哈德布特水電站地下廠房巖錨吊車梁地質(zhì)缺陷及超挖處理

摘 要：哈德布特水電站地下廠房巖錨梁巖臺(tái)開挖施工過(guò)程中，由于斷層、節(jié)理裂隙及侵入巖脈的影響，出現(xiàn)較大范圍超挖和巖臺(tái)缺失情況，對(duì)影響巖錨梁穩(wěn)定范圍內(nèi)的地質(zhì)缺陷和超挖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)和鋼筋混凝土置換后，起到了很好的加固圍巖、提高巖錨梁整體穩(wěn)定性的效果。

關(guān)鍵詞：巖錨梁；地質(zhì)缺陷；超挖；錨固支護(hù)

1 工程概況

哈德布特水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)富蘊(yùn)縣境內(nèi)。工程規(guī)模屬中型，等級(jí)為Ⅲ等。主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。廠房區(qū)基本地震烈度為Ⅷ度。

電站地下廠房位于吐爾洪溝上游約300m處的右岸山體內(nèi)，距離富蘊(yùn)縣城9km、距烏魯木齊市494km。主洞室尺寸為：88.56m×19.5m×41m（長(zhǎng)×寬×高），電站廠房共設(shè)計(jì)4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量200MW。

地下廠房圍巖以混合巖夾片麻巖為主，局部有花崗巖侵入體及石英巖脈，巖層結(jié)構(gòu)類型屬于中厚層狀，巖體屬于中硬巖，圍巖工程地質(zhì)分類總體為Ⅱ類，局部構(gòu)造發(fā)育段為Ⅲ類。

哈德布特水電站地下廠房巖錨吊車梁?jiǎn)蝹?cè)長(zhǎng)88.5m，高程范圍為▽829.985～▽832.11，斷面尺寸為1.5m×2.125m（寬×高），設(shè)計(jì)梁體承受最大輪壓為420KN/m。

巖錨吊車梁巖臺(tái)開挖是在地下廠房第二層（高程范圍▽833～▽826）整體開挖完成后進(jìn)行的，巖錨梁在開挖施工中揭露的主要地質(zhì)構(gòu)造為：（1）斷層：F1產(chǎn)狀25°/NW/∠21°，斷層帶寬60-80cm，由斷層巖組成，巖石破碎成塊狀，；F2，產(chǎn)狀55°～77°/SE/∠20°～32°，斷層帶寬10～100cm，巖石破碎并伴有斷層泥存在；F3，產(chǎn)狀345°～355°/NE/∠57°～65°，斷層帶寬度45～60cm，斷層由破碎巖組成，斷層破碎影響帶節(jié)理裂隙發(fā)育，最大寬約100cm；F4，產(chǎn)狀5°/NW/∠15°，斷層帶寬度15～30cm；F5，產(chǎn)狀355°/NW/∠40°，斷層帶寬度10～50cm；（2）巖脈：花崗巖脈γ1，γ2，；石英巖脈q。

在巖錨梁巖壁開挖揭露的主要地質(zhì)構(gòu)造中，斷層F1、F2出露于廠房上游側(cè)墻樁號(hào)0+060.00-0+088.56段，F(xiàn)1出露于巖錨梁下部0.5～1m范圍內(nèi)、F2在樁號(hào)0+065.00-0+071.00穿過(guò)巖錨梁巖壁，且兩條斷層交匯于樁號(hào)0+065.00；斷層F3貫穿整個(gè)地下廠房并在下游墻樁號(hào)0+066.00-0+072.00、上游墻樁號(hào)0+048.00-0+054.00部位穿過(guò)巖錨梁巖壁；斷層F4出露于廠房上游側(cè)墻，在樁號(hào)0+000-0+010.00段穿過(guò)巖錨梁巖壁。巖脈γ1巖石堅(jiān)硬性脆，呈不規(guī)則整體狀，由于侵入過(guò)程中冷凝速度較快和后期構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用產(chǎn)生大量伴生裂隙，出露于廠房上游側(cè)墻0+065.00-0+070.00，826.5～829.0m范圍；γ2巖性同γ1一致，出露于下游墻0+075.00-0+085.00，呈傾斜帶狀侵入，寬度40-50cm，產(chǎn)狀330°/NW/∠40°，并在樁號(hào)0+083.00-0+085.00穿過(guò)巖錨梁巖壁范圍；石英巖脈q出露于下游樁號(hào)0+020.00-0+023.00巖錨梁巖壁范圍內(nèi)。此外，巖錨梁開挖范圍內(nèi)節(jié)理較為發(fā)育，節(jié)理面多為鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)。

