巴塘水電站強(qiáng)卸荷破碎巖體邊坡快速支護(hù)施工技術(shù)

張 偉 ，張 超 ，王旭輝 ，周一生 ，張 棟

（1.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；2.長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430061；3.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；4.浙江華東工程咨詢(xún)有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概況

巴塘水電站位于川藏交界的金沙江干流上，周?chē)缟骄X，壩址右岸為西藏昌都芒康縣，左岸為四川甘孜巴塘縣，壩址距巴塘縣以南9 km。電站采用瀝青混凝土心墻壩堆石壩、左岸溢洪道、明管引水、地面廠房的樞紐布置格局，總裝機(jī)容量750 MW，以發(fā)電為主，是已獲得批復(fù)的金沙江上游水電規(guī)劃的13個(gè)梯級(jí)電站中第9級(jí)電站。

電站樞紐建筑物主要布置在金沙江左岸，地貌為金沙江與巴楚河切割形成的條形山脊，出露的地層巖性為二迭系下統(tǒng)黑云母石英片巖（Sc），局部穿插花崗巖脈等，均為硬質(zhì)巖類(lèi)。巖體呈薄層至中厚層狀結(jié)構(gòu)或互層狀，巖層產(chǎn)狀巖為NE10°NW∠80°。受左側(cè)區(qū)域性活動(dòng)斷裂“巴塘斷裂”及右岸區(qū)域斷裂“雄松-蘇洼龍斷裂”的組合切割影響，左岸巖體內(nèi)構(gòu)造十分發(fā)育，并伴隨薄層巖體普遍揉皺現(xiàn)象。風(fēng)化厚度不大但構(gòu)造風(fēng)化明顯，卸荷深度較大且存在深部卸荷現(xiàn)象。其中表層為強(qiáng)卸荷帶，水平深度一般為20~40 m，卸荷帶內(nèi)結(jié)構(gòu)面多呈張開(kāi)狀，整體松弛，拉張裂縫寬度一般0.001~0.300 m，弱卸荷水平深度一般40~70 m，局部可達(dá)150 m以上。根據(jù)開(kāi)挖后揭露的典型地層情況可顯示，邊坡巖體破碎，裂隙發(fā)育成片狀?yuàn)A層，無(wú)完整巖石，多被切割成0.1~0.4 m大小不等的塊體，對(duì)邊坡支護(hù)施工造成了極大的困難（見(jiàn)圖1）。

圖1 開(kāi)挖揭露的地層情況圖

1.1 設(shè)計(jì)情況：

左岸引水發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)挖形成的人工高邊坡，最大高度約200 m，每 15 m 設(shè)1級(jí)馬道，馬道寬度一般為3 m，坡頂2級(jí)開(kāi)挖坡比1:1.5，以下各級(jí)開(kāi)挖坡比均為1:0.8、1:0.6。開(kāi)挖邊坡采用掛網(wǎng)噴混凝土及錨桿、鎖口錨索（1 000 kN，長(zhǎng)35 m/45 m）+錨筋樁+網(wǎng)格梁的支護(hù)形式。其中錨索原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為全粘結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索，布設(shè)在各級(jí)邊坡上部的網(wǎng)格梁節(jié)點(diǎn)處，分上下2排布置，長(zhǎng)度分別為35，45 m，間排距4 m，下傾15°，各級(jí)邊坡的典型支護(hù)剖面見(jiàn)圖2。

圖2 巴塘水電站引水發(fā)電邊坡典型支護(hù)剖面圖 單位：cm

1.2 前期施工存在的問(wèn)題

工程開(kāi)工之初采取分級(jí)開(kāi)挖，搭設(shè)腳手架，采用錨固鉆機(jī)施工錨索、錨筋樁，完成后拆除腳手架，再進(jìn)行掛網(wǎng)噴射混凝土、網(wǎng)格梁、馬道種植槽、覆土、排水孔施工。但由于未能正確認(rèn)識(shí)邊坡復(fù)雜的地質(zhì)條件，在實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了較多問(wèn)題：

