难度降低，经济上比较合理。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种大断面尾水隧洞带帽开挖方法，包括以下步骤：
对I层进行开挖，I层分为三个部分，中导洞I-1、I层左侧I-2和I层右侧I-3；先进行中导洞I-1的开挖和支护，再依次进行两侧I-2和I-3的扩挖和支护；
对II层边墙进行预裂；
对I层顶部进行砼挂顶；
对II层进行开挖，II层分为三个部分，中槽II-1、II层左侧II-2和II层右侧II-3；先进行中槽II-1的开挖和支护，再依次进行两侧II-2和II-3的扩挖和支护；
对III层进行开挖，III层分为三个部分，中槽III-1、III层左侧III-2和III层右侧III-3；先进行中槽III-1的开挖和支护，再依次进行两侧III-2和III-3的扩挖和支护；
对IV层进行开挖，IV层分为三个部分，中槽IV-1、IV层左侧IV-2和IV层右侧IV-3；先进行中槽IV-1的开挖和支护，再依次进行两侧IV-2和IV-3的扩挖和支护；
对V层进行开挖，V层分为三个部分，中槽V-1、V层左侧V-2和V层右侧V-3；先进行中槽V-1的开挖和支护，再依次进行两侧V-2和V-3的扩挖和支护；
对VI层进行开挖。
具体的，在对I层、II层、III层、IV层和V层的左侧和右侧进行开挖时，先对左侧开挖或者先对右侧开挖。
具体的，所述对I层顶部进行砼挂顶，在尾水隧洞渐变段采用搭设满堂红脚手架，组合小钢模浇筑成型，其余部位用钢模台车进行混凝土浇筑。
具体的，在尾水隧洞的I层开挖完成后，未进行第II层开挖前，有需要永久插锚但暂无法进行插锚施工的地方，可用临时锚杆代替永久插锚，条件具备时再进行补打。
本发明的有益效果是：优化了现有大断面变顶高隧洞的施工工艺，减少了施工工序，为大断面变顶高尾水隧洞开挖支护施工研究创立一整套的施工方案，快速、安全、高效、节资的完成其开挖支护施工，达到了缩短工期和降低工程造价之目的。
附图说明
图1是本发明中尾水隧洞开挖分层分块示意图。
图2是本发明大断面尾水隧洞带帽开挖方法流程示意图。
图3是本发明带帽，即挂顶砼施工流程示意图。
图1中各符号含义是：I-1：I层中导洞，I-2：I层左侧，I-3：I层右侧；II-1：II层中槽，II-2：II层左侧，II-3：II层右侧；III-1：III层中槽，III-2：III层左侧，III-3：III层右侧；IV-1：IV层中槽，IV-2：IV层左侧，IV-3：IV层右侧；V-1：V层中槽，V-2：V层左侧，V-3：V层右侧；VI：保护层。
具体实施方式
变顶高尾水隧洞方案，它具有一定的尾水调压作用，可达到取消调压室，既可简化地下洞室群布置，避免洞室群分布密集给围岩稳定带来的不利影响，又可在保证电站安全运行的条件下减小工程投资。目前针对变顶高尾水隧洞特点进行的施工技术研究和工程应用总结较少，向家坝水电站变顶高尾水隧洞断面尺寸现为国内外最大，针对向家坝变顶高尾水隧洞的技术参数和特点，对于大洞室开挖、混凝土衬砌施工，具有高效、经济的特点，在水电行业值得推广应用。
本发明提供了一种大断面尾水隧洞带帽开挖方法，包括以下步骤：
对I层进行开挖，I层分为三个部分，中导洞I-1、I层左侧I-2和I层右侧I-3；先进行中导洞I-1的开挖和支护，再依次进行两侧I-2和I-3的扩挖和支护；
对II层边墙进行预裂；
对I层顶部进行砼挂顶；
对II层进行开挖，II层分为三个部分，中槽II-1、II层左侧II-2和II层右侧II-3；先进行中槽II-1的开挖和支护，再依次进行两侧II-2和II-3的扩挖和支护；
