“先錨后挖”施工工藝在高地應(yīng)力壩基開(kāi)挖中的研究和應(yīng)用

殷本林，喬介平，張 宇

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司第二分局，四川成都 611730;2.雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川成都 610051)

1 前 言

隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)，水電工程向高海拔和高峽谷地區(qū)轉(zhuǎn)移，而高陡窄深的河谷高差極大，在峽谷底部形成天然的高地應(yīng)力區(qū)。在壩基開(kāi)挖過(guò)程將致使邊坡體型變化，巖體應(yīng)力重分布，卸荷調(diào)整和損傷破壞等，且建基面在開(kāi)挖后長(zhǎng)期暴露，在應(yīng)力釋放及重力卸荷等綜合因素作用下，易發(fā)生卸荷回彈、松弛破壞，使巖體不能滿足拱壩建基面的要求。我國(guó)已建的拉西瓦水電站、二灘水電站、小灣水電站等高拱壩在建基面開(kāi)挖時(shí)均存在由于高地應(yīng)力巖體卸荷造成建基面回彈松動(dòng)和剪切錯(cuò)動(dòng)，甚至出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，造成建基面不得不大面積二次開(kāi)挖、固結(jié)灌漿及重復(fù)錨筋施工，致使施工工期延后和施工成本大量增加。通過(guò)創(chuàng)新提出“先錨后挖”施工工藝，并在錦屏一級(jí)水電站左岸高地應(yīng)力、復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下高陡邊坡壩基開(kāi)挖中進(jìn)行研究和試驗(yàn)，已成功運(yùn)用于工程施工，取得了良好的效果。

2 工程概況

錦屏一級(jí)水電站拱壩壩高305m，為世界第一高拱壩，壩址區(qū)為典型的深切河谷，左岸壩肩自然邊坡坡高超過(guò)1 000m，開(kāi)挖后壩肩從2 120m高程至1 580m高程，形成540m的高邊坡，開(kāi)挖量達(dá)550萬(wàn)m3。左岸開(kāi)挖邊坡主要為大理巖，斷層、裂縫發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，是目前水電工程開(kāi)挖高度最高、開(kāi)挖規(guī)模最大、穩(wěn)定條件最差的邊坡工程之一(見(jiàn)圖1)。

經(jīng)探測(cè)，左岸壩基部位餅狀巖芯現(xiàn)象嚴(yán)重，地應(yīng)力普遍達(dá)到30MPa以上，接近壩基底部1 630m高程以下應(yīng)力均達(dá)到40～60MPa(見(jiàn)圖2)。高地應(yīng)力開(kāi)挖施工成為大壩左岸壩基開(kāi)挖的巨大難題。

3 “先錨后挖”施工工藝研究

3.1 施工工藝

針對(duì)錦屏一級(jí)水電站大壩左岸存在的高地應(yīng)力壩基開(kāi)挖，以及已建工程施工中采取的“先挖后錨”施工工藝的不足，創(chuàng)新提出采用“先錨后挖”的施工工藝進(jìn)行壩基開(kāi)挖施工。

“先錨后挖”施工工藝為在高地應(yīng)力壩基保護(hù)層開(kāi)挖前采用施工預(yù)裂等方式預(yù)留適當(dāng)厚度的保護(hù)層，在保護(hù)層外側(cè)對(duì)建基面巖體采用埋入式錨桿或者錨筋束進(jìn)行預(yù)支護(hù)，并預(yù)埋監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)控保護(hù)層開(kāi)挖后圍巖變形情況及錨桿受力情況。在埋入式錨桿或者錨筋束達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求并與建基面巖體形成牢固整體后進(jìn)行保護(hù)層的開(kāi)挖。在開(kāi)挖后預(yù)先施工的埋入式錨桿和錨筋束與巖體一同參與應(yīng)力重分布，控制強(qiáng)烈的卸荷作用，起到加固建基面淺層部位巖體、保持巖體完整性的作用。

圖1 錦屏一級(jí)水電站左岸邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)

