側(cè)向預(yù)支護(hù)技術(shù)預(yù)防巖爆的應(yīng)用

宋尚榮，周永娜，鄧雪芹，靳宇翔

（中國水利水電第六工程有限公司西南分局，四川西昌615704）

0 引言

地下廠房是水電站地下洞室群的核心洞室，它不僅跨度大，邊墻高，而且上下游有多條平行洞室（引水隧洞、母線洞、尾水隧洞）與廠房大角度交叉連通，各平行洞室間巖柱間隔較薄。地下廠房的開挖施工順序和方法是自上而下分層開挖、支護(hù)緊隨開挖進(jìn)行，與廠房相連通的洞室隨著對應(yīng)的開挖層同時開挖和支護(hù)，這些洞室以及廠房頂拱層以下的開挖施工，均對廠房頂拱產(chǎn)生不良影響，因此，地下廠房頂拱的施工對整個地下廠房區(qū)域的穩(wěn)定極其重要。

官地水電站是雅礱江卡拉至江口河段水電規(guī)劃五級開發(fā)方式的第三個梯級電站，引水發(fā)電系統(tǒng)工程廠房為右岸地下式廠房，位于斜坡應(yīng)力集中帶（緊密擠壓帶）以內(nèi)，置于新鮮的P2β15-1層斑狀玄武巖和P2β15-1角礫集塊熔巖中，總體巖石堅硬，且耐久性甚高，節(jié)理多，具有脆性，最大埋深達(dá)287.0 m，圍巖最大主應(yīng)力σ1達(dá)到39.63 MPa。如何保證官地水電站地下廠房頂拱開挖的穩(wěn)定也就成了地下廠房開挖施工的重點。

1 地質(zhì)條件

主廠房中導(dǎo)洞已開挖完成，揭示的巖性為二疊系上統(tǒng)玄武巖下段角礫集塊熔巖（P2β15-1），為灰綠色；角礫大小 3～5 cm，集塊 10～15 cm，巖石堅硬，裂隙不大發(fā)育，巖體完整性較好，巖體呈微～新鮮狀態(tài)。

1）錯動帶。主要發(fā)育 5 組：①N30°～60°W/NE∠70°～90°，②N20°～25°W/SW∠30°～45°，③EW/N∠65°～70°，④N20°～55°，E/SE∠30°～45°，⑤N60°～70°E/NW∠15°～20°或 75°～80°，共 15 條錯動帶。

2）節(jié)理。主要發(fā)育 6 組：① EW/N∠80°～85°，②EW/N∠10°～25°，③N10°～50°W/SW 或 NE∠20～450，④N50°～70°E/SE∠70°～80°，⑤N10°～20°W/NE∠15°～300，⑥N20°～300E/SE∠30～450。

6組節(jié)理和5組錯動帶在廠房頂拱不同部位構(gòu)成不利組合，使頂拱存在不穩(wěn)定塊體。以樁號廠橫0+30—0+70 m、廠橫0+85—0+145 m和廠橫0+175—0+195 m段較為突出，易發(fā)生巖爆、塌方等地質(zhì)災(zāi)害。

2 工程特性

1）施工組織、質(zhì)量控制難度大。廠房頂拱開挖工期緊，施工強(qiáng)度大。

2）圍巖穩(wěn)定和施工安全問題突出。廠房跨度大，頂拱平順，陡傾角、緩傾角巖層、錯動帶和裂隙發(fā)育，存在潛在不穩(wěn)定塊體，開挖中可能遇到巖爆和承壓水。

3）爆破振動控制要求嚴(yán)。DL/T 5099-1999《水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定水工隧洞允許爆破質(zhì)點振動速度僅為10 cm/s，如不嚴(yán)格控制爆破最大單響藥量，勢必對圍巖造成較為嚴(yán)重的影響。

4）開挖質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求高。開挖輪廓線符合設(shè)計斷面尺寸，不允許存在欠挖，平整度不超過10 cm。殘留炮孔痕跡應(yīng)在開挖輪廓面上均勻分布，炮孔痕跡保存率：完整巖石80%以上，較完整和完整性差的巖石不少于50%，較破碎和破碎巖石不少于20%；相鄰兩孔間的巖面平整，孔壁沒有明顯的爆破裂隙；相鄰兩茬炮之間的臺階不大于10 cm。

