鎖定梁在變質(zhì)粉砂巖夾碳質(zhì)板巖洞段開挖中的應(yīng)用

涂小兵，劉明生，胡建勛，羊樟發(fā)

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.中國電建集團(tuán)水利水電第七工程局有限公司，四川成都，610081）

鎖定梁在變質(zhì)粉砂巖夾碳質(zhì)板巖洞段開挖中的應(yīng)用

涂小兵1，劉明生2，胡建勛1，羊樟發(fā)1

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.中國電建集團(tuán)水利水電第七工程局有限公司，四川成都，610081）

楊房溝水電站導(dǎo)流洞的部分洞段位于碳化嚴(yán)重的變質(zhì)粉砂巖夾碳質(zhì)板巖洞段中，圍巖穩(wěn)定性差或不穩(wěn)定。通過科學(xué)合理安排洞挖程序、支護(hù)型式和支護(hù)順序，并在特定的施工時(shí)機(jī)和施工部位設(shè)置鎖定梁和鎖腰錨筋束，有效地控制了圍巖變形，保證了施工安全，這種技術(shù)值得同類工程借鑒。

變質(zhì)粉砂巖夾碳質(zhì)板巖；隧洞；變形；鎖定梁；鎖腰錨筋束

1 工程概況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，壩址位于雅礱江流域支流楊房溝的匯合口上游約450 m處?？刂屏饔蛎娣e8.088萬km2，多年平均流量900 m3/s，裝機(jī)容量1 500 MW。電站由雙曲拱壩、左岸引水及地下廠房等組成。

攔河壩采用一次攔斷河床、隧洞導(dǎo)流的方式。兩條導(dǎo)流洞均布置在右岸，導(dǎo)流洞進(jìn)口位于年公溝溝口下游臺(tái)地上，地形平緩，出口位于左岸，地形陡峭。兩條導(dǎo)流洞進(jìn)口高程均為1 985.00 m，出口高程均為1981.00m，采用城門洞型，斷面為13m×16m。1號(hào)導(dǎo)流洞靠江側(cè)，長716.23 m；2號(hào)導(dǎo)流洞靠山側(cè)，長833.56 m。

2 工程地質(zhì)

導(dǎo)流洞沿線山體陡峻，上覆巖體厚325～375 m，洞線走向由S1.41°E轉(zhuǎn)向S48.55°E。根據(jù)開挖揭露的情況，變質(zhì)粉砂巖洞段局部碳化嚴(yán)重，為Ⅳ類圍巖，碳質(zhì)板巖穩(wěn)定性差，強(qiáng)～弱風(fēng)化，層理發(fā)育，巖層厚度20～40 cm，局部厚度小于20 cm，產(chǎn)狀為N20°E，SE∠50°～70°，巖層走向與洞軸線夾角約15°～20°，巖層走向主要被“兩陡一平行”巖層層面切割成小塊體，巖體破碎，呈碎裂～塊裂結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性差或不穩(wěn)定，洞室受層理和節(jié)理不利組合影響，開挖后易松弛破壞，邊墻及洞頂易出現(xiàn)垮塌。

Ⅳ類圍巖的單軸飽和抗壓強(qiáng)度為20～50 MPa，變形模量為1～3 GPa，單位彈性抗力系數(shù)為15～25 MPa/cm。采用單孔聲波檢測技術(shù)檢測，圍巖松弛深度在1.6～3.2 m之間，平均波速為3 581 m/s，波速≥3 800 m/s的測點(diǎn)占56.7%，波速≥4 500 m/s的測點(diǎn)占11.4%，其中碳質(zhì)板巖圍巖巖體松弛深度在2.0 m以內(nèi)，平均波速為1 591 m/s，波速≥3 800 m/s的測點(diǎn)為33.4%，無波速≥4 500 m/s的測點(diǎn)。據(jù)二維地應(yīng)力測試成果，最大水平地應(yīng)力值為4.32～ 11.24 MPa，最小水平地應(yīng)力值為3.21～8.70 MPa，平均值7.19 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹78°W。