圖2 左岸邊坡巖體最大主應(yīng)力沿高程方向變化曲線

針對(duì)錦屏一級(jí)水電站大壩左岸高地應(yīng)力壩基開(kāi)挖工程的施工特點(diǎn)，對(duì)于地應(yīng)力大于40MPa的1 630m高程以下區(qū)域初步擬定的“先錨后挖”施工參數(shù)為:臺(tái)階開(kāi)挖高程10m，建基面外預(yù)留保護(hù)層厚度3m，采用9m長(zhǎng)、2φ32mm螺紋鋼錨筋束進(jìn)行預(yù)先錨固，到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度后完成保護(hù)層開(kāi)挖。

3.2 數(shù)值模擬和理論分析

為預(yù)估和判斷“先錨后挖”施工工藝在左岸壩基開(kāi)挖施工中所起到的作用，在初步擬定施工參數(shù)后，對(duì)“先錨后挖”施工工藝開(kāi)挖與傳統(tǒng)“先挖后錨”施工方式對(duì)高地應(yīng)力巖體開(kāi)挖產(chǎn)生的效果進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬分析的巖體為1 630m高程以下典型的第二段第3、4、5層厚～巨厚層狀大理巖、角礫狀大理巖，巖體微新、完整，嵌合緊密，地應(yīng)力在40MPa以上，受開(kāi)挖應(yīng)力釋放調(diào)整過(guò)程的影響，在此部位將發(fā)生卸荷回彈，并可引起松弛破壞。根據(jù)施工進(jìn)度:(1)壩基1 630m高程以下高地應(yīng)力巖體開(kāi)挖;(2)然后進(jìn)行建基面清理;(3)進(jìn)行壩基底部壩段6.25m混凝土澆筑;(4)進(jìn)行壩基底部相鄰壩段6.25m混凝土澆筑。按照時(shí)間安排，得出了不同方案開(kāi)挖條件下典型點(diǎn)變形隨時(shí)間的變化曲線(見(jiàn)圖3)。

由分析結(jié)果可見(jiàn)，在采取“先挖后錨”開(kāi)挖時(shí)，左岸壩基1 630m高程以下高地應(yīng)力巖體在開(kāi)挖后的應(yīng)力釋放調(diào)整過(guò)程中將發(fā)生約13cm的卸荷回彈量，引起壩基巖體松弛破壞;但若采取“先錨后挖”開(kāi)挖方案，卸荷回彈量將減少60%以上。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，在左岸壩基1 630m高程以下高地應(yīng)力巖體開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)采用“先錨后挖”方案，對(duì)開(kāi)挖強(qiáng)烈卸荷作用的控制效應(yīng)明顯。

3.3 施工工藝開(kāi)挖對(duì)比試驗(yàn)

3.3.1 對(duì)比試驗(yàn)布置方式

為進(jìn)一步驗(yàn)證“先錨后挖”施工工藝在高地應(yīng)力壩基開(kāi)挖施工中產(chǎn)生的控制效果和“先錨后挖”施工參數(shù)，在大壩左岸壩基選擇1 620～1 615m高程作為施工試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行開(kāi)挖工藝對(duì)比試驗(yàn)。

圖3 不同開(kāi)挖方式的典型點(diǎn)位移變化曲線

大壩左岸壩基1620～1615m高程為典型的第二段第3、4、5層厚～巨厚層狀大理巖、角礫狀大理巖，巖體微新、完整，嵌合緊密，地應(yīng)力在40MPa以上巖體，具有明顯的完整高地應(yīng)力巖體特征。壩基上游側(cè)18.9m為“先錨后挖”施工工藝試驗(yàn)區(qū)域，下游18.9m為“先挖后錨”施工工藝試驗(yàn)區(qū)域，中間間隔18.9m作為試驗(yàn)分隔區(qū)域。為了檢驗(yàn)兩種開(kāi)挖方案對(duì)建基面的損傷程度，分別對(duì)兩次試驗(yàn)進(jìn)行了松弛監(jiān)測(cè)，松弛監(jiān)測(cè)采用在爆前爆后進(jìn)行物探測(cè)試和安裝2套兩點(diǎn)位移計(jì)。為監(jiān)測(cè)壩基回彈松弛應(yīng)力變化情況，布置了2套三點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)。對(duì)比試驗(yàn)平面布置見(jiàn)圖4。

