“先錨后挖”施工工藝在高地應力壩基開挖中的研究和應用

殷本林，喬介平，張 宇

(1.中國水利水電第七工程局有限公司第二分局，四川成都 611730;2.雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都 610051)

1 前 言

隨著國家西部大開發，水電工程向高海拔和高峽谷地區轉移，而高陡窄深的河谷高差極大，在峽谷底部形成天然的高地應力區。在壩基開挖過程將致使邊坡體型變化，巖體應力重分布，卸荷調整和損傷破壞等，且建基面在開挖后長期暴露，在應力釋放及重力卸荷等綜合因素作用下，易發生卸荷回彈、松弛破壞，使巖體不能滿足拱壩建基面的要求。我國已建的拉西瓦水電站、二灘水電站、小灣水電站等高拱壩在建基面開挖時均存在由于高地應力巖體卸荷造成建基面回彈松動和剪切錯動，甚至出現巖爆現象，造成建基面不得不大面積二次開挖、固結灌漿及重復錨筋施工，致使施工工期延后和施工成本大量增加。通過創新提出“先錨后挖”施工工藝，并在錦屏一級水電站左岸高地應力、復雜地質環境下高陡邊坡壩基開挖中進行研究和試驗，已成功運用于工程施工，取得了良好的效果。

2 工程概況

錦屏一級水電站拱壩壩高305m，為世界第一高拱壩，壩址區為典型的深切河谷，左岸壩肩自然邊坡坡高超過1 000m，開挖后壩肩從2 120m高程至1 580m高程，形成540m的高邊坡，開挖量達550萬m3。左岸開挖邊坡主要為大理巖，斷層、裂縫發育，地質條件復雜，是目前水電工程開挖高度最高、開挖規模最大、穩定條件最差的邊坡工程之一(見圖1)。

經探測，左岸壩基部位餅狀巖芯現象嚴重，地應力普遍達到30MPa以上，接近壩基底部1 630m高程以下應力均達到40～60MPa(見圖2)。高地應力開挖施工成為大壩左岸壩基開挖的巨大難題。

3 “先錨后挖”施工工藝研究

3.1 施工工藝

針對錦屏一級水電站大壩左岸存在的高地應力壩基開挖，以及已建工程施工中采取的“先挖后錨”施工工藝的不足，創新提出采用“先錨后挖”的施工工藝進行壩基開挖施工。

“先錨后挖”施工工藝為在高地應力壩基保護層開挖前采用施工預裂等方式預留適當厚度的保護層，在保護層外側對建基面巖體采用埋入式錨桿或者錨筋束進行預支護，并預埋監測儀器監控保護層開挖后圍巖變形情況及錨桿受力情況。在埋入式錨桿或者錨筋束達到設計強度要求并與建基面巖體形成牢固整體后進行保護層的開挖。在開挖后預先施工的埋入式錨桿和錨筋束與巖體一同參與應力重分布，控制強烈的卸荷作用，起到加固建基面淺層部位巖體、保持巖體完整性的作用。

圖1 錦屏一級水電站左岸邊坡開挖設計

圖2 左岸邊坡巖體最大主應力沿高程方向變化曲線

針對錦屏一級水電站大壩左岸高地應力壩基開挖工程的施工特點，對于地應力大于40MPa的1 630m高程以下區域初步擬定的“先錨后挖”施工參數為:臺階開挖高程10m，建基面外預留保護層厚度3m，采用9m長、2φ32mm螺紋鋼錨筋束進行預先錨固，到達設計強度后完成保護層開挖。

3.2 數值模擬和理論分析

為預估和判斷“先錨后挖”施工工藝在左岸壩基開挖施工中所起到的作用，在初步擬定施工參數后，對“先錨后挖”施工工藝開挖與傳統“先挖后錨”施工方式對高地應力巖體開挖產生的效果進行計算機數值模擬分析。數值模擬分析的巖體為1 630m高程以下典型的第二段第3、4、5層厚～巨厚層狀大理巖、角礫狀大理巖，巖體微新、完整，嵌合緊密，地應力在40MPa以上，受開挖應力釋放調整過程的影響，在此部位將發生卸荷回彈，并可引起松弛破壞。根據施工進度:(1)壩基1 630m高程以下高地應力巖體開挖;(2)然后進行建基面清理;(3)進行壩基底部壩段6.25m混凝土澆筑;(4)進行壩基底部相鄰壩段6.25m混凝土澆筑。按照時間安排，得出了不同方案開挖條件下典型點變形隨時間的變化曲線(見圖3)。

由分析結果可見，在采取“先挖后錨”開挖時，左岸壩基1 630m高程以下高地應力巖體在開挖后的應力釋放調整過程中將發生約13cm的卸荷回彈量，引起壩基巖體松弛破壞;但若采取“先錨后挖”開挖方案，卸荷回彈量將減少60%以上。數值模擬分析結果表明，在左岸壩基1 630m高程以下高地應力巖體開挖過程中應采用“先錨后挖”方案，對開挖強烈卸荷作用的控制效應明顯。