3 側(cè)向預(yù)支護(hù)施工

地下廠房頂拱廠橫0+172—0+152 m、0+115—0+065 m、0+060—0+030 m、0+050—0+080 m 段為角礫集塊熔巖（P2β15-1），錯動帶和節(jié)理發(fā)育較多，在廠房不良地質(zhì)段頂拱至拱肩部位構(gòu)成不利組合，從而危及廠房頂拱穩(wěn)定，使頂拱擴(kuò)挖期間存在安全隱患，施工難度大，工期壓力更大。另外樁號廠橫0+190—0+160 m上游側(cè)由于上述原因已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，隨時有垮塌的可能。

為了確保圍巖穩(wěn)定及施工安全，該工程施工中采用“側(cè)向超前錨桿支護(hù)”方法：廠房第一層中導(dǎo)洞頂拱高程1 243.30 m，層高8 m，根據(jù)開挖后揭露的巖石情況，選取在不良地質(zhì)段頂拱兩側(cè)擴(kuò)挖前，在其靠中導(dǎo)洞一側(cè)的巖面上施打垂直于節(jié)理和裂隙的超前錨桿，提前對不良地質(zhì)擴(kuò)挖段頂拱進(jìn)行錨固，然后再進(jìn)行該部位擴(kuò)挖施工的一種側(cè)向預(yù)支護(hù)措施。

而對不良地質(zhì)段處理的關(guān)鍵是超前支護(hù)、對圍巖進(jìn)行預(yù)約束力，保證圍巖的穩(wěn)定，防止巖爆的發(fā)生。開挖前，沿節(jié)理和裂隙在掌子面的出露位置合力布置超前錨桿（見圖1），待對不良地質(zhì)段側(cè)向超前錨桿支護(hù)完成后，再進(jìn)行掌子面的鉆孔作業(yè)，保證人員及設(shè)備的安全，也縮短直線工期。圖1中，空白部分代表已開挖部分，陰影為未開挖部分，空白部分與陰影部分的交接面即為掌子面。

側(cè)向超前錨桿宜采用早強(qiáng)砂漿錨桿，長度為9.0 m（頂拱單側(cè)擴(kuò)挖寬度為11.55 m），采用三臂液壓鉆機(jī)鉆孔，其施工工藝同普通砂漿錨桿。采用此方法能及時更好地對不良地質(zhì)段頂拱圍巖進(jìn)行約束，確保圍巖穩(wěn)定及擴(kuò)挖成型。先注漿后插錨桿施工工藝流程，見圖2。

圖1 掌子面超前錨桿遇節(jié)理布置圖m

圖2 錨桿施工工藝流程圖

3.1 預(yù)應(yīng)力錨桿施工

由于官地水電站廠房處于高地應(yīng)力區(qū)，最大埋深達(dá)287 m，最大主應(yīng)力量值達(dá)39.63 MPa，應(yīng)力相對集中，在施工中易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，很難成型。頂拱支護(hù)由于普通砂漿錨桿支護(hù)時砂漿的自重，導(dǎo)致注漿不密實，因此，為了避免廠房頂拱出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象及較好成型，采用“風(fēng)槍注漿法”進(jìn)行頂拱預(yù)應(yīng)力錨桿施工。

將錨桿支護(hù)型式由普通砂漿錨桿改變?yōu)長=9.0 m，T=120 kN預(yù)應(yīng)力錨桿。因采用普通砂漿錨桿不能快速起到錨固與拉應(yīng)力約束作用，且?guī)r體應(yīng)力調(diào)整速度快于普通砂漿錨桿起到錨固作用的時間，而速凝預(yù)應(yīng)力錨桿可以快速對拉應(yīng)力區(qū)巖體產(chǎn)生約束作用，降低處于拉應(yīng)力區(qū)的表面巖體的拉應(yīng)力，避免巖爆及圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