由于洞室開挖，圍巖應(yīng)力重新調(diào)整，對(duì)于中厚層狀的片麻巖巖體，受節(jié)理裂隙切割后沿開挖臨空面方向極易形成不穩(wěn)定楔形結(jié)構(gòu)體，而斷層破碎帶影響段巖石為破碎鑲嵌結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巖錨梁巖壁超挖現(xiàn)象普遍，并且受斷層破碎帶和巖脈影響，在下游墻樁號(hào)：0+070.00-0+088.56、上游墻樁號(hào)0+052.00-0+088.56出現(xiàn)自然巖臺(tái)缺失。

2 巖錨梁地質(zhì)缺陷的處理措施

2.1 節(jié)理的處理

獨(dú)立的節(jié)理面：視節(jié)理面張開度和膠結(jié)情況進(jìn)行處理，對(duì)于結(jié)構(gòu)面張開度W<5mm且為硅質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)者不進(jìn)行人工加強(qiáng)處理；而對(duì)于結(jié)構(gòu)面張開度W≥5mm或膠結(jié)物為泥質(zhì)的節(jié)理，采用L=5～7m Ф28@1.0m加強(qiáng)錨桿進(jìn)行處理，加強(qiáng)錨桿采用與節(jié)理走向大角度相交錨入圍巖。

節(jié)理組：對(duì)于巖錨梁巖壁范圍內(nèi)揭露的成組節(jié)理，根據(jù)巖體彈性縱波波速測(cè)定成果確定出圍巖完整度，按圍巖完整度指數(shù)確定圍巖處理范圍，對(duì)于完整性指數(shù)Kv≤0.5的部位進(jìn)行挖除，再用鋼筋混凝土置換，置換用混凝土通過(guò)錨桿與圍巖結(jié)合牢固。

2.2 斷層及侵入巖脈

采用人工掏槽形式將斷層破碎巖及影響帶和節(jié)理密集的巖脈進(jìn)行開挖，開挖深度為破碎帶和巖脈寬度的1.5～2.0倍。開挖斷層破碎帶和破碎巖脈過(guò)程中，為避免爆破產(chǎn)生的震動(dòng)波對(duì)上覆巖體穩(wěn)定造成影響，對(duì)于體積較小的破碎體用人工風(fēng)鎬鑿除，對(duì)于大體積的巖體則通過(guò)嚴(yán)格控制爆破炮眼的數(shù)量、深度及裝藥量來(lái)減少對(duì)圍巖的震動(dòng)作用，并采取楔形掏心對(duì)破碎巖層主體進(jìn)行爆除，周圍與新鮮圍巖接觸的破碎巖采用人工鑿除。

在對(duì)破碎巖開挖完成后為減少上覆巖體的臨空時(shí)間、防止圍巖變形量增大，及時(shí)對(duì)掏挖段進(jìn)行了鋼筋混凝土澆筑，置換混凝土采用C30，并用交叉錨桿使置換混凝土塞與新鮮圍巖連接牢固，交叉錨桿采用L=4m，Ф25@1.0m×1.0m形式布置，采用與斷層面走向和傾向大角度相交錨入圍巖（見圖3）。在澆筑混凝土過(guò)程中預(yù)先埋置了固結(jié)灌漿管和回填灌漿管，待置換混凝土齡期達(dá)到14天以后進(jìn)行固結(jié)灌漿和回填灌漿，固結(jié)灌漿目的在于使圍巖深部破碎巖層固結(jié)形成整體增加抗壓強(qiáng)度，回填灌漿的目的在于填充置換混凝土體與圍巖之間的縫隙使二者成為整體。

