河北易縣抽水蓄能電站地下廠房頂拱預(yù)應(yīng)力錨索快速施工研究

柳曉龍,郭智榮,李 超

(1.中國水利水電第四工程局有限公司,西寧 810007;2.中國水利水電第四工程局有限公司第二分局,河北 涿州 072750;3.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

抽水蓄能電站機(jī)組吸出高度大,廠房機(jī)組大部分布置在地下。針對不同圍巖條件,對地下洞室群進(jìn)行支護(hù)設(shè)計,其中廠房頂拱部位易出現(xiàn)頂拱混凝土脫空、振搗不密實、厚度不夠、鋼筋外露等質(zhì)量問題,因此多采用柔性噴錨支護(hù)為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿、預(yù)應(yīng)力砂漿錨桿、無粘結(jié)式錨索等方式進(jìn)行錨定加固[1-3]。預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)含量高,工序繁多復(fù)雜,特別是洞內(nèi)頂拱預(yù)應(yīng)力錨索施工難度大,施工時間長,工序干擾大,質(zhì)量要求高,預(yù)應(yīng)力錨索施工甚至成為影響整個洞室施工進(jìn)度的重要因素之一[2-6]。本文以河北易縣抽水蓄能電站為依托,針對地下廠房頂拱地質(zhì)條件復(fù)雜、施工期安全風(fēng)險突出的特點,從錨索錨固方式、施工工藝與方法等的角度出發(fā),在保證施工質(zhì)量和控制成本的前提下提出地下廠房頂拱預(yù)應(yīng)力錨索快速施工方法,以期為同類抽水蓄能地下廠房錨索施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

河北易縣抽水蓄能電站位于河北省保定市易縣境內(nèi),初擬安裝4臺單機(jī)容量為300 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機(jī),總裝機(jī)容量為1 200 MW,額定發(fā)電水頭354 m。工程為Ⅰ等大(1)型。地下廠房為1級建筑物。地下廠房由安裝場、主機(jī)間和副廠房組成,呈“一”字形布置,斷面形似城門洞,總長173.00 m,下部寬度為25.00 m,上部寬度為25.50 m,最大開挖高度達(dá)到54.50 m。機(jī)組安裝高程為170.00 m。主變室和地下廠房平行布置,兩洞間凈距40 m。根據(jù)工程計劃,預(yù)應(yīng)力錨索按常規(guī)施工技術(shù)將影響項目整體施工進(jìn)度,因此為確保蓄水和提前半年發(fā)電目標(biāo)的實現(xiàn),采用預(yù)應(yīng)力錨索快速施工技術(shù)勢在必行。

1.2 地下廠房復(fù)雜地質(zhì)條件分析

地下廠房布置在輸水系統(tǒng)中部,廠房地表為官座嶺溝,廠房上覆巖體厚度130～200 m。地下廠房圍巖均為燕山期閃長巖,灰黑色,微細(xì)粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖石新鮮,巖質(zhì)堅硬。地下廠房區(qū)域共出露8條斷層破碎帶,寬度在0.1～1.0 m,主要由碎裂巖、蝕變泥組成。其中斷層fc1、fc2、fc3、fc9出露在主廠房頂拱部位;斷層fc6、fc7、fc8出露在主變洞頂拱部位。地下廠房區(qū)域共出露3條節(jié)理密集帶:Jc1、Jc2、Jc3。其中Jc1出露在主廠房頂拱部位;Jc2與Jc3出露在主變洞頂拱部位。地下廠房區(qū)域共發(fā)育12組裂隙。其中主廠房發(fā)育4組裂隙、主變洞發(fā)育8組裂隙。

廠房首層頂拱內(nèi)多處發(fā)現(xiàn)了蝕變現(xiàn)象,主要集中于樁號廠右0+070.00 m～廠右0+137.00 m一帶,廠左0+048.00 m～廠右0+070.00 m一段少見。廠房首層頂拱揭露有4條蝕變帶,分別為Sc1、Sc2、Sc3、Sc5。同時,在斷層fc2、fc3、fc9內(nèi),均有蝕變現(xiàn)象。

地下廠房首層頂拱長度為185 m,根據(jù)圍巖分類結(jié)果,將地下廠房首層頂拱各類巖體所占比例按地質(zhì)編錄圖進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果顯示,Ⅲ類圍巖長度113 m,約占61%;Ⅳ類圍巖長度72 m,約占39%。地下廠房首層頂拱面積為4 623 m2,根據(jù)圍巖分類結(jié)果,將地下廠房首層頂拱各類巖體所占比例按地質(zhì)編錄圖進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果顯示,Ⅲ類圍巖面積為3 358 m2,約占73%;Ⅳ類圍巖面積為1 265 m2,約占27%。

綜合以上分析,地下廠房及主變洞頂拱斷層、節(jié)理密集帶和裂隙發(fā)育,圍巖穩(wěn)定較差,施工期安全風(fēng)險突出,洞頂隨時會出現(xiàn)塌方或不穩(wěn)定體掉落,造成人身傷亡事故,延誤工期。