（1）錨桿使用YT28手風(fēng)鉆造孔，無(wú)法成孔且卡鉆漏風(fēng)情況嚴(yán)重。調(diào)整為自進(jìn)式錨桿后，雖然可以鉆進(jìn)，但注漿滲漏較嚴(yán)重，無(wú)損檢測(cè)密實(shí)度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

（2）錨索造孔成孔困難，選用哈邁YXZ-50A、哈邁YXZ-70A型號(hào)錨固鉆機(jī)，使用直釬鉆頭無(wú)法直接成孔。后改用跟管造孔工藝，鉆頭使用雙擺葉偏心跟管鉆頭，仍然頻繁發(fā)生卡鉆情況，大量錨索孔無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)孔深要求，一次成孔合格率較低。

（3）錨索注漿漏漿、串漿嚴(yán)重，根據(jù)二級(jí)邊坡錨索注漿情況統(tǒng)計(jì)，22束錨索單孔平均消耗水泥21.647 t，其中最大一束錨索水泥消耗量達(dá)到132.929 t。充分表明邊坡裂隙發(fā)育較寬，裂隙連通性好。受串漿影響，二級(jí)邊坡出現(xiàn)數(shù)根錨索錨固段進(jìn)漿管阻塞，無(wú)法進(jìn)行錨固注漿的情況。針對(duì)漏漿問(wèn)題，采取間歇、限流、待凝、灌注砂漿等一系列控制注漿措施，仍然出現(xiàn)錨固段灌注不飽滿，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力、閉漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)的情況。

（4）錨索一次張拉合格率低，主要體現(xiàn)在實(shí)際伸長(zhǎng)值較理論伸長(zhǎng)值偏小、錨索普遍存在卸荷情況、錨索拔脫現(xiàn)象。經(jīng)分析，錨索伸長(zhǎng)值的問(wèn)題主要由于全粘結(jié)錨索無(wú)PE管包裹，錨固段灌注漿液沿裂隙繞過(guò)制漿塞包裹自由段，造成自由段實(shí)際長(zhǎng)度變短。錨索卸荷由于造孔對(duì)錨墩基礎(chǔ)周邊巖體破壞，承載力下降導(dǎo)致。錨索拔脫是由于錨固段漏漿，注漿不密實(shí)造成。

（5）受邊坡地質(zhì)條件影響，錨索造孔、注漿時(shí)間較長(zhǎng)，完成一級(jí)邊坡錨索造孔施工大約為1.5個(gè)月，完成一級(jí)邊坡錨索造孔至張拉所有工序大約需要3個(gè)月。

1.3 強(qiáng)卸荷破碎巖體邊坡快速支護(hù)施工改進(jìn)技術(shù)路線

邊坡復(fù)雜的地質(zhì)條件是影響支護(hù)施工的主要原因，工程技術(shù)人員從以下5個(gè)方面對(duì)支護(hù)工藝方法進(jìn)行了改進(jìn)[1-4]。

（1）錨桿、錨筋樁施工，采用跟管造孔方法，確保其能成孔下桿，輔以控制性注漿措施，解決注漿成本高的問(wèn)題。

（2）錨索造孔施工，選用合適的機(jī)具、設(shè)備，改進(jìn)錨索造孔工藝，提高錨索成孔率。

（3）調(diào)整錨索索體結(jié)構(gòu)，避免串漿影響、漏漿影響；調(diào)整錨墩體結(jié)構(gòu)，提高基礎(chǔ)承載力。

（4）采取控制性注漿措施，對(duì)錨索不同階段注漿采取不同的控制標(biāo)準(zhǔn)，在確保錨索注漿質(zhì)量的同時(shí)盡量減小錨索的注漿成本，縮短注漿時(shí)間。

（5）從施工組織方面入手，減小錨索各道工序占用的直線工期時(shí)間，充分利用錨索注漿、錨墩混凝土待強(qiáng)時(shí)間。

2 邊坡快速支護(hù)施工技術(shù)

