彭水水電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定施工技術(shù)

范開平

(中國水利水電第十四工程局有限公司曲靖分公司,云南曲靖 655000)

彭水地下電站為中部式地下廠房布置形式,采用單機(jī)單洞布置方案。電站裝有5臺(tái)單機(jī)容量350MW的大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組,多年平均發(fā)電量63.51億kW?h,電站正常蓄水位293 m。地下廠房洞室尺寸252 m ×30 m ×84.5 m(長 ×寬 ×高),洞室規(guī)模較大。廠房洞室斷面為直墻曲頂拱型,拱頂高程248 m,起拱高程240 m以下為直立高邊墻,機(jī)組安裝高程220 m。

地下廠房洞室群位于壩址右岸山體內(nèi),主廠房洞室上覆巖體厚度最大約200 m,最小約130 m,左端距河床最小距離100 m。圍巖為層灰?guī)r、白云巖及含灰質(zhì)串珠體頁巖,廠區(qū)巖溶發(fā)育且規(guī)模較大,圍巖為陡傾角層狀灰?guī)r及灰質(zhì)頁巖,地質(zhì)條件復(fù)雜。與主廠房縱軸線平行的巖層傾角為60°～70°、巖層走向?yàn)?NE22°～25°。上游高邊墻出露巖層為南津關(guān)組灰?guī)r,為薄層、陡傾角逆坡向產(chǎn)狀,巖層傾向洞壁內(nèi);下游高邊墻圍巖為南津關(guān)組灰?guī)r和白云質(zhì)頁巖,為陡傾角、順向巖層組合,巖層傾向洞內(nèi),存在較軟頁巖臨空面,對(duì)圍巖穩(wěn)定十分不利。下游側(cè)壁等層屬于軟巖或以軟巖為主的軟硬巖相間互層狀,自穩(wěn)時(shí)間短,抗風(fēng)化能力弱,為Ⅳ類圍巖。另外,主廠房位于W84與KW51順巖層發(fā)育的兩個(gè)大型巖溶系統(tǒng)之間,其中W84熱水巖溶地溫25～27℃,地下水位較高(高程280～320 m)、外水壓力較大。主廠房軸線與壩區(qū)最大主應(yīng)力平行,最大主應(yīng)力約8～10MPa。

地下廠房圍巖穩(wěn)定支護(hù)與加固方案是在詳實(shí)的工程地質(zhì)資料以及多理論的數(shù)值模擬分析和工程類比分析成果基礎(chǔ)上,根據(jù)施工過程中開挖提示的圍巖變形及應(yīng)力特征反饋分析,對(duì)支護(hù)、開挖鉆爆參數(shù)等進(jìn)行適時(shí)調(diào)整而最終確定的,其洞室圍巖穩(wěn)定支護(hù)與加固實(shí)踐了“新奧法”的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)理念。

1 頂 拱

主廠房拱頂巖體的完整性、穩(wěn)定性較好,屬Ⅱ類圍巖,巖層產(chǎn)狀有利于下游拱座穩(wěn)定,而對(duì)上游拱座穩(wěn)定不利。開挖模擬計(jì)算的多項(xiàng)成果表明頂拱、拱座均為受壓且塑性區(qū)很小,離散元法計(jì)算分析表明在上游拱座附近有局部掉塊現(xiàn)象。拱頂采用系統(tǒng)的鋼質(zhì)楔頭中空注漿張拉錨桿及15 cm厚噴鋼纖維混凝土進(jìn)行支護(hù),錨桿直徑32 mm,長8 m和10 m間隔布置,間距1.5 m ×1.5 m,初期張拉力大于90 kN。開挖中,在廠房頂拱上出露6條斷層,斷層走向基本與主廠房軸線近直交,巖石中裂隙相互切割成倒三角,南津關(guān)第4層沿層面多夾面巖薄片,根據(jù)圍巖變形情況,在頂拱上游側(cè)進(jìn)行了局部增設(shè)中空錨桿及增設(shè)機(jī)編鐵絲網(wǎng)等進(jìn)行加固。

