不良地質(zhì)段地下廠房巖錨梁開挖技術(shù)探究

王淑瑩

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 引 言

巖壁吊車梁簡稱巖錨梁，它借助長錨桿或預(yù)應(yīng)力錨索將鋼筋混凝土梁體固定在巖臺上，通過混凝土、錨桿和巖石的接觸面將梁體承受的全部荷載傳遞到圍巖上[1]。巖壁吊車梁是綜合利用鋼筋混凝土技術(shù)、錨固技術(shù)、光面(預(yù)裂)爆破技術(shù)的產(chǎn)物，是水電站地下廠房系統(tǒng)中一種特殊的結(jié)構(gòu)型式[2]。

20世紀(jì)60—70年代，北歐國家最早將巖錨梁技術(shù)應(yīng)用在水電站地下廠房中。1986年，我國將巖錨梁技術(shù)率先應(yīng)用在魯布革水電站建設(shè)中，開挖質(zhì)量達到預(yù)期效果[3]。與其他結(jié)構(gòu)梁相比，采用巖錨梁技術(shù)有利于圍巖穩(wěn)定，縮小主廠房跨度，加快廠房下部開挖進度，大大縮短施工期限，降低工程造價[4]。由于巖錨梁具有安全性好、經(jīng)濟效益高、承載能力強等特點，該技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用，并取得了較好的應(yīng)用效果。

2 工程概況

烏東德水電站位于四川省會東縣和云南省祿勸縣交界，為目前中國第四、世界第七大水電站，是金沙江下游4個梯級電站中的第一梯級電站[5]。

右岸地下廠房布置在河床側(cè)山體岸坡內(nèi)，洞室埋深210～390m，外側(cè)端墻距岸邊約120m。右岸地下廠房巖體以已灰色中厚—厚層白云巖及灰?guī)r為主。主廠房安裝6臺單機容量為850MW的水輪發(fā)電機組。主廠房的開挖尺寸為333.00m×30.50m(32.50m)×89.80m。巖錨梁通長布置在主廠房第Ⅲ層，巖錨梁橋機軌頂高程為839.70m。巖錨梁巖臺設(shè)計高度為4.1m，頂部設(shè)計寬度為1.0m。

烏東德水電站右岸地下廠房三維布置圖見圖1。

圖1 烏東德水電站右岸地下廠房三維示意圖

3 工程地質(zhì)條件

烏東德水電站右岸地下廠房存在層間附碳質(zhì)薄膜和小夾角巖層等不良地質(zhì)段，地質(zhì)條件差。其中，層間附碳質(zhì)薄膜區(qū)巖面光滑，層間結(jié)合松弛，抗剪強度低，容易發(fā)生滑動、變形、離層脫離等現(xiàn)象，嚴重影響高邊墻的穩(wěn)定和巖錨梁的成型[6]。主廠房巖層走向與洞室軸線相交角度為20°～30°，夾角較小，巖層較薄，施工中容易發(fā)生變形破壞，如片幫、順層剝落、塌落等。開挖后高邊墻因卸荷松弛影響，導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定問題極為突出。主廠房緩傾角節(jié)理、順斷層、B類角礫巖等相對發(fā)育，巖錨梁成型較為困難。

4 巖錨梁開挖施工技術(shù)

4.1 開挖分層分區(qū)分塊

根據(jù)工程地質(zhì)條件、施工通道、施工機械設(shè)備的性能等因素進行主廠房的分層分區(qū)分塊開挖。主廠房第Ⅰ層為頂拱層，高程為855.0～845.0m，分層高度為10.0m；第Ⅱ?qū)痈叱虨?45.0～841.5m，分層高度為3.5m；巖錨梁開挖層位于第Ⅲ層，高程為841.5～831.9m，分層高度為9.6m。為了保證巖錨梁的開挖質(zhì)量，將主廠房第Ⅲ層進一步細化、調(diào)整分層分區(qū)。

巖錨梁開挖分層分區(qū)見圖2。

圖2 巖錨梁開挖分層分區(qū)示意圖(尺寸單位：cm)