3.3 施工工藝開挖對比試驗

3.3.1 對比試驗布置方式

為進一步驗證“先錨后挖”施工工藝在高地應力壩基開挖施工中產生的控制效果和“先錨后挖”施工參數，在大壩左岸壩基選擇1 620～1 615m高程作為施工試驗區域進行開挖工藝對比試驗。

圖3 不同開挖方式的典型點位移變化曲線

大壩左岸壩基1620～1615m高程為典型的第二段第3、4、5層厚～巨厚層狀大理巖、角礫狀大理巖，巖體微新、完整，嵌合緊密，地應力在40MPa以上巖體，具有明顯的完整高地應力巖體特征。壩基上游側18.9m為“先錨后挖”施工工藝試驗區域，下游18.9m為“先挖后錨”施工工藝試驗區域，中間間隔18.9m作為試驗分隔區域。為了檢驗兩種開挖方案對建基面的損傷程度，分別對兩次試驗進行了松弛監測，松弛監測采用在爆前爆后進行物探測試和安裝2套兩點位移計。為監測壩基回彈松弛應力變化情況，布置了2套三點式錨桿應力計。對比試驗平面布置見圖4。

圖4 施工工藝開挖對比試驗平面布置

3.3.2 試驗監測結論

3.3.2.1 物探監測結果

通過對“先挖后錨”及“先錨后挖”施工工藝對比試驗區域的聲波檢測孔、爆破檢測孔爆前和爆后測試、對穿聲波測試的物探測試成果及巖體聲波速度測試統計結果進行分析，得出如下結論:各爆破檢測孔爆后比爆前巖體平均單孔波速均有降低，且爆后波速降低段主要反映在爆后孔口段，其中，爆后檢測孔0～1.4m孔口段巖體聲波波速降低較大，爆前孔口段巖體聲波平均波速變化范圍為5 200～5 900m/s之間，而爆后孔口段巖體聲波平均波速主要集中在4 400～5 100m/s之間，為爆破松弛卸荷等綜合影響所致。“先錨后挖”試驗區爆破松弛卸荷深度0.6m，“先挖后錨”試驗區爆破松弛卸荷深度1.4m。

3.3.2.2 錨桿應力計監測結果

通過對爆破開挖后對比試驗區域安裝的2組錨桿應力計的對比分析得出如下結論:錨桿應力在爆破開挖后均有增加，應力增加主要深度在距離孔口5m位置，“先錨后挖”施工區的錨桿應力計最大應力達到214MPa，“先挖后錨”施工區錨桿應力計最大應力達到115MPa(見圖5)。

3.3.2.3 淺層變形監測結果

圖5 “先挖后錨”和“先錨后挖”實驗區錨桿應力對比

通過對爆破開挖后對比試驗區域安裝的2組兩點式多點位移計的對比分析得出如下結論:壩基邊坡淺層變形主要集中在孔口到1號錨點(10m深以內)。M1(“先挖后錨”區)變化比較明顯，在孔口到10m深錨點半月內累計分段位移增加5.89mm。M2點(“先錨后挖”區)變化較小，為1.71mm。位移變化仍然表現在10m深以內(見表1)。

3.3.3 試驗總結

通過在1 620～1 615m高程典型高地應力區域進行的“先錨后挖”及“先挖后錨”分區爆破試驗表明，施工方法、流程及爆破震動監測等各項指標符合設計要求，孔口區域出現卸荷松弛，但符合聲波衰減率均小于10%的要求;“先錨后挖”試驗區卸荷深度遠小于“先挖后錨”試驗區。“先錨后挖”試驗區預錨錨筋在開挖后應力增大值遠大于“先挖后錨”試驗區后期施工的錨筋，“先錨后挖”試驗區淺層變形位移僅為“先挖后錨”試驗區的29%。通過以上數據可以得出:“先錨后挖”在高地應力開挖中能通過預錨錨筋與建基面巖體的聯合作用，參與開挖后地應力重分布，使巖體卸荷作用極大消減，淺層巖體變形位移大大減小，顯著改善了高地應力對壩基巖體的破壞。

表1 兩點式位移計位移變化情況

4 “先錨后挖”施工工藝在錦屏一級中的應用

通過對“先錨后挖”施工工藝進行的計算機數值模擬分析和爆破開挖試驗表明，“先錨后挖”施工工藝在高地應力壩基開挖施工過程中比傳統“先挖后錨”施工工藝效果優良，因此在錦屏一級水電站大壩左岸壩基開挖中1 630m以下高程采用了“先錨后挖”施工工藝。

4.1 “先錨后挖”施工具體流程

4.1.1 壩基邊坡預留保護層外側的預裂和開挖

在壩基高地應力建基面開挖前，在邊坡預留3m厚度的保護層。保護層采用施工預裂預留，施工預裂孔徑為 φ90mm，孔距0.8m，線裝藥密度0.5～1.0kg/m，堵塞長度1.5m，采用 TAMROCK7002液壓鉆造孔，鉆孔方向與建基面平行。施工預裂與外側巖體梯段爆破一同進行。

