高地應(yīng)力條件下巨型水電站地下廠房機坑開挖支護施工技術(shù)

韓 進 奇，曾 強，薛 本 垚

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

水電站地下廠房機坑開挖具有工程量大、技術(shù)難度高、不可預(yù)見因素多等特點[1]。傳統(tǒng)的廠房機坑開挖普遍采用的是先施工開挖區(qū)周圍鎖口錨桿、后進行機坑分區(qū)開挖的施工工藝，該工藝對地應(yīng)力較低的地下廠房機坑開挖具有很好的成型效果；但針對高地應(yīng)力和玄武巖不利地質(zhì)構(gòu)造共同作用的巨型水電站地下廠房機坑開挖施工，其廠房前期開挖時圍巖變形較大，挖空率高，在機坑進一步下挖過程中機坑間隔墩卸荷松弛加劇，故采用傳統(tǒng)施工工藝開挖機坑成型效果不理想，安全風(fēng)險高。

白鶴灘水電站左岸地下廠房布置在拱壩上游山體內(nèi)，主要包括主副廠房、主變室及母線洞等洞室群。洞室水平埋深800～1 050 m，垂直埋深260～330 m，埋深大、地應(yīng)力高，廠房區(qū)地應(yīng)力量值達22 MPa左右，實測局部最大值為34 MPa。

主副廠房洞和主變洞平行布置，洞室軸線方向為N20°E，采用8條母線洞與主變洞連通。主副廠房按“一”字型布置，從南到北依次布置副廠房(長32 m)、輔助安裝場(長22.5 m)、機組段(長304 m，機組間距為38 m)和安裝場(長79.5 m)，總長度為438 m，最大高度為88.7 m(廠房頂拱高程為624.6 m，底板高程為535.9 m)，巖壁吊車梁以上寬34 m，以下為31 m。廠房頂拱布置廠頂南、北側(cè)交通洞作為廠房上層對外的聯(lián)系通道，安裝場布置進廠交通洞，輔助安裝場布置進廠交通洞南側(cè)支洞作為廠房中下層對外的聯(lián)系通道。廠房機坑部位的開挖高度為27 m(高程535.9～562.9 m)，上部與8條引水隧洞下平段連通，下部與8條尾水?dāng)U散段連通，尾水?dāng)U散段位于母線洞正下方。

左岸廠房圍巖主要由P2β23和P2β31層新鮮隱晶質(zhì)玄武巖、斜斑玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖等組成，以Ⅲ1類、Ⅱ類圍巖為主。斜切邊墻底部的P2β24層凝灰?guī)r及其中的層間錯動帶C2巖性軟弱，易產(chǎn)生一定程度的塑性變形和剪切變形。P2β23第二類柱狀節(jié)理玄武巖分布在⑤～⑧號機坑，①～④號機坑有C2層間錯動帶穿過。層間錯動帶C2及柱狀節(jié)理裂隙等復(fù)雜地質(zhì)條件與結(jié)構(gòu)面切割后形成的不穩(wěn)定塊體易發(fā)生塌方和掉塊。

2 重難點問題分析

白鶴灘水電站左岸地下廠房洞室規(guī)模巨大，其長度、跨度、邊墻高度尺寸均居世界前列，在高地應(yīng)力條件下廠房開挖過程中應(yīng)力調(diào)整劇烈，圍巖穩(wěn)定問題突出。廠房機坑開挖過程中，確保機坑間隔墩及下游巖橋的完整性對降低廠房邊墻高度、限制應(yīng)力調(diào)整、減小廠房邊墻變形、保證廠房高邊墻圍巖穩(wěn)定具有重要作用。筆者根據(jù)對廠房機坑的結(jié)構(gòu)特點、通道特性、施工機械設(shè)備性能、地質(zhì)條件等進行綜合分析得知廠房機坑開挖的重難點問題為：

(1)保證隔墩和下游巖橋成型，最大程度地利用其支撐作用保證圍巖穩(wěn)定。廠房機坑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，埋深大、地應(yīng)力高，C2錯動帶穿過①～④號機坑，⑤～⑧號機坑發(fā)育第二類柱狀節(jié)理玄武巖，不利的地質(zhì)條件給機坑隔墩及下游巖橋的成型帶來了極大的困難。廠房機坑隔墩及下游巖橋是減小廠房下部挖空率、增強對高邊墻支撐作用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，因此，保證其開挖體型完整，減小圍巖松弛深度是機坑開挖的關(guān)鍵。

