新疆照壁山水库导流洞超前锚杆在水工程地质缺陷加固中的应用案例

2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：照壁山水库位于乌鲁木齐市南郊、乌鲁木齐县板房沟乡境内，地理坐标为东经87°22′55″，北纬43°23′42″，属板房沟河上的控制工程。水库枢纽坝址选在弯曲河段，直接利用河道弯曲的地形，把坝布置于弯道后，导流泄洪放水洞布置在凸岸山体内，轴线顺直，水库运行后导流洞成为泄洪冲砂洞；非常溢洪道布置在左岸坝肩处。而照壁山水库导流洞工程的实际情况来看，这两种托架方式均不合适。

（1）工程概述。照壁山水库位于乌鲁木齐市南郊、乌鲁木齐县板房沟乡境内，地理坐标为东经87°22′55″，北纬43°23′42″，属板房沟河上的控制工程。工程位于板房沟河出山口处，板房沟渠首上游约0.4km，距乌鲁木齐市50km，承担下游灌溉、人畜及工业用水的调节任务，同时兼防洪、旅游等功能，水库控制灌溉面积为10.05万亩。最大坝高71.00m，坝顶长121m。枢纽工程由拦河坝、导流泄洪冲沙洞、非常溢洪道等建筑物组成。工程规模属中型。

水库枢纽坝址选在弯曲河段，直接利用河道弯曲的地形，把坝布置于弯道后，导流泄洪放水洞布置在凸岸山体内，轴线顺直，水库运行后导流洞成为泄洪冲砂洞；非常溢洪道布置在左岸坝肩处。

导流放水洞位于坝左岸，全长332.50m，洞高4.0m，洞宽2.5m，属城门无压洞，进口高程为1858.00m，出口高程为1851.00m。

1）进口明渠段：0～55m为导流洞进口明渠段，基岩岩性为石炭系下统奇尔古斯套组灰黑色凝灰岩、凝灰质粉砂岩，厚层—巨厚层状。岩体产状为75°NW∠70°～∠75°。该段岸坡坡度为10°～15°，上覆坡积碎石土层厚2～4m，基岩强风化层厚3～6m，弱风化层12～17m。纵波速度：弱风化岩体2200～3800m/s；微风化—新鲜岩体4000～4500m/s。

2）进口段：55～80m为导流洞进口段，基岩岩性为石灰系下统奇尔古斯套组灰黑色凝灰岩、凝灰质粉砂岩，厚层—巨厚层状。岩体产状为75°NW∠70°～∠75°。该段边坡坡度为30°～40°，局部上覆少量坡积碎石土层厚1～3m。基岩强风化层厚3～6m，弱风化层厚12～16m，纵波速度：弱风化岩体2200～3800m/s；微风化—新鲜岩体4000～4500m/s，节理裂隙较发育，主要发育的为一组产状为280°SW∠55°～∠65°的节理，面多呈舒缓波状，延伸长15～20m，局部第开0.5～1.0cm。在60m处发育一断层F1，断层产状20°SE∠75°，破碎带宽30～80cm，该断层对洞脸边坡影响较大。进口段岩体属Ⅳ类围岩。

3）洞身段：80～370m为导流洞洞身段，基岩岩性为石炭系下统奇尔古斯套组灰黑色凝灰岩、凝灰质粉砂岩，厚层—巨厚层状。岩体产状为75°NW∠70°～∠75°。该段上覆岩体厚50～60m，局部上覆少量坡积碎石土层厚1～3m。基岩强风化层厚3～6m，弱风化层厚12～16m，纵波速度；弱风化岩体2200～3800m/s；微风化—新鲜岩体4000～4500m/s。隧洞多于微风化—新鲜岩体中，局部处于弱风化岩体中。该段发育有三条小断层，断层破碎带宽10～15cm，断层仅对局部岩体有影响，对隧洞工程地质条件影响不大。洞身段成洞条件好，洞室围岩以Ⅱ～Ⅲ类围岩为主。可视实际情况喷混凝土处理；局部位于断层破碎带及影响带处为Ⅲ～Ⅳ类围岩，可随机打锚杆、挂网喷混凝土支护。

4）出口段：370～400m为导流洞出口段，基岩岩性为石炭系下统奇尔古斯套组灰黑色凝灰岩、凝灰质粉砂岩，厚层—巨厚层状。岩体产状为75°NW∠70°～∠75°。该段边坡坡度为25°～30°，上覆少量坡积石土层厚2～4m。基岩强风化层厚3～6m，弱风化层厚12～16m，纵波速度：弱风化岩体2200～3800m/s；微风化—新鲜岩体4000～4500m/s，节理裂隙较发育，主要发育的为一组产状为280°SW∠55°～∠65°的节理，面多呈舒缓波状，延伸长15～20m，局部第开0.5～1.0cm。该段发育五条断层，破碎带宽10～15cm，其中F14、F14-1、F19与洞轴线交角较大，对隧洞稳定性影响不大，F15、F19产状与洞轴线近平行，对隧洞稳定性影响较大。由于导流洞出口以强化岩体为主，上覆岩体较薄（5～15m），成洞条件较差，出口段岩体属Ⅲ～Ⅳ类围岩。

