QC三板溪水电站导流洞洞身初期支护设计QC

PAGExx水电站导流洞洞身初期支护设计QC活动成果报告小组所在单位：xx施工处小组名称：xx水电站施工导流设计QC小组小组注册编号：xx课题起止日期：xxxx研究院

小组概况xx水电站为总装机容量100万kw的大型工程，导流设计在整个施工组织设计中占重要部分。为搞好从初期导流至后期度汛各阶段导流设计，施工处专门成立现场服务型QC管理小组，发挥集体优势，努力把本工程的导流设计上做到技术先进可靠、经济合理安全、现场问题服务上做到及时快捷。导流设计小组概况见下表：小组名称成立日期登记日期登记注册号xx水电站施工导流设计QC小组2002年4月22日2003年4月16日2003-16组长姓名xx性别男年龄33文化程度本科职务副主工组员姓名性别年龄文化程度职称职务成员变更情况xx女38本科高工副专总xx男38本科高工副专总、副设总xx男35本科高工主工xx男34本科工程师xx男27本科助工2002年卿笃兴参加xx女31本科工程师xx男34本科工程师副主任小组特点：平均年龄33岁，成员年富力强、对工作有热情、事业心强，有一定的工作经验专总、设总、主工带队参加，对小组活动的管理及解决技术问题，起关键作用活动情况：小组活动时间为2002年4月～2003年6月，共组织集体活动17次，包含4次教育，总活动时间42h。活动形式灵活多样，采用集中与分散的结合、现场与本部的结合。每次小组组织活动，除因出差影响外，每位成员都做到基本参加，成员出勤率几乎达到100%。选题理由导流洞洞身段围岩初期支护参数设计导流洞洞身段围岩初期支护参数设计工程重要性工程重要性：xx水电站为面板堆石坝，装机容量1000MW，施工采用隧洞导流方式。工程正式开工后，首先进行导流洞施工。导流洞施工进度直接影响到“一枯抢拦洪”度汛目标的实现问题。处级及三板溪项目部处级及三板溪项目部领导的重视贯彻质量方针：技术先进、保证质量贯彻质量方针：技术先进、保证质量大跨度地下工程支护设计，存在大跨度地下工程支护设计，存在经验不足、困难大的问题从工程重要性出发，按照领导的要求及贯彻我院质量方针的原则，结合大断面导流洞支护设计存在较大的实际困难等因素，在xx施工导流设计初期，我们选择导流洞初期支护参数设计作为我们QC活动的第一项内容。旨在通过科学有效的管理方法，发挥群体优势，保质保量地按期完成设计任务。

现状调查3.1工程现状调查招标阶段地质概况：招标阶段地质概况：坝址处地层为中厚层变余凝灰岩、厚层变余凝灰质细、粉砂岩，岩层产状Ｎ35°～38°Ｅ、ＳＥ∠38°～40°。围岩除进出口段为弱风化外，大部分为微风化～新鲜岩石。主要发育NNE～NE向和NW向2组陡倾角断层和一组NE向层间错动或断层，规模较大的断层有F56、F74和层间错动断层F116、fd4、f14。节理裂隙以NNE～NE向和NW向2组陡倾角为主，延伸较长，局部存在缓倾角节理和层面节理，连续性较差。围岩分类以Ⅱ～Ⅲ类为主，进出口段为Ⅳ类。坝区为低应力区，以自重应力场为主，侧压力系数0.7。地质条件地质条件导流洞工程基本情况导流洞工程基本情况基本情况导流洞洞身段长基本情况导流洞洞身段长726m，进口高程317m，底坡5.47‰。过水断面16m×18m。最大开挖尺寸27.18m×施工方案分3层开挖，周边采用光面爆破。遇到不良地质洞段，要求采用小断面、超前支护、短进尺、弱爆破、快支护的施工原则施工方案分3层开挖，周边采用光面爆破。遇到不良地质洞段，要求采用小断面、超前支护、短进尺、弱爆破、快支护的施工原则进度要求导流洞进度要求导流洞2002年7月1日开工，10月截流。6月初应完成设计图纸。优化对加快施工进度、保证按期截流有重要意义

