烏東德水電站陡傾小夾角薄層巖體特高地下廠房開挖關鍵技術

(中國水利水電第六工程局有限公司西南分局，昆明，650041)

1 工程概況

烏東德水電站是金沙江下游河段(攀枝花市至宜賓市)四個水電梯級(烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩)中的最上游梯級，壩址所處河段的右岸隸屬云南省昆明市祿勸縣，左岸隸屬四川省會東縣。樞紐工程主體建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發電建筑物等組成，電站廠房布置于左右兩岸山體中，均靠河床側布置，各安裝6臺單機容量為850MW的混流式水輪發電機組，總裝機容量10200MW，多年平均發電量401.1億kW·h，正常蓄水庫容58.63億m3，為Ⅰ等大(1)型工程，主廠房結構尺寸為333.3m×32.5/30.5m×89.8m(長×寬×高)，為超大型地下廠房，其高度居世界第一，跨度居世界第四。三大洞室間距較近，約40m(不到1.5倍主廠房和調壓室的最大跨度)，洞間兩面臨空高度大，且洞室軸線與巖層走向小角度相交，開挖后高邊墻巖體卸荷松弛穩定問題極為突出，容易出現塌落、順層剝落、片幫等變形破壞。

2 工程地質

右岸引水發電建筑物皆分布于中元古界會理群落雪組地層中，該地層分為10段，由灰巖、白云巖、大理巖化白云巖等組成。巖層走向近EW，傾向SW，傾角70°～85°，為一套淺變質的碳酸鹽巖。右岸地下廠房位置選擇時受上游F14白溝斷層及下游Pt2l3與Pt2l4-1薄層、極薄層大理巖化白云巖的限制，將地下廠房布置于巖體位于相對較好的落雪組第三段，其分布范圍不大，布置空間有限，且受多期構造活動影響，產狀和層厚變化較大。致使巖層走向與洞軸線夾角較小，且廠房附近發育一褶皺，核部位于9#、10#機處，地質條件極為復雜(見圖1)。前期地質勘探主要揭露了9類不良工程地質問題：①巖溶；②小夾角層面；③結構面附碳質薄膜區；④薄層～極薄層巖體；⑤B類角礫巖；⑥小夾角長大構造結構面；⑦長大緩傾角裂隙；⑧塊體；⑨裂隙相對發育區等。其中最主要影響到廠房穩定的典型不良地質為：巖溶、陡傾小夾角層面、層間碳質薄膜和薄層～極薄層巖體，在開挖過程中高邊墻巖體卸荷松弛穩定問題突出，施工期變形控制問題突出，工程與施工安全風險高。

3 施工方法

根據烏東德水電站右岸地下廠房前期勘探和揭露出地質情況，對地下廠房施工難點及特點進行了分析，確定施工方案，按照“薄層開挖、隨層支護”的施工方法，主廠房共分為11大層18小層(見圖1)，自上而下分層開挖，除第Ⅰ層外，每層開挖高度4m～6m，采取中間梯段爆破先行，兩側預留保護層光爆跟進的施工方法，支護滯后開挖30m～50m及時跟進，形成以“支護促開挖”的良性施工循環。每開挖一層立即進行邊墻的淺層支護，約束巖層的松弛變形；同時，陡傾小夾角層面容易出現深部滑移變形，在淺層支護完畢后，立即采用深層錨索加固，提供軸向抗拉應力，抑制變形的持續增長。同時為減小爆破對高邊墻影響，主廠房上部開挖期間，分別沿上、下游邊墻增加一條L3施工支洞和一條母線洞施工支洞，支洞采用9m×7m(寬×高)的城門洞型斷面，長為276.6m，利用該支洞進行母線洞和引水隧洞下平段開挖，提前對揭露區域廠房邊墻系統錨索及錨噴支護。

圖1 主廠房分層情況及開挖通道

4 開挖關鍵技術

4.1 大跨度頂拱一次成型

主廠房第Ⅰ層開挖斷面為13.5m×32.5m(高×寬)，頂拱擴挖光面爆破采用人工持YT-28手風鉆配合鉆爆臺車鉆水平孔開挖，炮孔孔徑φ42mm，孔深3.8m，每循環進尺3.5m。周邊孔直邊墻位置處炮孔間距45cm，頂拱弧段位置炮孔間距50cm；緩沖孔與周邊孔排距70cm，間距80cm；主爆孔間排距1.5m，可根據現場實際情況適當加密，其中最底排炮孔要求距上一排0.8m，孔深4.5m，以保證底面爆破的平整度。主爆孔、緩沖孔采用φ32藥卷連續裝藥孔口堵塞，單孔藥量分別為3.0kg/2.1kg，孔口堵塞長度1.0m/1.5m，光爆孔采用φ32藥卷竹片綁扎間隔裝藥，線裝藥密度90g～110g，孔口堵塞長度0.5m。