2.1 邊坡快速支護(hù)工藝

2.1.1 工藝原理

（1）快速開(kāi)挖支護(hù)按照“下臺(tái)階遠(yuǎn)邊坡減量瘦身，近邊坡預(yù)裂爆破和機(jī)械開(kāi)挖相結(jié)合，分層出渣，素噴封閉，隨層支護(hù)、系統(tǒng)跟進(jìn)、滾動(dòng)流水作業(yè)，中臺(tái)階錨墩、掛網(wǎng)噴混、錨索待強(qiáng)張拉、網(wǎng)格梁依次實(shí)施，上臺(tái)階馬道種植槽、覆土、排水孔收尾，三臺(tái)階同步實(shí)施”的原則施工。

（2）利用移動(dòng)履帶式鉆造孔效率高、移動(dòng)方便的特點(diǎn)，每臺(tái)履帶鉆可同時(shí)負(fù)責(zé)3~5個(gè)錨索孔施工，利用錨索固壁待強(qiáng)時(shí)間，穿插錨桿施工作業(yè)，大幅度提高系統(tǒng)支護(hù)、錨索造孔功效，大大縮短了分層開(kāi)挖支護(hù)的時(shí)間，同時(shí)節(jié)省了搭設(shè)腳手架時(shí)間和挪移鉆機(jī)的時(shí)間[1-2]。

（3）錨索施工工序繁多，周期較長(zhǎng)，上中下三臺(tái)階同步施工、流水作業(yè)，有效減少錨索注漿、錨墩混凝土待強(qiáng)、錨索張拉所占用的直線工期。

（4）設(shè)置集中空壓站，將同型號(hào)類(lèi)別的空壓機(jī)聯(lián)通至空壓罐，再由送風(fēng)管路以及軟管供至各造孔設(shè)備。

（5）設(shè)置集中制漿站，灌注凈漿直接從制漿站供漿，砂漿由于濃度大，管路過(guò)長(zhǎng)容易堵管，采取由集中制漿站制拌水泥漿，輸送至臨近工作面附近的砂漿攪拌機(jī)現(xiàn)場(chǎng)摻砂，攪勻后再通過(guò)砂漿泵灌注至錨桿、錨筋樁、錨索孔內(nèi)。

圖3 快速支護(hù)工藝流程示意圖

2.1.2 注意事項(xiàng)

（1）現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)巖石情況確定是否需要進(jìn)行預(yù)裂爆破、梯段爆破，然后在邊坡外圍進(jìn)行瘦身開(kāi)挖，消減邊坡石方開(kāi)挖量。

（2）分層開(kāi)挖支護(hù)按照70~120 m分區(qū)，分層高度3~4 m，頂寬不小于10 m作業(yè)面寬度，確保能夠布置履帶式鉆機(jī)、吊車(chē)、天泵等施工設(shè)備，施工材料能及時(shí)運(yùn)送至各工作部位，按1:1臨時(shí)坡比放坡。

（3）為確保邊坡支護(hù)施工時(shí)的安全穩(wěn)定，防止邊坡分化、松散碎裂石渣塌滑，每層開(kāi)挖完清理坡面浮渣后立即進(jìn)行素噴封閉，素噴混凝土厚度0.05 m。

（4）HM90A履帶式鉆機(jī)在分層開(kāi)挖平臺(tái)施工錨桿、錨筋樁、錨索孔，孔位驗(yàn)收合格后下桿、下索，注漿作業(yè)緊隨其后。

（5）邊坡錨索錨固段注漿、系統(tǒng)支護(hù)完成后，在坡面搭設(shè)簡(jiǎn)易施工平臺(tái)，對(duì)錨墩基礎(chǔ)進(jìn)行處理，可采用細(xì)石混凝土或水泥砂漿填補(bǔ)，再進(jìn)行錨墩施工，并預(yù)留與網(wǎng)格梁的連接筋。

