彭水水電站地下廠房洞室圍巖穩定施工技術

范開平

(中國水利水電第十四工程局有限公司曲靖分公司,云南曲靖 655000)

彭水地下電站為中部式地下廠房布置形式,采用單機單洞布置方案。電站裝有5臺單機容量350MW的大型混流式水輪發電機組,多年平均發電量63.51億kW?h,電站正常蓄水位293 m。地下廠房洞室尺寸252 m ×30 m ×84.5 m(長 ×寬 ×高),洞室規模較大。廠房洞室斷面為直墻曲頂拱型,拱頂高程248 m,起拱高程240 m以下為直立高邊墻,機組安裝高程220 m。

地下廠房洞室群位于壩址右岸山體內,主廠房洞室上覆巖體厚度最大約200 m,最小約130 m,左端距河床最小距離100 m。圍巖為層灰巖、白云巖及含灰質串珠體頁巖,廠區巖溶發育且規模較大,圍巖為陡傾角層狀灰巖及灰質頁巖,地質條件復雜。與主廠房縱軸線平行的巖層傾角為60°～70°、巖層走向為 NE22°～25°。上游高邊墻出露巖層為南津關組灰巖,為薄層、陡傾角逆坡向產狀,巖層傾向洞壁內;下游高邊墻圍巖為南津關組灰巖和白云質頁巖,為陡傾角、順向巖層組合,巖層傾向洞內,存在較軟頁巖臨空面,對圍巖穩定十分不利。下游側壁等層屬于軟巖或以軟巖為主的軟硬巖相間互層狀,自穩時間短,抗風化能力弱,為Ⅳ類圍巖。另外,主廠房位于W84與KW51順巖層發育的兩個大型巖溶系統之間,其中W84熱水巖溶地溫25～27℃,地下水位較高(高程280～320 m)、外水壓力較大。主廠房軸線與壩區最大主應力平行,最大主應力約8～10MPa。

地下廠房圍巖穩定支護與加固方案是在詳實的工程地質資料以及多理論的數值模擬分析和工程類比分析成果基礎上,根據施工過程中開挖提示的圍巖變形及應力特征反饋分析,對支護、開挖鉆爆參數等進行適時調整而最終確定的,其洞室圍巖穩定支護與加固實踐了“新奧法”的動態設計、施工技術理念。

1 頂 拱

主廠房拱頂巖體的完整性、穩定性較好,屬Ⅱ類圍巖,巖層產狀有利于下游拱座穩定,而對上游拱座穩定不利。開挖模擬計算的多項成果表明頂拱、拱座均為受壓且塑性區很小,離散元法計算分析表明在上游拱座附近有局部掉塊現象。拱頂采用系統的鋼質楔頭中空注漿張拉錨桿及15 cm厚噴鋼纖維混凝土進行支護,錨桿直徑32 mm,長8 m和10 m間隔布置,間距1.5 m ×1.5 m,初期張拉力大于90 kN。開挖中,在廠房頂拱上出露6條斷層,斷層走向基本與主廠房軸線近直交,巖石中裂隙相互切割成倒三角,南津關第4層沿層面多夾面巖薄片,根據圍巖變形情況,在頂拱上游側進行了局部增設中空錨桿及增設機編鐵絲網等進行加固。

施工過程中,鋼質楔頭中空注漿張拉錨桿在造孔完畢插桿后即可施加預應力,隨后進行灌漿固結,可以及時對出露圍巖提供支護力并保證了錨桿注漿的密實度,取得了較好的效果。同時解決了深層錨固錨索施工周期長、圍巖揭露不能及時受到支護力的弊端,減小了洞室圍巖的變形,加快了施工進度。實踐表明,上述支護有效地加快了頂拱施工進度,保證了頂拱開挖支護施工質量。

2 洞室高邊墻

2.1 上游邊墻

上游高邊墻出露巖石的完整性和穩定性較好,為陡傾角逆坡向產狀,但部分巖層層面夾薄層泥化頁巖結合較差。由于邊墻沿巖層走向開挖,加上5條引水隧洞、5條母線洞在上游邊墻交匯,上游邊墻巖體的挖空率較高,上游巖錨梁底距母線洞頂的最小距離約3.5 m,母線洞距引水隧洞的最小距離僅9 m。設計采用的支護為系統噴錨支護加無粘結預應力錨索加固,噴15 cm鋼纖維混凝土;普通砂漿錨桿直徑32 mm,長6 m和9 m間隔布置,間排距1.5 m×1.5 m;預應力錨索為2000 kN級,張拉鎖定值為1500 kN,長 25 m,間距4.5 m ×4.5 m;另在各洞室與邊墻交匯處沿周邊布置兩排直徑32 mm、長12 m的張拉錨桿進行鎖口加固。