(2)加強爆破控制，減小爆破振動影響。機坑開挖過程中將與其下部的尾水?dāng)U散段貫通，洞室挖空率將進一步增大，洞室群效應(yīng)增大，應(yīng)力調(diào)整劇烈，加之機坑部位地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致高邊墻變形控制難度增大。因此，需要加強爆破控制以減小爆破振動對高邊墻變形的影響。

(3)創(chuàng)造快速支護條件。根據(jù)對廠房機坑結(jié)構(gòu)特點進行分析得知：廠房機坑無大型設(shè)備施工通道，大型支護設(shè)備無法進入機坑進行支護施工；同時，由于在廠房開挖支護結(jié)束前圍巖變形尚未收斂，而設(shè)計要求廠房橋機軌道安裝在巖體變形基本穩(wěn)定后實施，以至于機坑開挖期間廠房橋機尚未安裝，無法利用橋機吊運大型支護設(shè)備下井實施支護。而玄武巖快速松弛的特點又需要逐層開挖、逐層快速支護封閉圍巖，因此，這一矛盾的解決是減小機坑開挖期間高邊墻圍巖變形的關(guān)鍵。

3 控制措施

3.1 隔墩及下游巖橋成型控制措施

3.1.1 隔墩及下游巖橋預(yù)支護加固

廠房機坑上一層開挖結(jié)束后，在高地應(yīng)力作用下機坑隔墩及下游巖橋易卸荷松弛，且機坑隔墩發(fā)育層間錯動帶及斷層等不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，為保證隔墩及下游巖橋開挖成型，提前對廠房機坑隔墩及下游巖橋進行了預(yù)支護加固，機坑巖體預(yù)支護措施主要包括：沉頭錨桿、鎖口錨桿、蓋重混凝土、鎖口預(yù)應(yīng)力錨索。預(yù)支護加固在廠房機坑隔墩開挖前施工完成。

(1)沉頭錨桿施工。沉頭錨桿施工時機為機坑頂部上一層開挖前，沉頭錨桿垂直機坑隔墩和下游巖橋布置，其作用是對機坑隔墩及巖橋進行預(yù)支護，避免在高地應(yīng)力作用下廠房機坑頂部上一層開挖后隔墩及下游巖橋頂面產(chǎn)生較大的卸荷松弛，保證隔墩及下游巖橋成型。沉頭錨桿參數(shù)為Φ28，L=4.5 m@1.2 m×1.8 m，采用ROC-D7液壓鉆鉆孔，鉆孔深度為機坑頂部上一層層高與沉頭錨桿長度之和，頂部高程與隔墩及下游巖橋頂面設(shè)計高程562.9 m一致，采用“先注漿，后插桿”施工工藝。

(2)鎖口錨桿施工。廠房機坑頂部上一層底部采用光面爆破開挖以保證機坑頂部巖體不產(chǎn)生大量的爆破裂隙，最大程度地保證機坑頂部巖體的完整性，確保機坑隔墩及下游巖橋成型。

機坑頂部上一層開挖完成后，立即進行機坑隔墩及下游巖橋鎖口錨桿施工，對隔墩及下游巖橋進行加強支護，鎖口錨桿沿機坑隔墩和下游巖橋周邊垂直于巖面布置兩排。鎖口錨桿參數(shù)為Φ32，L=6 m，間距1 m，外露設(shè)計開挖線0.4 m，采用ROC-D7液壓鉆鉆孔，采用“先注漿，后插桿”施工工藝。廠房隔墩周邊的沉頭錨桿和鎖口錨桿交錯布置。

(3)蓋重混凝土施工。廠房機坑頂部上一層開挖完成后，機坑隔墩及下游巖橋頂面長期裸露在空氣中，為防止隔墩及下游巖橋在后續(xù)機坑開挖支護過程中卸荷松弛，在頂部增加了50 cm厚蓋重混凝土進行封閉，混凝土澆筑頂高程為563.4 m。為保證蓋重混凝土與機坑隔墩及下游巖橋形成整體受力，保持整體穩(wěn)定，蓋重混凝土施工前，在廠房機坑隔墩及下游巖橋頂部增加插筋施工，插筋參數(shù)為Φ32，L=6 m@ 1.2 m×1.8 m，外露設(shè)計開挖線0.1 m，端部彎折0.6 m，采用ROC-D7液壓鉆造孔，采用“先注漿，后插桿”施工工藝。蓋重混凝土為C30鋼筋混凝土，頂部布置一層Φ25@20 cm鋼筋網(wǎng)。蓋重混凝土澆筑過程中，在廠房隔墩頂部鎖口錨索位置預(yù)留70 cm×70 cm位置，為后期鎖口錨索施工創(chuàng)造條件。