圖4 施工工藝開(kāi)挖對(duì)比試驗(yàn)平面布置

3.3.2 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)論

3.3.2.1 物探監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)“先挖后錨”及“先錨后挖”施工工藝對(duì)比試驗(yàn)區(qū)域的聲波檢測(cè)孔、爆破檢測(cè)孔爆前和爆后測(cè)試、對(duì)穿聲波測(cè)試的物探測(cè)試成果及巖體聲波速度測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論:各爆破檢測(cè)孔爆后比爆前巖體平均單孔波速均有降低，且爆后波速降低段主要反映在爆后孔口段，其中，爆后檢測(cè)孔0～1.4m孔口段巖體聲波波速降低較大，爆前孔口段巖體聲波平均波速變化范圍為5 200～5 900m/s之間，而爆后孔口段巖體聲波平均波速主要集中在4 400～5 100m/s之間，為爆破松弛卸荷等綜合影響所致?！跋儒^后挖”試驗(yàn)區(qū)爆破松弛卸荷深度0.6m，“先挖后錨”試驗(yàn)區(qū)爆破松弛卸荷深度1.4m。

3.3.2.2 錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)爆破開(kāi)挖后對(duì)比試驗(yàn)區(qū)域安裝的2組錨桿應(yīng)力計(jì)的對(duì)比分析得出如下結(jié)論:錨桿應(yīng)力在爆破開(kāi)挖后均有增加，應(yīng)力增加主要深度在距離孔口5m位置，“先錨后挖”施工區(qū)的錨桿應(yīng)力計(jì)最大應(yīng)力達(dá)到214MPa，“先挖后錨”施工區(qū)錨桿應(yīng)力計(jì)最大應(yīng)力達(dá)到115MPa(見(jiàn)圖5)。

3.3.2.3 淺層變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 “先挖后錨”和“先錨后挖”實(shí)驗(yàn)區(qū)錨桿應(yīng)力對(duì)比

通過(guò)對(duì)爆破開(kāi)挖后對(duì)比試驗(yàn)區(qū)域安裝的2組兩點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)的對(duì)比分析得出如下結(jié)論:壩基邊坡淺層變形主要集中在孔口到1號(hào)錨點(diǎn)(10m深以內(nèi))。M1(“先挖后錨”區(qū))變化比較明顯，在孔口到10m深錨點(diǎn)半月內(nèi)累計(jì)分段位移增加5.89mm。M2點(diǎn)(“先錨后挖”區(qū))變化較小，為1.71mm。位移變化仍然表現(xiàn)在10m深以內(nèi)(見(jiàn)表1)。

3.3.3 試驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)在1 620～1 615m高程典型高地應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行的“先錨后挖”及“先挖后錨”分區(qū)爆破試驗(yàn)表明，施工方法、流程及爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)等各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，孔口區(qū)域出現(xiàn)卸荷松弛，但符合聲波衰減率均小于10%的要求;“先錨后挖”試驗(yàn)區(qū)卸荷深度遠(yuǎn)小于“先挖后錨”試驗(yàn)區(qū)?！跋儒^后挖”試驗(yàn)區(qū)預(yù)錨錨筋在開(kāi)挖后應(yīng)力增大值遠(yuǎn)大于“先挖后錨”試驗(yàn)區(qū)后期施工的錨筋，“先錨后挖”試驗(yàn)區(qū)淺層變形位移僅為“先挖后錨”試驗(yàn)區(qū)的29%。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以得出:“先錨后挖”在高地應(yīng)力開(kāi)挖中能通過(guò)預(yù)錨錨筋與建基面巖體的聯(lián)合作用，參與開(kāi)挖后地應(yīng)力重分布，使巖體卸荷作用極大消減，淺層巖體變形位移大大減小，顯著改善了高地應(yīng)力對(duì)壩基巖體的破壞。

表1 兩點(diǎn)式位移計(jì)位移變化情況

4 “先錨后挖”施工工藝在錦屏一級(jí)中的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)“先錨后挖”施工工藝進(jìn)行的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析和爆破開(kāi)挖試驗(yàn)表明，“先錨后挖”施工工藝在高地應(yīng)力壩基開(kāi)挖施工過(guò)程中比傳統(tǒng)“先挖后錨”施工工藝效果優(yōu)良，因此在錦屏一級(jí)水電站大壩左岸壩基開(kāi)挖中1 630m以下高程采用了“先錨后挖”施工工藝。