3.2设计方法调查调查资料直接类比间接类比有限元计算理论计算监控量测备注锚杆喷射混凝土支护技术规范√√√√跨度大于15m地下建筑物设计手册√√◎◎水工隧洞设计规范√√◎◎◎复杂地质条件采用有限元计算√—宜采用的方法；◎—必要时采用的方法经过调查，目前国内通用地下工程的支护设计方法是以工程类比为主，辅以必要的理论计算和观测手段。3.3问题的提出经过对导流洞基本情况和设计方法的调查，在xx导流洞支护设计中存在以下若干问题：导流洞跨度大，地质条件较差，同时，开工后地质条件肯定会又有所变化，需要跟踪设计。地质资料是依据有限的勘探资料得出的，导流洞开挖后，各段的实际情况与预计一般会有变化，这就要求设计工作根据实际条件，修正设计。设计周期太短。进行理论验算及施工图绘制工作，对于只有1个月的设计周期来说，时间相当紧张。采用查阅规范的间接类比法时，规范中没有对跨度大于15m设计理论中强调的变形监测，对于一般的导流临时建筑物来说，很少有进行监测的，缺乏变形资料，对优化参数就缺乏直接依据，对于参数选择的经济合理性缺乏直观的判断，由此，工程经验在搞好设计工作过程中显得优为重要。4 课题目标根据现状调查中所对存在的问题，QC小组成员进行了认真研究和分析讨论，确立小组活动目标为：在满足工程进度的前提下，合理经济地选择导流洞初期支护参数。在满足工程进度的前提下，合理经济地选择导流洞初期支护参数。原因分析课题小组在着手进行洞身段初期支护研究时，召开技术讨论会，通过头脑风暴法、开诸葛亮会等形式，首先找出影响初期支护参数设计的诸要素，见图：确定初期支护设计参数需要考虑的因素多、存在困难大确定初期支护设计参数需要考虑的因素多、存在困难大施工工期短设计人员不够施工工期短设计人员不够设计周期短经验不足设计周期短经验不足设计人员水平工期影响设计人员水平工期影响尽量减少支护工程量尽量减少支护工程量围岩变形开挖步骤经济指标围岩变形开挖步骤经济指标施工方法施工方法永久支护型式爆破震动裂隙永久支护型式爆破震动支护时间走向与岩层的关系支护时间走向与岩层的关系导流洞布置导流洞布置隧洞断面隧洞断面岩性影响岩性影响节理裂隙的影响断层处理节理裂隙的影响断层处理工程地质条件工程地质条件水文地质地下水的处理地下水的处理岩层产状影响岩层产状影响不同围岩类别处理不同围岩类别处理

确定要因要因确认表序号末端因素论证分析是否要因1不同围岩类别处理围岩类别是支护设计的重要基础资料，不同的类别，参数选择上大不相同。Ⅰ类、Ⅱ类整体稳定性较好，主要是针对局部块体支护，而Ⅳ、Ⅴ类围岩整体稳定差，主要是整体加固。围岩类别由地质专业同志提供，在类别划分上，开挖前后会有所不同，设计应密切配合地质，及时确定和修正设计。是2断层处理导流洞沿线发育有F4、F56、F102等较大断层，断层的性质、产状、充填物性质等，对断层影响带的施工安全影响很大，支护设计时应充分研究断层特点，有针对性地提出支护方案。是3节理裂隙的影响导流洞沿线节理发育主要有顺轴线陡倾角节理和NWW向节理，节理的连通性、夹泥情况等影响着掌子面是否会出现不稳定块体，设计时应重视该因素。是4岩层产状影响岩层产状N∠30°E、SW∠30°，层面胶结良好，层面不明显，走向与隧洞轴线夹角大，对洞室稳定有利。非5岩性影响导流洞围岩岩性以微风化～新鲜状态的巨厚层变余质凝灰岩为主，不具有崩解性质。支护设计中可不考虑该因素对支护参数的影响。非6地下水的处理主要考虑地下水发育对施工期围岩稳定的影响。在支护设计阶段，主要是提出遇地下水发育洞段加强排水、引水措施。具体支护参数，不重点考虑。非7隧洞断面地下工程开挖跨度大、边墙高时，对围岩的稳定影响大，同样的地质条件，跨度大的洞室围岩稳定性差。大的跨度揭露出的结构面多，形成的不稳定块体数量多，块度大。是8走向与岩层的关系导流洞洞轴线与岩层走向夹角较大，对成洞有利，支护设计中，可以不作为重点考虑因素。非9永久支护型式影响永久支护采用混凝土衬砌。衬砌结构按照与初期支护、围岩联合承载理论设计，喷锚支护分但部分山体压力，锚杆连接作用提高混凝土与围岩之间的整体性是10开挖步骤特大断面隧洞的开挖方法（如分层开挖或全断面开挖）、单循环进尺等因素均影响洞室的稳定。