CN108547642A - 导流洞开挖衬砌结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水利水电工程技术领域，具体公开了一种能够适应不同围岩类别的导流洞开挖衬砌结构，及用于施工上述导流洞开挖衬砌结构的施工方法。该导流洞开挖衬砌结构的初期支护包括第一类支护段和第二类支护段，第一类支护段设置在处于Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ类围岩中的导流洞洞段内能够形成有效支撑，第二类支护段设置在处于Ⅳ或Ⅴ类围岩中的导流洞洞段内能够形成有效支撑，因此能够适应不同围岩类别的导流洞。该导流洞开挖衬砌结构的施工方法通过根据所揭示的围岩类别施工相应的初期支护类型进行支撑，能够适应不同围岩类别的地质条件开挖导流洞，可以避免因导流洞沿线地质勘探精度不足或沿程地质条件发生不可预见的突变时，所导致的难以及时调整的难题。
Description
技术领域
本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及一种导流洞开挖衬砌结构及其施工方法。
背景技术
在高山峡谷地区建筑水利水电工程时，由于河谷狭窄，洪枯流量差别大，因此往往采用一次断流围堰挡水、隧洞过流的导流方式。导流洞是水利水电工程中的一个临时性建筑物，主要作用是在主体工程施工期将原河道水流从上游围堰前导向下游围堰后的隧洞，以保证主体建筑物的基坑具备全年施工的条件。它的特点之一是工期紧迫，如果不能按期完成，将会造成整个工程的工期延长。
由于导流洞洞线较长，在工程地质勘测时，很难做到沿洞线全程勘探，特别是埋深较大的导流洞，一般仅对埋深较浅的部位开展勘探，大部分洞身段地质情况多根据地表调查来推测洞线地质条件，因此导流洞沿程地质条件变化是必然的。
导流洞承担着整个主体工程施工期的导流任务，原河床内的推移质将通过导流洞，对洞内磨损破坏较强；另外，在导流洞下闸蓄水后，闸室后及堵头以后的洞段，将承受较大的外水压力作用，因此导流洞洞身衬砌成坚固的钢筋混凝土封闭式结构是必须的，尤其在围岩较差的地段更需要加厚加强衬砌。导流洞衬砌结构设计时，控制荷载基本组合由外水压力和山岩压力，衬砌断面设计时，根据沿洞线方向不同地质条件、承受的不同外水水头，采用不同的衬砌厚度和配筋，导流洞的开挖断面则根据设计的衬砌断面进行开挖，对于开挖断面较大的导流洞，一般采用分部位、分台阶开挖，先开挖上导洞，然后再采用梯段爆破开挖下导洞；根据洞高的不同，也可分三层开挖。
在导流洞上导洞开挖时，开挖一个循环进尺在3米左右，爆破之后马上出渣，同步对围岩进行地质鉴定和编录；出渣完成之后，根据围岩情况进行初期支护，一般一个循环花费时间约10小时。如果在围岩地质鉴定时，发现地质条件不如原设计预计的好，按常规应设计方案，应进行二次扩挖，扩大开挖断面；但此时进行二次扩挖时为薄层开挖，如果采用钻孔爆破方案，难以实施，也难以控制开挖断面；如果采用人工清撬方案，施工难度较大、费用较高，且施工安全也难以保证，施工风险较大，同时也将影响施工工期。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够适应不同围岩类别的导流洞开挖衬砌结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：导流洞开挖衬砌结构，包括设置在导流洞内的初期支护和钢筋混凝土衬砌，所述初期支护包括第一类支护段和第二类支护段；