施工過程中,鋼質(zhì)楔頭中空注漿張拉錨桿在造孔完畢插桿后即可施加預(yù)應(yīng)力,隨后進(jìn)行灌漿固結(jié),可以及時(shí)對(duì)出露圍巖提供支護(hù)力并保證了錨桿注漿的密實(shí)度,取得了較好的效果。同時(shí)解決了深層錨固錨索施工周期長、圍巖揭露不能及時(shí)受到支護(hù)力的弊端,減小了洞室圍巖的變形,加快了施工進(jìn)度。實(shí)踐表明,上述支護(hù)有效地加快了頂拱施工進(jìn)度,保證了頂拱開挖支護(hù)施工質(zhì)量。

2 洞室高邊墻

2.1 上游邊墻

上游高邊墻出露巖石的完整性和穩(wěn)定性較好,為陡傾角逆坡向產(chǎn)狀,但部分巖層層面夾薄層泥化頁巖結(jié)合較差。由于邊墻沿巖層走向開挖,加上5條引水隧洞、5條母線洞在上游邊墻交匯,上游邊墻巖體的挖空率較高,上游巖錨梁底距母線洞頂?shù)淖钚【嚯x約3.5 m,母線洞距引水隧洞的最小距離僅9 m。設(shè)計(jì)采用的支護(hù)為系統(tǒng)噴錨支護(hù)加無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索加固,噴15 cm鋼纖維混凝土;普通砂漿錨桿直徑32 mm,長6 m和9 m間隔布置,間排距1.5 m×1.5 m;預(yù)應(yīng)力錨索為2000 kN級(jí),張拉鎖定值為1500 kN,長 25 m,間距4.5 m ×4.5 m;另在各洞室與邊墻交匯處沿周邊布置兩排直徑32 mm、長12 m的張拉錨桿進(jìn)行鎖口加固。

為保證邊墻及各洞室交匯區(qū)邊墻的穩(wěn)定,考慮巖層地質(zhì)條件,主廠房邊墻開挖按分層高度不大于5 m進(jìn)行控制。由于邊墻沿巖層走向開挖,采用常規(guī)的水平孔光爆法進(jìn)行施工,層面切割嚴(yán)重,將導(dǎo)致邊墻的大面積塌落。施工中通過水平孔開挖與垂直孔開挖兩種爆破方法的對(duì)比性試驗(yàn),確定主廠房采用垂直孔進(jìn)行邊墻保護(hù)層開挖,洞室交叉部位采用了先小洞后大洞的開挖順序,對(duì)于母線洞等與主廠房交叉部位,為保護(hù)巖錨梁基巖還采取了先完成母線洞襯砌,再進(jìn)行廠房邊墻開挖的方法。

實(shí)際開挖過程中部分邊墻呈現(xiàn)沿層面的張裂、折斷、傾倒掉塊狀破壞,但范圍較小,后針對(duì)該部分巖層補(bǔ)充、調(diào)整了張拉錨桿,并對(duì)各洞間邊墻調(diào)整加密錨索間距為3 m,最后根據(jù)表層圍巖張裂松動(dòng)變形的情況增加部分無蓋重固結(jié)灌漿。

2.2 下游邊墻

下游側(cè)墻圍巖強(qiáng)度高,較完整,屬Ⅱ、Ⅲ類圍巖,巖層為陡傾角順坡向產(chǎn)狀。采用系統(tǒng)噴錨支護(hù)及無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索加固,系統(tǒng)錨桿直徑32 mm,長6 m和9 m間隔布置,間排距1.5 m ×1.5 m;預(yù)應(yīng)力錨索為2000 kN級(jí),鎖定張拉力1500 kN,長25 m,間距4.5 m ×4.5 m。