3 邊墻松弛坍塌破壞形成機(jī)制分析

根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)條件，變質(zhì)粉砂巖為薄層結(jié)構(gòu)，其中發(fā)育層間剪切帶，局部夾碳質(zhì)板巖，層理走向與洞室軸線小角度相交，高邊墻部位易產(chǎn)生內(nèi)鼓彎折變形，進(jìn)而導(dǎo)致上部巖體失穩(wěn)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，開挖后的邊墻塑性區(qū)范圍較大，且受碳質(zhì)板巖夾層切割影響，邊墻局部范圍易形成松弛型坍塌破壞。假設(shè)第II層開挖后未在邊墻部位加強(qiáng)支護(hù)措施，在第II層開挖完成后，邊墻變形增量最大的位置將位于第II層底腳附近。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，頂拱層開挖期間，圍巖變形量級(jí)在-1.31～23.16 mm，邊墻的圍巖變形量級(jí)在-1.09～42.25 mm；在進(jìn)行第II、III層開挖期間，邊墻的圍巖變形量級(jí)在-0.28～ 78.34 mm（位于2號(hào)導(dǎo)流洞0+350 m樁號(hào)），雖然部分過大變形與當(dāng)時(shí)開挖爆破參數(shù)有關(guān)，不能準(zhǔn)確反映圍巖與開挖之間的關(guān)系，但變形增減的趨勢是基本吻合的。因此在第III層開挖前，需加強(qiáng)支護(hù)措施以約束邊墻變形，防止第III層開挖后變形過大而影響邊墻穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場采取的主要開挖程序

導(dǎo)流洞的典型開挖尺寸為15.70 m×18.55 m，由于變質(zhì)粉砂巖洞段為Ⅳ類圍巖，參考同類工程，導(dǎo)流洞分三層進(jìn)行開挖[1]。根據(jù)導(dǎo)流洞地應(yīng)力特征和圍巖開挖基本響應(yīng)特征分析，距掌子面1.0～1.5倍洞徑范圍內(nèi)的變形釋放可以達(dá)到86%，在I、II層全部開挖完成后，系統(tǒng)噴錨支護(hù)最多滯后1.0～1.5倍洞徑范圍，在圍巖基本穩(wěn)定后再開挖第III層。

第Ⅰ層為頂拱層，根據(jù)三臂鉆機(jī)、混凝土噴射臺(tái)車的機(jī)械性能，開挖高度不應(yīng)低于7.60 m，結(jié)合第Ⅱ、Ⅲ層的分層高度，確定第Ⅰ層開挖高度為7.60～8.00 m?？紤]到支護(hù)方便，在對比分析“中導(dǎo)洞領(lǐng)先掘進(jìn)、兩側(cè)擴(kuò)挖跟進(jìn)”以及“半邊領(lǐng)先、另側(cè)跟進(jìn)”等開挖方案后[2]，最終決定采用“全斷面、短進(jìn)尺”的開挖施工方案，一次性完成初期支護(hù)，避免擴(kuò)挖階段的安全隱患，每一循環(huán)不超過2.0 m。第Ⅱ?qū)訛樘荻伪崎_挖層，梯段高度為6.0 m，邊墻提前預(yù)裂爆破，預(yù)裂深度8.45 m，梯段爆破長度3～5 m（巖性接觸帶、轉(zhuǎn)彎段、進(jìn)口漸變段等部位采用3 m），中間采用潛孔鉆鉆豎直爆破孔，分為左、右半洞開挖施工，第二段預(yù)裂在第一段開挖基本完成后進(jìn)行，嚴(yán)格控制預(yù)裂縫未支護(hù)時(shí)間。第Ⅲ層為底板保護(hù)層，厚4.95 m（底板抬高50 cm左右鉆水平光爆孔，減少底板超挖），采用人工配YT8氣腿鉆造孔，底板及邊墻周邊光面爆破，為防止邊墻及拱腳變形超過警戒值，分為左、右半洞開挖支護(hù)施工。開挖時(shí)需緊密結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，易變形洞段的梯段爆破長度控制在3.0 m，其余部位為5.0 m。第Ⅲ層開挖盡量穿插并緊跟第Ⅱ?qū)娱_挖進(jìn)行，為及時(shí)進(jìn)行全斷面系統(tǒng)噴錨支護(hù)預(yù)留充足時(shí)間。

5 結(jié)合圍巖變形監(jiān)測采取的加強(qiáng)支護(hù)措施

在采取常規(guī)的支護(hù)措施以后，根據(jù)監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)，導(dǎo)流洞開挖期間的頂拱圍巖變形值仍達(dá)到-1.31～23.16 mm，邊墻的圍巖變形值達(dá)到-1.09～ 42.25 mm，尤其在臨近部位爆破期間，局部斷面還呈現(xiàn)短暫的增大趨勢（部分變形過大數(shù)據(jù)與爆破振動(dòng)有關(guān)）。為了防止圍巖持續(xù)變形、確保圍巖穩(wěn)定，在第I、II、III層開挖期間均采取了加強(qiáng)支護(hù)的針對性措施，并制定了日變形量不超過2 mm的警戒值。

