巨型地下廠房創新支護技術應用

王 紅 彬，王 凱2，張 碩，沈 德 虎

(1.中國三峽建設管理有限公司，四川 成都 610000； 2.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

白鶴灘水電站地下廠房位于高地應力區，洞室群規模巨大、挖空率高，圍巖以Ⅲ1類玄武巖為主，大型層間層內錯動帶、柱狀節理玄武巖和陡傾角長大裂隙等不良地質構造發育，洞室群效應明顯，圍巖穩定問題突出，開挖成型困難，同時存在多種地下洞室群開挖難點，具有較強的代表性[1-2]。

白鶴灘水電站地下廠房開挖支護過程中，改進了鋼纖維噴射混凝土工藝；固化了錨索、錨筋樁的快速施工工藝；對全螺紋樹脂錨桿 、超細硅粉混凝土進行了創新應用；總結了大型層間錯動帶、隔墩的綜合支護技術。此前，張俊平[3]對噴射鋼纖維混凝土在水電站廠房支護中的應用進行了分析；楊俊[4]運用數值模擬方法分析了不同性質圍巖情況下錨固劑厚度、錨桿拉拔載荷對錨桿錨固性能影響；蘇超[5]利用非線性有限元法分析了典型水電站地下廠房在有、無支護方案下洞周圍巖位移場、應力場及塑性區分布；徐鼎平[6]針對層間錯動帶剪切力學特性，提出了用屈服面蠕變模型分析層間錯動帶的方法；聶文俊[7]以烏東德水電站廠房為例，總結了地下洞室陡傾小夾角層面等不良地質情況的一系列的加固技術。上述研究雖對圍巖特性較好的水電站地下廠房支護有著很好的技術支撐，但對于以白鶴灘水電站為代表的洞室規模巨大，同時面對高地應力、復雜地質條件等多重考驗的地下廠房的支護，不能提供很好的借鑒。

本文基于白鶴灘地下廠房的開挖支護施工，對高地應力、復雜地質條件下的地下洞室新支護技術、新材料的應用進行總結，希望能為后續工程提供一定借鑒。

2 工程概況

2.1 工程規模

白鶴灘水電站總裝機容量16 000 MW，建成后是世界上第二大水電站，地下廠房洞室群沿金沙江左、右岸對稱布置，單側地下洞室群包括平行布置的地下廠房、主變洞、尾水管檢修閘門室、尾水調壓室四大洞室及母線洞、引水下平洞、尾水擴散段等輔助洞室，洞室群布置極為復雜，規模位居世界第一，洞挖量近2×750萬m3。其中，主副廠房長438.00 m，高88.70 m，巖壁梁以下寬31.00 m，以上寬34.00 m，為目前世界跨度最大的長廊型地下洞室。

2.2 工程地質

白鶴灘水電站左、右地下廠房位于兩岸壩基上游山體內，地層為單斜地層，左、右岸地下廠房垂直埋深分別為260～330 m、420～540 m，左岸地下廠房軸線與地層走向小角度相交，右岸地下廠房軸線與地層走向大角度相交。地下廠房圍巖主要由新鮮狀隱晶質玄武巖、斑狀玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、凝灰巖等組成，以Ⅲ1類為主，局部分布少量Ⅱ、Ⅳ類圍巖。

圖1 大型軟弱層間錯動帶C2結構特征Fig.1 Structural features of large soft zone interlayer C2

2.3 圍巖應力

白鶴灘水電站地下廠房以構造應力為主(見圖2)。水平應力明顯大于垂直應力，第一和第二主應力基本水平，第三主應力大致垂直。左岸地下廠房第一主應力方向在N30°～50°W之間，傾角5°～13°，量值為19.00～23.00 MPa；第二主應力量值為13.00～16.00 MPa；第三主應力近垂直，量值為8.20～12.20 MPa。右岸地下廠房第一主應力方向為NNE向，量值約在22.00～26.00 MPa之間；第二主應力量值在14.00～18.00 MPa之間；第三主應力近垂直，量值為13.00～16.00 MPa。左、右岸地下廠房均屬于高地應力區，片幫普遍發育，局部有輕微巖爆或中等巖爆產生，沿層間錯動帶C2、C4、C5等結構面附近會形成局部的應力松弛區和應力集中區。