4.1 “先錨后挖”施工具體流程

4.1.1 壩基邊坡預(yù)留保護(hù)層外側(cè)的預(yù)裂和開(kāi)挖

在壩基高地應(yīng)力建基面開(kāi)挖前，在邊坡預(yù)留3m厚度的保護(hù)層。保護(hù)層采用施工預(yù)裂預(yù)留，施工預(yù)裂孔徑為 φ90mm，孔距0.8m，線裝藥密度0.5～1.0kg/m，堵塞長(zhǎng)度1.5m，采用 TAMROCK7002液壓鉆造孔，鉆孔方向與建基面平行。施工預(yù)裂與外側(cè)巖體梯段爆破一同進(jìn)行。

4.1.2 壩基保護(hù)層預(yù)錨

施工預(yù)裂完成后，對(duì)壩基保護(hù)層進(jìn)行預(yù)錨施工(見(jiàn)圖6)。預(yù)錨施工主要預(yù)錨參數(shù)有:φ32預(yù)錨錨桿，L=9m，梅花形布置，間、排距2m×2m。預(yù)錨錨固孔采用TAMROCK7002液壓鉆或XZ－30潛孔鉆施工，鉆孔深度為錨桿長(zhǎng)度+保護(hù)層厚度，鉆孔總長(zhǎng)度12m。鉆孔完成后進(jìn)行下錨施工，錨桿伸入錨桿孔最底部，保證保護(hù)層開(kāi)挖完成后錨桿與建基面齊平。預(yù)錨孔采用全孔灌漿。待錨桿達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度后，再進(jìn)行保護(hù)層的開(kāi)挖。

4.1.3 壩基保護(hù)層監(jiān)測(cè)布置

在每層保護(hù)層開(kāi)挖前埋設(shè)三點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)，垂直位置布置在壩基開(kāi)挖分層的中部，水平位置按照開(kāi)挖區(qū)域?qū)挾炔荚O(shè)。三點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)鉆孔深度12m，孔向垂直邊坡，孔徑φ110mm，錨桿應(yīng)力計(jì)長(zhǎng)度9m，直徑 φ28mm，測(cè)點(diǎn)埋深分別為距建基面2.5m、5m、7m，采用全孔段灌漿。兩點(diǎn)式位移計(jì)在保護(hù)層開(kāi)挖爆破前進(jìn)行鉆孔施工，孔口部位預(yù)埋保護(hù)管，用棉紗堵塞，爆破后再安裝位移計(jì)。

圖6 預(yù)錨施工示意

爆破前需進(jìn)行單孔聲波檢測(cè)、對(duì)穿聲波檢測(cè)和鉆孔電視，掌握巖體聲波傳遞速率等基本參數(shù)，為爆破開(kāi)挖前后巖體卸荷變形情況提供原始數(shù)據(jù)。

爆破施工前，將爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器安裝在爆破施工區(qū)域以外及注意需保護(hù)的巖體和混凝土周邊，以判斷爆破過(guò)程中的微差延時(shí)起爆效果和對(duì)保留巖體的震動(dòng)破壞。

4.1.4 壩基保護(hù)層開(kāi)挖

預(yù)錨達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度、監(jiān)測(cè)儀器布置完成后進(jìn)行壩基保護(hù)層開(kāi)挖施工。爆破孔和緩沖孔造孔均采用TAMROCK7002液壓鉆進(jìn)行，鉆孔角度與保護(hù)層邊坡預(yù)裂孔角度一致。緩沖孔間、排距1.5m×1.0m，爆破孔間排距2.0m×1.5m，單耗控制在0.30～0.35kg/m3，預(yù)裂孔采用 XZ－30鉆進(jìn)行，孔徑φ90mm，預(yù)裂孔間距0.6m，線裝藥量控制在200～250g/m;分段雷管為 MS2，緩沖孔孔內(nèi)雷管為MS13，整體網(wǎng)路采用下游側(cè)起爆。開(kāi)挖爆破完成后采用人工或液壓沖擊錘配合反鏟將石渣挖除，開(kāi)挖過(guò)程中注意對(duì)預(yù)埋監(jiān)測(cè)儀器電纜的保護(hù)。

