雙江口水電站地下廠房巖錨梁高地應(yīng)力處理與施工

李培豐 劉寧博 鄭鎧浩

(中國水利水電建設(shè)工程咨詢北京有限公司，北京 100024)

1 工程概況

雙江口水電站是大渡河流域水電規(guī)劃“3庫22級(jí)”開發(fā)方案的第5個(gè)梯級(jí)，為大渡河干流上游控制性水庫電站工程，工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主。水庫正常蓄水位2500m，總庫容28.97億m3，調(diào)節(jié)庫容19.17億m3，具有年調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)總?cè)萘?000MW，多年平均發(fā)電量77.07億kW·h。

地下廠房布置于左壩肩壩軸線上游，廠房縱軸線方向?yàn)镹10°W，主廠房最小水平埋深約400m，垂直埋深約320～500m。主機(jī)間、副廠房和安裝間呈“一”字形布置，安裝間和副廠房分別布置在主機(jī)間的兩端。主機(jī)間開挖斷面尺寸為：頂拱跨度28.30m，巖錨吊車梁以下跨度25.30m，最大開挖高度68.32m，長度135.06m；安裝間跨度與主機(jī)間相同，最大高度29.22m，長度54.02m；副廠房開挖斷面尺寸為：跨度25.30m，最大高度42.72m，長度30.40m；廠房總長度為219.48m。

根據(jù)設(shè)計(jì)總體規(guī)劃引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群中主廠房豎向布置自上而下共分為9層，巖錨梁位于廠房3層，分層高程為2269.02～2261.42m，分層高度為7.6m。巖錨梁布置在主機(jī)間及安裝間，上、下游側(cè)(廠橫)0+120.26～(廠橫)0-68.82處，單側(cè)長度為189.08m，總長378.16m，巖錨梁上拐點(diǎn)高程為2267.40m，下拐點(diǎn)高程為2265.30m，根據(jù)主副廠房中部開挖支護(hù)圖，2267.4～2265.3m為巖錨梁開挖范圍，總高度為2.1m。巖錨梁斜面長2.58m，與主廠房邊墻成35.54°夾角。

2 廠房高地應(yīng)力現(xiàn)狀

雙江口水電站廠房施工時(shí)，在進(jìn)行廠房第1、2層開挖過程中，頻繁出現(xiàn)片幫、層狀剝落、掉塊等地應(yīng)力較高、巖爆突發(fā)情況。目前，實(shí)測(cè)地應(yīng)力量值高達(dá)37.8MPa，主要集中在上游側(cè)的拱肩及下游側(cè)的拱腳，屬于高地應(yīng)力地區(qū)，為國內(nèi)最高地應(yīng)力在建水電站。

3 工藝試驗(yàn)

主副廠房巖錨梁層開挖高度為7.6m，分兩小層(3.8m)開挖(見圖1)。

圖1 廠房Ⅲ層開挖分區(qū)(尺寸單位：cm)

3.1 保護(hù)層開挖試驗(yàn)

3.1.1 上游側(cè)保護(hù)層開挖試驗(yàn)

第一次開挖試驗(yàn)在上游側(cè)(廠橫)0+10～(廠橫)0+20段進(jìn)行，高程2269.02～2266.42m，保護(hù)層光爆孔孔距為40cm，手風(fēng)鉆垂直造孔，單孔裝藥350g，線裝藥密度185g/m，孔數(shù)26個(gè)(見圖2、圖3)。爆后效果檢查：爆破后每個(gè)孔位均留有半孔，但半孔成型僅為炮孔長度的1/3，分段裝藥處半孔破壞較嚴(yán)重；孔間巖面平順光滑，平整度好；部分半孔孔壁內(nèi)有爆破裂隙；爆破后三天光爆面存在明顯的片幫現(xiàn)象。

圖2 保護(hù)層開挖爆破布孔及聯(lián)網(wǎng)(單位：cm)

圖3 保護(hù)層光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)

