烏東德水電站右岸地下廠房不良地質(zhì)段巖錨梁開挖技術(shù)

王長城

(中國水利水電第六工程局有限公司，沈陽，110013)

1 工程概況

烏東德水電站右岸地下廠房位于峽谷岸坡內(nèi)，巖體主要為已灰色中厚～厚層白云巖及灰?guī)r，距岸邊距離約120m，洞室埋深210m～390m。主廠房洞軸線方向?yàn)?5°，與巖層走向夾角約20°～30°，廠房的開挖尺寸為333.00m×30.50m(32.50m)×89.80m，巖錨梁位于主廠房第Ⅲ層，通長布置。巖錨梁巖臺頂部設(shè)計(jì)寬度為1m，高4.1m，巖臺上拐點(diǎn)設(shè)計(jì)高程837.58m，下拐點(diǎn)設(shè)計(jì)高程835.9m。

2 巖錨梁開挖技術(shù)要求

根據(jù)《烏東德水電站地下洞室開挖及支護(hù)施工技術(shù)要求》的要求，巖錨梁開挖需滿足以下要求：

(1)巖錨梁壁面不允許欠挖，超挖不超過10cm，對于巖臺斜面的兩個轉(zhuǎn)角點(diǎn)要保持較好輪廓尺寸和圍巖的完整。斜面與水平面的夾角與設(shè)計(jì)值相比應(yīng)偏小，偏小值應(yīng)不大于3°。

(2)控制爆破振動，以減小由于爆破而產(chǎn)生的圍巖爆破影響深度，實(shí)測壁面爆破影響深度小于20cm。

(3)巖錨梁部位預(yù)裂爆破或光面爆破半孔率應(yīng)達(dá)到85%以上，表面基本平整無明顯裂隙。該部位周邊孔應(yīng)在斷面輪廓線上開孔，其孔位偏差應(yīng)不大于5cm。

3 影響主廠房巖錨梁成型主要不良地質(zhì)條件

3.1 層間附碳質(zhì)薄膜

碳質(zhì)薄膜區(qū)域充填碎裂巖，斷面附碳質(zhì)薄膜，局部潮濕，巖面光滑。巖性為灰黑色中厚～厚層局部夾薄層白云巖，層面等結(jié)構(gòu)面多附碳質(zhì)薄膜。其抗剪強(qiáng)度參數(shù)f′=0.4，c′=25kPa，其抗剪強(qiáng)度低，在地應(yīng)力作用下易產(chǎn)生變形與滑動，層間結(jié)合松弛，容易離層脫離，對巖錨梁和高邊墻穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

3.2 小夾角巖層

洞室軸線與巖層走向小角度相交(約20°～30°)，其主廠房巖層走向與洞軸線(交角≤30°的占55%)近于平行，巖層較薄，開挖后高邊墻巖體卸荷松弛穩(wěn)定問題極為突出，容易出現(xiàn)塌落、順層剝落、片幫等變形破壞。而且緩傾角節(jié)理相對發(fā)育，受小夾角與緩傾節(jié)理切割，巖錨梁成型較為困難。

4 保證不良地質(zhì)段巖錨梁開挖質(zhì)量采取的技術(shù)方案

對于不良地質(zhì)段巖錨梁，需提高區(qū)域內(nèi)巖層抗剪強(qiáng)度，加強(qiáng)圍巖的整體性及穩(wěn)定性，為后續(xù)巖錨梁橋機(jī)安全運(yùn)行提供有力保障。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察情況，對主廠房巖錨梁區(qū)域進(jìn)行重新分層分區(qū)的開挖調(diào)整，預(yù)留兩層保護(hù)層，通過多次1∶1模擬試驗(yàn)，小孔徑小藥量精細(xì)化爆破，確定爆破最優(yōu)參數(shù)。對不良地質(zhì)段增加超前錨固措施，在圍巖爆破開挖前完成錨固，以減少爆破對巖錨梁區(qū)域巖壁損傷，保證巖臺成型質(zhì)量。