5.1 第I層開挖期間的加強(qiáng)支護(hù)措施

結(jié)合導(dǎo)流洞洞身段實(shí)際揭露地質(zhì)條件和左拱肩應(yīng)力變形數(shù)值模型分析結(jié)論，綜合分析變質(zhì)粉砂巖洞段碳質(zhì)板巖條帶、層理走向等不利影響，為避免第II、III層開挖期間出現(xiàn)左拱肩變形引起上層頂拱及鋼拱架出現(xiàn)失穩(wěn)情況，現(xiàn)場對左拱肩進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)變質(zhì)粉砂巖的性狀情況，并經(jīng)過現(xiàn)場多次的討論和優(yōu)化，最終為總長400 m的洞段設(shè)置了鎖定梁及相應(yīng)的錨筋束。具體措施是在變質(zhì)粉砂巖洞段第I層開挖后、第II層開挖之前，對第I層鋼拱架下部進(jìn)行加固并設(shè)置鎖定梁：在第I層鋼拱架的左拱肩以下矮邊墻位置鋼拱架之間的超挖凹陷處澆筑一條鋼筋混凝土梁連接相鄰鋼拱架，并在每兩榀鋼拱架部位采用錨筋束固定該鎖定梁，見圖1。其作用是第II層開挖期間，在第II層鋼拱架下接之前確保上部鋼拱架整體安全穩(wěn)固。在實(shí)際施工中，為了不影響后續(xù)施工，確定鎖定梁的厚度為25 cm，高度為70 cm，并靠錨筋束端頭受力作為鋼拱架及鎖定梁的錨固力。

圖1 現(xiàn)場澆筑鎖定梁Fig.1 Casting of lock beam

鎖定梁的作用是將單榀的鋼拱架連接為整體，大大改善了鋼拱架的受力條件；錨筋束的作用是將鎖定梁、鋼拱架和圍巖緊密地結(jié)合為一體，增強(qiáng)了左拱肩部位的支護(hù)強(qiáng)度。從現(xiàn)場反饋情況看，在設(shè)置了鎖定梁的洞段，第II、III層開挖期間左拱肩沒有明顯變形，而未設(shè)置鎖定梁的同類圍巖附近洞段，左拱肩鋼拱架有明顯的扭曲變形，局部噴射混凝土有開裂現(xiàn)象，說明鎖定梁對控制左拱肩變形有較好作用。

5.2 第Ⅱ?qū)娱_挖期間的加強(qiáng)支護(hù)措施

根據(jù)第Ⅱ?qū)娱_挖后的圍巖整體變形和塑性區(qū)數(shù)值模型的研究結(jié)論，變質(zhì)粉砂巖洞段兩側(cè)邊墻易產(chǎn)生松弛坍塌破壞，需在第III層開挖前，在第II層腳部增加一定的支護(hù)措施，對邊墻變形起到一定的約束作用?，F(xiàn)場施工過程中，第III層開挖前在距離第Ⅱ?qū)娱_挖底板以上0.5 m的兩側(cè)邊墻設(shè)置一排鎖腰錨筋束，328@2.0 m，L=9.0 m，水平下傾15°，洞段總長為735.19 m。

通過對邊墻變形和塑性區(qū)范圍的對比分析，設(shè)置鎖腰錨筋束后的邊墻變形與塑性區(qū)范圍均有所減小。結(jié)合現(xiàn)場變形監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)，在邊墻設(shè)置鎖腰錨筋束后，第III層開挖前后的兩側(cè)邊墻日變形幅度大幅減小，各觀測斷面的變形值普遍小于0.3～ 0.5 mm，可以認(rèn)為是穩(wěn)定狀態(tài)，說明在邊墻設(shè)置鎖腰錨筋束可有效減小邊墻圍巖松弛變形，約束效果較好。

5.3 第III層開挖期的控制措施

第III層屬于底板預(yù)留保護(hù)層開挖，厚度為4.95 m，底板抬高50 cm鉆水平光爆孔。由于第I層開挖時(shí)設(shè)置了鎖定梁，第Ⅱ?qū)娱_挖時(shí)設(shè)置了鎖腰錨筋束，根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)流洞的圍巖變形已經(jīng)趨于收斂，在沒有較大爆破振動(dòng)干擾的條件下，圍巖是基本穩(wěn)定的。為了繼續(xù)維持這種穩(wěn)定狀態(tài)，第III層開挖時(shí)的關(guān)鍵措施是減少單次開挖進(jìn)尺的影響范圍，并控制好爆破參數(shù)。