2.3 保證洞室整體穩(wěn)定的處理

由于巖錨梁范圍內(nèi)揭露的不良地質(zhì)構(gòu)造延伸至巖錨梁巖壁以上甚至一直到拱頂，形成若干個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面，為了保證地下廠房和巖錨梁的整體安全穩(wěn)定性，在拱頂和巖錨梁上下游設(shè)置了預(yù)應(yīng)力錨索。錨索設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力1000KN，間距5m，根據(jù)不良地質(zhì)構(gòu)造在廠房徑向發(fā)育程度設(shè)計(jì)為15m、20m、和31m三種長(zhǎng)度。

3 巖錨梁巖壁巖臺(tái)超挖情況的處理措施

巖錨梁施工規(guī)范規(guī)定巖錨梁混凝土施工范圍內(nèi)不允許欠挖，超挖不得超過(guò)20cm，本次巖錨梁巖臺(tái)范圍內(nèi)超挖較為嚴(yán)重，且有部位超挖>20cm，并有部分段巖臺(tái)缺失，針對(duì)巖壁超挖和巖臺(tái)缺失，施工過(guò)程中采取的處理原則為恢復(fù)“一點(diǎn)一面”的完整度和強(qiáng)度，一點(diǎn)為巖壁下拐點(diǎn)、一面為巖臺(tái)面，所采取的處理措施如下（見圖4）：

3.1 超挖厚度≤20cm部位：對(duì)超挖部分采用與巖錨梁同標(biāo)號(hào)混凝土進(jìn)行回填，考慮到混凝土與巖壁接觸面本身為抗滑弱面，超挖部分薄層混凝土直接澆筑于巖壁之上不利于穩(wěn)定，所以超挖部分混凝土與巖錨梁混凝土同時(shí)澆筑使之與巖錨梁形成整體，從而增加混凝土巖壁接觸面處的抗滑性。

3.2 巖壁超挖厚度≥20cm，但巖臺(tái)超挖≤20cm部位：設(shè)計(jì)中僅對(duì)巖壁超挖部位采用與巖錨梁同標(biāo)號(hào)鋼筋混凝土進(jìn)行超挖范圍的回填，將巖壁面恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)斷面形式見圖4中4-1。而在實(shí)際施工過(guò)程中，考慮到增大巖臺(tái)面面積有利于巖錨梁抗滑穩(wěn)定性，所以對(duì)超挖部分采取如下處理方式：延長(zhǎng)巖臺(tái)面與巖壁面相交，延長(zhǎng)巖臺(tái)面下部超挖段采用鋼筋混凝土回填，所增加鋼筋與巖錨梁鋼筋進(jìn)行牢固連接，在巖臺(tái)超挖厚度為10cm～20cm布置了單排鋼筋，并在巖壁超挖部位設(shè)置Ф32@1.0m附加抗剪切錨桿，錨桿長(zhǎng)度采用9m/11m梅花形布置錨入圍巖，外露長(zhǎng)度與巖壁超挖厚度相同；延長(zhǎng)面上部超挖巖壁采用鋼筋混凝土填筑，與巖錨梁混凝土同時(shí)澆筑為一體，并增加Ф32@1.0m附加抗剪切錨桿，錨桿長(zhǎng)度采用9m/11m梅花形布置錨入圍巖。見圖4中4-2。