所述第一类支护段设置在处于Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ类围岩中的导流洞洞段内，其包括设置于导流洞洞壁表面的第一混凝土层以及至少两个沿导流洞的轴向间隔设置的随机锚杆组，每个随机锚杆组包括至少两根沿导流洞洞壁的周向间隔设置的随机锚杆，所述随机锚杆锚固于围岩中；
所述第二类支护段设置在处于Ⅳ或Ⅴ类围岩中的导流洞洞段内，其包括至少两榀沿导流洞的轴向间隔设置在导流洞洞壁上的钢支撑、设置于导流洞洞壁表面的第二混凝土层以及至少两个沿导流洞的轴向间隔设置的系统锚杆组，每个系统锚杆组包括至少两根沿导流洞洞壁的周向间隔设置的系统锚杆，所述系统锚杆锚固于围岩中；
所述钢支撑包括上导洞支撑段和下导洞支撑段，所述上导洞支撑段的两个底部端上均连接有至少两根锁定锚杆，所述锁定锚杆锚固于围岩中。
进一步的是，相邻的两个随机锚杆组之间的间距为1.5～2m，相邻的两个系统锚杆组之间的间距为1～1.25m。
进一步的是，相邻的两榀钢支撑之间的间距为50～100cm。
进一步的是，所述锁定锚杆的直径比系统锚杆的直径大2～8mm，锁定锚杆的长度为系统锚杆长度的1.5～2倍。
进一步的是，所述钢筋混凝土衬砌包括连为一体的上导洞衬砌、下导洞边墙衬砌和底板衬砌，所述上导洞衬砌与导流洞的上导洞洞壁相对应，所述下导洞边墙衬砌与导流洞的下导洞的边墙相对应，所述底板衬砌设置于导流洞底面上。
本发明还提供了一种导流洞开挖衬砌结构的施工方法，用于施工上述任意一种导流洞开挖衬砌结构；
该施工方法包括下列步骤：
步骤一，沿开挖施工方向开挖导流洞的上导洞，同步对围岩进行地质鉴定和编录；
步骤二，根据揭示的围岩情况选择以下的初期支护型式之一完成处于不同围岩类别中的导流洞洞段的初期支护：
a、若所揭示的围岩为Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ类围岩，则先在上导洞的洞壁表面喷涂混凝土，然后在上导洞的洞壁所对应的围岩内锚固随机锚杆；最后，根据揭示的围岩进行导流洞的下导洞的开挖，并在下导洞的边墙上喷涂混凝土，再在下导洞的边墙所对应的围岩内锚固随机锚杆；喷涂在上导洞洞壁表面的混凝土和喷涂在下导洞边墙上的混凝土共同形成第一混凝土层，所锚固的随机锚杆分为至少两个沿导流洞的轴向间隔分布的随机锚杆组，每个随机锚杆组包括至少两根沿导流洞洞壁的周向间隔分布的随机锚杆；
b、若所揭示的围岩为Ⅳ或Ⅴ类围岩，则先沿导流洞的轴向在上导洞的洞壁上间隔设置至少两榀上导洞支撑段，然后在未设置上导洞支撑段的上导洞洞壁表面喷混凝土，并在上导洞的洞壁所对应的围岩内锚固系统锚杆，同时在上导洞支撑段的两个底部端上分别连接至少两根锁定锚杆，并将锁定锚杆锚固于围岩内；接着，根据揭示的围岩进行导流洞的下导洞的开挖，上导洞与下导洞之间采用变坡扩挖方式进行开挖；下导洞开挖后，在上导洞支撑段下侧的下导洞边墙上设置下导洞支撑段，并将下导洞支撑段与上导洞支撑段连接形成导流洞的钢支撑；最后，在下导洞的边墙上喷涂混凝土，再在下导洞的边墙所对应的围岩内锚固系统锚杆；喷涂在上导洞洞壁表面的混凝土和喷涂在下导洞边墙上的混凝土共同形成第二混凝土层，所锚固的系统锚杆分为至少两个沿导流洞的轴向间隔分布的系统锚杆组，每个系统锚杆组包括至少两根沿导流洞洞壁的周向间隔分布的系统锚杆；
步骤三，先在导流洞底面上施工底板衬砌，然后在导流洞内施工与下导洞的边墙相对应的下导洞边墙衬砌，最后在导流洞内施工与上导洞的洞壁相对应的上导洞衬砌，使上导洞衬砌、下导洞边墙衬砌和底板衬砌连为一体形成导流洞内的钢筋混凝土衬砌。