（6）錨墩澆筑完成后，在邊坡上現(xiàn)編鋼筋網(wǎng)Φ8 mm@20 cm×20 cm，噴射混凝土噴至設(shè)計(jì)厚度，再進(jìn)行網(wǎng)格梁的施工。

（7）錨墩澆筑完成，達(dá)到齡期后立即組織進(jìn)行張拉，確保邊坡能夠盡早持加預(yù)應(yīng)力。錨墩混凝土可采用高標(biāo)號(hào)混凝土，縮短錨索待強(qiáng)張拉時(shí)間。

（8）邊坡支護(hù)項(xiàng)目全部完成后，最后進(jìn)行馬道種植槽、覆土和排水孔施工。

（9）混凝土采用47 m臂長(zhǎng)的天泵澆筑，邊坡施工所需的鋼筋、模板、種植土等采用25 t吊車(chē)吊運(yùn)至各級(jí)馬道平臺(tái)，手推車(chē)、人工運(yùn)輸至作業(yè)部位。

2.2 錨索施工工藝

2.2.1 工藝流程

針對(duì)強(qiáng)卸荷破碎巖體散、硬、漏、夾的地質(zhì)特點(diǎn)，根據(jù)前期積累的施工經(jīng)驗(yàn)，并借鑒類(lèi)似工程的錨索施工經(jīng)驗(yàn)，工程技術(shù)人員對(duì)錨索施工工藝進(jìn)行諸多改進(jìn)，形成了一套較為完備的碎裂邊坡錨索施工工藝（見(jiàn)圖4）。

圖4 錨索施工工藝流程圖

2.2.2 造孔工藝方法及機(jī)具選擇

采用跟管+固壁+預(yù)注漿的造孔工藝，表層強(qiáng)卸荷松散體，跟管成孔，跟管深度超過(guò)20 m后根據(jù)巖體情況確定跟管終孔深度，遇到斷層要將斷層穿過(guò)，鉆進(jìn)至較為堅(jiān)硬的巖體結(jié)束。造孔使用90A履帶式鉆機(jī)，鉆具選擇Φ150偏心鉆頭+Φ147厚10 mm跟管，跟管材質(zhì)為P110級(jí)鋼，絲扣經(jīng)淬火處理，以提高跟管的抗拉強(qiáng)度。跟管造孔結(jié)束后改用直釬鉆頭，鉆頭Φ127[5]。

2.2.3 錨索結(jié)構(gòu)的調(diào)整

為應(yīng)對(duì)碎裂地層，借鑒全粘結(jié)錨索結(jié)構(gòu)，對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)（見(jiàn)圖5），具體如下[6]：

圖5 錨索結(jié)構(gòu)示意圖 單位：cm

（1）在錨固段設(shè)置一進(jìn)一回2個(gè)注漿管，錨固段注漿管深入至距離孔底0.3 m，錨固段回漿管布置在錨固段與張拉段分界位置以?xún)?nèi)0.5 m。設(shè)置回漿管主要用來(lái)檢查錨固段注漿密實(shí)情況，同時(shí)兼做補(bǔ)灌灌漿管。進(jìn)漿管在錨固段范圍內(nèi)開(kāi)1 m間距的花孔，便于漿液的擴(kuò)散。

（2）在錨固段與自由段分界位置處設(shè)置止?jié){包，止?jié){包前后端處用棉絮包裹纏緊每根鋼絞線、進(jìn)（回）漿管，外包土工布并綁扎緊密，一次進(jìn)漿管開(kāi)設(shè)2個(gè)小口，錨固段注漿時(shí)能將止?jié){包先填充密實(shí)，阻斷錨固段漿液繼續(xù)上升。

（3）錨索張拉段包裹土工布，主要目的是防止?jié){液四處擴(kuò)散，減小注漿量。

（4）張拉段設(shè)置一進(jìn)一回2個(gè)注漿管，進(jìn)漿管深入至止?jié){包位置處，進(jìn)漿管開(kāi)花孔，2 m間距；孔口設(shè)回漿管，用來(lái)排氣和自由端補(bǔ)注漿。

2.2.4 操作要點(diǎn)