4.2 巖錨梁開挖施工程序

結(jié)合圖1所示，巖錨梁開挖施工程序為：①區(qū)中槽預(yù)裂施工→①區(qū)中間拉槽開挖→②區(qū)、③區(qū)保護層梯段開挖→④區(qū)中間拉槽開挖→⑤區(qū)、⑥區(qū)、⑦區(qū)保護層依次開挖→⑧區(qū)巖錨梁巖臺開挖及支護施工→第Ⅳ層預(yù)裂施工。

4.3 巖臺仿真爆破試驗

仿真爆破試驗是為了獲取爆破最大單響藥量，優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)，減少爆破對巖壁梁保留巖體的擾動；根據(jù)爆破試驗效果分析研究爆破振動衰減傳爆規(guī)律，控制開挖質(zhì)點振動速度，使巖錨梁爆破開挖質(zhì)量達到最佳效果[7]。爆破試驗流程為：選擇爆破試驗位置→布設(shè)爆破試驗測點→采集爆破試驗數(shù)據(jù)→整理分析爆破試驗數(shù)據(jù)→優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)→下一循環(huán)。

為了獲取巖錨梁巖臺爆破參數(shù)，按照模擬比例1 ∶1進行爆破試驗，每次爆破試驗段長約10m，每段進行兩次爆破試驗，并根據(jù)工程地質(zhì)條件的不同和每段爆破后的效果及時優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)。為了進一步研究爆破后影響的松弛深度，布置兩組聲波孔在模擬巖臺部位和模擬直立邊墻部位，以3孔為1組，布孔深度為3m，布孔間距為1.5m，在巖臺面垂直布置，直立邊墻部位下傾10°布置。穿過模擬試驗區(qū)聲波孔均可進入待開挖巖體內(nèi)。通過分析模擬試驗監(jiān)測點爆破飛石的最大距離、圍巖表面的爆破裂隙、圍巖變形、殘孔痕跡等，及時優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)，最終達到理想爆破效果、獲得爆破的最優(yōu)參數(shù)[8]。

聲波孔布置見圖3。

圖3 聲波孔布置示意圖(尺寸單位：cm)

4.4 巖錨梁開挖施工方法

4.4.1 巖錨梁①區(qū)施工

巖錨梁①區(qū)采用中間拉槽施工，先進行①區(qū)兩側(cè)預(yù)裂爆破施工，然后進行梯段爆破施工。采用D7液壓鉆機鉆孔，梯段爆破開挖高度為5.5m，梯段爆破開挖寬度為12.0m。

4.4.2 巖錨梁②區(qū)施工

巖錨梁②區(qū)施工為第一次保護層開挖，采用梯段爆破開挖方式，開挖采用D7液壓鉆機鉆孔，梯段爆破開挖高度為5.5m，單側(cè)梯段爆破開挖寬度為5.25m。②區(qū)梯段爆破施工前先進行②區(qū)和③區(qū)之間的預(yù)裂爆破施工。②區(qū)梯段爆破施工滯后①區(qū)拉槽開挖約30m。

4.4.3 巖錨梁③區(qū)施工

巖錨梁③區(qū)為巖錨梁外側(cè)保護層第一層，③區(qū)與巖臺分界處采用光面爆破。光面爆破炮孔和垂直孔采用YT-28手風(fēng)鉆鉆設(shè)，開挖高度為4.0m，單側(cè)開挖寬度為4.0m，③區(qū)巖錨梁外側(cè)保護層第一層施工滯后②區(qū)保護層30m。

4.4.4 巖錨梁④區(qū)施工

巖錨梁④區(qū)采用中間拉槽施工，先進行④區(qū)兩側(cè)預(yù)裂爆破施工，然后進行梯段爆破施工。采用D7液壓鉆機鉆孔，梯段爆破開挖高度為4.1m，梯段爆破開挖寬度為12.0m。待①區(qū)中間拉槽結(jié)束后方可進行④區(qū)中間拉槽施工，④區(qū)施工滯后③區(qū)30m。

4.4.5 巖錨梁⑤區(qū)施工

巖錨梁⑤區(qū)施工為第二次保護層開挖，采用梯段爆破開挖方式，開挖采用D7液壓鉆機鉆孔，梯段爆破開挖高度為4.1m，單側(cè)梯段爆破開挖寬度為5.25m。⑤區(qū)梯段爆破施工前先進行⑤區(qū)和⑥區(qū)之間的預(yù)裂爆破施工。⑤區(qū)梯段爆破施工滯后④區(qū)拉槽開挖約30m。