进一步的是，步骤一中，若所揭示的围岩为Ⅳ或Ⅴ类围岩，则将上导洞的开挖高度减小1～3m。
进一步的是，步骤二还包括若所揭示的围岩为Ⅳ或Ⅴ类围岩，则将上导洞扩挖至顶拱中心角α为120°～180°的结构。
进一步的是，步骤二中，导洞与下导洞之间采用变坡扩挖方式进行开挖的坡度比为1:L，L的取值范围为1～5。
本发明的有益效果是：该导流洞开挖衬砌结构的初期支护包括第一类支护段和第二类支护段，第一类支护段设置在处于Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ类围岩中的导流洞洞段内能够形成有效支撑，第二类支护段设置在处于Ⅳ或Ⅴ类围岩中的导流洞洞段内能够形成有效支撑，因此能够适应不同围岩类别的导流洞。该导流洞开挖衬砌结构的施工方法通过根据所揭示的围岩类别施工相应的初期支护类型进行支撑，能够适应不同围岩类别的地质条件开挖导流洞，而且可以解决导流洞沿线地质勘探精度不足或沿程地质条件发生不可预见的突变时，设计和施工单位难以及时调整的难题；同时，在实际施工过程中，不需要二次人工清撬扩挖，施工难度较小、费用较低，在保证衬砌结构满足设计和正常使用要求的前提下，避免了施工风险，节省了工程投资并保证了施工工期。
附图说明
图1是本发明中导流洞开挖衬砌结构的实施结构示意图；
图2是沿图1中A-A线的剖视图；
图中标记为：导流洞10、上导洞11、下导洞12、第一混凝土层21、随机锚杆22、上导洞支撑段31、锁定锚杆32、第二混凝土层33、系统锚杆34、上导洞衬砌41、下导洞边墙衬砌42和底板衬砌43；
图1中的箭头方向为导流洞的开挖施工方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
结合图1和图2所示，导流洞开挖衬砌结构，包括设置在导流洞10内的初期支护和钢筋混凝土衬砌，所述初期支护包括第一类支护段和第二类支护段；
所述第一类支护段设置在处于Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ类围岩中的导流洞10洞段内，其包括设置于导流洞10洞壁表面的第一混凝土层21以及至少两个沿导流洞10的轴向间隔设置的随机锚杆组，每个随机锚杆组包括至少两根沿导流洞10洞壁的周向间隔设置的随机锚杆22，所述随机锚杆22锚固于围岩中；
所述第二类支护段设置在处于Ⅳ或Ⅴ类围岩中的导流洞10洞段内，其包括至少两榀沿导流洞10的轴向间隔设置在导流洞10洞壁上的钢支撑、设置于导流洞10洞壁表面的第二混凝土层33以及至少两个沿导流洞10的轴向间隔设置的系统锚杆组，每个系统锚杆组包括至少两根沿导流洞10洞壁的周向间隔设置的系统锚杆34，所述系统锚杆34锚固于围岩中；
所述钢支撑包括上导洞支撑段31和下导洞支撑段，所述上导洞支撑段31的两个底部端上均连接有至少两根锁定锚杆32，所述锁定锚杆32锚固于围岩中。
导流洞10的衬砌结构按承载能力极限状态设计，主要考虑的荷载有永久荷载和可变荷载，永久荷载包括围岩压力、地应力、衬砌自重等，可变荷载包括内水压力、灌浆压力、地下水压力等。衬砌结构的控制荷载基本组合为：围岩压力+衬砌自重+地下水压力；控制荷载在导流洞10的衬砌结构内形成的应力最大处为边墙和底板交汇处的外侧及边墙中部偏下的内侧，因此为满足承载力要求，常规的导流洞钢筋混凝土衬砌一般取同厚度，衬砌厚度和配筋由应力最大处控制，顶拱部位的衬砌厚度不变，但配筋可根据受力计算情况适当减少。另外，导流洞布置时，一般进口底高程较低，上游河道的推移质随水流进洞，对底板及下部边墙混凝土的冲蚀磨损严重，除了加大衬砌厚度外，还需将底板及下部一定高度范围内的边墙混凝土设计为抗冲磨混凝土。