4.1.2 壩基保護層預錨

施工預裂完成后，對壩基保護層進行預錨施工(見圖6)。預錨施工主要預錨參數有:φ32預錨錨桿，L=9m，梅花形布置，間、排距2m×2m。預錨錨固孔采用TAMROCK7002液壓鉆或XZ－30潛孔鉆施工，鉆孔深度為錨桿長度+保護層厚度，鉆孔總長度12m。鉆孔完成后進行下錨施工，錨桿伸入錨桿孔最底部，保證保護層開挖完成后錨桿與建基面齊平。預錨孔采用全孔灌漿。待錨桿達到設計要求的強度后，再進行保護層的開挖。

4.1.3 壩基保護層監測布置

在每層保護層開挖前埋設三點式錨桿應力計，垂直位置布置在壩基開挖分層的中部，水平位置按照開挖區域寬度布設。三點式錨桿應力計鉆孔深度12m，孔向垂直邊坡，孔徑φ110mm，錨桿應力計長度9m，直徑 φ28mm，測點埋深分別為距建基面2.5m、5m、7m，采用全孔段灌漿。兩點式位移計在保護層開挖爆破前進行鉆孔施工，孔口部位預埋保護管，用棉紗堵塞，爆破后再安裝位移計。

圖6 預錨施工示意

爆破前需進行單孔聲波檢測、對穿聲波檢測和鉆孔電視，掌握巖體聲波傳遞速率等基本參數，為爆破開挖前后巖體卸荷變形情況提供原始數據。

爆破施工前，將爆破震動監測儀器安裝在爆破施工區域以外及注意需保護的巖體和混凝土周邊，以判斷爆破過程中的微差延時起爆效果和對保留巖體的震動破壞。

4.1.4 壩基保護層開挖

預錨達到設計強度、監測儀器布置完成后進行壩基保護層開挖施工。爆破孔和緩沖孔造孔均采用TAMROCK7002液壓鉆進行，鉆孔角度與保護層邊坡預裂孔角度一致。緩沖孔間、排距1.5m×1.0m，爆破孔間排距2.0m×1.5m，單耗控制在0.30～0.35kg/m3，預裂孔采用 XZ－30鉆進行，孔徑φ90mm，預裂孔間距0.6m，線裝藥量控制在200～250g/m;分段雷管為 MS2，緩沖孔孔內雷管為MS13，整體網路采用下游側起爆。開挖爆破完成后采用人工或液壓沖擊錘配合反鏟將石渣挖除，開挖過程中注意對預埋監測儀器電纜的保護。

4.1.5 壩基開挖評價及缺陷處理

開挖爆破出渣完成后，即清理邊坡，標記原來三點式錨桿應力計、單孔監測聲波孔、對穿聲波孔位置和編號，清理爆破施工前兩點式位移計鉆孔，立即進行兩點式位移計的安裝。兩點式位移計和三點式錨桿應力計監測頻率為前15天1次/d，后續15天1次/2d，一個月后每周觀測1次，根據時間的推移形成數據統計并進行分析。進行爆后單孔聲波監測、對穿聲波監測及鉆孔電視觀測，取得爆破后不同深度巖體的聲波傳爆速率和裂隙發育情況，并與開挖爆破前的巖體參數進行對比，了解爆破開挖后高地應力巖體的應力釋放、卸荷松弛和回彈變形情況。

4.2 “先錨后挖”施工效果

通過在錦屏一級水電站大壩左岸高地應力壩基開挖中創新地應用“先錨后挖”施工工藝，順利地完成了大壩壩基開挖的施工任務，開挖完成的1 630m以下壩基巖體經物探探測聲波衰減率約為4%，遠低于技術要求中10%規定。開挖完成的壩基半孔率、平整度優良，未出現由于卸荷松弛和回彈變形造成的“蔥皮”、板裂，甚至巖爆現象，避免了二次開挖、固結灌漿和重復錨筋施工，大大節省了施工工期和施工成本，獲得業主、監理一致好評。壩基1 700～1 600m高程開挖獲得“A級樣板工程”殊榮。

5 結 語

(1)創新提出了對高地應力壩基開挖采用“先錨后挖”施工工藝，并對此進行了一系列理論研究和施工試驗，將其運用于錦屏一級水電站大壩左岸壩基開挖施工中，取得了良好的效果，極好地解決了高地應力區域大規模壩基開挖中所遇到的巖體卸荷松弛和回彈變形，甚至產生“蔥皮”、板裂，局部巖爆等現象。

(2)“先錨后挖”施工工藝的運用應首先建立在多次試驗的基礎上，并得出可靠和有效的監測試驗數據。在運用過程中，結合監測成果，實時指導高地應力壩基“先錨后挖”各工序的施工。

(3)有效避免由于壩基建基面巖體卸荷松弛和回彈變形造成的二次開挖、固結灌漿和重復錨固施工，施工工期得到保障，工程建設投資節省，保證了工程穩定安全運行。

(4)在高地應力地區的拱壩壩基開挖中，控制壩基巖體卸荷松弛和回彈變形是目前已建和在建大型工程的重大施工技術難題。“先錨后挖”施工工藝有效解決了壩基開挖松弛和變形的問題，極大地提高壩基建基面巖體質量，保證了水利水電工程穩定安全運行。

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