4.1 調(diào)整開挖分層分區(qū)減少爆破振動

巖錨梁位于主廠房Ⅲ層，開挖尺寸為333.00m×30.50m(32.50m)×9.6m。

圖1 主廠房Ⅲ層開挖施工程序示意

主廠房第Ⅲ層巖錨梁開挖首先啟動①區(qū)中間拉槽施工，寬度為12m，梯段高度為5.5m，梯段開挖時兩側(cè)施工預(yù)裂。

②區(qū)開挖為保護(hù)層梯段開挖，滯后①區(qū)拉槽開挖約30m，單側(cè)開挖寬度為5.25m，高度為5.5m。

③區(qū)開挖為巖錨梁外側(cè)保護(hù)層第一層開挖，滯后②區(qū)保護(hù)層30m，單側(cè)開挖寬度為4.0m，開挖高度為4.0m，與巖臺分界處進(jìn)行光面爆破。

④區(qū)開挖為第二次中間拉槽開挖，待①區(qū)拉槽結(jié)束后滯后③區(qū)30m時進(jìn)行開挖，開挖寬度為12m，高度為4.1m，兩側(cè)施工預(yù)裂。

⑤區(qū)為第二次保護(hù)層開挖，滯后④區(qū)拉槽開挖約30m，開挖寬度5.25m，高度4.1m，光面爆破。

⑥區(qū)開挖為巖錨梁外側(cè)保護(hù)層第二層開挖，滯后⑤區(qū)保護(hù)層開挖30m，單側(cè)開挖寬度為4.0m，開挖高度為3.0m，光面爆破。

⑦區(qū)開挖為巖錨梁外側(cè)保護(hù)層第二層開挖，滯后⑥區(qū)保護(hù)層30m，單側(cè)開挖寬度為4.0m，開挖高度為2.60m，光面爆破。

⑧區(qū)為巖錨梁下拐點(diǎn)以下4m范圍邊墻的系統(tǒng)支護(hù)施工(不含錨索施工)，在⑦區(qū)開挖完成后，進(jìn)行巖錨梁以下邊墻系統(tǒng)支護(hù)，鎖定邊墻巖體，減小巖錨梁開挖爆破損傷。

⑨區(qū)為巖錨梁巖臺開挖支護(hù)。

4.2 不良地質(zhì)段圍巖超前錨固

根據(jù)巖錨梁不良地質(zhì)段的巖層特性，在巖錨梁巖臺外側(cè)4m厚保護(hù)層開挖前，對巖錨梁區(qū)域進(jìn)行預(yù)固結(jié)灌漿及短錨桿預(yù)錨固的措施，加強(qiáng)整體圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.2.1 實(shí)施預(yù)固結(jié)灌漿改善圍巖條件

主廠房在巖錨梁巖臺外側(cè)4m厚保護(hù)層開挖前，保護(hù)層巖面采用高壓水沖洗后，噴15cm厚C25混凝土封閉巖面。在保護(hù)層立面穿過保護(hù)層巖體鉆垂直于巖面的預(yù)固結(jié)灌漿孔，孔徑φ76mm，灌漿孔孔深為10m，孔間距2.0m，排距2.0m。分兩序兩段施灌，第一段灌漿長3m，灌漿壓力為0.3MPa～0.5MPa；第二段灌漿長7m，灌漿壓力為0.8MPa～1.2MPa。灌漿材料采用高抗硫酸鹽水泥。

圖2 超前預(yù)固結(jié)灌漿示意

4.2.2 施工預(yù)錨固錨桿提前鎖定開挖巖體

在巖錨梁巖臺外側(cè)4m厚保護(hù)層開挖前，穿過保護(hù)層在中間拉槽區(qū)域向預(yù)留保護(hù)層鉆垂直向、傾斜向錨桿孔，安裝超前錨桿對巖臺開挖區(qū)域進(jìn)行超前錨固。巖臺每個橫斷面增加布置3根錨桿，錨桿為φ25mm，入巖深度3.1m，錨桿安裝超入設(shè)計(jì)邊線10cm，軸向間距1.5m，錨桿造孔深度7m～8.5m。①號錨桿上仰20°，理論開孔高程為837.6m；②號錨桿上仰15°，理論開孔高程為837.1m；③號錨桿垂直巖面，理論開孔高程為EL836.55m?，F(xiàn)場施工時，根據(jù)實(shí)際開挖邊線，測量逐孔放樣，確定錨桿角度及鉆孔孔深，保證錨桿質(zhì)量。

圖3 超前預(yù)錨固錨桿示意

4.3 巖臺成型保證技術(shù)