第二次開挖試驗(yàn)在上游側(cè)(廠橫)0+20～(廠橫)0+30段進(jìn)行，高程為2269.02～2266.42m，保護(hù)層光爆孔孔距為40cm，手風(fēng)鉆垂直造孔，單孔裝藥300g，線裝藥密度165g/m，孔數(shù)26個(gè)。第三次開挖試驗(yàn)在上游側(cè)(廠橫)0+30～(廠橫)0+40段預(yù)留保護(hù)層上進(jìn)行，高程為2269.02～2266.42m，保護(hù)層光爆孔孔距為40cm，手風(fēng)鉆垂直造孔，單孔裝藥300g，線裝藥密度165g/m，孔數(shù)26個(gè)(見圖4)。爆后效果檢查：爆破后每個(gè)孔位均留有半孔，半孔成型較好；半孔內(nèi)孔壁沒有明顯的爆破裂隙，且分段裝藥處沒有明顯的爆破裂隙、半孔沒有明顯破壞，爆點(diǎn)清晰可見；孔底部位出現(xiàn)一條橫向裂縫，影響整體成型效果。

圖4 優(yōu)化后光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)

第四次開挖試驗(yàn)在上游側(cè)(廠橫)0+10～(廠橫)0+30段預(yù)留保護(hù)層上進(jìn)行，高程2269.02～2263.92m，保護(hù)層光爆孔孔距40cm，手風(fēng)鉆垂直造孔，單孔裝藥300g，線裝藥密度165g/m，孔數(shù)60個(gè)，爆破參數(shù)同第二、三次保護(hù)層開挖試驗(yàn)。爆后效果檢查：每個(gè)孔位均留有半孔，半孔率達(dá)到100%；孔間巖面平順光滑，平整度好；半孔孔壁內(nèi)無爆破裂隙；殘孔顯示，孔間距滿足設(shè)計(jì)要求，無飄鉆現(xiàn)象。

3.1.2 下游側(cè)保護(hù)層開挖試驗(yàn)

第五次開挖試驗(yàn)在下游側(cè)(廠橫)0+10～(廠橫)0+20段預(yù)留保護(hù)層上進(jìn)行，高程2269.02～2263.92m，保護(hù)層光爆孔孔距為40cm，手風(fēng)鉆垂直造孔，單孔裝藥300g，線裝藥密度129.8g/m，孔數(shù)26個(gè)(見圖5)。

圖5 下游側(cè)保護(hù)層光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)

爆后效果檢查：爆破后每個(gè)孔位留有半孔，半孔率較差；受保護(hù)層層狀結(jié)構(gòu)影響，下游側(cè)保護(hù)層光面爆破整體成型較差。

在開挖過程中廠房出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力超過巖體的強(qiáng)度，局部能夠產(chǎn)生受壓破壞。

3.2 巖臺(tái)開挖試驗(yàn)

3.2.1 上游側(cè)巖臺(tái)開挖試驗(yàn)

第一次開挖試驗(yàn)在(廠橫)0+10～(廠橫)0+30段進(jìn)行，垂直光爆孔單孔裝藥162.5g，線裝藥密度99.1g/m；斜面光爆孔單孔裝藥312.5g，線裝藥密度120g/m(見圖6～圖8)。共60個(gè)孔，最大單響藥量為27.75kg。下游側(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)因所選部位保護(hù)層呈層狀結(jié)構(gòu)(圖9)，且該部位層狀結(jié)構(gòu)上部出現(xiàn)明顯裂縫，存在向下滑移的現(xiàn)象，為保證施工安全及試驗(yàn)效果故取消下游側(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖6 巖臺(tái)開挖爆破布孔聯(lián)網(wǎng)(35cm孔距)(單位：cm)

圖7 垂直光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)(上游側(cè))(單位：cm)

圖8 斜面光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)(上游側(cè))(單位：cm)

圖9 三層中部拉槽后下游側(cè)層狀結(jié)構(gòu)

爆后效果檢查：.爆破后檢查，爆點(diǎn)清晰，半孔率達(dá)95%以上，孔壁無爆破裂隙；在(廠橫)0+23～(廠橫)0+30段進(jìn)行平整度檢測(cè)，共選取37個(gè)測(cè)點(diǎn)，最大值為9.2cm，最小值為1.4cm，平均值為4.81cm；斜壁面4個(gè)斷面：(廠橫)0+13、(廠橫)0+20、(廠橫)0+24、(廠橫)0+29超欠挖顯示沒有欠挖存在，上拐點(diǎn)位置處超挖最大值為9cm，超挖最小值為2.6cm；對(duì)巖臺(tái)斜壁面成型角度進(jìn)行測(cè)量，角度大致為36°，設(shè)計(jì)巖臺(tái)斜面角度為35.54°，可滿足設(shè)計(jì)要求；保護(hù)層試驗(yàn)開挖后巖臺(tái)開挖前即揭露存在一條橫向裂隙。(廠橫)0+30～(廠橫)0+20段巖臺(tái)開挖揭示在巖錨梁上拐點(diǎn)(高程2267.4m)附近存在水平裂隙，水平裂隙高程約為2267.1m，此裂隙影響了上拐點(diǎn)的開挖成型；(廠橫)0+20～(廠橫)0+10段開挖前自身較破碎，開挖后斜面光爆孔出現(xiàn)塌孔，影響裝藥，該段開挖成型較差；下拐點(diǎn)成型較好，無破壞現(xiàn)象發(fā)生(見圖10)。