4.1.5 壩基開(kāi)挖評(píng)價(jià)及缺陷處理

開(kāi)挖爆破出渣完成后，即清理邊坡，標(biāo)記原來(lái)三點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)、單孔監(jiān)測(cè)聲波孔、對(duì)穿聲波孔位置和編號(hào)，清理爆破施工前兩點(diǎn)式位移計(jì)鉆孔，立即進(jìn)行兩點(diǎn)式位移計(jì)的安裝。兩點(diǎn)式位移計(jì)和三點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)頻率為前15天1次/d，后續(xù)15天1次/2d，一個(gè)月后每周觀測(cè)1次，根據(jù)時(shí)間的推移形成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行分析。進(jìn)行爆后單孔聲波監(jiān)測(cè)、對(duì)穿聲波監(jiān)測(cè)及鉆孔電視觀測(cè)，取得爆破后不同深度巖體的聲波傳爆速率和裂隙發(fā)育情況，并與開(kāi)挖爆破前的巖體參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，了解爆破開(kāi)挖后高地應(yīng)力巖體的應(yīng)力釋放、卸荷松弛和回彈變形情況。

4.2 “先錨后挖”施工效果

通過(guò)在錦屏一級(jí)水電站大壩左岸高地應(yīng)力壩基開(kāi)挖中創(chuàng)新地應(yīng)用“先錨后挖”施工工藝，順利地完成了大壩壩基開(kāi)挖的施工任務(wù)，開(kāi)挖完成的1 630m以下壩基巖體經(jīng)物探探測(cè)聲波衰減率約為4%，遠(yuǎn)低于技術(shù)要求中10%規(guī)定。開(kāi)挖完成的壩基半孔率、平整度優(yōu)良，未出現(xiàn)由于卸荷松弛和回彈變形造成的“蔥皮”、板裂，甚至巖爆現(xiàn)象，避免了二次開(kāi)挖、固結(jié)灌漿和重復(fù)錨筋施工，大大節(jié)省了施工工期和施工成本，獲得業(yè)主、監(jiān)理一致好評(píng)。壩基1 700～1 600m高程開(kāi)挖獲得“A級(jí)樣板工程”殊榮。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)創(chuàng)新提出了對(duì)高地應(yīng)力壩基開(kāi)挖采用“先錨后挖”施工工藝，并對(duì)此進(jìn)行了一系列理論研究和施工試驗(yàn)，將其運(yùn)用于錦屏一級(jí)水電站大壩左岸壩基開(kāi)挖施工中，取得了良好的效果，極好地解決了高地應(yīng)力區(qū)域大規(guī)模壩基開(kāi)挖中所遇到的巖體卸荷松弛和回彈變形，甚至產(chǎn)生“蔥皮”、板裂，局部巖爆等現(xiàn)象。

(2)“先錨后挖”施工工藝的運(yùn)用應(yīng)首先建立在多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，并得出可靠和有效的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在運(yùn)用過(guò)程中，結(jié)合監(jiān)測(cè)成果，實(shí)時(shí)指導(dǎo)高地應(yīng)力壩基“先錨后挖”各工序的施工。

(3)有效避免由于壩基建基面巖體卸荷松弛和回彈變形造成的二次開(kāi)挖、固結(jié)灌漿和重復(fù)錨固施工，施工工期得到保障，工程建設(shè)投資節(jié)省，保證了工程穩(wěn)定安全運(yùn)行。

(4)在高地應(yīng)力地區(qū)的拱壩壩基開(kāi)挖中，控制壩基巖體卸荷松弛和回彈變形是目前已建和在建大型工程的重大施工技術(shù)難題?！跋儒^后挖”施工工藝有效解決了壩基開(kāi)挖松弛和變形的問(wèn)題，極大地提高壩基建基面巖體質(zhì)量，保證了水利水電工程穩(wěn)定安全運(yùn)行。

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