為保證邊墻及各洞室交匯區邊墻的穩定,考慮巖層地質條件,主廠房邊墻開挖按分層高度不大于5 m進行控制。由于邊墻沿巖層走向開挖,采用常規的水平孔光爆法進行施工,層面切割嚴重,將導致邊墻的大面積塌落。施工中通過水平孔開挖與垂直孔開挖兩種爆破方法的對比性試驗,確定主廠房采用垂直孔進行邊墻保護層開挖,洞室交叉部位采用了先小洞后大洞的開挖順序,對于母線洞等與主廠房交叉部位,為保護巖錨梁基巖還采取了先完成母線洞襯砌,再進行廠房邊墻開挖的方法。

實際開挖過程中部分邊墻呈現沿層面的張裂、折斷、傾倒掉塊狀破壞,但范圍較小,后針對該部分巖層補充、調整了張拉錨桿,并對各洞間邊墻調整加密錨索間距為3 m,最后根據表層圍巖張裂松動變形的情況增加部分無蓋重固結灌漿。

2.2 下游邊墻

下游側墻圍巖強度高,較完整,屬Ⅱ、Ⅲ類圍巖,巖層為陡傾角順坡向產狀。采用系統噴錨支護及無粘結預應力錨索加固,系統錨桿直徑32 mm,長6 m和9 m間隔布置,間排距1.5 m ×1.5 m;預應力錨索為2000 kN級,鎖定張拉力1500 kN,長25 m,間距4.5 m ×4.5 m。

在主廠房開挖高度至30 m時,部分邊墻呈現沿層面的張裂、錯動、滑移掉塊破壞,探洞揭示的頁巖受開挖爆破擾動影響后強度及完整性大為下降,因其位于邊墻下部,處于下游邊墻水平變形最大部位,各機窩間頁巖處于墻角高應力區,機窩與尾水管結合部位挖空率高,邊墻相當高,下部屬應力集中區,對下游邊墻及整個洞室圍巖的穩定極為不利。根據已探明的地質情況,雖對下部巖體的開挖支護施工程序進行了調整,頁巖部分保護層開挖層高調整為2.5 m,保證支護緊隨開挖面進行,開挖一層支護一層,仍無法限制邊墻的變形,開挖后安全監測結果顯示,下游邊墻錨索測力計張拉力超過原設計張拉鎖定值,多點位移計測試主廠房邊墻位移最大達到39.28 mm,變形主要集中在頁巖范圍內。根據以上開挖及監測反饋的情況,暫停了廠房的下挖,對下部巖層,將普通砂漿錨桿調整為張拉錨桿,間距1.2 m×1.2 m,將下部未施工的邊墻錨索間距調整為3 m,對上部已施工邊墻錨索進行了補充加密,對上部邊墻表層已張裂范圍進行了全面無蓋重固結灌漿。通過采取以上加固措施后,限制了廠房邊墻的變形,保證了主廠房高邊墻的穩定。

3 巖錨吊車梁的預應力錨固

巖錨梁基礎巖體巖石堅硬完整,穩定性較好,但巖層層面發育。在巖錨梁基礎開挖過程中,呈現沿層面松動、張裂變形現象,后經邊墻固結灌漿處理,其完整性有較大提高。

巖錨梁錨固體系一般分為預應力與非預應力兩類,均要求在開挖至巖錨梁下部2～3 m范圍時完成巖錨梁的澆筑與受力錨桿的鎖定。由于巖錨梁的斷面剛度較大,錨固體系的約束較強,為滿足橋機運行要求,其分段長度不能太小,因此巖錨梁適應后續邊墻開挖變形的能力較差。目前地下廠房施工過程中出現了大量巖錨梁開裂的現象,主要原因就是適應下部邊墻變形的能力差。彭水地下廠房巖錨吊車梁在主廠房開挖第3層后進行混凝土澆筑,采用后張拉預應力錨固體系,其中受力錨桿采用直徑32 mm的精軋螺紋鋼,設計張拉鎖定值為200 kN,巖錨梁混凝土澆筑完成后,初始張拉鎖定100 kN,用以固定并適應邊墻的開挖變形;待邊墻開挖支護完成后,再張拉鎖定至設計值,最終完成巖錨梁的施工。

