白鶴灘水電站左岸地下廠房大跨度頂拱開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)分析

補(bǔ) 約 依 呷， 陳 鵬， 方 丹， 萬(wàn) 祥 兵

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概況

白鶴灘水電站是金沙江下游第二級(jí)梯級(jí)電站，攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，高289 m；左右岸引水發(fā)電系統(tǒng)基本對(duì)稱布置，廠內(nèi)各布置8臺(tái)1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量16 000 MW，多年平均發(fā)電量624.43億kWh，總裝機(jī)容量?jī)H次于三峽水電站。

地下廠房采用首部開(kāi)發(fā)方式，洞室群由主副廠房洞、主變洞、尾水管檢修閘門室、尾水調(diào)壓室四大洞室及其附屬洞室構(gòu)成，洞室群規(guī)模巨大。左岸地下廠房全長(zhǎng)453 m，巖梁以上開(kāi)挖跨度34m，以下31 m，最大開(kāi)挖高度88.7 m，與下游主變洞間距為60 m。

左岸地下廠區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜且地應(yīng)力水平較高，洞室群規(guī)模及地下廠房跨度巨大，地下廠房開(kāi)挖過(guò)程中頂拱圍巖變形破壞遠(yuǎn)超一般工程圍巖穩(wěn)定控制難度大，給工程建設(shè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

2 左岸地下廠房基本地質(zhì)條件

左岸地下廠房位于壩肩上游山體內(nèi)，水平埋深600～1 000 m，垂直埋深260～330 m，洞軸線N20°E。左岸地下廠區(qū)出露二疊系上統(tǒng)峨眉山組(P2β)玄武巖，地層為單斜構(gòu)造，總體產(chǎn)狀為N40°～45°E，SE∠15°～20°，走向與廠房軸線小角度相交，交角20°～25°。左岸地下廠房圍巖主要為P2β31層新鮮的斜斑玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、隱晶質(zhì)玄武巖，局部發(fā)育第三類柱狀節(jié)理玄武巖。

如圖1所示，左岸廠房?jī)?nèi)發(fā)育f717、f720、f721三條陡傾斷層，為巖塊巖屑型，寬度5～20 cm；長(zhǎng)大裂隙T720和T721，為陡傾硬性結(jié)構(gòu)面；層間錯(cuò)動(dòng)帶C2斜切廠房邊墻中下部，厚度10～30 cm，產(chǎn)狀為N42°～45°E，SE∠14°～17°，為泥夾巖屑型，遇水易軟化；層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3152斜切廠房頂拱，以巖塊巖屑型為主，帶寬2 cm，在廠房頂拱南側(cè)左廠0-071.6～0-038 m段揭露。

圖1 左岸地下廠房地質(zhì)縱剖面圖

左岸廠區(qū)地應(yīng)力以河谷構(gòu)造應(yīng)力為主，水平應(yīng)力大于豎向應(yīng)力，第一和第二主應(yīng)力基本為水平方向，第三主應(yīng)力大致為豎直方向。第一主應(yīng)力量值19～23 MPa，方向一般在N30°～50°W之間，傾向河谷5°～13°；第二主應(yīng)力量值13～16 MPa；第三主應(yīng)力量值8.2～12.2 MPa。左岸地下廠房巖石平均飽和抗壓強(qiáng)度Rb為74～112 MPa，強(qiáng)度應(yīng)力比(Rb/σ1)為3.22～5.89，局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力達(dá)33.39 MPa，屬高地應(yīng)力區(qū)。如圖2所示，第一主應(yīng)力方向與地下廠房洞室軸線方向大角度相交，夾角約50～70°。

3 廠房頂拱系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)白鶴灘水電站左岸地下廠房的規(guī)模和基本地質(zhì)條件，遵循“噴錨支護(hù)為主，鋼筋拱肋支護(hù)為輔”的設(shè)計(jì)原則在類比溪洛渡、烏東德、錦屏一級(jí)、錦屏二級(jí)、二灘、小灣等西部相似規(guī)模的地下廠房支護(hù)參數(shù)[1-2]并參照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，綜合對(duì)比分析擬定廠房頂拱噴錨支護(hù)類型及參數(shù)。然后采用數(shù)值仿真計(jì)算對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行復(fù)核調(diào)整，最終確定了頂拱的系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)方案，表1[3]頂拱預(yù)應(yīng)力錨索典型布置方案見(jiàn)圖3。