对于Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段，开挖不仅应分层，还应分部位，小断面开挖，紧跟支护，才能有效地控制围岩的稳定。一般在设计时，都要求施工技术要求上进行控制，对施工提出明确要求，但在支护参数选择时，设计不考虑该因素。非11围岩变形洞室开挖后围岩部分应力得到释放，发生一定的变形，稳定后应力重新分布。当应力水平超过岩石自身强度时，出现塑性变形。系统支护中，锚杆一般要超过塑性圈半径。支护设计中，强调对围岩的变形观测，及时反馈信息修改参数，对合理经济选择支护措施有重要意义。是12爆破震动隧洞开挖掌子面爆破作业产生的震动，对已支护区和未支护区的围岩稳定，都有一定影响。特别对于破碎带，要求弱爆破。支护参数设计时，一般不专门考虑爆破作业影响而加强支护措施。非13支护时间新奥法理论强调适时支护，允许围岩出现一定的变形，但不能有过大的变形。适时支护可以最大限度地发挥围岩本身的承载能力。支护时间的确定，与围岩开挖后收敛观测有密切关系。在支护参数设计时，不作为重点考虑因素。非14尽量减少支护工程量设计过程要遵循经济合理原则。在保证安全的前提下，施工过程中，地质条件变好的洞段，尽可能地减少工程量；地质条件变差洞段，应尽量选择单价低、施工工艺简单、常见的支护方法。非15设计周期短导流洞施工详图设计时间只有1个月，充分发挥每个成员的积极性，通力合作，发挥群体优势，是可以按期完成。是16施工工期短一枯抢拦洪的度汛方案，对10月份按期截流甚至提前截流提出了高要求，在总目标不变的前提下，导流洞施工只有14个月时间，工期相当紧张，加之全长采用混凝土衬砌，施工程序多，因此在设计中根据条件尽量减少工程量、采用对加快施工进度有利的支护措施。对开挖过程中出现的各种情况，快速提出设计处理意见。非17设计人员经验不足设计人员的水平和工作方法、实践经验，影响到设计成果的质量以及设计进度。参加设计的部分人员尚未从事过大断面导流洞的支护设计，但通过QC小组的集体活动，可弥补这方面不足，使大家共同提高。设计过程中，多向专家请教，多查阅资料。非18设计人员不够投入本工程设计的人员少，但导流洞设计中还有很多项目需要同步设计，使得人员力量不足。解决的办法只有发挥集体优势，提高工作效率的同时，利用业余时间加班加点。非根据以上18个条论证，结合导流洞的实际情况，确认影响初期支护参数选择的主要末端因素有8个因素：不同围岩类别的处理；断层处理；节理裂隙的影响；隧洞断面；围岩变形；永久支护型式的影响；设计周期短。

制定对策要因对策表对策表完成日期日期200305200302200305220205200215200205200006执行人吴文洪地质队吴文洪虞东亮地质队吴文洪虞东亮地质队陈玲芳陈玲芳吴文洪宋亦农吴文洪全体措施参考规范建议及工程经验，采用锚、喷、网等支护措施采用超前支护加固围岩，开挖后采用排水、局部锚杆等特殊处理措施。对小规模块体，按照系统支护；大规模块体，采取特殊处理措施进行水力计算和衬砌结构计算，确定开挖尺寸初步对混凝土衬砌进行结构计算分析委托武大进行分析；分析施工期测量数据分工负责、集体讨论；事前指导、过程讨论。绘图由CAD经验丰富的人负责目标针对各类围岩，提出和调整整体支护措施提出加固措施，保证施工稳定对由于节理切割形成的块体进行单独处理按照不同的跨度，结合围岩分类，初选参数按照永久支护的需要，明确提出对初期支护的特殊要求。据塑性区发展情况及变形速率，修正参数按工程进度要求，2002年6月10日前提出施工图。对策分析各段埋深及地质分类，与地质密切合作，及时掌握有关信息了解各条断层对洞室稳定的影响程度，针对性处理分段研究节理发育状况对围岩稳定的影响；，分析结构面组合形成块体的可能性按照过流能力和结构尺寸，确定隧洞断面。根据运行条件和结构计算需要，确定永久支护型式以及对初期支护的要求。数值分析围岩变形；施工期加强观测设计进度上，发挥集体优势，力保供图及时。要因不同围岩类别处理断层处理节理裂隙的影响隧洞断面永久支护型式的影响围岩变形设计周期短序号1234567