頂拱開挖過程中揭露多個溶蝕裂隙帶，多順層面發育，充填有泥質及方解石等雜物，頂拱部位松散泥碎屑形成倒懸、邊墻部位在開挖后易出現失穩、傾倒破壞產生脫空。采取“自上而下，分層開挖，分層加固，分層回填、置換”。為保證清理、支護過程中的施工安全，溶蝕裂隙處理按照自上而下，分層處理原則實施，分層高度控制在2m左右，滿足施工空間需要。單層跨度較大時，采取分區分塊施工，先施工中部再實施兩側或從一端往另外一端依次實施。每一區域處理時，先采用人工挖除充填物，局部不規則巖壁采取小藥量爆破形成較規則的受力體形，每循環清理進尺控制在1m～2m。清理后采取工字鋼和錨桿對頂拱巖壁進行支撐加固，上一循環完成后再進行下一循環的施工，待一層全部處理后再由內向外進行混凝土回填。

4.2 巖錨梁超前錨固及置換回填

上游墻揭露了典型的小夾角層面，層面附碳質薄膜區，其影響區域沿上游墻分布長42m，水平深約48m。薄碳層為軟弱夾層，層面間結合能力極差，其抗剪強度低(f′=0.4，c′=25kPa，粘聚力接近于0)；碳質薄膜區，若遭受地下水的入侵，薄碳層極易泥化，使層面間結合能力進一步下降，對主廠房巖錨梁和高邊墻的穩定性極其不利。在巖錨梁巖臺外側4m厚保護層開挖前，穿過保護層向巖體內鉆垂直向、傾斜向錨桿孔，巖臺每個橫斷面增加布置3根錨桿，錨桿為φ25mm，入開挖巖體內3.0m，錨桿安裝超入邊線10cm，軸向間距1.5m，錨桿造孔深度7m～8.5m；1#錨桿上仰20°，2#錨桿上仰15°，3#錨桿垂直巖面。超前錨桿施工完后，穿過保護層向巖體內垂直于巖面鉆設固結灌漿孔，孔徑φ76mm，孔深為10m，間排距為2m×2m，分兩序兩段施灌，第一段灌漿長3m，灌漿壓力為0.3MPa～0.5MPa，第二段灌漿長7m，灌漿壓力為0.8MPa～1.2MPa，灌漿材料采用高抗硫酸鹽水泥。通過采用超前錨桿提前鎖定開挖巖臺，預固結灌漿改善圍巖條件(如圖2)，解決了不良地質段巖錨梁開挖成型與穩定問題。

圖2 超前錨固示意

在遇到碳質薄膜區的部位，經超前錨固后承載力仍不能滿足后期橋機行走的要求。將1m的斜巖臺采用反鏟全部挖除，設巖錨梁混凝土支撐墻形式(如圖3)。支撐墻采用鋼筋混凝土結構，內設雙層鋼筋，襯砌厚度1m，支撐墻從巖錨梁底部深入蝸殼外圍混凝土2.5m，支撐墻總高度約為30m。支撐墻隨主廠房下挖采用倒懸法逐層進行，廠房開挖一層，支撐墻順接澆筑一層，為盡量減少爆破對混凝土損傷，每層澆筑面底高程高出開挖面2.5m。支撐墻混凝土共分5層進行，分層高度為4m～6m。支撐墻均在邊墻系統淺層支護完成后實施，對支撐墻內設深層錨索采取提前預埋管的方式。

圖3 碳質薄膜區巖臺挖除增設支撐墻混凝土典型斷面

4.3 高邊墻立體相交段穩定成型

高邊墻立體相交段應力相對集中，特別是高邊墻與引水、尾水、母線洞等相交部位的穩定及洞口洞體穩定。在高邊墻形成之前先施工交叉段洞體，“先洞后墻”，使小洞室進入大洞10m～20m，同時，根據圍巖類別對小洞室進行徑向鎖口錨桿加強支護，鎖口錨桿長度一般為6m、9m，間排距1m×1m，第一排錨桿距離洞口50cm，第二排錨桿距第一排錨桿1m布置。在交叉洞口處5m～10m位置增加工字鋼模噴混凝土形成支撐拱受力體，先對交叉洞口加固處理，能有效控制交叉段的塑性變形，調整重分布應力，確保高邊墻下挖過程中圍巖的穩定。

引水洞、尾水洞與廠房邊墻交叉部位復雜地質條件，針對復雜地層穩定開挖采取“預留隔墩，跳洞開挖”、“開挖一區，支護一區”的方式進行施工，防止開挖后的邊墻應力突然調整，爆破最大單響不超過10kg，爆破后根據爆破效果及振動監測情況，優化爆破設計，最大程度減少因爆破對巖壁的松動圈深度，保證巖體質量。分區施工每區長度20m左右，開挖首先進行Ⅰ序開挖支護施工，施工完畢后，方可進行相鄰Ⅱ序區開挖支護施工。其中Ⅰ序區的開挖長度確在23m左右，使引水洞附近的2～3排錨索在Ⅰ序區開挖后可立即施工，及時增強新開挖區的深層錨固，施工程序如圖4所示。

