柔性支護(hù)在柳洪水電站地下廠房的應(yīng)用及效果

羅賢奎

摘 要：地下廠房頂拱是永久結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的做法是采用鋼筋混凝土襯砌，不允許頂拱圍巖在襯砌后變形，屬于剛性支護(hù)范疇；而錨噴支護(hù)技術(shù)是將圍巖當(dāng)作承載的主體，允許圍巖變形，屬于柔性支護(hù)范疇。將柔性支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于柳洪水電站地下廠房頂拱永久性支護(hù)，是地下廠房支護(hù)技術(shù)的又一次有益嘗試，其應(yīng)用效果備受各方面關(guān)注。工程于2004年6月1日～2004年9月17日施工完成，經(jīng)過二年多的觀測(cè)結(jié)果顯示，柳洪地下廠房頂拱圍巖變形逐漸減少，趨于穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期效果，滿足安全運(yùn)行要求，其成功經(jīng)驗(yàn)可資同類型工程借鑒。

關(guān)鍵詞：柳洪水電站 地下廠房 柔性支護(hù) 施工技術(shù)

1.工程簡(jiǎn)介

柳洪水電站位于四川省涼山州美姑縣柳洪區(qū)境內(nèi)，金沙江支流美姑河下游爾其至柳洪溝口河段，為引水式電站，電站共裝機(jī)3臺(tái)，單機(jī)容量60MW，總裝機(jī)容量180MW。樞紐工程由攔河閘壩、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道、地下廠房和尾水渠等水工建筑物組成。

地下式電站廠房系統(tǒng)由主廠房、安裝間、副廠房、母線洞、尾水洞和尾水渠、交通洞、排風(fēng)出線洞、GIS樓等組成，主、副廠房及安裝間呈直線布置，頂拱開挖斷面長(zhǎng)81.52m，最大跨度（寬）18.1m。

地下廠房頂拱采用柔性支護(hù)，于2004年6月1日～2004年9月17日施工完成。布置有各種原型觀測(cè)儀器共27套，經(jīng)過二年多的觀測(cè)結(jié)果顯示，廠房頂拱圍巖穩(wěn)定，滿足安全運(yùn)行要求。

工程建設(shè)單位為四川美姑河水電開發(fā)有限公司，設(shè)計(jì)單位為成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，由中國(guó)葛洲壩水利水電工程集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“葛洲壩集團(tuán)”）承擔(dān)施工任務(wù)。

1.1柔性（錨噴）支護(hù)原理

地下廠房頂拱是永久結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的做法是采用鋼筋混凝土襯砌，不允許頂拱圍巖在襯砌后變形，屬于剛性支護(hù)范疇；而柔性支護(hù)技術(shù)是將圍巖當(dāng)作承載的主體，按“支護(hù)—圍巖”共同工作的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分利用圍巖的承載能力，允許圍巖應(yīng)力釋放過程中有一定的變形，最后達(dá)到穩(wěn)定。用錨噴結(jié)構(gòu)取代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，不僅滿足了圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定的目標(biāo)，而且還節(jié)約工程造價(jià)，提高施工速度。柔性（錨噴）支護(hù)技術(shù)在我國(guó)水電工程中的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代初，主要用于洞室開挖施工中的臨時(shí)支護(hù)。該技術(shù)成功應(yīng)用于柳洪水電站地下廠房頂拱永久性支護(hù)，是地下廠房支護(hù)技術(shù)的又一次有益嘗試，備受各方面關(guān)注。

1.2地質(zhì)條件

地下廠房頂拱以砂質(zhì)頁巖、頁巖為主，夾紫紅色粘土巖夾層，巖層產(chǎn)狀平緩，層面裂隙較發(fā)育，圍巖類別以Ⅲ類為主，部分Ⅳ類。在奧陶系下統(tǒng)下部砂質(zhì)頁巖中存在f701斷層，延伸長(zhǎng)大于50m，主錯(cuò)帶寬10～20cm，主要由碎屑和泥組成，性狀較差。影響帶寬1～2m，巖體破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)。

