楊房溝水電站地下廠房開挖支護設計施工實踐

焦 凱， 李 俊， 張 曉 輝

(雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

隨著西部開發戰略的實施，我國水能資源開發集中在西部高山峽谷地區，區域地質條件復雜，工程建筑物布置難度大，建造技術難度高。由于地下廠房具有樞紐布置占地少、與擋水泄水建筑物相對獨立、受施工導流影響小、抗震性能好、環境和諧友好、工程造價經濟等優點，我國目前開發的水電工程中約有半數采用了地下廠房 。

隨著金沙江、雅礱江、大渡河、瀾滄江等流域水力資源的大規模集中開發，水電行業逐步形成了相對完整的超大洞室群建設技術體系，地下廠房洞室群建設技術及工程建設規模均處于世界領先地位。

楊房溝水電站為雅礱江流域中游河段一庫七級開發的第六級，總裝機容量1 500 MW。樞紐工程區屬高山峽谷地貌，河谷狹窄，岸坡陡峻，地震烈度高，壩身泄洪量大，不具備修建壩后式地面廠房及引水式地面廠房的條件。經可行性研究對比分析，引水發電系統布置于工程區左岸山體內，地下廠房采用首部開發方案。

1 開挖支護設計

楊房溝水電站地下廠房上覆巖體厚度197～328 m，水平巖體厚度125～320 m，巖性為花崗閃長巖，巖體完整，巖質堅硬，以次塊狀～塊狀結構為主，局部鑲嵌結構，巖體較完整～完整性差。總體成洞條件較好，圍巖整體穩定，但局部存在塊體穩定問題，局部穩定性較差，主要為Ⅱ、Ⅲ1類圍巖，其中Ⅱ類占52.5%，Ⅲ1類占38.8%，局部Ⅲ2類，占8.7%。巖石飽和單軸抗壓強度在80～100 MPa之間，廠區最大主應力σ1值為12～15.48 MPa，最大主應力方向為N61°W～N79°W，屬于中等地應力區。

廠房縱軸線方向為N5°E，采用圓拱直墻型斷面，在平面布置上采用“一”字型布置，從左至右依次為副廠房、主廠房和安裝場，洞室開挖尺寸為230 m×30 m(28 m)×75.57 m(長×寬×高)。楊房溝水電站引水發電系統地下洞室群三維布置如圖1所示。

圖1 地下洞室群三維布置圖

根據楊房溝水電站地下廠房的規模和特點，支護設計遵循“根據工程特點，以已建工程經驗和工程類比為主，巖體力學數值分析為輔”的原則，并根據開挖施工期所揭露的實際地質條件和圍巖監測及反饋分析成果對圍巖支護參數進行及時調整，進行“動態支護設計”以滿足圍巖的穩定要求。廠房結構系統支護參數見表1。

表1 地下廠房系統支護參數

2 地下廠房開挖施工方案

2.1 分層開挖及施工方法

根據廠房結構特點、圍巖穩定條件、施工機械性能、運輸通道條件及支護方式等因素，按照“立體多層次、平面多工序的”總體原則，洞室開挖支護施工總體共分九大層，并根據現場情況采取層內分層、分區進行爆破開挖。分層分區布置見圖2，具體方案如下：

圖2 主副廠房洞開挖分層分區示意圖

(1)第Ⅰ層采用先中導洞開挖，后兩側擴挖的方式，通過通風兼安全洞出渣。

(2)第Ⅱ～Ⅶ層均采用中間拉槽，兩側預留保護層的開挖方式，成“品”字型推進，根據開挖進展情況分別通過通風兼安全洞、進廠交通洞、母線洞和壓力管道下平段出渣。其中，母線洞和壓力管道范圍內采用“先洞后墻”的開挖順序，提前進入廠房后對3 m范圍內進行加強支護。

(3)廠房第Ⅷ～Ⅸ層(機坑)分導井、上游保護層、下游保護層、巖柱頂面保護層四序開挖，通過導井溜渣至機坑底部，通過尾水擴散段出渣。其中，第Ⅸ層通過尾水擴散段提前進行中導洞開挖。

施工過程中遵循“新奧法”理念，開挖鉆 爆遵循“預支護、短進尺、弱爆破，及時支護、早封閉、勤量測”的施工原則，以確保洞室的穩定。

施工過程中，設計根據結構安全穩定計算和數值分析成果，制定廠房分層開挖變形預警標準。根據圍巖變形安全監測數據的變化，當圍巖變形為安全狀態時，可以進行正常施工；當圍巖變形超過警戒狀態，需暫停開挖，增加監測頻次并進行加強支護；當圍巖變形達到危險狀態，立即停止開挖，并采取加強支護措施保證洞室結構安全。