（1）根據(jù)孔壁塌孔情況確定直釬鉆頭的循環(huán)進(jìn)尺深度，一般控制在2~5 m，拔出鉆頭后用砂漿進(jìn)行固壁。盡量灌注流動(dòng)度低砂漿，如吃漿量大，摻加一定的速凝劑，砂漿摻加早強(qiáng)劑縮短待強(qiáng)時(shí)間，掃孔后孔壁不坍塌即可進(jìn)行下一循環(huán)，直至設(shè)計(jì)深度。

（2）注意造孔斜撓度控制，根據(jù)鉆進(jìn)巖石的軟弱程度調(diào)整鉆進(jìn)速度，一般軟弱巖石采用中低速鉆進(jìn)，堅(jiān)硬巖石采用中高速鉆進(jìn)[7]。

（3）造孔至設(shè)計(jì)孔深后對(duì)錨固段進(jìn)行孔內(nèi)攝像，根據(jù)孔壁裂隙發(fā)育情況確定是否需要進(jìn)行預(yù)注漿。如需要預(yù)注漿則下注漿塞對(duì)錨固段進(jìn)行預(yù)注漿，重新掃孔后下錨索，并按照設(shè)計(jì)注漿壓力要求結(jié)束。

（4）錨固段注漿，采用水泥漿進(jìn)行灌注，28 d抗壓強(qiáng)度不低于35 MPa，7 d屆時(shí)強(qiáng)度應(yīng)不低于30 MPa。漿液中應(yīng)摻入一定量的膨脹劑和早強(qiáng)劑，不得摻加速凝劑、水玻璃等任何有腐蝕作用的外加劑[8-9]。

（5）張拉段注漿：采用水泥砂漿灌注，28 d抗壓強(qiáng)度不低于30 MPa，孔口返漿結(jié)束。

（6）錨墩施工：由于邊坡巖體較為破碎，造孔、拔管過(guò)程中對(duì)錨墩基礎(chǔ)破壞較嚴(yán)重，張拉時(shí)錨墩沉陷情況較為嚴(yán)重。采取增大錨墩尺寸，孔口基面澆筑砂漿或混凝土提高基巖承載力的措施。

（7）孔口封閉注漿：孔口鋼絞線應(yīng)去皮、去油，孔口封閉注漿采用與錨固段同標(biāo)號(hào)水泥凈漿灌注，注漿要密實(shí)，確保封閉漿體能與夾片協(xié)同受力，增加錨固力的耐久性。

2.3 錨桿、錨筋樁施工重點(diǎn)注意事項(xiàng)

（1）錨桿造孔使用90A履帶式鉆機(jī)，Φ115偏心鉆頭+108厚6 mm跟管，成孔115 mm。

（2）錨筋樁造孔90A履帶式鉆機(jī)，Φ127偏心鉆頭+125厚6 mm跟管，成孔125 mm。

（3）錨桿、錨筋樁均按照先插桿后注漿的方式進(jìn)行施工，桿體綁扎D=10 mm，厚3 mmPVC注漿管，中間開(kāi)設(shè)花孔，間距1.5 m，便于灌注水泥砂漿向周邊巖體擴(kuò)散。

（4）拔管器為四川拓力60 t，基巖面較為破碎時(shí)，用鋼墊板、墊木等將拔管機(jī)架平、架實(shí)，確保拔管器拉拔力與跟管方向一致。

（5）錨桿、錨筋樁插桿后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注漿，確保邊坡安全穩(wěn)定。

（6）注漿漿液為水泥砂漿，盡量選擇流動(dòng)度小的砂漿，減小漿液的擴(kuò)散范圍，降低耗灰量。

2.4 掛網(wǎng)噴射混凝土重點(diǎn)注意事項(xiàng)