本发明提供的导流洞开挖衬砌结构，其初期支护包括第一类支护段和第二类支护段，第一类支护段设置在处于Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ类围岩中的导流洞10洞段内能够形成有效支撑，第二类支护段设置在处于Ⅳ或Ⅴ类围岩中的导流洞10洞段内能够形成有效支撑，满足导流洞10对衬砌结构的力学要求，能够适用于不同围岩类别的导流洞10。
第一混凝土层21和二混凝土层33一般通过喷涂设置；随机锚杆22的布置较系统锚杆34的布置更为稀疏；优选的，相邻的两个随机锚杆组之间的间距为1.5～2m，相邻的两个系统锚杆组之间的间距为1～1.25m。
第二类支护段中，布置钢支撑时，优选将相邻的两榀钢支撑之间的间距控制在50～100cm。具体间距可根据围岩的稳定性程度进行确定。
在上导洞支撑段31的两个底部端设置锁定锚杆32是为了固定好钢支撑；布置时，所选用的锁定锚杆32的直径比系统锚杆34的直径大2～8mm，锁定锚杆32的长度为系统锚杆34长度的1.5～2倍。
具体的，再如图1和图2所示，所述钢筋混凝土衬砌包括上导洞衬砌41、下导洞边墙衬砌42和底板衬砌43，所述导洞衬砌41、下导洞边墙衬砌42和底板衬砌43连为一体，所述上导洞衬砌41与导流洞10的上导洞11洞壁相对应，所述下导洞边墙衬砌42与导流洞10的下导洞12的边墙相对应，所述底板衬砌43设置于导流洞10底面上。
导流洞开挖衬砌结构的施工方法，用于施工上述任意一种导流洞开挖衬砌结构；
该施工方法包括下列步骤：
步骤一，沿开挖施工方向开挖导流洞10的上导洞11，同步对围岩进行地质鉴定和编录；开挖的上导洞11的顶拱中心角一般根据预判地质条件在设计和施工前选择，预判地质条件较差时可选择较大的顶拱中心角；
步骤二，根据揭示的围岩情况选择以下的初期支护型式之一完成处于不同围岩类别中的导流洞10洞段的初期支护：
a、若所揭示的围岩为Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ类围岩，则先在上导洞11的洞壁表面喷涂混凝土，然后在上导洞11的洞壁所对应的围岩内锚固随机锚杆22；最后，根据揭示的围岩进行导流洞10的下导洞12的开挖，并在下导洞12的边墙上喷涂混凝土，再在下导洞12的边墙所对应的围岩内锚固随机锚杆22；喷涂在上导洞11洞壁表面的混凝土和喷涂在下导洞12边墙上的混凝土共同形成第一混凝土层21，所锚固的随机锚杆22分为至少两个沿导流洞10的轴向间隔分布的随机锚杆组，每个随机锚杆组包括至少两根沿导流洞10洞壁的周向间隔分布的随机锚杆22；
b、若所揭示的围岩为Ⅳ或Ⅴ类围岩，则先沿导流洞10的轴向在上导洞11的洞壁上间隔设置至少两榀上导洞支撑段31，然后在未设置上导洞支撑段31的上导洞11洞壁表面喷混凝土，并在上导洞11的洞壁所对应的围岩内锚固系统锚杆34，同时在上导洞支撑段31的两个底部端上分别连接至少两根锁定锚杆32，并将锁定锚杆32锚固于围岩内；接着，根据揭示的围岩进行导流洞10的下导洞12的开挖，上导洞11与下导洞12之间采用变坡扩挖方式进行开挖；下导洞12开挖后，在上导洞支撑段31下侧的下导洞12边墙上设置下导洞支撑段，并将下导洞支撑段与上导洞支撑段31连接形成导流洞10的钢支撑；最后，在下导洞12的边墙上喷涂混凝土，再在下导洞12的边墙所对应的围岩内锚固系统锚杆34；喷涂在上导洞11洞壁表面的混凝土和喷涂在下导洞12边墙上的混凝土共同形成第二混凝土层33，所锚固的系统锚杆34分为至少两个沿导流洞10的轴向间隔分布的系统锚杆组，每个系统锚杆组包括至少两根沿导流洞10洞壁的周向间隔分布的系统锚杆34；