2.廠房頂拱柔性（錨噴）支護(hù)設(shè)計(jì)布置

2.1系統(tǒng)錨桿布置

（廠橫）0+000.00～0+037.00段系統(tǒng)錨桿Φ25/L=6m&Φ28/L=8m、@1.5×2.0m梅花型間隔布置，采用M 20砂漿錨固；（廠橫）0+038.13～0+072.50段系統(tǒng)錨桿Φ25/ L=6m&Φ28/L=8m、@1.5×1.5m梅花型間隔布置，M20砂漿錨固。

2.2鋼筋網(wǎng)布置

頂拱范圍內(nèi)設(shè)計(jì)布置掛鋼筋網(wǎng)φ10@15×15cm。

2.3鋼筋拱架及局部加強(qiáng)支護(hù)

廠房頂拱有一斷層通過（寬度為10cm～30cm），設(shè)計(jì)布置增加了貫穿斷層的跨縫錨桿（Φ28/L=9m）60根，增加二層鋼筋網(wǎng)φ10@20×20cm，6Φ28鋼筋異型肋拱20榀，Φ25/L=3m肋拱支座錨桿240根。

2.4噴鋼纖維混凝土

C25鋼纖維混凝土厚20cm，局部適當(dāng)增加。

地下廠房頂拱支護(hù)布置詳見圖1。

2.5巖石固結(jié)灌漿

固結(jié)灌漿目的是為增加頂拱巖石的整體性，提高巖石彈性模量，改善廠房巖石頂拱的受力條件，在錨噴支護(hù)完成后，對(duì)頂拱巖石進(jìn)行了固結(jié)灌漿。

固結(jié)灌漿范圍為1號(hào)卸荷裂隙區(qū)、頂拱中心潛在卸荷裂隙區(qū)及頂拱部位隨機(jī)出現(xiàn)的較大裂隙區(qū)域。

固結(jié)灌漿技術(shù)參數(shù)：

a .灌漿孔伸入圍巖6 m，孔徑50mm，間排距3m，梅花型布置；

b.灌漿用水泥為P.O.32.5水泥；

c.灌漿壓力：固結(jié)灌漿分兩段進(jìn)行施工。第一段孔深3m、灌漿壓力0.3MPa，第二段孔深6m、灌漿壓力0.6MPa；灌漿方法采用逐步加密法；固結(jié)灌漿在錨噴支護(hù)完工后14天以后進(jìn)行。

2.6監(jiān)測(cè)儀器布置

廠房頂拱按設(shè)計(jì)布置有三個(gè)安全監(jiān)測(cè)觀測(cè)斷面，其樁號(hào)為（廠橫）0+014.00、0+034.00、0+054.50。每個(gè)斷面分三個(gè)布置點(diǎn)，共布置多點(diǎn)位移計(jì)9套、錨桿應(yīng)力計(jì)9套。地下廠房頂拱監(jiān)測(cè)儀器布置詳見圖2。

3.施工過程

電站廠房頂拱開挖（第一層）于2004年4月5日完成，廠房頂拱支護(hù)于2004年9月17日完成，2004年10月4日廠房頂拱固結(jié)灌漿結(jié)束，支付工作歷時(shí)6個(gè)月時(shí)間。

3.1錨桿支護(hù)

主要工序?yàn)殂@孔—沖洗—錨桿安裝—灌漿。采用H178型三臂臺(tái)車配φ64鉆頭開孔（孔深4m），人工手風(fēng)鉆加深；用高壓風(fēng)（水）沖洗錨桿孔，確保錨桿孔干凈無積水；人工安裝錨桿及注漿管（直徑φ20，孔內(nèi)出漿口比錨桿頂部低0.1m），采用注漿泵注漿，漿液灌滿后出漿孔出漿，立即封閉灌漿管和出漿管待凝。

3.2掛網(wǎng)支護(hù)

