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泵站厂房地下开挖设计与支护设计

来源:原创论文网 添加时间:2019-11-26

  摘    要: 文中以某地下泵站厂房工程为例,设计了将其分为四层按顺序依次开挖;之后针对爆破参数根据围岩岩性的不同进行了分类设计;最后对支护施工进行了设计,包括不同围岩和不同锚杆。

  关键词: 地下泵站; 厂房开挖; 分层分区; 爆破; 锚杆支护;

  1、 工程概况

  该项目地下泵站厂房工程埋深为65.9 m,洞室断面尺寸为102.4 m×18 m×24.075 m(长×宽×高),断面形式为圆拱直墙型,地下洞室规模属于特大断面(面积大于120 m2或跨度大于12 m)。根据地质调查:围岩类别主要为Ⅲ类,岩性为安山岩,弱~微风化,岩石饱和单轴抗压强度50~65MP,局部为Ⅳ类。开挖过程中易出现岩体失稳、变形过大等破坏现象。三组主要节理面相互切割易形成不稳定块体,对顶拱和上下游边墙岩体稳定不利。

  2、 泵站厂房地下开挖设计

  2.1、 开挖分层及分区设计

  根据泵站厂房的结构特点、通道条件、施工机械性能、开挖支护等情况,将厂房自上而下分四层开挖。开挖顺序总体为“先泵站厂房,后出水洞”[1]。

  2.1.1、 第Ⅰ层开挖设计

  利用C1号支洞作为施工通道,开展对第Ⅰ层中部及两侧扩挖和支护工作,中导洞领先于两侧30.0m,上、下游两侧扩挖错距不小于30 m。中部及两侧扩挖均采用手风钻钻孔,设计轮廓光面爆破[2]。

  1)Ⅲ类围岩排炮循环进尺不大于2.5 m,支护滞后开挖5~10 m,在边墙增加临时喷混凝土C30W10,50 mm厚。

  2)Ⅳ类围岩排炮循环进尺10~1.5 m,开挖后及时施工涨壳式预应力中空注浆锚杆(?32、L=6 m)及顶拱格栅架支撑G350@1500 mm,并安装第一层钢筋网及喷混凝土。每开挖6m,进行套管式预应力中空注浆锚杆施工(?32、L=9 m),期间开挖暂停,直至注浆锚杆完成。
 

泵站厂房地下开挖设计与支护设计
 

  3)上、下游端墙预留3.5 m保护层,沿平行于轴线的轮廓线及垂直于轴线的端墙面造孔,双向光面爆破,端墙面顶拱圆弧段采用长短钎造孔。先固结灌浆,后进行第Ⅱ层结构及施工预裂爆破,预裂爆破采用潜孔钻造孔[3]。

  2.1.2、 第Ⅱ层开挖设计

  前期利用C1-1号支洞进入新修厂施1号作为施工通道,后期从厂房起始段开挖并临时回填C1号洞末端,形成1条降坡15%施工通道2,第Ⅱ层采用“中部拉槽,预留保护层”的方法开挖。

  1)施工预裂及中槽开挖采用潜孔钻钻孔,保护层采用手风钻分两层开挖,每层手风钻小炮爆破。中部拉槽爆破梯段长度及预留保护层爆破长度均为4~6m,围岩较差时取小值;

  2)Ⅳ类围岩保护层每开挖6 m,进行套管式预应力中空注浆锚杆施工(?32、L=9/12 m),期间开挖暂停,直至锚杆完成。先固结灌浆,后进行第Ⅲ层施工预裂爆破[4]。

  2.1.3、 第Ⅲ层开挖设计

  清除临时回填C1号洞末端施工道路,利用C1号支洞作为施工通道,第Ⅲ层的开挖方法同第Ⅱ层。

  1)施工预裂及中槽开挖采用潜孔钻钻孔,保护层采用手风钻分两层开挖,每层手风钻小炮爆破。中部拉槽爆破梯段长度及预留保护层爆破长度均为4~6 m,围岩较差时取小值。

  2)先进行厂房边墙固结灌浆及上半部分进、出水平固结灌浆,后进行第Ⅳ层结构及施工预裂爆破。

  2.1.4、 第Ⅳ层开挖设计

  1)从C1号支洞进入新修厂施3号作为第Ⅳ层施工通道,第Ⅳ层底板、集水井均采用手风钻浅孔小炮爆破,2/3分层开挖,下层采用水平光爆,长度均为4~6 m,围岩较差时取小值,后由人工或使用风镐撬除松动岩石,利用C1号支洞出渣。

  2)第Ⅳ层开挖完成后,先施工进、出水洞水平固结灌浆,后施工进、出洞开挖及支护,最后泵站厂房开挖支护完成。

  2.2、 各开挖层爆破参数设计

  2.2.1、 主要钻爆参数设计

  1)厂房第Ⅰ层上部及两侧扩挖,采用手风钻水平钻孔爆破,下部采用手风钻垂直钻孔爆破。循环进尺设计如下:Ⅲ类围岩段2.5 m,Ⅳ、Ⅴ类围岩段1.0~1.5 m,周边光爆孔间距40~50 cm,崩落孔间排距84~120 cm。

  2)第Ⅱ、Ⅲ层梯段开挖主爆孔、缓冲孔、预裂孔采用潜孔钻机钻孔,梯段开挖排炮水平进尺4.0~6.0 m,孔径?76 mm。保护层采用手风钻钻孔爆破,孔径?42~50 mm,潜孔钻主爆孔间排距120~160 cm、缓冲孔间距120 cm,预裂孔间距70~90 cm,手风钻主爆孔间排距90~120 cm。