4 預應力錨墩優化

大型地下廠房的洞室圍巖支護及加固,需要大量的預應力錨索?，F行的預應力錨索外錨墩大部分采用鋼筋混凝土現澆或預制,同時為適應不同的錨固角度及開挖不均引起的起伏差尚需進行二次局部清挖。這一方面延遲了預應力錨索加固的時效性,同時二次清挖爆破造成的圍巖破壞將極大地影響非常敏感的圍巖二次應力調整,對開挖后本已處于應力松弛狀態的圍巖造成非常不利的影響。對于彭水地下廠房這種順巖層走向開挖、層面結合較差的圍巖地質條件,更加容易引起高邊墻的局部垮塌與失穩。為此,彭水地下廠房邊墻的預應力外錨墩根據圍巖的性狀采用了鋼板錨墩,極大地方便了預應力錨索施工,加快了施工進度,保證了支護的及時性,對減少圍巖變形、保證洞室圍巖穩定起到了十分重要的作用。

5 高邊墻無蓋重固結灌漿

針對受開挖爆破影響產生卸荷松馳層面張開的淺表圍巖體,以及斷層結構面交匯形成的松動破碎帶還采用了灌漿加固處理,灌漿范圍包括廠房上、下游邊墻高程218～240 m、樁號X0+000.0至X0+216.0 m,以及高程218.0 ～189.0 m、樁號 X0+13.00 ～X0+193.00 m。

無蓋重固結灌漿通常應用于壩基基礎處理,而順巖層走向呈0°夾角布置在薄層、陡傾角灰巖、夾軟弱頁巖層狀中的大型地下洞室高邊墻在無蓋重條件下進行固結灌漿加固處理,其灌漿壓力控制、灌漿先后順序等尚無成熟經驗可借鑒。針對順巖層走向的薄層、陡傾角層狀灰巖、夾軟弱頁巖體中的大型地下洞室高邊墻采用無蓋重固結灌漿加固。灌漿壓力過小則滿足不了灌漿固壁效果,灌漿壓力過大則將加速巖體卸荷變形,進一步危及高邊墻穩定。通過深入的灌漿試驗,灌前應用地質取芯、地質探洞探明廠房邊墻的地質情況,確定了采用自下而上、先排序、后孔序的施工方法;采用孔口阻塞,分段灌注,嚴格控制各段灌漿壓力的灌漿工藝。灌后對圍巖進行物探、壓水等檢測,對灌漿效果進行評價分析,檢查結果表明圍巖加固效果良好,對改善因開挖卸荷和爆破震動而損傷、松動的裂隙巖體效果十分顯著,改善了節理裂隙的力學形狀,提高了圍巖的整體剛度及抗變形能力。

6 施工期安全監測及反饋

主廠房3個主要監測斷面221～218 m高程的多點位移計在若干次分層開挖爆破施工過程中,均出現了不同程度的變形,最大變形量達41.1 mm,下游邊墻的錨索測力計錨固力增大,2005年10月初多點位移計和錨索測力計均出現突變跡象,監測資料表明:主要變形產生在下游側190～230 m。相關單位及時研究后確定了如下方案:停止爆破施工,在下游邊墻進行固結灌漿,增加錨桿,在207.5 m及199 m處增布7束無粘結預應力監測錨索,在198 m處布置2套多點位移計,繼續加密監測其變形發展趨勢,0+141.2 m下游側198 m處的多點位移計2006年1月開始投入觀測,至2007年2月相對累計位移在3 mm以內。

廠房洞室于2003年9月14日開挖,2006年4月中旬開挖結束,安全監測儀器也隨施工進展逐一埋設,在開挖過程中,監測儀器不斷反應出各個施工階段的圍巖變形情況,變化過程曲線呈階梯狀,開挖結束并支護后,各測點變形趨緩,至2007年4月以后全部處于平穩狀態。

下游邊墻O21n頁巖性狀較差,當形成55 m以上的高邊墻,下端頁巖斷層交錯切割,使190～230 m段產生變形;1號機組下游靠尾水管處遇F110斷層,尾水管開挖后的圍巖應力釋放,導致表面出現多條裂縫,錨桿應力計測值出現異常,為此調整了施工工序,優化爆破參數,有效地減少了爆破施工對圍巖穩定的不利影響,并針對性地在下游側增加錨桿、錨索,對已經產生的裂縫進行固結灌漿,使該部位變形得到有效控制。