圖4 主廠房9#～12#機組預留隔墩跳洞開挖平面示意

4.4 精細化爆破控制

為確保大型地下洞室高邊墻的開挖成型質量和減小爆破震動對巖體的影響，全面采取中部6m～7m梯段拉槽先行，兩側預留4m～5m保護層，保護層采取垂直光爆跟進開挖，嚴格按照“薄層開挖，隨層支護”的原則。開挖方案中特別采取了垂直光爆孔全部搭設可移動式標準樣架(如圖5)，控制開挖成型質量，采用手風鉆鉆小孔，垂直光爆，單響藥量控制在10kg以內，同時，保護層采取了嚴格的精細化控制爆破技術，減少爆破振動影響。

圖5 可移動式標準施工樣架

中部淺孔梯段爆破，每循環10m～15m，兩側采用預裂爆破，減小爆破對結構面巖體損傷，預裂爆破孔徑φ90mm，間距為1.2m，孔深5.7m，底部采用3×φ32藥卷加強裝藥，長度1m，中間采用φ32mm藥卷間隔裝藥，裝藥間距12cm，單孔藥量控制在5.0kg以內，線裝藥密度475g/m，導爆索串聯，MS13段非電雷管延時啟爆。梯段爆破主爆孔孔徑φ90mm，孔深5.5m，向臨空面傾斜15°，間排距按2.2m×2.2m矩形布置，φ70mm藥卷連續裝藥，單孔藥量控制在10.0kg以內，啟爆網絡采用“孔內延時，孔外微差”技術，孔內采用MS15段非電雷管延時，孔外采用孔間MS3段，排間MS5段接力傳爆，單響藥量控制在10kg以內，最大質點振速控制在10cm/m以內，爆破參數見表1。

表1 梯段爆破參數

兩側預留4m保護層，采取垂直光爆開挖技術，孔深4.5m～5m，每循環10m～15m。

主爆孔、緩沖孔采用φ32藥卷連續裝藥孔口堵塞，單孔藥量分別為3.0kg/2.1kg，孔口堵塞長度1.0m/1.5m，周邊孔采取竹片綁扎間隔裝藥，底部采用1/3卷φ32藥卷加強裝藥，中間1/6卷φ32藥卷間隔裝藥，裝藥間距40cm，線裝藥密度為75g/m，爆破參數見表2。

表2 光面爆破參數

主廠房開挖期間，累計進行爆破振動監測56點次，爆破振動測試結果滿足要求，爆破對高邊墻巖體影響深度<40cm，巖錨梁部位<20cm，整體開挖質量良好，排炮間連結平順，半孔對齊呈直線，平均超挖11.3cm，整體開挖質量優良。

4.5 安全監測預警系統應用

烏東德水電站右岸地下廠房開工以來，安全監測緊跟開挖施工進度，及時安裝埋設相關部位的各類監測儀器。根據地下廠房體型及結構特點，在廠房7#～12#機組中心線、主、副安裝場頂拱中心、上下游拱座與巖壁吊車梁的巖臺處布置了永久監測儀器。通過監測儀器的測讀和分析，及時掌握了廠房頂拱巖體應力應變的變化情況。為廠房頂拱支護型式與支護手段的改變提供了及時的預警和依據。共布置多點位移計110套、錨桿應力計73支、錨索測力計91臺、錨桿測力計46臺、測縫計50支、變形(內觀)觀測20套。7#～12#機組中心線各布有1個斷面，主安裝場和副安裝場各布有1個斷面，實時觀測烏東德右岸主廠房下挖過程中的變形情況，通過長時間以及大量的監測數據表明，開始施工期間，圍巖變形呈不斷上升趨勢，但大部分上升速率較小，且均出現每層開挖后初期變化很快，后期隨著支護的跟進變化逐漸減小，直至收斂，最后新的一層開挖后又出現新的變化增長。實測右岸主廠房拱頂多點位移計孔口圍巖累積變形-0.68mm～13.01mm；拱座多點位移計孔口圍巖累積變形-0.49mm～66.18mm；高邊墻多點位移計孔口圍巖累積變形0.18mm～65.29mm；主廠房圍巖最大變形位于10#機下游拱座皺巖層核部，其余各部位變形量在12.3mm～28.3mm，目前均已收斂，屬受控狀態。

5 結語

烏東德水電站右岸主廠房開挖工程施工過程中，針對揭露巖溶、陡傾小夾角層面、層間碳質薄膜區、鈣質薄膜區、剪切面光滑、薄層～極薄層巖體，創新采用溶蝕裂隙帶加固處理，碳質薄膜區超前錨固、扶壁墻支撐，按照薄層開挖隨層支護原則采取精細化的爆破控制，交叉洞口采取先洞后墻，預留隔墩跳洞開挖，安全監測預警系統應用等關鍵技術，有效控制陡傾小夾角復雜地質情況下圍巖變形，保證了地下廠房開挖成型與穩定，使今后地下廠房的開挖方案選擇有了更大的余地。