  3)第Ⅳ层底板、集水井及边墙保护层均采用手风钻小炮爆破,2/3分层开挖,预裂面用潜孔钻机钻孔爆破。梯段开挖排炮水平进尺4.0~6.0 m,孔径?42~50 mm,底板保护层主爆孔间排距100~140 cm、缓冲孔间距120 cm,预裂孔间距70~90 cm,边墙保护层主爆孔间排距90~120 cm。

  2.2.2 、爆破振动控制设计

  按照泵站厂房开挖程序安排,爆破振动控制主要为厂房拱肩部位、高边墙部位及现浇混凝土。其中厂房拱肩部位、高边墙部位最大允许质点振动速度应不超过7.0 cm/s,现浇混凝土部位不超过6.0 cm/s,具体控制设计如下:

  1)拱肩、高边墙部位开挖采用“先预裂、后拉槽、孔外微差爆破(延迟时间大于50 ms)”控制单响最大药量的方式,确保质点振动速度小于7 cm/s。

  2)现浇混凝土部位设计当预裂爆破时,最大单响药量为19.76 kg;拉槽爆破,最大单响药量为32.448 kg;保护层爆破,最大单响药量为27.378 kg。

  质点振动速度v传播规律可按经验公式(1)计算,经计算爆破振动安全允许距离为30.91 m,厂房最小埋深为65.9 m,大于允许距离,满足规定要求。

  式中:W——爆破装药量,齐发爆破时取总装药量,分段延时爆破时取最大一段装药量,kg;D——爆破区药量分布的几何中心至防护目标距离,m;k、a——相关常数,参考值见表1,该项目分别取值150、1.5。

  表1 爆破区不同岩性的k、a参考值
表1 爆破区不同岩性的k、a参考值

  3、 泵站厂房支护设计

  3.1 、支护技术要求

  1)本项目规定6 m(含)以下中空预应力锚杆为涨壳式;6 m以上中空预应力锚杆为套管式。但当围岩评分能达到45分以上,可采用涨壳式。

  2)长度6 m的中空预应力锚杆自由段长度为3.0 m,长度大于6 m的中空预应力锚杆自由段长度4.0 m,对拉锚杆的自由段为锚杆长度。锚杆拉力设计值为100 kN,预应力中空锚杆预张拉力85 kN。

  3)地下泵站厂房内永久性锚杆采用Ⅱ级防腐保护构造。锚头采用过渡管,锚具采用混凝土封闭或钢罩保护,锚固段采用注入水泥浆的波形管。

  4)锚具、承压板及端头筋体用混凝土防护时,混凝土保护层厚度不应小于50 mm,采用钢质防护罩时,其内应充满防腐油脂。

  3.2、 支护施工程序设计

  支护与开挖施工各工序间交替作业。厂房特大洞室应做到“薄层开挖,随层支护”,各开挖层面上根据围岩类别不同,设计支护施工程序如下:

  1)Ⅲ类围岩。施工准备→预应力锚杆(砂浆锚杆)→挂内网→喷混凝土至设计厚度→挂外网→喷混凝土至设计厚度。

  2)Ⅳ类围岩。施工准备→初喷5 cm厚混凝土→预应力锚杆安装→挂网及格栅钢架支撑→复喷混凝土施工至设计厚度→安装深部预应力锚杆。

  3.3、 锚杆施工设计

  1)钻孔。局部加固锚杆孔轴方向应与可能滑动面的倾向相反,其与滑动面的交角应大于45°。钻孔达到标准后,用高压风清除孔内岩屑和积水。锚杆孔位偏差不大于100 mm;深度偏差不大于50 mm。

  2)砂浆锚杆。待钻孔完成,先将注浆管插到孔底,然后退出50~100 mm,注浆机开始注浆,注浆管缓慢匀速拔出,注浆深度约为孔深2/3。注浆完成后,人工将锚杆安入孔内,并反复插捣,送至孔底,孔口用干硬性水泥砂浆封口。

  3)涨壳式预应力锚杆。锚头部位岩体应完整坚硬,否则作出标志,以便改用其他类型锚杆,或增加孔深;施工中采用扭力扳手或空心千斤顶进行张拉,保证扭矩和压力值;张拉过程中遇到锚杆拔出、螺纹扭断、托板偏斜等问题,应及时处理,必要时补加锚杆数量;合理编排锚杆张拉次序,减少张拉时对相邻锚杆的影响。若发现相邻锚杆预应力损失大于设计荷载的l0%,应进行补偿张拉。

  4、 结语

  该地下泵站厂房规模较大,开挖和支护工程量巨大,针对项目特点设计了“分层分区”开挖和支护,使其在有限空间内做到了施工的有条不紊。开挖爆破设计必须保证减少对围岩的扰动,在保证爆破效果的情况下减少装药量,否则会给后期支护带来很大麻烦。该站厂房开挖和支护进展顺利,各项参数也满足相关标准,取得了成功。

  参考文献

  [1] 鄢卫东.钻(冲)孔桩与旋喷桩技术用于泵站深基坑支护工程[J].中国给水排水, 2008, 24(16):101-103.
  [2] 田泽润,李守巨,于申.白山抽水蓄能泵站地下厂房的岩体力学参数反演[J].岩土力学,2014,35(S2):508-513.
  [3] 郭惠民,陈志彦,厉建平.万家寨引黄工程总干线一、二级地下泵站开挖施工[J].水利水电技术,2011(4):58-62.
  [4] 赵发辉,苏红兵,姜顺龙.牛栏江干河地下泵站建设中的岩溶问题[J].长江科学院院报,31(6):15-20.
  [5] 胡亮,赫雷,赵静雅,宋朝.水平岩层洞室开挖支护有限元分析[J].水利规划与设计,2018(02):160-164.

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