（1）鋼筋網(wǎng)應(yīng)與系統(tǒng)錨桿用鉛絲連接固定，緊貼巖面。

（2）噴射前用風(fēng)槍將巖面浮渣吹凈，設(shè)置厚度標(biāo)尺。

（3）噴射混凝土自下而上，噴射距離控制在1 m左右。

（4）噴射混凝土終凝后，應(yīng)噴水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于14 d。

3 工藝方法應(yīng)用效果

巴塘水電站左岸邊坡高差達(dá)200多米，僅錨索就2 300余根，支護(hù)工程量巨大。施工初期由于對(duì)工程地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)不足，采用傳統(tǒng)分級(jí)開(kāi)挖，搭設(shè)腳手架支護(hù)施工的方法，邊坡開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)展極其緩慢。經(jīng)過(guò)工程技術(shù)人員不斷嘗試、創(chuàng)新、優(yōu)化調(diào)整，形成“下臺(tái)階遠(yuǎn)邊坡減量瘦身，近邊預(yù)裂爆破和機(jī)械開(kāi)挖相結(jié)合，分層出渣，素噴封閉，隨層支護(hù)、系統(tǒng)跟進(jìn)、滾動(dòng)流水作業(yè)，中臺(tái)階錨墩、掛網(wǎng)噴混、錨索待強(qiáng)張拉、網(wǎng)格梁依次實(shí)施，上臺(tái)階馬道種植槽、覆土、排水孔收尾”的三臺(tái)階同步快速施工工法，形成了三臺(tái)階同步實(shí)施，互不干擾的施工作業(yè)局面。每級(jí)邊坡支護(hù)下挖時(shí)間從2.5個(gè)月縮短到1個(gè)月，應(yīng)用效果明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

本工藝有效克服了強(qiáng)卸荷破碎巖體散、硬、漏、夾的地質(zhì)特點(diǎn)，解決了錨桿注漿不密實(shí)，造孔塌孔、鉆具磨損、卡鉆、漏漿、串漿、張拉松弛卸荷等問(wèn)題，加快了邊坡開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)度。通過(guò)實(shí)踐，得出以下結(jié)論：

（1）采用跟管成孔方法施工水泥砂漿錨桿、錨筋樁，桿體上安裝PVC管開(kāi)花孔，注水泥砂漿，可以有效保證錨桿、錨筋樁的施工質(zhì)量，同時(shí)對(duì)周邊巖壁起到固結(jié)作用。自進(jìn)式錨桿在碎裂巖體邊坡應(yīng)用時(shí)用注漿密實(shí)度較差，不適用于永久邊坡支護(hù)。

（2）采用“跟管+固壁+預(yù)注漿”的造孔施工工藝可以較好地適應(yīng)強(qiáng)卸荷破碎巖體錨索造孔工作，該方法同時(shí)克服固壁灌漿循環(huán)進(jìn)尺周期時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高以及全跟管造孔卡鉆、鉆具、管靴磨損嚴(yán)重，廢孔率高的工藝缺點(diǎn)，在保證工期的同時(shí)節(jié)省了施工費(fèi)用。

（3）移動(dòng)履帶式鉆機(jī)具有造孔效率高、移動(dòng)方便、動(dòng)力強(qiáng)的特點(diǎn)，該設(shè)備大幅提高了系統(tǒng)支護(hù)、錨索造孔功效，極大縮短分層開(kāi)挖支護(hù)的時(shí)間。該方法還省去費(fèi)時(shí)費(fèi)力的腳手架搭設(shè)工作，降低安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，是以后邊坡支護(hù)的發(fā)展方向。

（4）針對(duì)強(qiáng)卸荷破碎巖體特點(diǎn)對(duì)錨索結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)注漿管、制漿包的改進(jìn)，較好地克服了不利地質(zhì)條件。對(duì)錨索不同注漿部位、注漿階段采取不同的注漿控制策略，在保證注漿質(zhì)量的同時(shí)，減少注漿材料消耗[10]。

（5）對(duì)錨固段基礎(chǔ)進(jìn)行處理，采取澆筑墊層、增大錨墩尺寸2項(xiàng)措施，克服錨墩基礎(chǔ)承載力不足、張拉沉陷的問(wèn)題，效果明顯。