5）出口明渠段：400～450m为导流洞出口明渠段，基岩岩性为石炭系下统奇尔古斯套组灰黑色凝灰岩、凝灰质粉砂岩，厚层—巨厚层状。岩体产状为75°NW∠70°～∠75°。该段以河床为主，局部上覆1～3m厚的坡积碎石土，砂砾石层厚约10～14m。基岩强风化层厚3～6m，弱风化层厚12～17m，纵波速度：弱风化岩体力2200～3800m/s；微风化—新鲜岩体4000～4500m/s。

（2）设计与施工。所谓超前支护，即在围岩极为破碎的隧洞开挖地段，对洞身顶部及易发生卸荷变形部位，在未开挖时，先在孔内插入锚杆、钢管、钢梁等支撑物，以前方未开挖的围岩为一个支点，以支立好的钢支撑或专门的托架作为另一个支点，这样用两端的两个支点和支撑杆件为梁形成的简支梁来承受顶拱围岩压力，也就是这一组替代被开挖围岩在卸荷变形发生前补充支撑力，减小围岩的卸荷变形以预防发生塌方。

1）施工设计方案选择。针对进口段、出口段成洞条件较差和洞身段有三条小断层破碎带的地质缺陷，将造成成洞困难和塌方的情况，制定了超前支护的施工技术方案。

根据已有的经验，目前采取的各种超前支护在托架支撑上一般有两种方式，一是采用竖向柱状支撑；另一种是利用锚杆将各个纵梁出露端固定在洞壁上。前者适用于大洞径隧洞，后者适用于小洞径隧洞。而照壁山水库导流洞工程的实际情况来看，这两种托架方式均不合适。首先是导流隧洞的洞径较小，毛洞宽度3.5m，如若采用竖向立柱支撑，则支撑立柱的间距离如大了则不足以承担围岩压力，而间距如小了，则施工机具无法跟进掌子面，钻孔、爆破出渣将十分困难；若采用锚杆固定在洞顶的方法，则锚杆抗拉强度又不能满足，为便于施工，我们对超前支护的惯用方式因地制宜做了改进。变若干根钢梁支撑改用十几根大号钢筋代替，对支护后端的竖支钢管托架，我们用钢筋制作成落地拱形架，其根部焊钢垫板，置于稳定的基岩上。用拱形钢筋圈连接插入掌子面的钢筋，这样使钢筋所受的竖向卸荷力被拱分散到洞身两侧和地面的岩石上。

2）超前支护的施工工艺。在确定了超前支护方案后，根据需要安排了以超前支护为主，混凝土支护为辅的施工工艺。

由于及时在新鲜挖面上喷射了混凝土，能及时对围岩提供抗力，并可喷入裂隙的一定深度内，对岩体进行加固，以抵抗岩石的剪切，提高围岩的承载能力。通过两方面的结合，使拱顶一方面不可能发生大的卸荷变形坍塌，另一方面也避免了由于岩石不断风化而由小塌方变大塌方的危险。其工艺流程为：造超前支护孔→插入纵向钢筋→制安拱形托架→造钻爆孔→爆破→制安下一拱形托架→喷混凝土支护→出渣→下一进尺钻爆。(www.chuimin.cn)

3）拱形托架超前支护的具体作法。首先在开挖断面掌子面外围，用风枪造孔，造孔方向与轴线夹角20°，在掌子面顶120°范围内造孔。孔深4m，间距40cm，孔内插入4.5mφ25钢筋锚杆，在洞壁上垂直于洞轴方向间距40cm造孔。孔深80cm，在孔内插入φ20长100cm钢筋，用以固定拱形架，拱形架采用两根φ25钢筋，依需要弯制成拱圈，两根拱形钢筋用短钢筋连接，拱顶间距10cm，立墙处间距可宽些，两拱形钢筋圈的间距为30cm。将拱圈点焊于插入岩石内的钢筋锚杆上。

（3）应用效果。通过这项技术的应用，在该段导流洞的施工中，未发生坍塌现象，保证了施工进度和质量。

【注释】

[1]姚爱敏，孙世国，刘玉福.锚杆支护现状及其发展趋势.北方工业大学学报，2007（3）

[2]孔恒，马念杰，王梦如，张成平.锚固技术及其理论研究现状和方向.中国煤炭.2001（11）

[3]邹金锋，李亮，杨小礼，王志斌，赵炼恒.基于损伤理论的全长式锚杆荷载传递机理研究.铁道学报，2007（6）

[4]何思明，雷孝章.全长粘结式灌浆锚杆锈胀机制研究.四川大学学报（工程科学版），2007（6）

[5]郑颖人，杨会龙.锚喷支护参数分析与选用原则.地下工程经验交流会论文集1986

[6]唐智勇.预应力锚杆支护参数的确定.路基工程，2007（6）

[7]卓家寿.非线性固体力学基础.北京：中国水利水电出版社，1996

[8]翁燕娟，郑建壮，沈强勇.锚杆静压桩在闸站基础加固处理中的应用.浙江水利科技，2007（5）

[9]王少华.堆积体（崩积体）和岩石裂隙发育地区预应力锚索工程单价的分析.水利水电工程造价，2006（3）