4.3.1 實(shí)施巖臺模擬試驗(yàn)確定最優(yōu)爆破參數(shù)

在巖錨梁巖臺正式開挖前，按照1∶1的模擬比例進(jìn)行爆破試驗(yàn)以確定巖錨梁巖臺開挖爆破參數(shù)。在不良地質(zhì)段范圍內(nèi)挑選30m進(jìn)行巖臺及光面保護(hù)層實(shí)驗(yàn)，巖臺及保護(hù)層每次爆破試驗(yàn)段長約為10m，爆破試驗(yàn)參數(shù)根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件，逐孔進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。爆破試驗(yàn)實(shí)施總路線如下：爆破試驗(yàn)部位→爆破試驗(yàn)測點(diǎn)布設(shè)→爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集→爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理→優(yōu)化爆破參數(shù)→下一循環(huán)試驗(yàn)。開挖程序見圖4。

圖4 廠房巖錨梁試驗(yàn)開挖順序

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證和優(yōu)化爆破參數(shù)，尤其是爆破最大單響藥量，避免單響藥量過大對兩側(cè)的巖壁梁保留巖體產(chǎn)生影響；獲取爆破振動衰減傳爆規(guī)律，為本層開挖質(zhì)點(diǎn)振動速度控制提供依據(jù)。每段進(jìn)行兩次爆破試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)效果確定是否進(jìn)行第三次試驗(yàn)，以達(dá)到理想的爆破效果。每次爆破后均對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以取得廠房巖錨梁開挖爆破的最優(yōu)參數(shù)。

4.3.2 巖臺豎向孔埋設(shè)PVC管護(hù)壁

在進(jìn)行4m厚保護(hù)層爆破施工時為避免已施工完成的巖臺豎向孔塌孔，被爆破碎石堵塞，造成經(jīng)濟(jì)損失的同時也影響施工進(jìn)度，對此，在巖臺豎向孔造孔完成后在孔內(nèi)安裝φ32PVC管。其作用在于當(dāng)4m厚保護(hù)層爆破時豎向孔塌落的碎石不堵塞已施工完成的孔身，并在接下來巖錨梁巖臺爆破時起緩沖作用，避免藥卷爆炸時瞬間強(qiáng)大的作用力直接作用在廠房邊墻上，使殘孔產(chǎn)生裂隙，影響巖錨梁安全。

4.3.3 巖錨梁巖臺下拐點(diǎn)系統(tǒng)錨桿的預(yù)支護(hù)及護(hù)角角鋼安裝

為減少巖錨梁部位巖壁的松弛，保證巖錨梁成型，提前完成巖錨梁下拐點(diǎn)以下系統(tǒng)錨桿施工，來鎖定下拐點(diǎn)部位巖體，并在距巖錨梁最近的一排錨桿上安裝∠63mm×63mm×5mm護(hù)角角鋼，進(jìn)一步防護(hù)巖錨梁下拐點(diǎn)巖臺。角鋼利用周邊系統(tǒng)錨桿焊接，角鋼一面與系統(tǒng)錨桿滿焊，另一面緊貼巖壁，焊接完成后，用M10水泥砂漿將角鋼不能與巖壁完全契合巖壁的縫隙部分填滿，防護(hù)巖壁。

4.3.4 特殊不良地質(zhì)段臨時噴混凝土支護(hù)

對于巖錨梁地質(zhì)極差部位，在完成巖錨梁保護(hù)層開挖施工后，利用Aliva-500濕噴機(jī)噴5cm厚C25混凝土對巖面進(jìn)行臨時封閉，減少爆破后巖面的松弛卸荷及周邊爆破震動對巖錨梁巖層的影響。

4.4 不良地質(zhì)集中發(fā)育段巖錨梁開挖技術(shù)