步骤三，先在导流洞10底面上施工底板衬砌43，然后在导流洞10内施工与下导洞12的边墙相对应的下导洞边墙衬砌42，最后在导流洞10内施工与上导洞11的洞壁相对应的上导洞衬砌41，使上导洞衬砌41、下导洞边墙衬砌42和底板衬砌43连为一体形成导流洞10内的钢筋混凝土衬砌。
开挖上导洞11的方式可以为多种，例如：通过先爆破，再通风排烟和安全检查，后出渣的方式进行；上导洞11兼作为下导洞12的超前探洞，如导流洞10较长或埋深较大，预判沿程地质条件有可能发生较大变化的，在满足机械化施工的前提下，应适当减小上导洞11的开挖高度；具体为，若所揭示的围岩为Ⅳ或Ⅴ类围岩，优选将上导洞11的开挖高度减小1～3m。
优选的，步骤二还包括若所揭示的围岩为Ⅳ或Ⅴ类围岩，则将上导洞11扩挖至顶拱中心角α为120°～180°的结构。
具体的，上导洞11与下导洞12之间的上下导洞开挖分界线可根据洞高的不同适当调整，洞高在15～19m时也可将导流洞10分为三层开挖，每层高度控制在5～7m。
结合图2所示，步骤二中，导洞11与下导洞12之间采用变坡扩挖方式进行开挖的坡度比优选为1:L，L的取值范围为1～5。
Claims (9)
1.导流洞开挖衬砌结构，包括设置在导流洞(10)内的初期支护和钢筋混凝土衬砌，其特征在于：所述初期支护包括第一类支护段和第二类支护段；
所述第一类支护段设置在处于Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ类围岩中的导流洞(10)洞段内，其包括设置于导流洞(10)洞壁表面的第一混凝土层(21)以及至少两个沿导流洞(10)的轴向间隔设置的随机锚杆组，每个随机锚杆组包括至少两根沿导流洞(10)洞壁的周向间隔设置的随机锚杆(22)，所述随机锚杆(22)锚固于围岩中；
所述第二类支护段设置在处于Ⅳ或Ⅴ类围岩中的导流洞(10)洞段内，其包括至少两榀沿导流洞(10)的轴向间隔设置在导流洞(10)洞壁上的钢支撑、设置于导流洞(10)洞壁表面的第二混凝土层(33)以及至少两个沿导流洞(10)的轴向间隔设置的系统锚杆组，每个系统锚杆组包括至少两根沿导流洞(10)洞壁的周向间隔设置的系统锚杆(34)，所述系统锚杆(34)锚固于围岩中；
所述钢支撑包括上导洞支撑段(31)和下导洞支撑段，所述上导洞支撑段(31)的两个底部端上均连接有至少两根锁定锚杆(32)，所述锁定锚杆(32)锚固于围岩中。
2.如权利要求1所述的导流洞开挖衬砌结构，其特征在于：相邻的两个随机锚杆组之间的间距为1.5～2m，相邻的两个系统锚杆组之间的间距为1～1.25m。
3.如权利要求1所述的导流洞开挖衬砌结构，其特征在于：相邻的两榀钢支撑之间的间距为50～100cm。
4.如权利要求1所述的导流洞开挖衬砌结构，其特征在于：所述锁定锚杆(32)的直径比系统锚杆(34)的直径大2～8mm，锁定锚杆(32)的长度为系统锚杆(34)长度的1.5～2倍。
5.如权利要求1、2、3或4所述的导流洞开挖衬砌结构，其特征在于：所述钢筋混凝土衬砌包括连为一体的上导洞衬砌(41)、下导洞边墙衬砌(42)和底板衬砌(43)，所述上导洞衬砌(41)与导流洞(10)的上导洞(11)洞壁相对应，所述下导洞边墙衬砌(42)与导流洞(10)的下导洞(12)的边墙相对应，所述底板衬砌(43)设置于导流洞(10)底面上。