2.2 開挖質量控制措施

根據廠房地質條件及巖性、技術規范要求、開挖方法及類似工程經驗，采用孔間微差爆破技術，輪廓線用預裂或光面爆破。地質條件差的洞段(斷層破碎帶)和噴錨支護、混凝土襯砌結構附近，特別是巖錨梁、機坑等特殊部位，爆破設計按“短進尺、弱爆破、少擾動”的原則進行，減少圍巖爆破松動圈深度，確保結構成型質量。廠房開挖以控制第Ⅲ層巖錨梁巖臺成型質量、第IV～V層爆破對巖錨梁混凝土質量影響以及VⅢ～IX層機坑圍巖松弛深度為重點。

開挖爆破均嚴格控制爆破規模，控制單響藥量，確保洞室開挖質量和圍巖穩定安全。同時，通過采用爆破震動監測、聲波測試和地質素描等手段，掌握爆破開挖情況，適時調整鉆孔及裝藥參數，不斷合理優化爆破設計。并且通過采用頂拱周邊孔全站儀精準定位、邊墻豎直孔及巖錨梁巖臺孔采用鋼管樣架導向定位、高邊墻深孔預裂等綜合技術措施，保證開挖質量。

3 主要工程問題及處理措施

楊房溝水電站地下廠房結構及地質特點：

(1)第一主應力方向與廠房軸線方向大角度相交，夾角約為66°～84°。

(2)受河谷應力場特征影響，廠房洞室圍巖應力集中，開挖后應力釋放較強烈；開挖揭露的小斷層數量較多，伴隨斷層局部發育有一定范圍的蝕變巖體。

(3)圍巖順洞向中陡傾角不利結構面發育，主要優勢節理與洞軸線成小夾角，易形成不穩定塊體。

上述因素對廠房結構和圍巖安全穩定造成了一定不利影響。

3.1 頂拱緩傾角斷層f49影響帶

根據開挖施工揭示情況，中導洞頂拱上廠左0+01 m處出露緩傾角斷層f(49)，產狀N75°～80°E SE∠25°，充填碎塊巖、巖屑，少量泥膜，帶內巖體擠壓破碎，上游側拱頂附近巖體有蝕變現象，蝕變帶寬10～40 cm不等。施工排險過程中，斷層下盤出現數米長的坍塌破壞，塊體方量約30 m3，斷層f49影響區域地質縱剖面如圖3所示。

圖3 頂拱f49斷層影響區域地質縱剖面

針對斷層f49和其他斷層組合的不利影響，設計進行了塊體分析和數值計算，根據分析成果，采取加強支護和增設位移計等相關措施，保證不利組合塊體安全穩定系數均滿足規范要求。頂拱受影響區域加強支護參數如下：錨桿全部調整為帶墊板的普通砂漿錨桿(φ32、L=9 m)，水平和垂直間距達0.75 m；增設4列5排錨索，共20根。

3.2 下游邊墻巖錨梁區域斷層節理密集帶

第Ⅲ層開挖過程中，1～2#機組段下游邊墻揭露斷層f83及其影響帶，圍巖順洞向中陡傾角不利結構面發育，巖體節理面見蝕變現象，表層巖體較破碎。加上受洞群效應影響，變形問題相對突出，且對下游邊墻和巖錨梁穩定不利。該部位多點位移計測值隨開挖過程呈“臺階狀、跳躍式”上升趨勢，淺層巖體變形量級整體較大，深層巖體變形也具有一定量級。該部位典型地質剖面如圖4所示。

圖4 1～2#機組段下游邊墻典型地質剖面圖

根據該部位聲波檢測、鉆孔取樣試驗及圍巖穩定計算、塊體結構復核分析等成果，為保證下游邊墻和巖錨梁結構安全，設計對該部位進行了加強支護，確保廠房后續開挖期間和永久運行期巖錨梁結構安全、穩定。具體措施為:

(1)針對巖錨梁以上區域巖體存在沿結構面蝕變現象、存在約2 m深的低波速區(<3 000 m/s)、發育擠壓破碎帶問題，在原系統錨桿的條件下采取加密預應力錨桿的措施，加強支護后，預應力錨桿與帶墊板的普通砂漿錨桿凈間距為0.75 m；采用鋼筋混凝土板+預應力錨索的措施，增設一排預應力錨索，T=2 000 kN，L=20 m，如圖5所示。

