高拱壩壩肩抗力巖體置換洞地質(zhì)缺陷開挖施工技術(shù)

黃亮　李秀洪

【摘要】本文簡(jiǎn)要介紹了小灣水電站拱壩壩肩抗力體地質(zhì)缺陷工程規(guī)模、工程地質(zhì)和抗力體布置特點(diǎn)，抗力體地質(zhì)缺陷面積大、地質(zhì)復(fù)雜、施工通道狹小、施工安全風(fēng)險(xiǎn)突出，施工布置、工藝（方法）、質(zhì)量、安全是關(guān)鍵、予以高度重視，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，采取先進(jìn)的開挖施工方法、安全監(jiān)測(cè)手段，順利完成施工，施工成果達(dá)到設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求。抗力體地質(zhì)缺陷施工布置、工藝（方法）、安全監(jiān)測(cè)手段可為相關(guān)地下地質(zhì)缺陷處理工程提供借鑒及經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】抗力體；地質(zhì)缺陷；開挖；施工技術(shù)

1、概況

1.1 工程概況

小灣水電站位于云南省瀾滄江中游河段，是中下游河段的龍頭水庫，最大壩高294.5m。壩肩兩岸地下共布置了14層置換洞，左岸地下布置4層置換洞（共17條置換洞、2條豎井），左岸布置10層置換洞（共25條置換洞），各種洞室分布長短不一、洞徑大小不一、方位不同，在平面上相交，空間上交錯(cuò)。置換洞布置如圖1、2。

1.2 地質(zhì)條件

壩址地段分布的巖層為時(shí)代不明的中～深變質(zhì)巖系（M）及第四系，巖層呈單斜構(gòu)造。左岸主要分布有斷層Ⅱ級(jí)F7一條，Ⅲ級(jí)F11、F5、F20三條；右岸主要分布有斷層Ⅱ級(jí)F7一條，Ⅲ級(jí)F11、F5、F10、F3、F9等五條，產(chǎn)狀為近EW走向，陡傾角，屬順層擠壓性質(zhì)，蝕變帶主要有E1、E4、E5、E2等4條。典型斷層和蝕變帶如圖3、4。

1.3 開挖施工概述

左右岸設(shè)計(jì)布置的置換洞室斷面類型和數(shù)量較多，長短各異，分布相對(duì)復(fù)雜，開挖的特殊性，其開挖主要是清除軟弱地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，開挖均處在不良地質(zhì)段中，開挖過程是一個(gè)不斷跟蹤構(gòu)造帶、斷層、蝕變巖體的過程，在施工過程中，每開挖進(jìn)尺5m～7m段，都需要由業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)及施工四方組成的地質(zhì)跟蹤小組對(duì)洞室地質(zhì)情況進(jìn)行鑒定，確定下一開挖段的方位和洞室的斷面尺寸。

開挖時(shí)同一立面、高程上相鄰的洞室，靠近拱壩建基面的洞口10m段開挖自上而下及早開挖施工，該范圍內(nèi)洞段開挖應(yīng)在上層洞段的支護(hù)措施全部完成后，方能進(jìn)行緊鄰下層洞口段的開挖；10m以外洞身段，遵循自上而下、間隔開挖的總體順序，原則上要求上、下層洞塞襯砌澆筑完畢7d后方能進(jìn)行緊鄰的中間層洞塞相應(yīng)洞段開挖，間隔開挖的洞塞，其開挖應(yīng)錯(cuò)開施工，先施工洞塞的支護(hù)須超前后施工洞塞的開挖至少20m。

2、抗力體施工布置

2.1 施工總布置

結(jié)合設(shè)計(jì)院對(duì)壩肩抗力巖體受力結(jié)構(gòu)研究及置換洞和邊坡錨固設(shè)計(jì)布置，研究地形、地質(zhì)條件，與周圍大壩標(biāo)段及其它標(biāo)段等標(biāo)段相互關(guān)聯(lián)互相干擾的問題，優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，合理布置施工通道、臨建設(shè)施是保證施工進(jìn)度的關(guān)鍵。