在主廠房開挖高度至30 m時(shí),部分邊墻呈現(xiàn)沿層面的張裂、錯(cuò)動(dòng)、滑移掉塊破壞,探洞揭示的頁巖受開挖爆破擾動(dòng)影響后強(qiáng)度及完整性大為下降,因其位于邊墻下部,處于下游邊墻水平變形最大部位,各機(jī)窩間頁巖處于墻角高應(yīng)力區(qū),機(jī)窩與尾水管結(jié)合部位挖空率高,邊墻相當(dāng)高,下部屬應(yīng)力集中區(qū),對(duì)下游邊墻及整個(gè)洞室圍巖的穩(wěn)定極為不利。根據(jù)已探明的地質(zhì)情況,雖對(duì)下部巖體的開挖支護(hù)施工程序進(jìn)行了調(diào)整,頁巖部分保護(hù)層開挖層高調(diào)整為2.5 m,保證支護(hù)緊隨開挖面進(jìn)行,開挖一層支護(hù)一層,仍無法限制邊墻的變形,開挖后安全監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,下游邊墻錨索測(cè)力計(jì)張拉力超過原設(shè)計(jì)張拉鎖定值,多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)試主廠房邊墻位移最大達(dá)到39.28 mm,變形主要集中在頁巖范圍內(nèi)。根據(jù)以上開挖及監(jiān)測(cè)反饋的情況,暫停了廠房的下挖,對(duì)下部巖層,將普通砂漿錨桿調(diào)整為張拉錨桿,間距1.2 m×1.2 m,將下部未施工的邊墻錨索間距調(diào)整為3 m,對(duì)上部已施工邊墻錨索進(jìn)行了補(bǔ)充加密,對(duì)上部邊墻表層已張裂范圍進(jìn)行了全面無蓋重固結(jié)灌漿。通過采取以上加固措施后,限制了廠房邊墻的變形,保證了主廠房高邊墻的穩(wěn)定。

3 巖錨吊車梁的預(yù)應(yīng)力錨固

巖錨梁基礎(chǔ)巖體巖石堅(jiān)硬完整,穩(wěn)定性較好,但巖層層面發(fā)育。在巖錨梁基礎(chǔ)開挖過程中,呈現(xiàn)沿層面松動(dòng)、張裂變形現(xiàn)象,后經(jīng)邊墻固結(jié)灌漿處理,其完整性有較大提高。

巖錨梁錨固體系一般分為預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力兩類,均要求在開挖至巖錨梁下部2～3 m范圍時(shí)完成巖錨梁的澆筑與受力錨桿的鎖定。由于巖錨梁的斷面剛度較大,錨固體系的約束較強(qiáng),為滿足橋機(jī)運(yùn)行要求,其分段長度不能太小,因此巖錨梁適應(yīng)后續(xù)邊墻開挖變形的能力較差。目前地下廠房施工過程中出現(xiàn)了大量巖錨梁開裂的現(xiàn)象,主要原因就是適應(yīng)下部邊墻變形的能力差。彭水地下廠房巖錨吊車梁在主廠房開挖第3層后進(jìn)行混凝土澆筑,采用后張拉預(yù)應(yīng)力錨固體系,其中受力錨桿采用直徑32 mm的精軋螺紋鋼,設(shè)計(jì)張拉鎖定值為200 kN,巖錨梁混凝土澆筑完成后,初始張拉鎖定100 kN,用以固定并適應(yīng)邊墻的開挖變形;待邊墻開挖支護(hù)完成后,再張拉鎖定至設(shè)計(jì)值,最終完成巖錨梁的施工。

4 預(yù)應(yīng)力錨墩優(yōu)化

大型地下廠房的洞室圍巖支護(hù)及加固,需要大量的預(yù)應(yīng)力錨索?，F(xiàn)行的預(yù)應(yīng)力錨索外錨墩大部分采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆或預(yù)制,同時(shí)為適應(yīng)不同的錨固角度及開挖不均引起的起伏差尚需進(jìn)行二次局部清挖。這一方面延遲了預(yù)應(yīng)力錨索加固的時(shí)效性,同時(shí)二次清挖爆破造成的圍巖破壞將極大地影響非常敏感的圍巖二次應(yīng)力調(diào)整,對(duì)開挖后本已處于應(yīng)力松弛狀態(tài)的圍巖造成非常不利的影響。對(duì)于彭水地下廠房這種順巖層走向開挖、層面結(jié)合較差的圍巖地質(zhì)條件,更加容易引起高邊墻的局部垮塌與失穩(wěn)。為此,彭水地下廠房邊墻的預(yù)應(yīng)力外錨墩根據(jù)圍巖的性狀采用了鋼板錨墩,極大地方便了預(yù)應(yīng)力錨索施工,加快了施工進(jìn)度,保證了支護(hù)的及時(shí)性,對(duì)減少圍巖變形、保證洞室圍巖穩(wěn)定起到了十分重要的作用。