4.4.6 巖錨梁⑥區(qū)施工

巖錨梁⑥區(qū)為巖錨梁外側(cè)保護層第二層，⑥區(qū)與巖臺分界處采用光面爆破。光面爆破炮孔和垂直孔采用YT-28手風(fēng)鉆鉆設(shè)，開挖高度為3.0m，單側(cè)開挖寬度為4.0m。⑥區(qū)巖錨梁外側(cè)保護層第二層施工滯后⑤區(qū)保護層30m。

4.4.7 巖錨梁⑦區(qū)施工

巖錨梁⑦區(qū)為巖錨梁外側(cè)保護層第三層，⑦區(qū)與設(shè)計邊線處采用光面爆破。光面爆破炮孔和垂直孔采用YT-28手風(fēng)鉆鉆設(shè)，開挖高度為2.6m，單側(cè)開挖寬度為4.0m。⑦區(qū)巖錨梁外側(cè)保護層第二層施工滯后⑥區(qū)保護層30m。

4.4.8 巖錨梁⑧區(qū)施工

巖錨梁⑧區(qū)施工為巖錨梁巖臺開挖區(qū)，采用豎直孔和斜孔相結(jié)合方式開挖，采用YT-28手風(fēng)鉆鉆設(shè)豎直孔和斜孔。豎直孔鉆孔孔距30cm、孔深300cm、單孔裝藥量約450g，斜孔鉆孔孔距30cm、孔深180cm、單孔裝藥量約250g。

4.5 開挖成型關(guān)鍵技術(shù)措施

4.5.1 超前預(yù)固結(jié)灌漿技術(shù)

根據(jù)巖錨梁巖性特征和不良地質(zhì)段的情況，在巖臺外側(cè)4m厚的保護層開挖前進行超前預(yù)固結(jié)灌漿。采用高壓水沖洗保護層巖面后，噴射厚度15cm的C25混凝土將巖面封閉[9]。預(yù)固結(jié)灌漿孔垂直于保護層巖面鉆設(shè)布置，灌漿孔布置間距為2m、排距為2m、孔徑為76mm、孔深為10m。灌漿材料為高抗硫酸鹽水泥，分兩序兩段進行預(yù)固結(jié)灌漿。灌漿段長度分別為3m、7m，灌漿壓力分別控制在0.3～0.5MPa、0.8～1.2MPa。預(yù)固結(jié)灌漿見圖4。

圖4 預(yù)固結(jié)灌漿示意圖(尺寸單位：m)

4.5.2 超前預(yù)錨固錨桿技術(shù)

毋庸諱言，面對全球化、現(xiàn)代化的急速發(fā)展，鄉(xiāng)村社會的自然生態(tài)與人文傳統(tǒng)是脆弱的，由此在當(dāng)下呈現(xiàn)出普遍凋零趨勢，但村落畢竟是中國傳統(tǒng)文化的重要承載地，村民是絕不可輕忽的文化傳承主體，何況鄉(xiāng)村社會的良好發(fā)展乃是國家長治久安的基礎(chǔ)，其中所積淀的傳統(tǒng)智慧對于人類未來發(fā)展彌足珍貴。村落民俗志書寫，是中國近現(xiàn)代學(xué)術(shù)譜系中的重要傳統(tǒng)，在當(dāng)下具有特殊意義。筆者提倡以學(xué)者與民眾的視域融合，促進村落民俗志的書寫實踐，其意在此。我認為，其中有如下三個方面值得特別注意：

在巖臺外側(cè)4m厚的保護層巖面上鉆設(shè)傾斜向和垂直向錨桿孔，并安設(shè)超前預(yù)錨固錨桿。在巖錨梁巖臺的每個橫斷面上分別布置一根上仰25°的錨桿、一根上仰15°的錨桿、一根垂直于保護層巖面的錨桿[10]。錨桿直徑為25mm，鉆孔深度為7.0～8.5m，入巖深度3.0m，軸向間距1.5m。預(yù)錨固錨桿布置見圖5。