3.3 巖壁超挖厚度≤20cm，巖臺(tái)超挖≥20cm且高度≤60cm部位：對(duì)于巖壁超挖部分不進(jìn)行專門處理；對(duì)于巖臺(tái)超挖部分，采用與巖錨梁同標(biāo)號(hào)鋼筋混凝土進(jìn)行回填，并在超挖段布置Ф32@1.0m加強(qiáng)錨桿，錨桿長(zhǎng)度采用7m/9m梅花形布置錨入圍巖，外露長(zhǎng)度以不露出后期支護(hù)面為宜，巖臺(tái)超挖混凝土與巖錨梁混凝土同時(shí)澆筑為一體。見圖4中4-3。

3.4 巖臺(tái)缺失部位的處理：針對(duì)下游墻樁號(hào)：0+070.00-0+088.56、上游墻樁號(hào)0+052.00-0+088.56自然巖臺(tái)缺失的情況，采用鋼筋混凝土人工巖臺(tái)的形式進(jìn)行處理，由于巖錨梁巖臺(tái)要求具有高的抗壓強(qiáng)度，人工巖臺(tái)混凝土采用C30鋼筋混凝土。對(duì)人工巖臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析和配筋計(jì)算，得出滿足要求的結(jié)構(gòu)形式。人工巖臺(tái)混凝土與巖錨梁混凝土分期澆筑，先進(jìn)行人工巖臺(tái)混凝土的澆筑，人工巖臺(tái)巖壁面處混凝土收盤時(shí)嚴(yán)格控制保證巖臺(tái)角度α≥32°，在澆筑過(guò)程中預(yù)留回填灌漿管，且人工巖臺(tái)采用Ф32L=7/9m@1.0m錨桿與圍巖牢固連接。在人工巖臺(tái)混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%以上后進(jìn)行回填灌漿，最后再對(duì)相應(yīng)段巖錨梁混凝土進(jìn)行了澆筑。見圖4中4-4。

4 巖錨梁地質(zhì)缺陷及超挖處理效果分析

為了監(jiān)測(cè)地下廠房開挖施工中和后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中圍巖應(yīng)力和應(yīng)變，地下廠房在開挖過(guò)程中在多個(gè)斷面都埋設(shè)了多點(diǎn)位移計(jì)，并在巖錨梁施工范圍內(nèi)埋設(shè)了錨桿應(yīng)力計(jì)來(lái)檢測(cè)巖錨梁安全穩(wěn)定情況。一根錨桿共設(shè)置淺部、中部和深部三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，錨桿應(yīng)力計(jì)與巖錨梁砂漿錨桿同時(shí)施工。

在廠房第二層開挖完成進(jìn)行巖錨梁巖臺(tái)開挖過(guò)程中，預(yù)埋多點(diǎn)位移計(jì)淺部至中部測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示圍巖變形量明顯增大，這是因?yàn)榈叵露词议_挖后在淺部形成了應(yīng)力釋放區(qū)，而應(yīng)力釋放區(qū)內(nèi)圍巖地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，在應(yīng)力作用下應(yīng)變加大。而在巖錨梁范圍內(nèi)斷層破碎巖及巖脈開挖置換過(guò)程中，多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)增大，這是因?yàn)榫植慷纹扑閹r層挖除造成了上覆圍巖下部臨空，使臨空段應(yīng)力集中、應(yīng)變加大。針對(duì)這種情況采取的措施是在破碎巖開挖后及時(shí)進(jìn)行混凝土的置換回填和錨桿支護(hù)，減少上覆圍巖底部臨空時(shí)間。在斷層破碎帶和巖脈置換混凝土澆筑完成、整體強(qiáng)度達(dá)到70%以上并完成回填灌漿后，多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)變形量逐漸變小趨于穩(wěn)定。