預(yù)應(yīng)力錨桿總長9 m，其中錨固段長3 m，張拉段長6 m。錨固段采用速凝型錨固劑，張拉段采用緩凝型錨固劑。預(yù)應(yīng)力錨固是把錨桿埋入巖層內(nèi)部進(jìn)行預(yù)加應(yīng)力的施工技術(shù)，是傳遞主體結(jié)構(gòu)的支護(hù)應(yīng)力至深部穩(wěn)定巖層的主動支護(hù)。預(yù)應(yīng)力錨桿張拉斷頭部設(shè)置墊板、半球形墊圈、高強(qiáng)螺母、墊板為150 mm×150 mm×30 mm（長×寬×厚）鋼板，半球形墊板需購買與鋼筋規(guī)格相配套的產(chǎn)品。注漿前錨固劑須用水浸泡，泡至不泛氣泡為止。預(yù)應(yīng)力錨桿鉆孔驗收完成后，利用風(fēng)槍裝水泥卷，先裝速凝卷，后裝緩凝卷，之后進(jìn)行錨桿的安裝，預(yù)應(yīng)力錨桿安裝時墊板、半球形墊圈、螺母隨同錨桿一同安裝，以便準(zhǔn)確地控制錨桿入巖長度。張拉采用穿心式千斤頂、拉伸機(jī)、扭力扳手等機(jī)具進(jìn)行張拉，張拉前應(yīng)對張拉設(shè)備進(jìn)行率定。張拉過程中保持錨桿軸向受力，在托盤和螺帽之間設(shè)置半球形墊圈。正式張拉前，取20%設(shè)計張拉荷載，對其預(yù)張拉1～2次，使其各部位接觸緊密。正式張拉時，先張拉設(shè)計荷載的105%～110%，再按規(guī)定值進(jìn)行鎖定。預(yù)應(yīng)力錨桿鎖定后48 h內(nèi)，若發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失大于錨桿設(shè)計值的10%時，進(jìn)行補(bǔ)償張拉。張拉力的大小必須滿足設(shè)計要求，張拉錨桿擰緊螺帽的扭距不小于100 N·m，以保證其對圍巖的錨固效果。

預(yù)應(yīng)力錨桿作用方式一般有3種：

1）自承拱作用。錨桿安設(shè)鎖緊后，錨桿集中應(yīng)力以45°壓力分布線傳遞至支護(hù)結(jié)構(gòu)物上，在預(yù)應(yīng)力作用下，圍巖產(chǎn)生壓縮，可使松散圍巖在錨索的彈性壓縮下形成“自承拱”，提高了圍巖的整體性和抵抗力，增加其強(qiáng)度，其它力學(xué)性能也會得到改善，有效地控制了圍巖的有害變形的發(fā)展，增大了圍巖的穩(wěn)定程度。

2）組合梁作用。組合梁作用就是錨桿穿過層狀巖層，使巖層層面和層理之間的摩擦力增大，增強(qiáng)圍巖的整體性，阻止巖層間的分離、位移，提高巖層的抗彎強(qiáng)度。

3）懸吊作用。懸吊作用就是錨桿把不穩(wěn)定巖塊吊掛在穩(wěn)定巖體上，限制不穩(wěn)定巖塊的位錨桿準(zhǔn)備移，防止脫落。預(yù)應(yīng)力錨桿工藝流程：施工準(zhǔn)備鉆孔孔深，偏差值檢查清孔錨固劑安裝預(yù)應(yīng)力錨桿安裝孔口找平、安裝鋼墊板、螺母張拉，鎖定。

3.2 超前自進(jìn)式錨桿支護(hù)

揭露出來的一些不良地質(zhì)段巖石破碎，穩(wěn)定性差，在施工中無法成孔、成孔率低、卡鉆、塌孔嚴(yán)重等增大施工難度，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，塌孔錨桿安裝困難，施工無法正常進(jìn)行，為保證施工進(jìn)度及施工安全，采用超前自進(jìn)式錨桿支護(hù)，自進(jìn)式中空注漿錨桿效果比砂漿錨桿明顯，避免了裂隙水的滲流造成巖體不穩(wěn)定、塌滑，經(jīng)自進(jìn)式中空注漿錨桿處理后，巖體的穩(wěn)定性明顯加強(qiáng)。其施工工藝流程如圖3所示。