(4)鎖口預(yù)應(yīng)力錨索施工。為增加機坑隔墩巖體的整體剛度，在隔墩頂部設(shè)置了豎向鎖口預(yù)應(yīng)力錨索支護。豎向預(yù)應(yīng)力錨索為有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，T=2 000 kN，L=20 m@3.6 m×3.6 m，錨索鉆孔采用HM70A履帶鉆機，孔徑為165 mm，錨索鉆孔及下索在蓋重混凝土施工前完成。蓋重混凝土施工期間，為防止污水、石渣流入錨索孔，錨索孔用外徑159 mm、長40 cm的鋼管進行保護，外部預(yù)留張拉束體。錨索張拉在蓋重混凝土達到設(shè)計強度后進行。錨索張拉完成后，對錨頭部位采用與蓋重混凝土同標(biāo)號混凝土回填封堵至蓋重混凝土頂高程563.4 m。

3.1.2 機坑下游巖橋的加強支護

隨著廠房機坑下挖，機坑下游巖橋附近的挖空率進一步增大，洞室群效應(yīng)增大。為提高機坑下游巖橋圍巖的整體性，保證下游巖橋開挖成型，在機坑下游巖橋高程599.4 m處新增了一排有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索T=2 500 kN，L=25 m，用于加強支護。

3.2 控制爆破措施

3.2.1 開挖方案的選擇

左岸廠房機坑開挖高度為27 m(高程535.9～562.9 m)，根據(jù)廠房機坑的結(jié)構(gòu)特點、施工機械設(shè)備性能并兼顧支護施工等，廠房機坑采用中部拉槽、周邊預(yù)留保護層、分薄層、小塊開挖。廠房機坑自上而下共分Ⅷ～Ⅹ三大層，其中第Ⅷ層分三層7區(qū)開挖，第Ⅸ層分兩小層開挖，第Ⅹ層為機坑底板保護層開挖。通過薄層分區(qū)，分序開挖以減小單次爆破規(guī)模，控制爆破振動對圍巖的影響，最大限度地保證了機坑體型完整。廠房機坑分層分區(qū)方案如圖1所示。

(1)減薄層開挖。減薄層開挖包括第Ⅷ-1和Ⅷ-2區(qū)開挖，分層高度為5.5 m(高程557.4～562.9 m)。減薄層開挖的目的是減小后期機坑一次性貫穿高度，控制爆破規(guī)模以達到減小圍巖變形的目的。減薄層開挖利用引水下平段和廠房上游側(cè)操作廊道作為施工通道直接進入各機組段機坑部位進行開挖支護施工。減薄層分2序開挖：Ⅰ序施工為廠房上游側(cè)操作廊道開挖，Ⅱ序施工為廠房下游側(cè)機坑減薄開挖，采用中部拉槽、兩側(cè)預(yù)留保護層的開挖方式。為保證機坑開挖成型的質(zhì)量，對機坑周邊結(jié)構(gòu)面采用密孔距預(yù)裂爆破開挖，預(yù)裂孔采用樣架導(dǎo)向，QZJ100B潛孔鉆造孔，孔距60 cm，線裝藥密度為510 g/m。

(2)井挖段開挖。廠房機坑井挖段開挖包括Ⅷ-3～Ⅷ-7區(qū)開挖，為機坑與下部裝渣導(dǎo)洞貫穿開挖，分層高度為7.7 m(高程549.7～557.4 m)，主要采用豎向分層、平面分區(qū)的方式進行開挖，包括溜渣井開挖和溜渣井?dāng)U挖。

廠房機坑貫通前，需要完成下部裝渣導(dǎo)洞的開挖，裝渣導(dǎo)洞為8 m×8.8 m標(biāo)準(zhǔn)城門洞型，隨尾水?dāng)U散段開挖一起施工完成。裝渣導(dǎo)洞的開挖以超過機組中心線4.5 m為宜(超過井挖段一次擴挖區(qū)域)。