頂拱掛網(wǎng)鋼筋采用φ10@15×15cm。在鋼筋加工廠將φ10盤圓拉伸后，按施工需要切割下料，5t載重汽車運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，人工在腳手架操作平臺(tái)上進(jìn)行安裝、綁扎、焊接固定等作業(yè)。

3.3噴鋼纖維混凝土支護(hù)

采用PZ-5型干噴機(jī)和KSP-Ⅱ型濕噴機(jī)施工，噴混凝土料由洞外小型拌和站拌制，5T自卸車運(yùn)輸至施工部位進(jìn)行施工。廠房頂拱層噴混凝土量 403m3。

3.4頂拱固結(jié)灌漿

灌漿前先做灌漿試驗(yàn)以確定灌漿濃度，灌漿方法采用逐步加密法；灌漿壓力和灌漿孔間距根據(jù)灌漿情況進(jìn)行調(diào)整；固結(jié)灌漿在錨噴支護(hù)完工后14天以后進(jìn)行。

施工中采用集中制漿方式制漿，站內(nèi)配置1臺(tái)NJ-600型高速攪拌機(jī)制漿，1臺(tái)1m3的低速攪拌桶儲(chǔ)漿，1臺(tái)BW250泥漿泵（或SGB-1中壓泵）輸漿。輸漿管采用φ50鋼管沿廠房縱向中心線全程鋪設(shè)，每隔20m設(shè)一個(gè)分漿閥，制漿站制供漿能力200L/min。在錨噴段實(shí)施固結(jié)灌漿不同于在襯砌段進(jìn)行固結(jié)灌漿，我部嚴(yán)格控制灌漿壓力，避免發(fā)生抬動(dòng)。

廠房頂拱固結(jié)灌漿結(jié)完畢后采用檢查孔壓水試驗(yàn)方式進(jìn)行質(zhì)量檢查。檢查孔的數(shù)量大于灌漿孔總數(shù)的5%。檢查孔鉆孔壓水試驗(yàn)在該區(qū)灌漿結(jié)束3～7天后進(jìn)行，檢查孔壓水試驗(yàn)采用單點(diǎn)法，壓水檢查結(jié)束后，按灌漿孔要求進(jìn)行灌漿和封孔。

固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查主要采用檢查孔壓水試驗(yàn)方式進(jìn)行，檢查孔的數(shù)量不小于灌漿孔總數(shù)的5%。經(jīng)鉆孔壓水試驗(yàn)檢查全部合格。

3.5原型觀測(cè)

原型觀測(cè)儀器埋設(shè)施工與支護(hù)施工同步布置完成。φ110mm儀器孔采用支架式替孔鉆造孔，深度為20m。儀器在洞外組裝完成，人工運(yùn)輸?shù)绞┕づ偶苌习惭b。施工期原型觀測(cè)頻度按設(shè)計(jì)要求，24小時(shí)內(nèi)1次/8小時(shí)；以后每天一次，觀測(cè)一周；一周后，每周一次，觀測(cè)半年；半年后每月一次至本工程移交。特殊情況下隨時(shí)調(diào)整觀測(cè)頻次。每月由項(xiàng)目部出一期原型觀測(cè)月報(bào)，并報(bào)監(jiān)理工程師備案。

4.原型觀測(cè)成果

根據(jù)廠房安全監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)成果2006年11月資料，廠房頂拱錨桿應(yīng)力計(jì)及位移計(jì)測(cè)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表1，過程線詳見圖3、4、5、6。

廠房頂拱錨桿應(yīng)力計(jì)最大應(yīng)力在主廠房上游拱肩0+053.63、標(biāo)高EL.932.98m的R-31儀器，測(cè)值為186.50 MPa，2006年11月10日17時(shí)出現(xiàn)；最小應(yīng)力在主廠房下游拱肩0+053.61、標(biāo)高EL.933.54的R-33儀器，測(cè)值為8.93 MPa，2006年9月20日8時(shí)出現(xiàn)。錨桿應(yīng)力反映了錨桿所受到的拉力，變化的特點(diǎn)是隨時(shí)間推移而逐漸減少，最后趨于穩(wěn)定。