結(jié)合抗力巖體置換洞塞與周邊排水、灌漿、監(jiān)測(cè)等洞室交叉，以及緊靠大壩施工的上中下層施工道路，綜合利用現(xiàn)有通道，合理布置施工通道、臨建（附屬）設(shè)施。

2.2 施工道路布置

左岸區(qū)域布置2條施工豎井和不同高程布置11條施工支洞與置換洞、坡面公路連接，作為施工通道。

右岸區(qū)域布置3條施工豎井和不同高程布置17條施工支洞與置換洞連接、坡面公路連接，作為施工通道。

3、抗力體地質(zhì)缺陷開挖施工

3.1 開挖施工規(guī)劃

左、右岸置換洞為分層布置形式，相鄰洞層基本位于同一立面上，且在同一平面內(nèi)大多都存在交錯(cuò)布置。開挖時(shí)同一立面、高程上相鄰的洞塞，靠近拱壩建基面的洞口10m段開挖自上而下盡早開挖施工，該范圍內(nèi)洞段開挖應(yīng)在上層洞段的支護(hù)措施全部完成后，方能進(jìn)行緊鄰下層洞口段的開挖；10m以外洞身段，遵循自上而下、間隔開挖的總體順序，要求上、下層洞塞襯砌澆筑完畢7d后方能進(jìn)行緊鄰的中間層洞塞相應(yīng)洞段開挖，間隔開挖的洞塞，其開挖應(yīng)錯(cuò)開施工，先施工洞塞的支護(hù)須超前后施工洞塞的開挖至少20m。

由于斷層產(chǎn)狀在平面上、立面上均有變化，特別是蝕變巖體分布不均一，要求超前勘探洞每開挖進(jìn)尺5～7m左右，將洞室表面粉塵、石渣用水清洗干凈，通知、監(jiān)理、設(shè)計(jì)對(duì)洞室地質(zhì)條件進(jìn)行鑒定，確定下一步的開挖洞向和洞徑。

同一立面、高程上相鄰的洞室遵循間隔開挖的總體順序：洞高8m以上城門型斷面均分為2～3層進(jìn)行開挖支護(hù)，先挖超前探洞2.5m×2.5m，進(jìn)行地質(zhì)缺陷鑒定確定開挖方位后再擴(kuò)挖高度約5m，再地質(zhì)缺陷鑒定確定開挖方位、洞徑，最后擴(kuò)挖或下層開挖高度3～5m；洞高8m以下城門型斷面先挖超前探洞2.5m×2.5m，進(jìn)行地質(zhì)缺陷鑒定確定開挖方位后再全斷面擴(kuò)挖。

開挖采用手風(fēng)鉆造孔，中心掏槽，分層爆破，周邊輪廓光面爆破法。遵循弱爆破、短循環(huán)、勤支護(hù)的方法。

開挖支護(hù)過程中，相應(yīng)的進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的施工，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整開挖方案。

3.2 開展控制爆破試驗(yàn)

總結(jié)以往各型地下洞室開挖成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合小灣電站抗力巖體置換洞實(shí)際地質(zhì)情況，選取有代表性的洞室段，針對(duì)性地作爆破設(shè)計(jì)及專門的爆破試驗(yàn)，2005年8月13日～2006年3月8日，抗力巖體置換洞塞限購?fù)瓿?次控制爆破試驗(yàn)，右岸3次、左岸4次，取得了抗力體開挖控制爆破試驗(yàn)研究成果。取得爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)和效果檢查后，及時(shí)分析研究修改調(diào)整爆破設(shè)計(jì)，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3.3 平洞地質(zhì)缺陷開挖施工