对策实施对策实施分两个阶段。根据地质详查资料、监测资料、施工条件、工程进度等因素，优化调整支护参数根据隧洞跨度、围岩分类、节理发育情况，采用工程类比和理论计算两种方法初步确定支护参数对策实施根据地质详查资料、监测资料、施工条件、工程进度等因素，优化调整支护参数根据隧洞跨度、围岩分类、节理发育情况，采用工程类比和理论计算两种方法初步确定支护参数对策实施第二阶段第一阶段第二阶段第一阶段8.1第一阶段对策实施隧洞断面确定以招标阶段设计成果为基础，按照围堰枯水期挡水、坝体一枯抢拦洪的导流方案，通过水力计算和施工进度分析，确认导流洞过流断面16m×18m满足使用要求。采用有限元、SDCAD等计算方法，对混凝土衬砌结构进行分析，确定厚度为0.5m～2.5m。导流洞最大开挖跨度25.68m、高度23.15m；最小开挖跨度17.00m×19.10m。在结构初步计算中，外水压力对衬砌厚度起决定影响，但对于堵头上游段外水压力的折减系数选取问题是一大争议。QC活动中，向院老咨询专家请教、参考已完成设计的龙滩工程等最终取得了一致了意见。导流洞地质条件导流洞地质资料主要由地质专业提供，设计人员对其进行整理分析。原设计导流洞洞身段长726m，为降低进口明渠段边坡高度，将轴线布置进行优化，调整后的洞身段长731m。围岩分类以Ⅱ、Ⅲ类为主，进出口段为Ⅳ根据围岩分类和隧洞跨度，采用工程类比法初步选定整体支护参数。相似规模的导流洞支护参数见下表。支护参数类比表资料名称Ⅱ类围岩Ⅲ类围岩Ⅳ类围岩锚杆喷射混凝土支护技术规范120～150mm厚钢筋网喷混凝土，设3～4m150～200mm厚钢筋网喷混凝土，设4～5m长锚杆，必要时设置长度大于无规定龙滩导流洞150mm随机锚杆150mm厚喷混凝土，系统锚杆φ25@1.5m×1.5m，L=150mmφ28、L=5m与φ32、L=7.8m交错布置，间距1.5m二滩导流洞100mmφ25@1.5m×1.5m，L=4.100mm厚喷混凝土，系统锚杆φ30@1.0m×150mm厚喷维混凝土，系统锚杆φ32、L=6～8m,间距漫湾导流洞50mmφ22@2m×2m100mmφ25@1.5m×1.5m，L=5200mmφ25@1.0m×1.0断层处理导流洞偏3°后，进口0+26.25～0+106段拱顶可能会出现不稳定块体。在设计过程中，QC小组多次邀请设总、院总与地质专业同志一道研究对策。从初步分析的断层发育状看，由F126、F128、F69、层面等组成的块体规模较大，约3000m块体处理措施研究上，大家顾虑较多。一是块体太大，按一般的经验，需要采用300t级以上的预应力锚索，向上打锚索，施工太困难；二是在招标图中没有大块体处理措施，对于总价承包合同，对设计进行大的调整对合同执行不利；三是断层资料不确切，系推断的，开挖后有可能不出现块体稳定问题。经过讨论，为慎重起见，QC小组决定对该部位块体在设计图纸中暂不提出处理措施，待施工过程中再根据实际情况研究对策。围岩变形关于围岩变形方面，QC小组分两方面进行处理。一：与武汉大学合作，采用有限元方法对隧洞开挖过程进行仿真模拟计算，近似求出二次应力场、围岩变形总量、塑性区发展情况，验证初选参数的安全性；二：采用修正芬纳公式，近似用理论方法计算出塑性圈平均半径，验证参数的合理性。计算结果表明，围岩变形值相当小，都在规范允许值之内，塑性区开展深度较小，除在断层部位深度达3m外，一般边墙中部深度Ⅲ类围岩地段为1m研究结论：一般3m以上的锚杆长度可以满足超过塑性区深度的支护稳定要求。对于Ⅱ类围岩，可以不考虑进行系统锚杆加固。永久支护型式研究永久支护的型式，主要通过SDCAD及有限元结构计算，假定围岩与混凝土接触面闭合，分析接触面及围岩表面应力状况。导流洞永久支护采用钢筋混凝土衬砌。衬砌结构与初期支护、围岩连接为整体，共同承担外荷载，其中初期支护主要承担围岩变形压力。