為了減少洞室開挖基巖面裸露時(shí)間，防止圍巖變形的發(fā)展，在巖錨梁受壓、受拉砂漿錨桿施工完成并在砂漿滿足強(qiáng)度要求后立即進(jìn)行巖錨梁混凝土的澆筑。錨桿應(yīng)力計(jì)在埋設(shè)初期，淺部至中部測(cè)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏大，說(shuō)明該區(qū)域?yàn)閲鷰r應(yīng)力釋放區(qū)，這和多點(diǎn)位移計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。在巖錨梁混凝土澆筑過(guò)程中和澆筑后混凝土初凝過(guò)程中，巖錨梁錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示增大明顯，且主要表現(xiàn)在淺部和中部測(cè)點(diǎn)，分析原因主要是澆筑過(guò)程中和澆筑初期未硬化混凝土自身結(jié)構(gòu)力缺乏而混凝土自重荷載加載于錨桿造成錨桿應(yīng)力異常；同時(shí)，應(yīng)力超限表現(xiàn)在淺部至中部說(shuō)明巖錨梁錨桿向圍巖傳遞梁體荷載深度較淺，這在國(guó)內(nèi)其他類似研究中也有提及，為防止圍巖釋放應(yīng)力和梁體荷載在錨桿淺部段形成疊加，目前一般采取的措施是對(duì)圍巖淺部錨桿段涂抹瀝青來(lái)減小孔口段錨桿所受釋放應(yīng)力，并均化梁體作用于錨桿上的荷載應(yīng)力使荷載應(yīng)力向錨桿中深部傳遞。

在對(duì)巖錨梁進(jìn)行地質(zhì)缺陷處理，對(duì)廠房圍巖進(jìn)行整體錨索、噴錨支護(hù)及巖錨梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，多點(diǎn)位移計(jì)和錨桿應(yīng)力計(jì)多次監(jiān)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定并滿足安全穩(wěn)定要求，后期的巖錨梁動(dòng)靜載試驗(yàn)也都滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，這說(shuō)明對(duì)巖錨梁缺陷及地下廠房總體錨固處理是合理的。

5 結(jié)束語(yǔ)

5.1 本次巖錨梁地質(zhì)缺陷和超挖處理過(guò)程中，嚴(yán)格按恢復(fù)“一點(diǎn)一面”完整性和強(qiáng)度的原則進(jìn)行處理，處理效果良好，施工達(dá)到了預(yù)期效果。這可以作為巖錨梁地質(zhì)缺陷和超挖處理的一個(gè)基本原則。

5.2 洞室開挖過(guò)程中，為防止圍巖應(yīng)力釋放過(guò)快、應(yīng)變加大，應(yīng)及時(shí)對(duì)裸露基巖面進(jìn)行人工支護(hù)處理，減少裸洞時(shí)間。

5.3 巖錨梁施工期間要加強(qiáng)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測(cè)，這對(duì)巖錨梁的安全穩(wěn)定至關(guān)重要。

5.4 應(yīng)加強(qiáng)巖錨梁范圍內(nèi)圍巖松動(dòng)區(qū)的人工支護(hù)，防止過(guò)大的釋放應(yīng)力作用到巖錨梁受拉錨桿。

5.5 在巖錨梁混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求后，實(shí)測(cè)巖錨梁范圍內(nèi)圍巖變形量較混凝土澆筑前和澆筑初期明顯減小，這說(shuō)明巖錨梁混凝土對(duì)巖壁范圍內(nèi)的圍巖能起到約束變形作用。

參考文獻(xiàn)

[1]DLT5198-2004.水電水利工程巖壁梁施工規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2]韓愛萍，王瑞華.哈德布特水電站地下廠房設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì).2010，（6）：62-65.

[3]辛繼勇，黃春芳.三板溪水電站地下廠房巖錨吊車梁在施工中的地質(zhì)缺陷處理[J].電網(wǎng)與水利發(fā)電.2007，23（10）.

[4]于生波.蒲石河地下廠房巖錨吊車梁開挖及地質(zhì)缺陷處理[A].見：施工組織設(shè)計(jì)（2011年度論文集）[M].中國(guó)水利水電出版社，2012.