置換洞開挖支護(hù)主要施工技術(shù)方案如下。

（1）一般置換洞開挖施工

一般置換洞分2～3個(gè)次序開挖：6m×6m以上大斷面先進(jìn)行2m×2m超前地質(zhì)探洞開挖，擴(kuò)挖滯后跟進(jìn)的施工方法。每次開挖5～7米后進(jìn)行地質(zhì)跟蹤鑒定：確定下一步洞軸線、斷面。隨后分兩層進(jìn)行開挖支護(hù)，上層開挖高度約為4.0m，遇不良地質(zhì)洞段及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。下層開挖高度為3～4m，開挖后再次進(jìn)行地質(zhì)跟蹤，確定巖層基建面是否滿足設(shè)計(jì)要求，必要時(shí)進(jìn)行下部擴(kuò)挖。6m×6m以下小斷面開挖類同以上施工。置換洞開挖成型后，與原設(shè)計(jì)圖比較，置換洞均有不同程度地優(yōu)化調(diào)整。

一般地質(zhì)段洞室，周邊孔采用密孔、小藥量光爆，系統(tǒng)支護(hù)及隨機(jī)支護(hù)施工。超前地質(zhì)探洞主要采用靈活多樣的人工鉆爆作業(yè)方式施工[3][5]。

（2）蝕變巖體洞開挖施工

蝕變巖體在各層洞室均有不同范圍內(nèi)分布，并夾有斷層帶分布，由密實(shí)的斷層泥、糜棱巖、蝕變巖組成，易吸水，吸水后巖石崩解、強(qiáng)度降低。

蝕變巖體置換洞身開挖分三步：先進(jìn)行2m×2m超前地質(zhì)探洞開挖，擴(kuò)挖滯后跟進(jìn)的施工方法。每次開挖5～7米后聯(lián)合地質(zhì)跟蹤，開挖20～30米后，再分兩層進(jìn)行開挖支護(hù)。

施工過程中按設(shè)計(jì)要求，及時(shí)布設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)、聲波孔等監(jiān)測(cè)設(shè)施對(duì)蝕變巖體洞室實(shí)施監(jiān)測(cè)。

3.4 洞井開挖施工

左岸LZJA1、LZJA2豎井在EL.1220m、EL.1200m層置換洞開挖支護(hù)結(jié)束后進(jìn)行施工，采用“反井法”、“正井法”相結(jié)合進(jìn)行開挖，左岸EL.1220m層先期進(jìn)行開挖支護(hù)施工，與豎井相交LZA洞開挖時(shí)，豎井頂部（LZA洞底部）下挖3米。EL.1200m層與豎井相交LKB1、LKB2洞上層開挖支護(hù)結(jié)束后，先采用人工手風(fēng)鉆開挖2.5m×2.5mLZJA1、LZJA2豎井的反導(dǎo)井，再自上而下擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面[5]。

擴(kuò)挖渣料采用人工扒渣落至EL.1200m層洞塞，再采用2m3裝載機(jī)或0.15m3反鏟裝渣，小型自卸車水平運(yùn)輸或0.3m3裝載機(jī)直接抬至LS2溜料豎井溜至L8施工支洞內(nèi)，最后由3m3側(cè)卸裝載機(jī)裝渣，自卸車運(yùn)輸至指定渣場(chǎng)。

3.5 實(shí)施聯(lián)合地質(zhì)跟蹤

采用地質(zhì)跟蹤確定開挖范圍及面積，先開挖超前探洞5～7m（對(duì)于軟弱巖帶產(chǎn)狀變化部位3～5m），由業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工四方現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行跟蹤鑒定，確定下一步開挖方位和范圍，然后再進(jìn)行鉆孔爆破開挖方式。

4、施工監(jiān)測(cè)