圖2 左岸地下廠房初始地應(yīng)力方向

如表1和圖3所示，白鶴灘水電站左岸地下廠房頂拱系統(tǒng)噴錨支護(hù)與其同類工程存在以下不同點(diǎn)：

(1)噴護(hù)混凝土分為初噴混凝土和復(fù)噴混凝土，初噴混凝土采用抗拉強(qiáng)度較高的鋼纖維混凝土CF30，并要求緊跟掌子面及時(shí)實(shí)施，以快速封閉掌子面圍巖；

表1 左岸地下廠房頂拱系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)

(2)為了盡快對(duì)圍巖施加一定的壓力，限制圍巖的破裂松弛，頂拱系統(tǒng)錨桿至少一半采用了預(yù)應(yīng)力錨桿；

(3)針對(duì)大跨度頂拱緩傾角巖層及發(fā)育的層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶等復(fù)雜地質(zhì)條件，頂拱系統(tǒng)設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，并在廠頂中導(dǎo)洞與廠頂錨固觀測(cè)洞之間設(shè)置4排對(duì)穿錨索，要求在上下游側(cè)頂拱擴(kuò)挖前實(shí)施；

(4)為增加混凝土噴層剛度，設(shè)置了鋼筋拱肋或雙向龍骨筋。

4 廠房頂拱開(kāi)挖支護(hù)施工方案

廠房頂拱開(kāi)挖支護(hù)前，根據(jù)洞室規(guī)模、地質(zhì)條件、支護(hù)類型及參數(shù)、典型巖石力學(xué)問(wèn)題等，經(jīng)研究選擇了合適的開(kāi)挖支護(hù)施工方案：

(1)為減小一次爆破規(guī)模和縮短支護(hù)周期，廠房頂拱層分為6個(gè)區(qū)塊進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)，具體方案圖4。

(2)如圖3和圖4所示，廠房頂拱層開(kāi)挖支護(hù)施工工藝流程關(guān)鍵步驟：一是提前完成廠頂中導(dǎo)洞和廠頂錨固觀測(cè)洞開(kāi)挖支護(hù)；二是廠頂中導(dǎo)洞上下游側(cè)頂拱擴(kuò)挖前完成中導(dǎo)洞頂拱對(duì)穿錨索施工和廠頂多點(diǎn)位移計(jì)預(yù)埋；三是上下游側(cè)頂拱擴(kuò)挖時(shí)前后錯(cuò)開(kāi)施工。

圖3 左岸廠房頂拱錨索和多點(diǎn)位移計(jì)典型布置剖面圖

(3)噴錨支護(hù)要求：初噴混凝土緊跟掌子面；錨桿支護(hù)和掛網(wǎng)復(fù)噴混凝土滯后掌子面不大于20 m；預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)滯后掌子面不超過(guò)50 m；預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)到位后才能進(jìn)行同一洞段另一側(cè)擴(kuò)挖支護(hù)工作。

5 廠房頂拱圍巖變形破壞特征及工程措施

5.1 頂拱圍巖高應(yīng)力破壞特征分析及工程措施

5.1.1 頂拱圍巖高應(yīng)力破壞特征分析

白鶴灘左岸地下廠區(qū)玄武巖脆性特征顯著且初始地應(yīng)力水平較高，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比(Rb/σ1)為3.22～5.89，具備應(yīng)力型破壞的發(fā)生條件。玄武巖室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)中當(dāng)軸向荷載加至40MPa左右時(shí)，巖石試件內(nèi)部微破裂導(dǎo)致的聲發(fā)射次數(shù)就明顯增多，說(shuō)明玄武巖巖塊的啟裂強(qiáng)度約為40 MPa[4]。