圖1 地下廠房首層頂拱地質(zhì)編錄

2 洞室預(yù)應(yīng)力錨索快速施工技術(shù)研究

針對易縣抽水蓄能電站地下廠房及主變洞頂拱存在斷層、節(jié)理密集帶、裂隙較多且圍巖穩(wěn)定較差的特點,防止施工期洞頂塌方或不穩(wěn)定體掉落,因此,從預(yù)應(yīng)力錨索快速施工出發(fā),研究預(yù)應(yīng)力錨索型式的選擇和施工方法尤為重要[7-8]。

2.1 預(yù)應(yīng)力錨索型式的選擇

根據(jù)圍巖穩(wěn)定性分析,主要采用柔性噴錨支護(hù)為永久支護(hù)結(jié)構(gòu),采用預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿、預(yù)應(yīng)力砂漿錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索等方式進(jìn)行錨定加固,主廠房開挖支護(hù)見圖2?？紤]到洞頂及洞室兩側(cè)斷層裂隙發(fā)育的特點,預(yù)應(yīng)力錨索施工一定要快速,預(yù)應(yīng)力錨索的錨固型式有粘結(jié)和無粘結(jié)兩種類型。有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力錨索先要對錨索孔洞進(jìn)行預(yù)灌漿,使其形成較為完整孔壁,再進(jìn)行穿索后灌漿,需要兩次灌漿。無粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力錨索鋼絞線外側(cè)包裹層形成自由段,僅在穿索后灌漿一次即可。為了便于快速施工,選擇無粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力錨索。洞室頂拱斷層出露部位的加強(qiáng)支護(hù)選用無粘結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索,錨索L=25 m,錨固段長7 m,設(shè)計張拉力為1 000 kN。

圖2 主廠房洞開挖支護(hù)剖面

2.2 施工方法的研究

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索施工程序如圖3所示:

圖3 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝流程

從施工工藝分析,進(jìn)行快速施工,第一、在地質(zhì)條件差的洞室如何精準(zhǔn)造孔是關(guān)鍵,鉆孔設(shè)備的選擇很重要;第二、錨索安裝方法不能用傳統(tǒng)人工方法,要采用先進(jìn)安裝方法;第三、優(yōu)化漿液的配合比,早期強(qiáng)度高,可縮短張拉時間[9-10]。

(1) 預(yù)應(yīng)力錨索精準(zhǔn)鉆孔方法

鑒于地下廠房頂拱部位斷層較多、圍巖穩(wěn)定性差,使用先進(jìn)的全站儀進(jìn)行測量,精確定位錨索孔位,并將其以紅油漆進(jìn)行清晰的標(biāo)識,以確保錨索鉆孔的精準(zhǔn)度。在造孔過程種,每個孔都應(yīng)該記錄尺寸、斜度、巖石顏色、鉆進(jìn)速度、巖石性質(zhì)和孔深。鉆孔結(jié)束后用高壓水對孔壁進(jìn)行清洗,直至孔口返出清水為止(堆積體、崩積層中鉆孔只用高壓風(fēng)),保證孔內(nèi)巖粉等清除干凈,并用一根聚乙烯管復(fù)核孔深,保證孔內(nèi)無阻塞。一旦孔內(nèi)的清潔工作完成,應(yīng)該立刻向物理探測試驗室發(fā)出通知,以便對5%的孔位進(jìn)行實時拍照、聲波檢查,以ACK其符合規(guī)范,然后再繼續(xù)進(jìn)行下一道工序的施工。為了確保安全,在安裝錨索之前,需要使用填充物臨時封堵。

本工程采用改造一條鉆臂的DW3-180三臂鑿巖臺車進(jìn)行鉆孔(見圖4)。在進(jìn)行鉆孔作業(yè)時,確?？孜黄钚∮诘扔?0 cm,孔斜誤差小于等于孔深的2%,穿錨索誤差小于等于1%。在使用過程中,終孔的深度不得超過設(shè)計深度40 cm,孔徑不小于設(shè)計孔徑10 mm。經(jīng)過實踐,鉆孔設(shè)備的選擇是保證錨索施工順利的關(guān)鍵步驟。