3 地下廠房施工重難點分析

3.1 圍巖應力破壞特征明顯

白鶴灘水電站地下廠房規模大，地應力高，層間層內錯動帶、緩傾角節理裂隙發育，開挖過程中應力調整強烈。左、右岸地下廠房的最大主應力均傾向河谷側，頂拱開挖過程中，在上游側拱肩、下游側拱腳以及開挖分幅的交界面處形成應力集中區(見圖3，從左至右依次是中導洞下游側一次開挖、一次完成、二次開挖和二次完成)，且應力集中程度常常超過了巖體啟裂強度，加上玄武巖硬脆的力學特性，導致淺層圍巖局部發生片幫、破裂松弛等應力型破壞。

圖2 左、右岸地下廠房區域應力分布Fig.2 Stress distribution of left and right bank underground powerhouse

3.2 卸荷松弛

如圖4所示，在右岸地下廠房第Ⅲ層(巖壁梁層)開挖過程中，巖壁梁部位圍巖經歷了應力集中到松弛的應力路徑，上游側邊墻開挖過程中局部在分層界面附近產生輕微破裂破壞現象，下游側邊墻開挖過程中則產生大范圍破裂破壞現象，一般影響深度30～50 cm，局部80～150 cm，并見多處由應力調整產生的破裂縫，裂縫一般張開3～5 mm，局部達1～2 m，破壞范圍大，嚴重影響巖壁梁開挖成型質量。

3.3 高邊墻變形

數值分析成果顯示，左、右岸地下廠房高邊墻無支護情況下變形量在60～100 mm之間，支護情況下可下降15～20 mm。其中，由于C2層間錯動帶貫穿整個左岸地下廠房洞高邊墻，引起的圍巖剪切錯動變形及局部大變形，對地下廠房高邊墻圍巖穩定影響十分顯著。如圖5所示，在無支護條件下，C2層間錯動帶上下盤圍巖最大剪切錯動變形約為50～70 mm，且錯動變形大于40 mm的分布深度約30 m；采取支護措施后最大剪切錯動變形仍然達到了40～60 mm。

3.4 機窩隔墩巖體破碎

白鶴灘水電站單個機窩平面開挖尺寸為23.00 m×25.65 m(長×寬)，機窩上部與引水下平硐相交，下部與尾水擴散段相交，挖空率高。開挖過程中，受周邊洞室多次爆破擾動、邊墻向內擠壓作用，機窩隔墩巖體應力集中與卸荷松弛問題更為突出。(見圖6)

圖3 左岸地下廠房頂拱開挖片幫破壞與應力集中區的位置對比Fig.3 Destruction of top arch and location of stress concentration zone during excavation of left underground powerhouse

圖4 右岸地下廠房下游側巖壁梁圍巖應力集中與破壞特征Fig.4 Stress concentration and failure characteristics of surrounding rocks in rock wall beam on downstream side of right underground power house

4 地下廠房創新支護技術

白鶴灘水電站地下廠房規模巨大，圍巖問題突出，在施工過程中對支護的及時性以及支護效果提出非常高的要求。左、右岸地下廠房施工過程中采取了一些有效支護措施，具體如下。

4.1 掌子面快速支護技術

通過多次的生產性試驗和優化，逐步形成了超細硅粉混凝土噴射施工，錨索和錨筋樁快速施工工藝，極大程度上提升了支護跟進速度和早期支護強度，及時施加支護作用力，保證圍巖穩定和施工安全。