根據(jù)巖石力學(xué)基本理論可知，洞周應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)的部位與斷面上初始最大主應(yīng)力方位密切相關(guān)，總體上與初始最大主應(yīng)力和開(kāi)挖面切線方位一致[5]。左岸地下廠房頂拱層開(kāi)挖前，根據(jù)圍巖力學(xué)參數(shù)和頂拱開(kāi)挖支護(hù)方案，采用FLAC3D對(duì)廠房各層開(kāi)挖后的二次應(yīng)力分布特征進(jìn)行了分析，成果見(jiàn)圖5[6]。實(shí)際上，左岸地下廠房頂拱開(kāi)挖過(guò)程中，頂拱和上游側(cè)拱肩圍巖也普遍發(fā)生了片幫破壞：中導(dǎo)洞頂拱片幫比例達(dá)60%，上游側(cè)第一序頂拱片幫比例達(dá)47%，上游側(cè)第二序頂拱片幫比例達(dá)11%，片幫破壞深度達(dá)0～80 cm，小規(guī)模片幫為片狀，規(guī)模較大的為板狀，現(xiàn)場(chǎng)典型片幫破壞見(jiàn)圖6。

圖5 廠房開(kāi)挖過(guò)程圍巖應(yīng)力分布圖

圖6 廠房頂圍巖片幫破壞特征

廠房頂拱以下各層開(kāi)挖時(shí)，受洞室應(yīng)力調(diào)整影響，頂拱圍巖應(yīng)力集中范圍和強(qiáng)度不斷增加(圖5[6])，從而導(dǎo)致頂拱應(yīng)力集中部位圍巖不斷發(fā)生破裂松弛，混凝土噴層也不斷出現(xiàn)零星開(kāi)裂在第VII1層開(kāi)挖過(guò)程中，上游側(cè)頂拱混凝土噴層急劇發(fā)生不同程度的裂縫，裂縫分布情況見(jiàn)圖7。

圖7 左岸地下廠房頂拱混凝土噴層裂縫分布圖

5.1.2 工程措施

針對(duì)左岸地下廠房頂拱圍巖破裂、片幫、巖爆和混凝土噴層開(kāi)裂等應(yīng)力型破壞，同時(shí)考慮時(shí)間效應(yīng)影響，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采取了動(dòng)態(tài)支護(hù)措施：

①針對(duì)廠房中導(dǎo)洞頂拱和上游側(cè)頂拱廣泛出現(xiàn)的片幫破壞，將初噴納米鋼纖維混凝土CF30厚度調(diào)整為8 cm，以達(dá)到起強(qiáng)快、一次噴護(hù)厚度大、快速封閉掌子面的效果；②廠房頂拱圍巖破裂和片幫破壞劇烈部位，將系統(tǒng)錨桿全部調(diào)整為預(yù)應(yīng)力錨桿同時(shí)在系統(tǒng)錨桿中間再內(nèi)插9m預(yù)應(yīng)力錨桿，為圍巖盡早提供較強(qiáng)的圍壓；③廠房頂拱圍巖片幫破壞較嚴(yán)重而形成較大凹坑部位，在原系統(tǒng)錨索中間內(nèi)插增設(shè)有黏結(jié)型預(yù)應(yīng)力錨索T=2 000 kN、L=25 m，從而使圍巖承載圈向深部擴(kuò)展，減少洞周圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力；④廠房頂拱混凝土噴層開(kāi)裂部位，采用廠房吊頂施工臺(tái)車，清除開(kāi)裂噴層和圍巖，針對(duì)性布置加強(qiáng)支護(hù)預(yù)應(yīng)力錨桿(長(zhǎng)9 m，間排距1 m)，恢復(fù)破壞的掛網(wǎng)鋼筋并復(fù)噴混凝土；⑤廠房中導(dǎo)洞頂拱和上游側(cè)頂拱應(yīng)力集中而噴層開(kāi)裂掉塊區(qū)域提前設(shè)置主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，以保證廠房下部施工安全。