对III层进行开挖，III层分为三个部分，中槽III-1、III层左侧III-2和III层右侧III-3；先进行中槽III-1的开挖和支护，再依次进行两侧III-2和III-3的扩挖和支护；
对IV层进行开挖，IV层分为三个部分，中槽IV-1、IV层左侧IV-2和IV层右侧IV-3；先进行中槽IV-1的开挖和支护，再依次进行两侧IV-2和IV-3的扩挖和支护；
对V层进行开挖，V层分为三个部分，中槽V-1、V层左侧V-2和V层右侧V-3；先进行中槽V-1的开挖和支护，再依次进行两侧V-2和V-3的扩挖和支护；
对VI层进行开挖。
在对I层、II层、III层、IV层和V层的左侧和右侧进行开挖时，先对左侧开挖或者先对右侧开挖。
对I层顶部进行砼挂顶，在尾水隧洞渐变段采用搭设满堂红脚手架，组合小钢模浇筑成型，其余部位用钢模台车进行混凝土浇筑。
在尾水隧洞的I层开挖完成后，未进行第II层开挖前，有需要永久插锚但暂无法进行插锚施工的地方，可用临时锚杆代替永久插锚，条件具备时再进行补打。
下面我们以向家坝水电站尾水隧洞施工为例进行说明。
向家坝水电站变顶高尾水隧洞断面尺寸现为国内外最大，2条尾水洞变顶高段的总长463.564m，1#尾水洞长263.782m，2#尾水洞长199.782m，最大开挖断面24.30×38.20m（宽×高），衬砌后净尺寸20.00×34.00m（宽×高），低部坡度为3%，顶部坡度4%，两条变顶洞中心线相距67.094m，衬砌后净距47.794m。
变顶高尾水隧洞具有洞室断面大，开挖需分层分块，支护工作量大，支护的及时性较强，开挖与支护平行交叉作业频繁，开挖期间洞室安全稳定突出等特点。因此，本项目的施工措施的重点和难点应该是：①如何确保施工期间的洞室稳定，安全下挖；②如何减小后期的混凝土施工难度。
向家坝尾水隧洞各层的施工通道为：Ⅰ层开挖施工通道：右岸出渣道路→进厂交通洞→6#施工支洞→尾水洞开挖工作面。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ层（含保护层）开挖施工通道：右岸出渣道路→尾水渠边坡开挖支护通道→尾水洞系统岩塞段→尾水主洞室开挖工作面。
具体来说：
I层：第Ⅰ层开挖分3个区进行开挖，先进行中导洞开挖支护，再依次进行两侧扩挖支护。中导洞开挖尺寸为8×9.5m（宽×高），两侧扩挖宽度7.15m。中导洞开挖采用353E三臂凿岩台车及YT28手风钻造孔，采用直孔掏槽，顶拱设计开挖边线布置光面爆破孔。两侧扩挖采用353E三臂凿岩台车造孔，设计开挖边线布置光面爆破孔。炸药采用2#岩石抗水乳化炸药，光面爆破孔采用导爆索连接，非电毫秒雷管起爆。每排炮循环进尺对Ⅱ～Ⅲ类围岩洞段3.5m，Ⅳ类围岩洞段1.5～2.0m，断层带进尺1.0m；Ⅱ类围岩支护滞后开挖10～15m，Ⅲ类围岩支护滞后开挖5～10m。
中导洞开挖石方采用ZL50C侧卸装载机装20t自卸汽车出渣，扩挖石方采用WA380装载机装20t自卸汽车出渣，通过6#施工支洞运输至新滩坝渣场。
II层：采用先预裂爆破、中槽梯段爆破开挖施工方法，首先采用潜孔钻机对中槽边线进行预裂造孔，中槽采用ROC-D7液压钻机造垂直孔，进行梯段爆破，梯段爆破落后预裂爆破约15m。对Ⅱ、Ⅲ类围岩支护滞后6-15m，Ⅳ类围岩支护紧跟掌子面。
中槽爆破石方采用PC400液压挖掘机（反铲）装20t自卸汽车出渣。保护层采用WA380装载机装20t自卸汽车出渣。
III层：采用先预裂爆破、中槽梯段爆破开挖施工方法，首先采用潜孔钻机对中槽边线进行预裂造孔，中槽采用ROC-D7液压钻机造垂直孔，进行梯段爆破，梯段爆破落后预裂爆破约15m。对Ⅱ、Ⅲ类围岩支护滞后6-15m，Ⅳ类围岩支护紧跟掌子面。