圖3 自進(jìn)式（中空注漿）錨桿施工工藝流程框圖

1）錨桿造孔。錨桿對準(zhǔn)設(shè)計的錨孔位置，鑿巖機(jī)應(yīng)先給水，然后鉆進(jìn)。在破碎巖中鉆進(jìn)時，鉆頭的水孔易堵塞，因此鉆進(jìn)時應(yīng)放慢鉆進(jìn)速度，多回轉(zhuǎn)，少沖擊，注意水從鉆孔中流出的狀況，若有水孔堵塞的現(xiàn)象，應(yīng)后撤錨桿500 mm左右，并反復(fù)掃孔，使水孔暢通，然后慢慢推進(jìn)，直到設(shè)計深度。鉆進(jìn)至設(shè)計深度后，用水或空氣洗孔，檢查鉆頭上的孔是否暢通，然后將錨桿從鉆機(jī)連接套上卸下，用鋼管將止?jié){塞通過錨桿外露端打入孔口100 mm左右作為封孔進(jìn)行注漿，如注漿壓力較大或圍巖較為破碎，也可采用錨固劑封孔。

2）錨桿注漿。注漿時，迅速將錨桿和注漿管及泵用快速接頭連接好，開動泵注漿，整個過程應(yīng)連續(xù)灌注一次完成，觀察漿液從止?jié){塞邊緣流出或壓力表達(dá)到設(shè)計值，即可停泵。若注漿過程中，出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，應(yīng)及時清理錨桿、注漿軟管和泵，此時若泵的壓力表顯示有壓，應(yīng)反轉(zhuǎn)電機(jī)1～2 s卸壓，方可卸下各接頭，電機(jī)反轉(zhuǎn)時間必須短暫。

3.3 巖爆的預(yù)防

巖爆的成因主要取決于地質(zhì)條件，巖體中較高的地應(yīng)力條件和施工觸發(fā)因素。為減輕巖爆的危害，以及防止巖爆的發(fā)生，很重要的一點就是在洞室開挖前對洞室圍巖進(jìn)行超前錨桿支護(hù)措施，這樣不僅可以及時對圍巖進(jìn)行預(yù)約束力改變了應(yīng)力大小的分布，還能使洞室周邊的巖體從平面應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)榭臻g三向應(yīng)力狀態(tài)，從而達(dá)到減輕巖爆危害的目的，還能起到防護(hù)作用，防止巖石彈射和剝落造成事故。通過對不良地質(zhì)段進(jìn)行側(cè)向超前錨桿支護(hù)，實踐證明，該方法對預(yù)防巖爆有較好效果，避免了圍巖大面積失穩(wěn)。錨桿主要安裝在可能發(fā)生巖爆和巖爆頻繁發(fā)生的部位，安裝方向應(yīng)盡量垂直洞壁面和開挖面。巖爆嚴(yán)重地段錨桿應(yīng)加托板。錨桿安裝的時間，對于放炮后拱部即發(fā)生巖爆的區(qū)段，應(yīng)在該循環(huán)放炮時在開挖面邊緣沿開挖方向打斜向上的超前錨桿，放炮后再及時增加垂直洞壁錨桿；對于滯后型巖爆，可在放炮出渣后在可能發(fā)生的巖爆部位安裝垂直洞壁錨桿。巖爆洞段初期安全支護(hù)后，在有條件的情況下，應(yīng)及時跟進(jìn)二次永久支護(hù)，以免該洞段因暴露時間過長而重新出現(xiàn)二次巖爆現(xiàn)象。

3.4 質(zhì)量控制

1）錨桿應(yīng)在開挖后盡快安設(shè)，鉆孔應(yīng)圓而直，其孔徑和深度按設(shè)計施工。

2）錨桿應(yīng)盡量早強(qiáng)。

3）在漿液終凝之前，不得敲擊、碰撞或施加任何其它荷載。

4）錨桿材質(zhì)的加工質(zhì)量必須符合設(shè)計要求。

4 側(cè)向預(yù)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用效果

主副廠房總長243.44 m（廠橫0-45.82～0+197.62）、拱座跨距31.1 m，根據(jù)在1 228 m高程以上頂拱與拱座布置有8個監(jiān)測斷面共42套監(jiān)測儀器，其中多點位移計24套（四點式13套）、二點式錨桿應(yīng)力計18套，所有監(jiān)測儀器全部安裝埋設(shè)完成。