(1) 超細硅粉噴射混凝土。超細硅粉混凝土是一種采用納米級超細硅粉材料作為外摻劑的噴射混凝土，通常摻量不超過水泥用量的10%(外摻法)，并可根據混凝土噴射設備選擇是否摻加鋼纖維，以使噴射混凝土的力學性能明顯改善[8-9]。與普通的噴射混凝土相比，其優點主要有：① 可噴性強，回彈率低。通過多次檢測，超細硅粉混凝土一次性噴射厚度可達20 cm以上，回彈率8%～10%。② 早期強度較高、粘結力強、抗剪強度大。以C25噴射混凝土為例，在其他條件均相同的情況下，摻加和不摻加超細硅粉的混凝土各項力學性能如表1所示。超細硅粉混凝土的早期強度、粘結強度、抗拉強度、抗彎強度等各項力學性能均有大幅度提升，尤其是早期粘結強度方面[10]，3 d粘結強度已經達0.87 MPa，高于《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》(GB50086-2015)中28 d粘結強度大于等于0.80 MPa的要求。

圖5 左岸4號機組橫剖面支護前后圍巖變形對比(單位：m)Fig.5 Surrounding rock deformation before and after supporting cross section of No. 4 unit on the left bank

圖6 廠房6號機窩圍巖卸荷松弛Fig.6 Unloading relaxation of surrounding rock in No. 6 unit site

表1 不同的C25噴射混凝土力學性能Tab.1 Mechanical properties of different C25 shot concrete

通過噴射超細硅粉混凝土，實現了地下廠房爆破開挖后基巖面的快速封閉，使混凝土噴層與巖層有力粘結，與圍巖形成統一的承載體，及早為圍巖提供抗力，有效地限制片幫巖爆和松弛掉塊發生。

(2) 錨索和錨筋樁快速施工工藝。與傳統錨索、錨筋樁施工工藝不同，白鶴灘水電站地下廠房施工時，通過調整開挖分層高度，采用移動式臺車作為預應力錨索、錨筋樁的施工平臺[11]，投入高、低兩種移動式鉆機，保證了錨索、錨筋樁鉆孔作業快速推進。錨索孔內注漿采用跨越性2 000型壓漿劑新型材料，2 d內強度可達到53.20 MPa(允許張拉強度35.00 MPa)；錨索墊板采用摻加KD-18的找平細石混凝土，1 d內抗壓強度即可達到60.20 MPa，為提前張拉創造了條件。將單束錨索施工時間由15 d以上縮短到6～7 d[12]，更早提供了支護作用力，有效抑制了高邊墻圍巖的變形。

4.2 臨時面防卸荷松弛技術

巖壁梁層開挖期間，圍巖應力不斷調整，嚴重影響巖壁梁成型質量[13-15]。為了提高巖壁梁開挖成型質量，在巖壁梁第⑧區外側臨時面出露后，立刻噴射8 cm厚鋼纖維混凝土，快速封閉巖壁梁開挖面，并在上、中、下系統設置3排全螺紋纖維增強樹脂錨桿，如圖7所示。該工藝中，全螺紋纖維增強樹脂錨桿除桿體與普通砂漿錨桿不同外，其余所用施工材料、施工工藝均與普通砂漿錨桿相同，施工較為簡便。樹脂錨桿的關鍵特性是在第⑧區爆破開挖時，能夠沿巖臺開挖結構面斷開，留在巖體內的部分桿體可以繼續限制爆破開挖后產生較大的應力調整，防止圍巖進一步卸荷松弛，避免開挖后巖壁梁片幫、掉塊[16-17]。

圖7 巖壁梁噴鋼纖維混凝土和全螺紋纖維樹脂錨桿布置Fig 7 Rock beam reinforced by steel fiber concrete and layout of full thread fiber resin bolt