6.导流洞开挖衬砌结构的施工方法，其特征在于：用于施工权利要求1至5中任意一项所述的导流洞开挖衬砌结构；
该施工方法包括下列步骤：
步骤一，沿开挖施工方向开挖导流洞(10)的上导洞(11)，同步对围岩进行地质鉴定和编录；
步骤二，根据揭示的围岩情况选择以下的初期支护型式之一完成处于不同围岩类别中的导流洞(10)洞段的初期支护：
a、若所揭示的围岩为Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ类围岩，则先在上导洞(11)的洞壁表面喷涂混凝土，然后在上导洞(11)的洞壁所对应的围岩内锚固随机锚杆(22)；最后，根据揭示的围岩进行导流洞(10)的下导洞(12)的开挖，并在下导洞(12)的边墙上喷涂混凝土，再在下导洞(12)的边墙所对应的围岩内锚固随机锚杆(22)；喷涂在上导洞(11)洞壁表面的混凝土和喷涂在下导洞(12)边墙上的混凝土共同形成第一混凝土层(21)，所锚固的随机锚杆(22)分为至少两个沿导流洞(10)的轴向间隔分布的随机锚杆组，每个随机锚杆组包括至少两根沿导流洞(10)洞壁的周向间隔分布的随机锚杆(22)；
b、若所揭示的围岩为Ⅳ或Ⅴ类围岩，则先沿导流洞(10)的轴向在上导洞(11)的洞壁上间隔设置至少两榀上导洞支撑段(31)，然后在未设置上导洞支撑段(31)的上导洞(11)洞壁表面喷混凝土，并在上导洞(11)的洞壁所对应的围岩内锚固系统锚杆(34)，同时在上导洞支撑段(31)的两个底部端上分别连接至少两根锁定锚杆(32)，并将锁定锚杆(32)锚固于围岩内；接着，根据揭示的围岩进行导流洞(10)的下导洞(12)的开挖，上导洞(11)与下导洞(12)之间采用变坡扩挖方式进行开挖；下导洞(12)开挖后，在上导洞支撑段(31)下侧的下导洞(12)边墙上设置下导洞支撑段，并将下导洞支撑段与上导洞支撑段(31)连接形成导流洞(10)的钢支撑；最后，在下导洞(12)的边墙上喷涂混凝土，再在下导洞(12)的边墙所对应的围岩内锚固系统锚杆(34)；喷涂在上导洞(11)洞壁表面的混凝土和喷涂在下导洞(12)边墙上的混凝土共同形成第二混凝土层(33)，所锚固的系统锚杆(34)分为至少两个沿导流洞(10)的轴向间隔分布的系统锚杆组，每个系统锚杆组包括至少两根沿导流洞(10)洞壁的周向间隔分布的系统锚杆(34)；
步骤三，先在导流洞(10)底面上施工底板衬砌(43)，然后在导流洞(10)内施工与下导洞(12)的边墙相对应的下导洞边墙衬砌(42)，最后在导流洞(10)内施工与上导洞(11)的洞壁相对应的上导洞衬砌(41)，使上导洞衬砌(41)、下导洞边墙衬砌(42)和底板衬砌(43)连为一体形成导流洞(10)内的钢筋混凝土衬砌。
7.如权利要求6所述的导流洞开挖衬砌结构的施工方法，其特征在于：步骤一中，若所揭示的围岩为Ⅳ或Ⅴ类围岩，则将上导洞(11)的开挖高度减小1～3m。
8.如权利要求6所述的导流洞开挖衬砌结构的施工方法，其特征在于：步骤二还包括若所揭示的围岩为Ⅳ或Ⅴ类围岩，则将上导洞(11)扩挖至顶拱中心角α为120°～180°的结构。
9.如权利要求6、7或8所述的导流洞开挖衬砌结构的施工方法，其特征在于：步骤二中，导洞(11)与下导洞(12)之间采用变坡扩挖方式进行开挖的坡度比为1:L，L的取值范围为1～5。
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