取典型斷面，分別在廠橫0+160.0 m斷面、廠橫0+114.0 m斷面和廠橫0+038.0 m斷面布置3套多點位移計，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示以下結(jié)果：

1）廠橫0+160.0 m斷面

從位移計收斂量測結(jié)果得出測線變形趨于明顯，基本趨于穩(wěn)定，累計收斂值為12 mm；位移收斂速率趨勢明顯，其值較?。晃灰剖諗考铀俣炔▌幼兓?guī)律明顯，其值較小。

該多點位移計為預(yù)埋，孔口位于勘探洞Xd60/高程1 243.42 m勘探洞內(nèi)，最大埋深24.5 m，監(jiān)測拱座變形。由監(jiān)測資料可知：預(yù)埋于該斷面上游拱座的多點位移計M31受拱座的擴(kuò)挖爆破的影響，各錨點位移測值呈增大變化，擴(kuò)挖期間累計位移為4.04 mm，變化速率為0.02 mm/d，隨頂拱二期支護(hù)形成后，該多點位移計M31目前位移變化平穩(wěn)。

2）廠橫0+114.0 m斷面

從位移計及應(yīng)力計測結(jié)果得出測線變形趨于明顯，基本趨于穩(wěn)定應(yīng)力值趨于200 MPa；位移收斂速率趨勢明顯，其值較?。晃灰剖諗考铀俣炔▌幼兓?guī)律明顯，其值較小。

頂拱開挖期間，頂部多點位移計M47孔口位移為0.68 mm，變化速率為0.01 mm/d，該部位位移變化最大是下游拱座多點位移計M33-1孔口位移為7.37 mm，變化速率為0.03 mm/d，應(yīng)力變化最大是頂部錨桿應(yīng)力計R25受上、下游拱座擴(kuò)挖爆破的影響，埋深2.5 m的測點應(yīng)力變化較大，測值由2007年12月10日取得初始值到2008年1月7日應(yīng)力值已達(dá)到251.87 MPa，變形速率為9.32 MPa/d，隨該部位支護(hù)施工完成后時測值相對減緩，應(yīng)力變化已有所減緩，至廠房開挖施工結(jié)束時應(yīng)力值為223.75 MPa。

3）廠橫0+038.0 m斷面

從位移計及收斂量測結(jié)果得出測線變形趨于明顯，基本趨于穩(wěn)定，位移變化，應(yīng)力值趨于40 MPa；位移收斂速率趨勢明顯，其值較??；位移收斂加速度波動變化規(guī)律明顯，其值較小。

從監(jiān)測資料分析：該剖面在拱座擴(kuò)挖期間受到的影響較小，目前圍巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在實際開挖支護(hù)過程中，安裝了側(cè)向超前錨桿段的開挖多點位移計與錨桿應(yīng)力計的度數(shù)變化均較小，充分的證明側(cè)向超前錨桿對開挖過程中不良地質(zhì)段圍巖的穩(wěn)定起到了重大作用。

5 結(jié)語

地下廠房頂拱施工至今，通過長時間的穩(wěn)定性觀測，并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，巖體變形主要受拱座擴(kuò)挖爆破的影響所致，且頂拱開挖期間變形主要發(fā)生在0～2.5 m間，屬淺層表面變形。在施打側(cè)向超前錨桿后位移值變化減緩，圍巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。從而說明，側(cè)向超前錨桿在頂拱的開挖、支護(hù)中的應(yīng)用是滿足施工和設(shè)計要求的，達(dá)到預(yù)期的目的。

［1］DL/T5099—1999，水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社.

［2］劉曉鵬.超前錨桿施工技術(shù)在田灣河工程中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2006，37（6）：74-75.