開挖施工過程中為掌握圍巖變形發(fā)展情況，采用各種測(cè)量儀表、儀器、收斂變形、電視圖像、聲波測(cè)試、多點(diǎn)位移計(jì)、巖石應(yīng)力計(jì)對(duì)圍巖變化情況及各工序施工狀態(tài)下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并按照監(jiān)測(cè)圍巖變形和應(yīng)力狀況，預(yù)見事故和險(xiǎn)情，作為調(diào)整和修改設(shè)計(jì)方案、施工工藝的依據(jù)，及時(shí)調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的針對(duì)性和施工過程的安全性。以及掌握洞室周圍圍巖穩(wěn)定及動(dòng)態(tài)變化，為圍巖缺陷加固處理工程建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支持。

開挖過程中緊跟掌子面跟進(jìn)聲波測(cè)試，所有開挖洞塞均安排聲波測(cè)試。聲波成果測(cè)試表明，大部分開挖松弛都在0.4～0.8m之間或松弛范圍不明顯，波速大多在4500m/s以上；個(gè)別洞塞個(gè)別孔出現(xiàn)孔口段低波速區(qū)超過1.5m，低波速段波速在2500m/s左右，經(jīng)過實(shí)際查勘，這些孔都位于結(jié)構(gòu)面上，或者孔口段在蝕變體中，出現(xiàn)低波速區(qū)。從整個(gè)聲波測(cè)試結(jié)果看：開挖造成的巖石松弛范圍都在0.6m左右或者不明顯，個(gè)別大的低波速區(qū)是由地質(zhì)原因造成，整個(gè)開挖爆破控制及支護(hù)效果均有效和較好。

5、施工質(zhì)量

抗力巖體地質(zhì)缺陷開挖充分體現(xiàn)了“新奧法”施工原則：“短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)，緊封閉，勤量測(cè)”；同時(shí)充分利用機(jī)械設(shè)備與施工人員有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了斷層、蝕變巖體開挖、及時(shí)支護(hù)、快速循環(huán)的先進(jìn)施工工藝。

開挖結(jié)束后，經(jīng)過聯(lián)合檢查驗(yàn)收，開挖質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

6、施工總結(jié)

小灣水電站壩肩抗力巖體地質(zhì)缺陷開挖施工，技術(shù)要求高，無經(jīng)驗(yàn)借鑒，是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)難題。施工期間，通過抗力巖體置換洞塞開挖，在積累了大量地下工程爆破施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)在造孔設(shè)備選型、造孔精度控制、爆破參數(shù)制定等幾方面的綜合分析研究，并通過爆破工藝試驗(yàn)、針對(duì)不同巖體工藝改進(jìn)及采取一系列先進(jìn)技術(shù)保證了置換洞開挖精度。使整個(gè)開挖爆破施工工藝向規(guī)范化、程序化，標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，有效地提高爆破開挖質(zhì)量。同時(shí)，本工程在開挖施工中進(jìn)行了精細(xì)化的施工管理，實(shí)施了“開孔證”、“終孔證”、 “準(zhǔn)爆證” 三證制度，從而保證了置換洞的爆破開挖成形質(zhì)量。

抗力巖體置換洞室開挖于2005年7月15日開始進(jìn)行開挖施工，2006年12月底順利開挖完成，所有洞室未發(fā)生一起較大塌方事故；施工高效、快速、安全，創(chuàng)造了極差地質(zhì)條件特殊洞室施工的開創(chuàng)性記錄。

先進(jìn)的施工工藝、施工設(shè)備、人員合理配置，地下地質(zhì)缺陷處理工程施工形成了一套完整、成熟的施工方案，積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，可為今后類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供經(jīng)驗(yàn)及借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，《水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》DL/T5099-1999

[2] 李明華，尹浩，《干河泵站工程地下廠房開挖施工》，云南水力發(fā)電，2013（3）

[3] 水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)，第三篇施工交通運(yùn)輸，水利電力出版社

[4] 普國江，《高地應(yīng)力地區(qū)地下廠房貫穿開挖支護(hù)技術(shù)措施》，云南水力發(fā)電，2011（4）

[5] 中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 《壩基壩肩地質(zhì)缺陷開挖與支護(hù)施工技術(shù)要求（第A版）》XW.TJ11A-2005