中槽爆破石方采用PC400液压挖掘机（反铲）装20t自卸汽车出渣。保护层采用WA380装载机装20t自卸汽车出渣。
IV层：采用预裂爆破、梯段爆破及预留保护层的开挖施工方法，首先采用潜孔钻机对中槽边线进行预裂造孔，中槽采用ROC-D7液压钻机造垂直孔，进行梯段爆破，梯段爆破落后预裂爆破约15m。左、右侧边墙预留3m保护层手风钻打水平孔进行光面爆破，边墙保护层开挖跟进中槽进行，上下游边墙保护层开挖错距跟进，当一侧边墙开挖支护好15m后，再进行另一侧开挖。对Ⅱ、Ⅲ类围岩支护滞后6-15m，Ⅳ类围岩支护紧跟掌子面。
中槽爆破石方采用PC400液压挖掘机（反铲）装20t自卸汽车出渣。保护层采用WA380装载机装20t自卸汽车出渣。
V层：采用预裂爆破、梯段爆破及预留保护层的开挖施工方法，首先采用潜孔钻机对中槽边线进行预裂造孔，中槽采用ROC-D7液压钻机造垂直孔，进行梯段爆破，梯段爆破落后预裂爆破约15m。左、右侧边墙预留3m保护层手风钻打水平孔进行光面爆破，边墙保护层开挖跟进中槽进行，上下游边墙保护层开挖错距跟进，当一侧边墙开挖支护好15m后，再进行另一侧开挖。对Ⅱ、Ⅲ类围岩支护滞后6-15m，Ⅳ类围岩支护紧跟掌子面。
中槽爆破石方采用PC400液压挖掘机（反铲）装20t自卸汽车出渣。保护层采用WA380装载机装20t自卸汽车出渣。
VI层：采用YT28手风钻造孔进行水平预裂爆破，结合垂直孔辅助爆破进行保护层的开挖。底部保护层采用WA380装载机装20t自卸汽车出渣。

Claims (4)

1.一种大断面尾水隧洞带帽开挖方法，其特征在于：包括以下步骤：
对I层进行开挖，I层分为三个部分，中导洞I-1、I层左侧I-2和I层右侧I-3；先进行中导洞I-1的开挖和支护，再依次进行两侧I-2和I-3的扩挖和支护；
对II层边墙进行预裂；
对I层顶部进行砼挂顶；
对II层进行开挖，II层分为三个部分，中槽II-1、II层左侧II-2和II层右侧II-3；先进行中槽II-1的开挖和支护，再依次进行两侧II-2和II-3的扩挖和支护；
对III层进行开挖，III层分为三个部分，中槽III-1、III层左侧III-2和III层右侧III-3；先进行中槽III-1的开挖和支护，再依次进行两侧III-2和III-3的扩挖和支护；
对IV层进行开挖，IV层分为三个部分，中槽IV-1、IV层左侧IV-2和IV层右侧IV-3；先进行中槽IV-1的开挖和支护，再依次进行两侧IV-2和IV-3的扩挖和支护；
对V层进行开挖，V层分为三个部分，中槽V-1、V层左侧V-2和V层右侧V-3；先进行中槽V-1的开挖和支护，再依次进行两侧V-2和V-3的扩挖和支护；
对VI层进行开挖。
2.如权利要求1所述的大断面尾水隧洞带帽开挖方法，其特征在于：在对I层、II层、III层、IV层和V层的左侧和右侧进行开挖时，先对左侧开挖或者先对右侧开挖。
3.如权利要求1所述的大断面尾水隧洞带帽开挖方法，其特征在于：所述对I层顶部进行砼挂顶，在尾水隧洞渐变段采用搭设满堂红脚手架，组合小钢模浇筑成型，其余部位用钢模台车进行混凝土浇筑。
4.如权利要求1所述的大断面尾水隧洞带帽开挖方法，其特征在于：在尾水隧洞的I层开挖完成后，未进行第II层开挖前，有需要永久插锚但暂无法进行插锚施工的地方，可用临时锚杆代替永久插锚，条件具备时再进行补打。
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