5 高邊墻無蓋重固結(jié)灌漿

針對(duì)受開挖爆破影響產(chǎn)生卸荷松馳層面張開的淺表圍巖體,以及斷層結(jié)構(gòu)面交匯形成的松動(dòng)破碎帶還采用了灌漿加固處理,灌漿范圍包括廠房上、下游邊墻高程218～240 m、樁號(hào)X0+000.0至X0+216.0 m,以及高程218.0 ～189.0 m、樁號(hào) X0+13.00 ～X0+193.00 m。

無蓋重固結(jié)灌漿通常應(yīng)用于壩基基礎(chǔ)處理,而順巖層走向呈0°夾角布置在薄層、陡傾角灰?guī)r、夾軟弱頁巖層狀中的大型地下洞室高邊墻在無蓋重條件下進(jìn)行固結(jié)灌漿加固處理,其灌漿壓力控制、灌漿先后順序等尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒。針對(duì)順巖層走向的薄層、陡傾角層狀灰?guī)r、夾軟弱頁巖體中的大型地下洞室高邊墻采用無蓋重固結(jié)灌漿加固。灌漿壓力過小則滿足不了灌漿固壁效果,灌漿壓力過大則將加速巖體卸荷變形,進(jìn)一步危及高邊墻穩(wěn)定。通過深入的灌漿試驗(yàn),灌前應(yīng)用地質(zhì)取芯、地質(zhì)探洞探明廠房邊墻的地質(zhì)情況,確定了采用自下而上、先排序、后孔序的施工方法;采用孔口阻塞,分段灌注,嚴(yán)格控制各段灌漿壓力的灌漿工藝。灌后對(duì)圍巖進(jìn)行物探、壓水等檢測(cè),對(duì)灌漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,檢查結(jié)果表明圍巖加固效果良好,對(duì)改善因開挖卸荷和爆破震動(dòng)而損傷、松動(dòng)的裂隙巖體效果十分顯著,改善了節(jié)理裂隙的力學(xué)形狀,提高了圍巖的整體剛度及抗變形能力。

6 施工期安全監(jiān)測(cè)及反饋

主廠房3個(gè)主要監(jiān)測(cè)斷面221～218 m高程的多點(diǎn)位移計(jì)在若干次分層開挖爆破施工過程中,均出現(xiàn)了不同程度的變形,最大變形量達(dá)41.1 mm,下游邊墻的錨索測(cè)力計(jì)錨固力增大,2005年10月初多點(diǎn)位移計(jì)和錨索測(cè)力計(jì)均出現(xiàn)突變跡象,監(jiān)測(cè)資料表明:主要變形產(chǎn)生在下游側(cè)190～230 m。相關(guān)單位及時(shí)研究后確定了如下方案:停止爆破施工,在下游邊墻進(jìn)行固結(jié)灌漿,增加錨桿,在207.5 m及199 m處增布7束無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)錨索,在198 m處布置2套多點(diǎn)位移計(jì),繼續(xù)加密監(jiān)測(cè)其變形發(fā)展趨勢(shì),0+141.2 m下游側(cè)198 m處的多點(diǎn)位移計(jì)2006年1月開始投入觀測(cè),至2007年2月相對(duì)累計(jì)位移在3 mm以內(nèi)。

廠房洞室于2003年9月14日開挖,2006年4月中旬開挖結(jié)束,安全監(jiān)測(cè)儀器也隨施工進(jìn)展逐一埋設(shè),在開挖過程中,監(jiān)測(cè)儀器不斷反應(yīng)出各個(gè)施工階段的圍巖變形情況,變化過程曲線呈階梯狀,開挖結(jié)束并支護(hù)后,各測(cè)點(diǎn)變形趨緩,至2007年4月以后全部處于平穩(wěn)狀態(tài)。

下游邊墻O21n頁巖性狀較差,當(dāng)形成55 m以上的高邊墻,下端頁巖斷層交錯(cuò)切割,使190～230 m段產(chǎn)生變形;1號(hào)機(jī)組下游靠尾水管處遇F110斷層,尾水管開挖后的圍巖應(yīng)力釋放,導(dǎo)致表面出現(xiàn)多條裂縫,錨桿應(yīng)力計(jì)測(cè)值出現(xiàn)異常,為此調(diào)整了施工工序,優(yōu)化爆破參數(shù),有效地減少了爆破施工對(duì)圍巖穩(wěn)定的不利影響,并針對(duì)性地在下游側(cè)增加錨桿、錨索,對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行固結(jié)灌漿,使該部位變形得到有效控制。