井挖段的開挖：首先進行Φ3 m溜渣井(Ⅷ-3區(qū))開挖，溜渣井分Φ1 m導(dǎo)井和溜渣井?dāng)U挖2序施工。Ⅰ序開挖在機組中心線附近采用ROC-D7液壓鉆從高程557.4 m向下垂直造孔至裝渣導(dǎo)洞，孔距50 cm左右，乳化炸藥采用鉛絲固定，導(dǎo)爆索傳爆，孔底用編織袋封堵，采用“直孔掏槽”和“提藥法”自下而上分三段開挖[2～4]，形成Φ1 m導(dǎo)洞。Ⅰ序?qū)Ь纬珊螅瑔英蛐蛟炜资┕ぃ蛐蚩卓拙?5 cm左右，底部預(yù)留30 cm左右的巖體，采用非電雷管傳爆，一次爆破形成Φ3 m溜渣井。

圖1 廠房機坑開挖分層分區(qū)典型斷面圖

Φ3 m溜渣井形成后，進行導(dǎo)井一次擴挖(Ⅷ-4區(qū))，同時啟動溜渣井下游側(cè)二次擴挖區(qū)(Ⅷ-5區(qū))的造孔施工。溜渣井一次擴挖寬度與下部裝渣導(dǎo)洞寬度一致(8 m)，分上下游兩次擴挖完成，單次擴挖長度不大于4.5 m(裝渣導(dǎo)洞超過機組中心線距離)。溜渣井一次擴挖及下游側(cè)二次擴挖(寬8 m)采用ROC-D7液壓鉆造孔，下游側(cè)結(jié)構(gòu)面環(huán)向預(yù)裂孔分別采用QZJ100B潛孔鉆自上而下造孔和多臂鉆自下而上造孔(裝渣導(dǎo)洞開挖時提前造孔完成)。溜渣井一次擴挖和下游側(cè)二次擴挖完成后，采用炮渣墊渣作為施工平臺進行廠房下游側(cè)的邊墻支護施工。

廠房下游側(cè)邊墻支護施工完成后，進行廠房上游和兩側(cè)邊墻的二次擴挖(機坑周圍保護層開挖)施工，該部分分上下兩層施工(Ⅷ-6區(qū)和Ⅷ-7區(qū))，平面上分中區(qū)、上區(qū)、下區(qū)3區(qū)開挖，結(jié)構(gòu)邊線采用QZJ100B潛孔鉆造孔，樣架導(dǎo)向，預(yù)裂爆破，其余炮孔采用YT-28手風(fēng)鉆鉆垂直孔，小藥量爆破，按照中區(qū)→上區(qū)→下區(qū)的順序逐步擴挖，每小層開挖完成后隨層支護，支護完成后進行下一層施工。

(3)井挖段下層施工。井挖段下層包括Ⅸ-1區(qū)、Ⅸ-2區(qū)和Ⅹ區(qū)開挖。Ⅸ-1區(qū)已提前完成裝渣導(dǎo)洞開挖，僅剩廠房上游側(cè)和兩側(cè)保護層開挖，Ⅹ區(qū)為建基面保護層開挖。該部分開挖從上向下分層進行，隨層支護，炮孔采用YT-28手風(fēng)鉆造水平孔，結(jié)構(gòu)邊線光面爆破開挖。

3.2.2 爆破振動控制

廠房機坑開挖前，對機坑上層爆破振動監(jiān)測實測數(shù)據(jù)進行了整理，將實測振速值V(cm/s)及相應(yīng)爆心距R(m)和單響藥量Q(kg)進行了統(tǒng)計，按照前蘇聯(lián)M.A薩道夫斯基經(jīng)驗關(guān)系式進行了回歸計算[5]，得到以下峰值質(zhì)點振動速度衰減傳播規(guī)律[6，7]：①水平徑向質(zhì)點振動速度V=54.74(Q1/3/R)1.65；②水平切向質(zhì)點振動速度V=87.82(Q1/3/R)1.93；③豎直向質(zhì)點振動速度V=93.72(Q1/3/R)2.14。由于廠房機坑上層開挖工作面距離廠房機坑開挖區(qū)較近，地質(zhì)條件與廠房機坑地質(zhì)條件較為接近，因此，機坑上層爆破振動監(jiān)測實測數(shù)據(jù)具有很好的代表性。將上述峰值質(zhì)點振動速度衰減傳播規(guī)律作為廠房機坑開挖允許單響藥量的計算依據(jù)，并根據(jù)技術(shù)控制指標(biāo)(R=10 m，V≤7 cm/s)計算出機坑開挖最大單響藥量為19.6 1kg(初步設(shè)計值)。廠房機坑開挖過程中，按照單次爆破總裝藥量不超過200 kg、最大單響藥量18.2 kg控制，爆破振動監(jiān)測45次，實測最大質(zhì)點振動速度為6.654 cm/s，滿足設(shè)計控制指標(biāo)≤7 cm/s的要求，同時，廠房機坑成型效果理想。