圖10 巖臺(tái)開挖試驗(yàn)爆破效果

3.2.2 下游側(cè)巖臺(tái)開挖試驗(yàn)

第一次開挖試驗(yàn)：本次開挖樁號(hào)為(廠橫)0-40～(廠橫)0-30，垂直光爆孔單孔裝藥144g，線裝藥密度86.7g/m；斜面光爆孔單孔裝藥312.5g，線裝藥密度114.5g/m(見圖11～圖13)。共34個(gè)孔，最大單響藥量為13.2kg。

圖11 下游側(cè)第一次試驗(yàn)巖臺(tái)開挖爆破布孔聯(lián)網(wǎng)(30cm孔距)(單位：cm)

圖12 第一次試驗(yàn)垂直光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)(下游側(cè))(單位：cm)

圖13 第一次試驗(yàn)斜面光爆孔典型裝藥結(jié)構(gòu)(下游側(cè))(單位：cm)

爆后效果檢查：爆破后檢查，巖臺(tái)斜面爆后保存基本完整；受中部拉槽影響，高地應(yīng)力導(dǎo)致保護(hù)層產(chǎn)生新生裂隙，呈扇形破壞，下游側(cè)保護(hù)層破碎，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了預(yù)錨固措施施工，起到了一定的效果，保證了巖臺(tái)的成型；爆破后半孔率較低，個(gè)別孔位存在爆破裂隙；對(duì)巖臺(tái)斜面2個(gè)斷面：(廠橫)0-31、(廠橫)0-35進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)收顯示，斜面無欠挖情況，超挖最大值出現(xiàn)在上拐點(diǎn)位置處，最大值為16cm；在下游側(cè)樁號(hào)(廠橫)0-30處設(shè)置圍巖松動(dòng)圈檢測(cè)孔，檢測(cè)爆破前后的圍巖松動(dòng)圈變化，檢測(cè)數(shù)據(jù)符合規(guī)定。

第二次開挖試驗(yàn)：本次開挖樁號(hào)為(廠橫)0+004～(廠橫)0-020，垂直光爆孔單孔裝藥106g，線裝藥密度126g/m；斜面光爆孔單孔裝藥375g，線裝藥密度137g/m(見圖14～圖15)。共60個(gè)孔，最大單響藥量為22.5kg。

爆后效果檢查：爆破后檢查，爆點(diǎn)清晰，半孔率達(dá)95%以上，孔壁無爆破裂隙；下拐點(diǎn)成型較好，無破壞現(xiàn)象發(fā)生；因保護(hù)層開挖爆破使得巖臺(tái)④區(qū)剩余薄薄一層，在巖臺(tái)④區(qū)斜面孔鉆孔時(shí)將角度向下傾斜，使得巖臺(tái)④區(qū)開挖后有明顯的炮孔槽，形成了一定的超挖；斜壁面5個(gè)斷面：(廠橫)0+00、(廠橫)0-05、(廠橫)0-10、(廠橫)0-15、(廠橫)0-20超欠挖顯示沒有欠挖存在，上拐點(diǎn)位置處超挖最大值為18cm，超挖最小值為2cm。

4 開挖施工

4.1 C層開挖

廠房C層開挖遵循“預(yù)支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破，及時(shí)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的施工原則，以確保洞室的穩(wěn)定。中部拉槽采用液壓鉆鉆孔，單次梯段開挖長度為6.9m，孔徑76mm，垂直孔，間排距為200cm×180cm，采用φ70乳化炸藥，炸藥單耗為0.61kg/m3。