對于層間附碳質(zhì)薄膜與極薄層小夾角集中區(qū)域，經(jīng)預(yù)錨固、預(yù)灌漿后，高邊墻穩(wěn)定性仍然較差，此類巖錨梁巖臺不足以滿足后期承載力要求。故此，對巖錨梁巖臺進(jìn)行挖除增加支撐墻處理，巖錨梁結(jié)構(gòu)修改為支撐墻巖錨梁：①對主廠房上游邊墻樁號Yc=1+080.00m～Yc=1+130.00m及樁號Yc=1+176.00m～Yc=1+207.00m段原設(shè)計(jì)1.0m寬的斜巖臺不再保留，在開挖時，直接挖除，直至高程808.85m，后期澆筑混凝土承重巖錨梁橋機(jī)；②開挖后，立即對巖體進(jìn)行5cm鋼纖維噴混凝土對巖體進(jìn)行封閉，減少邊墻卸荷；③原設(shè)計(jì)2排巖錨梁預(yù)應(yīng)力錨桿不變，另增加一排支撐墻巖錨梁200kN預(yù)應(yīng)力錨桿，提高巖錨梁承載力；④對區(qū)域內(nèi)高程839.70m～808.85m范圍支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)錨桿、錨索加密加長，將原6m砂漿錨桿改為12m帶墊板砂漿錨桿，錨桿間距調(diào)整為1m×1m，加強(qiáng)巖體錨固；⑤巖錨梁支撐墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻高30.85m，支撐墻內(nèi)設(shè)雙層鋼筋，襯砌厚度1m。墻底傳力至水輪機(jī)層大體積混凝土內(nèi)，混凝土澆筑完畢后，對上游支撐墻體進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔深15m，孔徑φ56mm。其方案及結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 支撐墻巖錨梁方案及結(jié)構(gòu)

5 巖錨梁開挖質(zhì)量保證技術(shù)

(1)巖錨梁開挖前由測量人員放線，測量落實(shí)到人，并填寫測量放樣記錄單。

(2)造孔前對孔位進(jìn)行編號，填寫鉆孔責(zé)任分區(qū)表，將每孔的鉆孔質(zhì)量落實(shí)到個人。

(3)深度檢查采用以5m為一段的兩端孔立上標(biāo)志桿，在巖壁梁臺上方、外側(cè)50cm～100cm處標(biāo)記、拉線，然后量測?？灼珳\則重新施鉆，孔偏深則在孔底墊巖粉。

(4)施工過程中質(zhì)檢人員采用三角樣板及地質(zhì)羅盤儀控制鉆孔角度及方向。鉆孔后，由質(zhì)檢人員對鉆孔深度、角度、孔位進(jìn)行檢查，對不合格的鉆孔，進(jìn)行重新鉆孔，驗(yàn)收合格后，方可進(jìn)行下一工序。

(5)爆破后，由測量部進(jìn)行圍巖變形觀測，地質(zhì)工程師對圍巖情況進(jìn)行描述，質(zhì)檢部對圍巖表面爆破裂隙、殘孔痕跡進(jìn)行描述，技術(shù)部根據(jù)測量、地質(zhì)、質(zhì)檢的描述，對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，繪制爆破圖。

(6)成立巖錨梁專業(yè)施工管控QC小組，對巖錨梁開挖施工進(jìn)行全過程管控。

6 巖錨梁開挖質(zhì)量成果

主廠房不良地質(zhì)段巖錨梁開挖通過實(shí)施上述技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了巖錨梁不良地質(zhì)段開挖半孔保存率85%，開挖界面不平整度9.2cm，平均超挖9.8cm，工程質(zhì)量優(yōu)良。爆破開挖時對爆破區(qū)域進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)爆破振動監(jiān)測，最大質(zhì)點(diǎn)震動均不超過3cm/s，區(qū)域內(nèi)爆破振動對巖壁影響較小，屬合理爆破，爆破振動監(jiān)測成果如下。

表1 主廠房上游1+190～1+235爆破振動檢測成果

表2 主廠房上游1+79.8～1+136.5爆破振動檢測成果

7 結(jié)語

烏東德右岸主廠房巖錨梁巖臺開挖是整個右岸地下廠房開挖施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)，由于右岸地下廠房特殊地質(zhì)因素，不良地質(zhì)段巖錨梁的開挖質(zhì)量面臨巨大考驗(yàn)。在通過一系列的錨固優(yōu)化手段后，保證了不良地質(zhì)段巖錨梁開挖后壁面不欠挖、超挖不超過10cm、半孔率均在85%以上的技術(shù)要求，且爆破后的影響深度監(jiān)測均在20cm以內(nèi)，巖層表面也無明顯裂隙，確保了巖錨梁開挖的樣板水平，為后期巖錨梁澆筑混凝土奠定了良好的基礎(chǔ)，值得以后類似工程借鑒。