圖4 三臂鑿巖臺車錨索孔鉆孔

(2) 錨索安裝方法的選擇

使用專業(yè)平板運輸車,確保錨索不會暴露于潮濕、雨水或其他有害物質(zhì)而受到破壞。

錨索安裝采用機(jī)械輔助人工進(jìn)行安裝,安裝方法見圖5。在安裝錨索之前,應(yīng)當(dāng)仔細(xì)核實其編號和孔口編號的一致性,并確保其綁定牢固,鎖體和其他配件沒有受到破壞,加強(qiáng)錨索的檢測。使用探孔器再檢查一次巖孔是否塌孔、堵孔,發(fā)現(xiàn)塌孔、堵孔時進(jìn)行處理,孔內(nèi)不得殘留廢渣等污物。將錨索精確地吊裝到孔口,然后使用3 t卷揚機(jī)或者手提葫蘆將其抬起,最后在頂拱錨索孔的兩側(cè)安裝直徑25 mm孔深1.5～2 m的錨桿。通過焊接彎鉤來連接錨桿,然后將定滑輪緊緊地固定在其上,最后,將卷揚機(jī)的鋼絲繩的一端與錨索體緊密捆扎,長度為60～80 cm?？梢酝ㄟ^人工操縱來確保其不會彎曲,保持軸線的一致性,使送索的方向正確。當(dāng)高度上升60～80 cm時,斷開鉛絲,將錨索和牽引鋼絲繩分離。鋼絲繩作為牽引力,安全繩起到了輔助的作用。當(dāng)剩余2～3 m的距離時,使用手提葫蘆將錨索精確地投放到孔中。為了確保錨索的完整性和穩(wěn)定性,在安裝過程中,曲率半徑應(yīng)超過5 m。

圖5 頂拱錨索安裝

(3) 灌漿漿液配合比的優(yōu)化

在錨索體安裝完畢并固定在位之后,使用高壓氣流對其進(jìn)行檢查,確保進(jìn)漿管和回漿管的暢通,進(jìn)漿管灌漿直到回漿管中的漿液完全流出為止。水泥強(qiáng)度必須達(dá)到42.5 MPa以上,水泥漿水灰比控制在0.38～0.45,添加適當(dāng)?shù)奈⑴蛎泟┖驮鐝?qiáng)劑,10 d左右能夠滿足張拉設(shè)計要求。

在灌漿過程中,將漿料注入灌漿管,排氣管上安裝壓力表,以便進(jìn)行有效的循環(huán)灌漿,確?？變?nèi)漿料的充分填充[11]。根據(jù)孔壁圍巖地質(zhì)條件,灌漿壓力需要進(jìn)行精確的測量,將其設(shè)定在0.3 MPa以下,防止壓力過大使裂隙張開。必須嚴(yán)格控制排水和排漿,確?？卓谂懦龅臐{液與注入的漿液的比例相當(dāng),才能夠安全地施工屏漿。屏漿的壓力應(yīng)該控制在0.3～0.4 MPa,而且屏漿的持續(xù)時間也要控制在20～30 min。在灌漿完成后,應(yīng)在漿液凝固之前進(jìn)行補充灌漿。在灌漿過程中進(jìn)行現(xiàn)場取樣,進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢查,從而確定錨索張拉時間。

在注漿完成之前,任何形式的拉伸或移動都是禁止的。在封孔灌漿期間,爆破的質(zhì)點振動速度應(yīng)該在3～7 d保持在不超過1.5 cm/s的范圍內(nèi),錨索注漿區(qū)域內(nèi)不允許進(jìn)行任何爆破活動。當(dāng)注漿強(qiáng)度超過75%時,才能夠繼續(xù)施工,并要求質(zhì)點的振動速度不得超過7 cm/s。

3 結(jié) 論

(1) 選擇施工有效地錨固方式。針對頂拱存在多個斷層及裂隙復(fù)雜地質(zhì)條件,錨固方式選擇了無粘結(jié)錨索,可以減少二次自由段注漿的步驟,保證內(nèi)錨段施工質(zhì)量。

(2) 鉆孔設(shè)備的選擇對于保證項目的順利實現(xiàn)至關(guān)重要。由于對鉆孔精度要求極其嚴(yán)格且施工時間短,考慮巖體的完整性差,施工環(huán)境狹窄,綜合考慮各項參數(shù),最終選擇先進(jìn)鉆孔設(shè)備三臂鑿巖臺車(DW3-180)。

(3) 使用先進(jìn)的錨固技術(shù)來安裝。鑒于頂拱錨索的復(fù)雜性,不能夠僅靠人力操作,需要采用卷揚機(jī)來進(jìn)行,將錨索精確地拉到孔口,使其與孔壁緊密結(jié)合,最終將錨索穩(wěn)固地抬起放置于孔底。

(4) 優(yōu)化錨固漿體配合比。漿液里添加灌漿劑和錨固劑,大幅改善預(yù)應(yīng)力錨索的錨固性能,增強(qiáng)內(nèi)錨段漿液及墊層砂漿的早期強(qiáng)度,大大縮短其等強(qiáng)期,保證了水泥漿或水泥砂漿在28 d內(nèi)具備不低于40 MPa的抗壓強(qiáng)度。

針對易縣抽水蓄能電站地下廠房地質(zhì)條件復(fù)雜、施工環(huán)境狹窄、工期要求緊張的特點,所提出的施工工藝能夠保證頂拱錨索施工質(zhì)量、加快了錨索的施工期,為同類錨索施工起到了借鑒意義。