保護(hù)層開挖采取人工使用手風(fēng)鉆鉆孔，上游側(cè)保護(hù)層開挖光爆孔線裝藥密度165g/m，單次開挖爆破長度30m(為了減小爆破對(duì)巖臺(tái)穩(wěn)定影響將單次爆破長度調(diào)整)，光爆孔間距為40cm，下游側(cè)保護(hù)層光爆孔采用30cm孔距，129.8g/m線裝藥密度，單次開挖爆破長度30m。

4.2 巖臺(tái)開挖

上游側(cè)巖臺(tái)斜面光爆孔間距為30cm，φ25乳化炸藥入孔，單孔裝藥375g(底部1/2支、間隔20cm裝1/4支)，線裝藥密度137g/m；巖臺(tái)垂直光爆孔間距為30cm，φ25乳化炸藥入孔，單孔裝藥106g(底部1/2支、間隔15cm裝1/8支)，線裝藥密度126g/m。

下游側(cè)巖臺(tái)斜面光爆孔間距為30cm，φ25乳化炸藥入孔，單孔裝藥312.5g(間隔30cm裝1/4支)，線裝藥密度114.5g/m；巖臺(tái)垂直光爆孔間距為30cm，φ25乳化炸藥入孔，單孔裝藥144g(底部1/3支、間隔20cm裝1/8支)，線裝藥密度86.7g/m。

5 支 護(hù)

5.1 支護(hù)型式

巖錨梁共計(jì)分3種支護(hù)型式，砂漿錨桿支護(hù)(巖臺(tái)斜面)、錨噴和錨索支護(hù)(下拐點(diǎn)以下邊墻)、砂漿錨桿支護(hù)(斜面以上邊墻)。巖臺(tái)開挖前預(yù)錨固、巖臺(tái)開挖過程中支護(hù)、巖臺(tái)開挖后系統(tǒng)支護(hù)。

5.2 支護(hù)參數(shù)

巖臺(tái)開挖前預(yù)錨固支護(hù)：砂漿錨桿直徑25mm，L=3m，排距1.5m，豎直方向共計(jì)4排，上部2排水平布置，垂直巖臺(tái)斜面1排，下拐點(diǎn)1排，上部3排有保護(hù)層打入巖臺(tái)中(沉頭錨桿，錨桿孔深度4.5m)，以巖臺(tái)底面為界外露3cm，下拐點(diǎn)錨桿外露5cm，并用2根直徑25mm的鋼筋分別布置于錨桿上下緊貼巖面縱向焊接牢固。由于下游側(cè)巖臺(tái)保護(hù)層巖石破碎，需進(jìn)行清理后再噴C25混凝土，厚5cm。

C層下游側(cè)邊墻預(yù)加固支護(hù)：在下游側(cè)邊墻與C層交接面，布置2排玻璃纖維錨桿，直徑25mm，L=4.5m，間排距1.5m，垂直于C層新生裂隙層面(C層中部拉槽開挖后呈現(xiàn)扇形開裂破壞)，伸入邊墻。

系統(tǒng)支護(hù)：自上而下依次為A、B、C、D四種類型錨桿，A型砂漿錨桿，直徑40mm，L=12m，間距80cm，錨入基巖9.5m；B型砂漿錨桿，直徑40mm，L=12m，間距80cm，錨入基巖9.5m；A、B型錨桿梅花形布置；C型砂漿錨桿，直徑32mm，L=7m，間距160cm，錨入基巖5.5m；D型砂漿錨桿，直徑32mm，L=8m，間距80cm，錨入基巖6.8m。

廠房邊墻系統(tǒng)支護(hù)：預(yù)應(yīng)力砂漿錨桿帶鋼墊板，鋼墊板尺寸200×200×10mm，直徑36mm，L=9m，T=120kN，錨固長度2.5m；普通砂漿錨桿帶鋼墊板，鋼墊板尺寸150×150×10mm，直徑32mm，L=7m，預(yù)應(yīng)力與普通砂漿錨桿間排距1.5m，相間布置。鋼筋網(wǎng)，直徑8mm，間距20×20mm。

5.3 支護(hù)時(shí)機(jī)

巖臺(tái)垂直保護(hù)層開挖完成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，一般12h內(nèi)應(yīng)完成巖錨梁下拐點(diǎn)以下1排砂漿錨桿支護(hù)施工，巖爆特別突出部位需在6～8h后才能支護(hù)，然后進(jìn)行上部3排沉頭錨桿支護(hù)施工。