对于进口洞段，衬砌承受较大的外水压力，混凝土与围岩接触面上水平剪力较大，将系统锚杆伸入混凝土衬砌内并与钢筋网相连接，可以承受部分剪力。对于Ⅱ类围岩洞段，衬砌为不受力结构，仅起到降低过水糙率作用，系统锚杆伸入混凝土衬砌内并与钢筋网相连接，可提高混凝土与围岩之间的连接。对策实施过程中，比较有争议的是接触面的抗拉能力问题。QC小组成员认为，按照混凝土围堰与基础垂直正应力不大于0.15MPa的要求推断，此接触面上也应该采用0.15MPa的极限值。在与专总、设总的讨论会上，他们提出，考虑到地下工程的特殊性，参考喷混凝土粘结力的要求，接触面抗拉强度可以提高到0.4MPa。设计人员对该问题仍觉得没分析清楚，后又向院李总、杨总等专家咨询，专家认为按照过去的工程经验，可以按0.8MPa作为极限抗拉强度，超过此值的部位，应通过插筋处理。采用比较高的标准，主要是考虑到地下工程中外水作用方式并不是象计算中的一种直接面力作用。通过咨询、讨论，QC小组成员对这一问题更加清楚化，在设计中也做到了心中有数。经过初步结构分析，永久混凝土支护对初期支护的要求是：系统锚杆应锚固于混凝土内部，围岩与混凝土之间的喷混凝土强度等级应于混凝土等级相匹配。工期影响设计供图：为满足2002年7月1日导流洞开工、6月10日前提交图纸的供图要求，QC小组成员利用节假日、晚上等时间，加班加点地进行工作，同时遇到问题及时向院李总、杨总、冯总、陈总等专家请教，吸取经验，少走弯路。小组成员齐心协力共同完成支护设计工作。施工工期：为加快施工进度，设计采用以下措施：喷钢纤维混凝土代替常规的挂网喷普通混凝土；系统锚杆的入岩长度尽可能采用手风钻可以钻孔的长度，方便施工；设计组织详细交底，让施工单位充分了解设计意图。8.2第二阶段对策实施导流洞于2002年7月1日开工，9月23日上导洞全线贯通，2003年5月完成初期支护施工，8月底具备通水条件。在隧洞开挖过程中，QC小组以分散活动形式，或在工地、或在单位内部，及时了解施工动态，掌握开挖后揭露的实际地质情况，发现问题，尽快处理。实施一：围岩分类的调整中导洞开挖贯通后，地质专业同志对全洞围岩进行了重新分类，Ⅳ类围岩有所减少，Ⅱ类围岩有所增加。同时，Ⅱ类围岩洞段围岩完整性较好，层面不明显，自稳能力强。根据地质详查资料，设计对全洞系统支护参数进行了调整。开挖前后各类围岩比例对比表围岩类别开挖前占总洞长的比例开挖后占总洞长的比例Ⅳ26%10.6%Ⅲ37%38.2%Ⅱ37%51.2%实施二：不稳定块体处理对不稳定块体的处理，充分发挥了QC活动的优势，在现场积极配合地质专业和监测专业，对块体的稳定分析、施工过程中锚杆应力的变化过程等，进行全程跟踪，快速反应。第一次处理地质专业分析块体形成机理，设计人员提出处理措施。0+43～0+65段，顶拱受断层f14、fd4、F126、F128等相互切割形成高约10m、底长约22断层参数：F126:309°～325°/NE∠80°～88°，影响带宽1.0mF128:332°～345°/SW∠75°～88°，影响带宽1.2mFd4：43°/NW∠70°～90°，影响带宽1.0～2.0mf14：30°～44°/SE∠38°，破碎带宽0.1～0.3m处理措施：采用系统长锚杆与沿断层布置加强锚杆处理应力突变2003年1月初，0+52断面拱脚锚杆应力突增，拱顶锚杆应力突降为0。观测人员将这一重大变化通知了设计，设计人员立即组织QC成员，并邀请蔡昌光设总、陈伟总工等进行讨论处理。观测认为可能的主要原因是爆破振动的影响，是拱顶块体脱落向下滑动。根据观测记录分析，与会同志同意了这种分析，并提出处理措施：处理措施：采用15m经过处理后，进口段围岩一直保持稳定，混凝土衬砌顺利进行施工。

效果检查小组活动初始确定的目标：在满足工程进度的前提下，合理经济地选择导流洞初期支护参数，保证施工期围岩的安全稳定按照活动目标，从以下几方面进行效果检查：经济性 导流洞竣工后系统锚杆总根数17730根，比招标阶段设计量