3.3 機坑快速支護控制措施

廠房機坑支護包括表層支護、淺層支護和深層支護，不同部位、不同地質(zhì)洞段采用不同的支護組合方式。表層支護為：初噴納米混凝土12 cm、Φ8@15 cm×15 cm掛網(wǎng)鋼筋和Φ16@1.2 m×1.2 m龍骨筋；噴混凝土施工井挖段采用噴射機，其余部位采用濕噴臺車；掛網(wǎng)鋼筋和龍骨筋采用吊車平臺或施工排架。淺層支護為：普通砂漿錨桿Φ32，L=6/9 m和預(yù)應(yīng)力錨桿Φ32，L=6/9 m，T=100 kN；錨桿施工井挖段采用ROC-D7液壓鉆造孔，其余部位采用多臂鉆鉆孔；砂漿錨桿采用“先注漿、后插桿”工藝，預(yù)應(yīng)力錨桿采用“先張法”施工工藝。深層支護為預(yù)應(yīng)力錨索施工，包括上下游邊墻、端墻部位端頭錨索(T=2 500 kN,L=25 m)和機組間對穿錨索(T=2 000 kN,L=18 m)，錨索鉆孔采用HM70A履帶鉆機，孔徑為165 mm。為縮短錨索張拉等強時間，實現(xiàn)錨索快速支護，創(chuàng)新采用了新型材料——KD-18細(xì)石混凝土及壓漿劑。

廠房機坑采取“薄層開挖，隨層快速支護”和“由表及深”的支護原則。同時，為給機坑創(chuàng)造快速支護條件，采取了以下措施快速封閉裸露的巖體，解決了玄武巖快速松弛的問題。

(1)廠房機坑高程557.4 m以上部位減薄層開挖支護期間，利用上游操作廊道溝槽形成通道，保證了大型支護設(shè)備進入工作面實施快速支護。

(2)廠房機坑高程557.4 m以下部位井挖段開挖支護期間，無法利用上游操作廊道形成的通道，通過在操作廊道溝槽布置鋼棧橋，將引水下平洞與廠房機坑隔墩頂部聯(lián)通，使吊車能行駛至機坑隔墩上部，再利用吊車將噴射機、液壓鉆、錨索鉆機吊入井內(nèi)進行快速支護。

(3)廠房機坑高程557.4 m以下部位井挖段下層開挖支護期間，利用尾水?dāng)U散段作為施工通道，保證了大型支護設(shè)備進入工作面進行快速支護。

4 實施效果

白鶴灘水電站左岸廠房機坑于2017年8月初啟動開挖，2018年5月底開挖結(jié)束，歷時10個月，按期完成了廠房機坑開挖支護施工，為后續(xù)廠房混凝土澆筑爭取了時間。廠房機坑采用“預(yù)支護+分薄層、小塊開挖+快速支護”的施工方法，機坑隔墩及下游巖橋體型保留完整，圍巖變形增量最大不超過2 mm，得到了業(yè)主、監(jiān)理的一致好評。

5 結(jié) 語

白鶴灘水電站左岸廠房機坑部位屬高地應(yīng)力條件區(qū)域，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且發(fā)育層間錯動帶等不利地質(zhì)構(gòu)造。通過在廠房機坑下挖前對隔墩進行沉頭錨桿+鎖口錨桿+蓋重混凝土+鎖口預(yù)應(yīng)力錨索組合等多重預(yù)支護措施進行加固，保證了廠房機坑隔墩開挖成型和穩(wěn)定；對廠房機坑采用中部拉槽，周邊預(yù)留保護，分薄層、小塊開挖，合理組織開挖順序，減小爆破規(guī)模和快速對開挖結(jié)構(gòu)面進行支護施工，有利于機坑的開挖成型，保證了機坑的穩(wěn)定性和安全性。白鶴灘水電站左岸廠房機坑開挖成型效果理想，其成功經(jīng)驗對其他類似工程施工具有推廣和借鑒作用。