在巖臺(tái)斜面開挖前應(yīng)完成巖臺(tái)下拐點(diǎn)以下邊墻系統(tǒng)支護(hù)，支護(hù)完成后方可進(jìn)行巖臺(tái)斜面爆破開挖。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)對(duì)比分析，只在完成預(yù)錨固支護(hù)前提下就進(jìn)行巖臺(tái)斜面開挖爆破，對(duì)于地應(yīng)力一般部位可采取此方法，但對(duì)巖爆和片幫突出部位此開挖支護(hù)方法不可取，雖爆破后巖臺(tái)斜面效果較好，但由于系統(tǒng)支護(hù)和邊墻系統(tǒng)支護(hù)的工程量大，支護(hù)資源投入不到位或未組織好現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)施工，將由于支護(hù)滯后導(dǎo)致巖爆和片幫發(fā)生，下拐點(diǎn)以下邊墻出現(xiàn)開裂脫落情況，嚴(yán)重時(shí)將影響巖錨梁巖臺(tái)斜面最終成型效果。

支護(hù)時(shí)機(jī)：根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可在巖臺(tái)斜面開挖完成后進(jìn)行，但對(duì)于高地應(yīng)力地區(qū)，巖爆和片幫頻繁部位必須及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，方能確保巖錨梁最終成型效果，確保施工安全。

6 施工要點(diǎn)

結(jié)合設(shè)計(jì)資料認(rèn)真全面研究地下廠房應(yīng)力分布特征，逐步提高巖爆對(duì)巖錨梁破壞的思想認(rèn)識(shí)，組織設(shè)計(jì)、施工召開開挖前專題會(huì)，提前綜合考慮針對(duì)巖爆突出的預(yù)錨固和支護(hù)措施，盡可能避免應(yīng)對(duì)策略不到位、不及時(shí)情況。

在進(jìn)行巖錨梁層開挖前，應(yīng)根據(jù)上層開挖巖爆地應(yīng)力情況，確定巖錨梁所在開挖層的中部拉槽位置。可根據(jù)上層上下游邊墻應(yīng)力情況確定，上下游邊墻地應(yīng)力基本一致時(shí)，中部拉槽位置在正中間，如上下游邊墻地應(yīng)力情況偏差較大時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整中部拉槽位置，拉槽應(yīng)偏向巖爆較弱一側(cè)邊墻。在中部拉槽完成后，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際查看，巖爆呈扇形輻射。在地應(yīng)力較高施工部位進(jìn)行巖臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，爆破參數(shù)需較經(jīng)驗(yàn)數(shù)值偏小，在此基礎(chǔ)上開展試驗(yàn)，試驗(yàn)前必須在合適位置進(jìn)行圍巖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，用于指導(dǎo)爆破參數(shù)優(yōu)化。由于地應(yīng)力較高，巖爆現(xiàn)象突出，在巖錨梁最后一次保護(hù)層完成后，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行巖錨梁開挖前的預(yù)錨固措施，主要有下拐點(diǎn)沉頭錨桿和斜面玻璃纖維錨桿，在預(yù)錨固措施實(shí)施后再進(jìn)行巖臺(tái)開挖。

巖臺(tái)開挖成型后，在應(yīng)力釋放前必須嚴(yán)格執(zhí)行一炮一支護(hù)，且需注意支護(hù)時(shí)機(jī)，巖石應(yīng)力釋放迅速部位、巖爆頻發(fā)部位6～8h內(nèi)須完成錨桿支護(hù)。前一炮錨桿支護(hù)完成方可允許進(jìn)行下一炮支護(hù)開挖爆破施工。防止出現(xiàn)開挖爆破后巖臺(tái)體型效果較好，但由于未及時(shí)進(jìn)行巖臺(tái)、邊墻支護(hù)，造成開裂脫落，影響巖臺(tái)最終效果，確保施工期間安全。

7 結(jié) 語

高地應(yīng)力地區(qū)進(jìn)行地下廠房巖錨梁開挖，首先進(jìn)行地應(yīng)力分析是非常必要的，在首次中部拉槽爆破后及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖爆和片幫情況進(jìn)行分析，判定上、下游邊墻地應(yīng)力高低，可為下步巖錨梁爆破試驗(yàn)和預(yù)錨固提供直接依據(jù)。進(jìn)行開挖爆破參數(shù)試驗(yàn)是巖錨梁開挖的前提，根據(jù)爆破后巖爆和片幫情況，確定最佳支護(hù)時(shí)機(jī)，才能確保最終巖錨梁開挖成型效果。