廠房多點(diǎn)位移計(jì)埋設(shè)在頂拱0+054.50、標(biāo)高EL.934.35的M4-21儀器，最大變形5.75mm，2006年4月30日8時(shí)出現(xiàn)；埋設(shè)在上游拱肩0+014.50、標(biāo)高EL.930.55的M4-21儀器，最小變形0.72mm，2005年12月28日8時(shí)出現(xiàn)。位移變化的特點(diǎn)是隨時(shí)間推移而逐漸減少，最后趨于穩(wěn)定。

5.地下廠房錨噴支護(hù)效果

廠房頂拱錨噴支護(hù)支護(hù)施工質(zhì)量主要控制指標(biāo)有錨桿施工質(zhì)量、噴混凝土施工質(zhì)量及接觸灌漿施工質(zhì)量等。施工質(zhì)量控制重點(diǎn)主要落實(shí)到原材料、半成品、施工過程及結(jié)果等幾個(gè)方面。嚴(yán)格按照規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)原材料及半成品進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)控制，并在施工質(zhì)量月報(bào)中反映出各種結(jié)果。施工過程中安排專人跟班作業(yè)，指導(dǎo)施工。對(duì)施工完成的錨桿進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)及無損檢測(cè)試驗(yàn)；噴混凝土前做好厚度控制標(biāo)志并進(jìn)行驗(yàn)收，完成后進(jìn)行了厚度檢測(cè)。通過以上措施，廠房頂拱施工質(zhì)量得到有效保障。

廠房頂拱錨桿支護(hù)為關(guān)鍵工序，施工、質(zhì)檢人員對(duì)其進(jìn)行了全過程跟蹤監(jiān)控。成勘院物探中心對(duì)頂拱錨桿進(jìn)行了無損監(jiān)測(cè)。2004年7月21日～8月9日廠房頂拱錨桿進(jìn)行了第一次無損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為取樣124根，其中注漿正常的為78根，注漿不正常的為46根，約占廠房頂拱錨桿總數(shù)的15%。為確保廠房頂拱錨桿質(zhì)量，對(duì)（廠橫）0+000～（廠橫）0+020段進(jìn)行了第二次無損檢測(cè)，取樣93根，其中優(yōu)良或合格的共77根，占所測(cè)錨桿總數(shù)的82.8%。針對(duì)以上不合格錨桿，重新進(jìn)行施工，并全部進(jìn)行無損檢測(cè)，最終檢測(cè)結(jié)果全部合格，保證了廠房頂拱的支護(hù)質(zhì)量。

噴混凝土施工前，巖面均進(jìn)行了認(rèn)真清理，并通過了業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工四方的聯(lián)合驗(yàn)收。噴混凝土嚴(yán)格按配合比要求拌制，噴層厚度采用預(yù)埋厚度標(biāo)志進(jìn)行控制。噴混凝土強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)共取樣試驗(yàn)51組，強(qiáng)度合格率100%。

6.結(jié)論

柳洪水電站地下廠房頂拱柔性支護(hù)設(shè)計(jì)合理、施工過程全面受控，全部合格，滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過二年多的觀測(cè)結(jié)果顯示，柳洪水電站地下廠房頂拱圍巖變形趨于穩(wěn)定，滿足安全運(yùn)行要求。

將柔性（錨噴）支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于柳洪水電站地下廠房頂拱永久性支護(hù)，是地下廠房支護(hù)技術(shù)的又一次有益嘗試，其應(yīng)用效果備受各方面關(guān)注。工程于2004年6月1日～2004年9月17日施工完成，經(jīng)過二年多的觀測(cè)結(jié)果顯示，柳洪地下廠房頂拱圍巖變形逐漸減少，趨于穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期效果，滿足安全運(yùn)行要求。實(shí)踐證明柔性支護(hù)在柳洪工程中應(yīng)用設(shè)計(jì)合理、施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，為同類型工程提供了可資借鑒經(jīng)驗(yàn)。