5.2 頂拱層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶的影響分析及工程措施

5.2.1 頂拱層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶的影響分析

如圖1所示，左岸地下廠房頂拱上方發(fā)育層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3152，揭露于左廠0-071.6～0-038.0 m段頂拱部位。當(dāng)層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育于廠房頂拱上方時(shí)，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶下盤巖體深層變形量將大幅增加，如圖8所示，廠房頂拱開(kāi)挖時(shí)左廠0-38～0+160段正頂拱變形量達(dá)到11.22～36.13 mm，變形深度也明顯大于無(wú)層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶影響的洞段。圍巖變形較大部位，錨索荷載也明顯比其部位大，并超過(guò)設(shè)計(jì)荷載2 000 kN。

圖8 左岸地下廠房頂拱層開(kāi)挖完成時(shí)頂拱圍巖變形情況

隨著廠房下部不斷開(kāi)挖，頂拱受層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3152影響洞段圍巖應(yīng)力集中程度和范圍均逐漸增大，從而導(dǎo)致頂拱圍巖變形、錨索荷載和噴層開(kāi)裂均不斷加劇。2017年廠房第VⅠ2～ VⅡ1層開(kāi)挖時(shí)，頂拱對(duì)穿錨索和上游拱肩錨索個(gè)別發(fā)生了局部失效情況，上游拱肩距離廠房邊墻30 m處第5層排水廊道LPL5-1洞周圍巖和噴層也普遍發(fā)生了開(kāi)裂、掉塊等破壞。

5.2.2 工程措施

左岸地下廠房左廠0-040～左廠0+160頂拱受層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3152影響洞段，針對(duì)圍巖變形破壞情況，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采取了動(dòng)態(tài)支護(hù)措施：①?gòu)S房頂拱圍巖變形較大且錨索荷載超過(guò)設(shè)計(jì)荷載部位，在原系統(tǒng)對(duì)穿錨索中間內(nèi)插增設(shè)對(duì)穿錨索(T=2 000 kN)。②廠房頂拱對(duì)穿錨索個(gè)別失效部位，增設(shè)對(duì)穿錨索(T=2 000 kN)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。③針對(duì)廠房上游側(cè)頂拱錨索個(gè)別失效和噴層開(kāi)裂情況，以及排水廊道LPL5-1圍巖破壞情況，左廠0-040～左廠0+160段上游拱肩在原系統(tǒng)錨索中間內(nèi)插增設(shè)3排錨索(T=2 500 kN)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

6 結(jié) 語(yǔ)

白鶴灘水電站左岸地下廠房自2012年12月開(kāi)始施工，2018年7月開(kāi)挖支護(hù)全部完成。目前，圍巖變形已收斂，錨索荷載和錨桿應(yīng)力也處于穩(wěn)定狀態(tài)，地下廠房圍巖穩(wěn)定安全。左岸地下廠房頂拱系統(tǒng)噴錨支護(hù)方案是在大量同類工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)比分析得出，可有效地保證廠房頂拱圍巖的穩(wěn)定安全白鶴灘水電站左岸地下廠房地質(zhì)條件復(fù)雜且地應(yīng)力水平較高，導(dǎo)致頂拱圍巖破裂、片幫、噴層開(kāi)裂等應(yīng)力型破壞較普遍，頂拱受層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶影響洞段圍巖變形和錨索荷載均較大現(xiàn)場(chǎng)采用加厚初噴納米鋼纖維混凝土、加密錨桿、增加預(yù)應(yīng)力錨索等綜合措施進(jìn)行動(dòng)態(tài)支護(hù)，有力地保證了頂拱圍巖永久穩(wěn)定安全。

高地應(yīng)力區(qū)大型地下洞室頂拱混凝土噴層不可避免地會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、剝落情況，嚴(yán)重威脅下部施工安全，頂拱圍巖應(yīng)力集中區(qū)域提前掛設(shè)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)以保證下部施工安全，是一種經(jīng)濟(jì)有效的可行方案。

白鶴灘水電站左岸地下廠房頂拱層共分為6塊進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)，雖然減小了一次爆破規(guī)模，縮短了支護(hù)周期，但增加了施工程序同時(shí)也加劇了各序交界處圍巖應(yīng)力集中程度及圍巖破裂破壞。