圖5 預(yù)錨固錨桿布置示意圖

4.5.3 小夾角層面控制技術(shù)

為保證小夾角層面高邊墻的穩(wěn)定，按照“薄層開挖，隨層支護”的原則進行開挖支護。圍巖支護張拉錨桿按1.5m×1.5m進行布置，選用長度L=9.0m、直徑為32mm的錨桿。開挖控制層高在4.0m以內(nèi)，緊跟掌子面進行隨機支護，系統(tǒng)支護與掌子面間距不得大于15m，錨索支護需在一個月內(nèi)完成。不良地質(zhì)部位進行專門的爆破設(shè)計，優(yōu)化爆破參數(shù)。小夾角層面部位最大單響藥量控制在20kg以內(nèi)。

4.5.4 B類角礫巖支護控制技術(shù)

為了有效抑制B類角礫巖引起的松弛卸荷及表面開裂淺層圍巖變形現(xiàn)象，及時進行系統(tǒng)支護(系統(tǒng)錨桿長9m)和噴射混凝土等施工。根據(jù)地質(zhì)條件、塊體埋深及方量等調(diào)整增加錨桿，必要時為了抑制深層圍巖變形可布置預(yù)應(yīng)力錨索予以加固。

結(jié)合圖1所示，爆破挖除巖錨梁4m保護層后巖錨梁巖臺寬度不利于巖臺豎向孔鉆孔施工。因此，巖臺豎向孔的鉆孔施工應(yīng)在4m保護層爆破前完成。為了防止4m保護層爆破碎石堵塞巖臺豎向孔，或因爆破擾動后引起巖臺豎向孔塌孔，在巖臺豎向孔鉆孔結(jié)束后及時安裝直徑40mm的PVC管進行護壁[11]。在巖錨梁巖臺爆破時，PVC管起到緩沖作用，有效阻止瞬間巨大的爆破沖擊力釋放到廠房邊墻上，確保巖錨梁施工安全。

4.5.6 巖錨梁巖臺下拐點預(yù)支護技術(shù)

巖錨梁部位地質(zhì)條件較差，容易發(fā)生滑動、變形、巖壁松弛現(xiàn)象，為提高圍巖的穩(wěn)定性和巖錨梁成型質(zhì)量，應(yīng)對巖錨梁巖臺下拐點部位巖體進行預(yù)支護處理。為了鎖定加固巖錨梁巖臺下拐點部位巖體，具備施工條件后提前施工巖錨梁下拐點以下系統(tǒng)錨桿，并同步將∠63×63×5的護角角鋼安裝在距巖錨梁最近的一排錨桿上。角鋼的一面滿焊在系統(tǒng)錨桿上，角鋼的另一面緊貼在巖壁上，并將巖壁與角鋼之間的縫隙用M10水泥砂漿填滿[12]。

5 巖錨梁開挖效果

烏東德水電站右岸地下廠房不良地質(zhì)段巖錨梁開挖界面不平整度為9.2cm，開挖半孔保存率達85%以上，平均超挖為9.8cm，無欠挖，工程質(zhì)量優(yōu)良。經(jīng)質(zhì)點爆破振動監(jiān)測，爆破區(qū)域最大質(zhì)點振動均小于3cm/s，屬于合理爆破施工。

巖錨梁開挖效果圖見圖6。

圖6 巖錨梁開挖效果圖

6 結(jié) 語

巖錨梁開挖是水電站地下廠房開挖過程中非常重要的施工內(nèi)容，也是最為關(guān)鍵且難度最大的環(huán)節(jié)。烏東德水電站右岸地下廠房存在層間附碳質(zhì)薄膜、小夾角巖層、緩傾角節(jié)理、順斷層、B類角礫巖、塊體等地質(zhì)問題，加大了開挖施工難度。為了減小爆破振動，開挖過程中合理精細化分層分區(qū)分塊，在巖臺仿真爆破試驗的基礎(chǔ)上，不斷調(diào)整優(yōu)化爆破參數(shù)，并通過采取一系列的開挖成型關(guān)鍵技術(shù)措施，保證了不良地質(zhì)段巖錨梁成型質(zhì)量，值得在類似工程中推廣應(yīng)用。