該工藝大幅提升了巖壁梁開挖成型質量，在不利地質構造普遍發育的情況下，左、右岸總體巖壁梁開挖成型率仍然高達91%。

4.3 層間錯動帶綜合支護措施

C2層間錯動帶貫穿整個左岸地下廠房洞高邊墻，為了控制地下廠房高邊墻變形[15]，保證圍巖穩定(尤其是C2層間錯動帶上下盤的圍巖變形和剪切錯動變形)，采取了開挖前采用混凝土預置換(見圖8)，開挖出露后布置淺層錨桿、錨筋樁和錨索加固相結合的層間錯動帶綜合支護措施。

(1) 混凝土預置換。設置混凝土置換洞，置換洞沿著C2層間錯動帶走向布置，在距離地下廠房上、下游邊墻13 m處各設置一條，斷面尺寸為6 m×6 m。先全部開挖成型后，再采用鋼筋混凝土回填(置換洞施工需在C2層間錯動帶大面積出露前完成)。

(2) 系統性的噴錨支護結合鎖口支護。開挖過程中，C2層間錯動帶出露后，沿C2層間錯動帶上、下盤布置3排鎖口錨筋樁和系統預應力錨桿進行淺層支護，布置3排預應力錨索進行深層支護，且所有支護措施須快速施工完成。

通過上述系統支護與混凝土預置換措施，有效抑制了左岸地下廠房高邊墻C2層間錯動帶深部及洞周淺表部錯動變形，邊墻的錯動變形范圍和量級均大幅減小， C2層間錯動帶上下盤圍巖最大剪切錯動變形約控制在39.9 mm，好于預期分析結果。

圖8 左岸地下廠房C2層間錯動帶置換洞橫剖面示意(單位：m)Fig 8 Cross section of replacement tunnel of C2 interlayen at left bank underground powerhouse

4.4 機窩隔墩整體成型支護措施

為確保地下廠房機窩隔墩的完整性，減輕開挖、應力調整引起的機窩隔墩巖體的開裂、破壞、坍塌掉塊[16-17]，對機窩間隔墩進行了預先設置沉頭錨桿、頂部澆筑混凝土蓋板和豎向預應力錨索相結合的機窩隔墩一系列支護措施，如圖9所示。

(1) 沉頭錨桿支護。在地下廠房隔墩頂面保護層(Ⅶ2層)開挖出露后，即按照系統錨桿間排距鉆設9.5 m深的豎向錨桿孔，然后將4.5 m長的錨桿注入孔內，最后爆破開挖Ⅶ2層。由于錨桿已經提前注入到機窩隔墩內部，可與巖體共同提供抗力，減少機窩隔墩卸荷松弛。

(2) 混凝土蓋板。在地下廠房隔墩頂面保護層Ⅶ2層開挖完成后、機窩開挖前，除了沿機窩四周開口線先施工2排鎖口錨桿外，需在機窩隔墩頂面澆筑50 cm厚的鋼筋混凝土，作為蓋板壓在機窩隔墩上方，減少隔墩淺層反復開挖爆破擾動和卸荷松弛。

(3) 豎向預應力錨索。混凝土蓋板形成后，在其上方及時施工豎向預應力錨索，與混凝土蓋板共同作用，抵抗機窩開挖期間的爆破擾動和卸荷松弛。

圖9 地下廠房機窩隔墩典型支護橫剖面Fig 9 Typical support cross section of machine crate isolated pier at underground powerhouse

5 結 語

本文對白鶴灘左岸地下廠房變形破壞問題及行之有效的創新支護措施進行了總結和分析。有針對性地嘗試新技術、新材料，并通過生產性試驗逐一驗證分析，針對頂拱片幫掉塊、高邊墻大變形、大型層間錯動帶不協調變形、巖壁梁與機窩開挖成型、洞室群效應等一系列問題，總結出了一系列行之有效的支護措施。很大程度上保證了白鶴灘地下廠房開挖成型與圍巖穩定，相關經驗可為同類工程提供一定借鑒。