第Ⅲ層邊墻預(yù)裂施工同第Ⅱ?qū)右黄鹜瓿桑ㄒ淮毋@孔到距底板2.5 m左右），開挖時(shí)的最小排炮進(jìn)尺控制在3 m以內(nèi)（主要為巖性接觸帶、轉(zhuǎn)彎段、進(jìn)口漸變段等部位），其它普通巖層洞段進(jìn)尺一般為5 m。開挖時(shí)的主爆孔間排距100 cm，底部光爆破孔間距50 cm，光爆層厚70 cm。光爆孔采用?25 mm藥卷，間隔不耦合裝藥，采用竹片綁定藥卷的方式，控制周邊光爆孔的線裝藥最小密度150 g/m；其它爆破孔采用?32 mm藥卷，連續(xù)裝藥，炸藥單耗量為0.41 kg/m3。

第Ⅲ層開挖的實(shí)際效果良好，除1號(hào)導(dǎo)0+240、2號(hào)導(dǎo)0+350等極少數(shù)部位邊墻和左拱肩在爆破時(shí)有較大的變形以外（爆破后2 d內(nèi)變形收斂），絕大部分洞段均沒有再發(fā)生變形。

6 結(jié)語

由于變質(zhì)粉砂巖局部洞段碳化嚴(yán)重，圍巖穩(wěn)定性差或不穩(wěn)定，導(dǎo)流洞開挖后易松弛破壞，邊墻及洞頂易垮塌。通過科學(xué)合理安排開挖程序、增強(qiáng)局部支護(hù)可以達(dá)到質(zhì)量和安全目標(biāo)。

（1）第I、II層全部開挖完成后，在圍巖基本穩(wěn)定后再開挖第III層。第Ⅰ層采用全斷面、短進(jìn)尺開挖，避免擴(kuò)挖后的二次支護(hù)和支護(hù)不及時(shí)問題。第III層需采用短進(jìn)尺，避免已穩(wěn)定的圍巖繼續(xù)變形。

（2）第I層支護(hù)十分關(guān)鍵，鋼拱架等頂拱強(qiáng)支護(hù)措施必須緊跟開挖掌子面“一炮一支護(hù)”完成。全斷面的系統(tǒng)噴錨支護(hù)最多滯后1.0～1.5倍洞徑范圍。

（3）在第II層開挖前，在左拱肩部位設(shè)置鎖定梁，改善單榀鋼拱架的受力條件，可以有效控制拱肩變形、混凝土噴層開裂及片幫等問題。

（4）第III層開挖前，在第II層腳部邊墻設(shè)置鎖腰錨筋束可有效減少邊墻圍巖松弛變形，也有利于第III層開挖時(shí)保持圍巖穩(wěn)定。

[1]杜鑫,劉小兵,劉曉輝,等.溪洛渡水電站導(dǎo)流洞開挖施工技術(shù)研究[J].四川水利,2009,30(4):10-13.

[2]馬志峰.不良地質(zhì)條件大斷面導(dǎo)流洞開挖支護(hù)的施工技術(shù)[J].西北水電,2008(5):38-40.

Application of lock beam in excavation of tunnel of metamorphic siltstone with carbonaceous slate

TU Xiao-bing,LIU Ming-sheng,HU Jian-xun and YANG Zhang-fa

PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited

Partial section of diversion tunnel of Yangfanggou hydropower station is located in intensely carbonated tunnel of metamorphic siltstone with carbonaceous slate,and surrounding rock has the char?acteristic of poor stability or even instability.By scientific and reasonable arrangements of excavation procedure,supporting type and supporting sequence,and the installation of lock beam and waist-lock anchor bar bundle at the specified time and special region,the deformation of surrounding rock is effec?tively controlled and the construction safety is guaranteed,worthy reference.

metamorphic siltstone with carbonaceous slate;tunnel;deformation;lock beam;waist-lock anchor bar bundle

TV554

：B

：1671-1092（2017）04-0063-04

2016-07-29；

2016-11-01

涂小兵（1979-），男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槭┕そM織設(shè)計(jì)。

作者郵箱：tu_xb@ecidi.com