(2)針對巖錨梁以下區域巖臺基礎局部發育節理密集帶、巖錨梁抗滑穩定安全裕度不足、巖錨梁下拐點以下發育擠壓破碎帶等問題，為提高圍巖承載能力和完整性，保證巖錨梁抗滑穩定，采取扶壁墻+預應力錨索的措施，如圖6所示。

3.3 廠房下游側母線洞裂縫

受廠房開挖卸荷變形、下游邊墻挖空率高及順洞向陡傾優勢結構面發育等因素影響，在第Ⅶ層開挖階段，母線洞內靠廠房側發生了噴層開裂現象，表現為靠廠房側10 m區域內環向鋸齒狀裂縫及右側拱肩水平向刀刃狀裂縫，環向裂縫開展寬度相對較寬。典型裂縫分布情況如圖7所示。

圖5 巖錨梁以上區域加強支護典型剖面圖

圖6 巖錨梁以下區域加強支護剖面圖

圖7 母線洞噴層裂縫典型分布圖

根據下游邊墻母線洞范圍內巖體聲波檢測、對穿孔孔內電視等補充物探和安全監測情況分析，結合數值計算成果，在系統支護的基礎上，設計擬定加強支護方案，具體如下：

(1)在每條母線洞底板以下1 983.5 m增設兩根預應力錨索，L=40 m，T=2 000 kN；1 979 m、1 976 m增設4根預應力錨索，L=35/40，T=2 000 kN，如圖9所示。

母線洞底板(距離廠房0～20 m區域)增設傾向下游系統錨桿φ28@1.5 m，L=4.5 m，傾角60°。

圖8 下游邊墻母線洞底板以下錨索加強支護典型示意圖

(2)在廠房與主變室之間增設對穿錨索，L=45.5 m，T=2 000 kN，如圖9所示。

圖9 廠房下游邊墻對穿錨索典型示意圖

(3)采取固結灌漿措施，對廠房下游邊墻母線洞內松動圍巖進行固結、對張開的結構面進行封閉，滿足永久運行期穩定和防滲要求。固結灌漿孔深5 m，灌漿壓力0.5～1.0 MPa，排距2.5 m，如圖10所示。

圖10 母線洞圍巖固結灌漿布置圖

4 施工效果評價

4.1 工期評價

楊房溝水電站地下廠房于2016年4月開工，于2018年6月全部完工，其中巖錨梁混凝土澆筑期間3個月未進行爆破開挖，開挖支護施工直線工期23個月，相比合同要求的節點目標“2018年12月底完成廠房開挖支護施工”提前6個月時間完成。

4.2 變形控制評價

圍巖變形監測共布置64套多點位移計，累計變形測值在-3.41 mm～70 mm之間，小于30 mm的測點占比73.44%，大于50 mm的測點占比6.25%。最大變形發生在1#機組段監測斷面下游邊墻巖錨梁上部，該部位在爆破開挖前通過排水廊道預埋了多處位移計，實現了爆破開挖全過程變形量監測。

爆破開挖施工期間，圍巖變形主要發生在監測斷面及附近巖體開挖期間，變形曲線總體符合硬巖臺階狀特征。截至2018年12月底，經過半年時間的持續監測，數據表明各部位監測變形已基本控制。類比國內同等規模水電站地下廠房，楊房溝水電站廠房變形控制屬于中等偏上水平。

4.3 開挖質量評價

地下廠房開挖成型良好，質量優良。廠房總開挖量為36.5萬m3，總超挖量7 454 m3，超挖率2%，其中地質超挖量1 274 m3，扣除地質超挖量后的平均超挖11.9 cm。開挖面平均半孔率93 %，整體平均平整度6.7 cm，平整度檢測合格率96%。巖錨梁巖臺開挖平均半孔率96%，整體平均平整度為4.6 cm，平均超挖7.3 cm。

5 結 語

楊房溝水電站地下廠房開挖施工過程中揭露的工程地質條件及工程地質問題與前期勘察成果基本一致，但下游邊墻部分洞段開挖揭示的地質條件偏差。開挖支護施工過程中，結合工程的實際地質條件、現場監測數據，設計及時開展了廠房結構安全穩定復核及動態支護設計工作，并建立圍巖安全監測變形管理標準。通過精細化管理和控制，圍巖應力調整變形得到了有效的控制，目前洞室結構整體處于穩定狀態。地下廠房工程施工方法、工藝水平、施工質量、圍巖變形控制水平均處于行業先進水平。

楊房溝水電站作為我國首座采用設計施工總承包模式建設的百萬千瓦級大型水電站，設計施工高度融合、優勢互補，工程建設管理水平處于行業領先水平，為總承包模式在水電行業的進一步推廣積累了寶貴的經驗。