柔性支護在柳洪水電站地下廠房的應用及效果

羅賢奎

摘 要：地下廠房頂拱是永久結構，傳統的做法是采用鋼筋混凝土襯砌，不允許頂拱圍巖在襯砌后變形，屬于剛性支護范疇；而錨噴支護技術是將圍巖當作承載的主體，允許圍巖變形，屬于柔性支護范疇。將柔性支護技術應用于柳洪水電站地下廠房頂拱永久性支護，是地下廠房支護技術的又一次有益嘗試，其應用效果備受各方面關注。工程于2004年6月1日～2004年9月17日施工完成，經過二年多的觀測結果顯示，柳洪地下廠房頂拱圍巖變形逐漸減少，趨于穩定，達到預期效果，滿足安全運行要求，其成功經驗可資同類型工程借鑒。

關鍵詞：柳洪水電站 地下廠房 柔性支護 施工技術

1.工程簡介

柳洪水電站位于四川省涼山州美姑縣柳洪區境內，金沙江支流美姑河下游爾其至柳洪溝口河段，為引水式電站，電站共裝機3臺，單機容量60MW，總裝機容量180MW。樞紐工程由攔河閘壩、引水隧洞、調壓室、壓力管道、地下廠房和尾水渠等水工建筑物組成。

地下式電站廠房系統由主廠房、安裝間、副廠房、母線洞、尾水洞和尾水渠、交通洞、排風出線洞、GIS樓等組成，主、副廠房及安裝間呈直線布置，頂拱開挖斷面長81.52m，最大跨度（寬）18.1m。

地下廠房頂拱采用柔性支護，于2004年6月1日～2004年9月17日施工完成。布置有各種原型觀測儀器共27套，經過二年多的觀測結果顯示，廠房頂拱圍巖穩定，滿足安全運行要求。

工程建設單位為四川美姑河水電開發有限公司，設計單位為成都勘測設計研究院，由中國葛洲壩水利水電工程集團有限公司（以下簡稱“葛洲壩集團”）承擔施工任務。

1.1柔性（錨噴）支護原理

地下廠房頂拱是永久結構，傳統的做法是采用鋼筋混凝土襯砌，不允許頂拱圍巖在襯砌后變形，屬于剛性支護范疇；而柔性支護技術是將圍巖當作承載的主體，按“支護—圍巖”共同工作的原理進行設計，充分利用圍巖的承載能力，允許圍巖應力釋放過程中有一定的變形，最后達到穩定。用錨噴結構取代鋼筋混凝土結構，不僅滿足了圍巖長期穩定的目標，而且還節約工程造價，提高施工速度。柔性（錨噴）支護技術在我國水電工程中的應用始于20世紀80年代初，主要用于洞室開挖施工中的臨時支護。該技術成功應用于柳洪水電站地下廠房頂拱永久性支護，是地下廠房支護技術的又一次有益嘗試，備受各方面關注。

1.2地質條件

地下廠房頂拱以砂質頁巖、頁巖為主，夾紫紅色粘土巖夾層，巖層產狀平緩，層面裂隙較發育，圍巖類別以Ⅲ類為主，部分Ⅳ類。在奧陶系下統下部砂質頁巖中存在f701斷層，延伸長大于50m，主錯帶寬10～20cm，主要由碎屑和泥組成，性狀較差。影響帶寬1～2m，巖體破碎，呈碎裂結構。

2.廠房頂拱柔性（錨噴）支護設計布置

2.1系統錨桿布置

（廠橫）0+000.00～0+037.00段系統錨桿Φ25/L=6m&Φ28/L=8m、@1.5×2.0m梅花型間隔布置，采用M 20砂漿錨固；（廠橫）0+038.13～0+072.50段系統錨桿Φ25/ L=6m&Φ28/L=8m、@1.5×1.5m梅花型間隔布置，M20砂漿錨固。

2.2鋼筋網布置

頂拱范圍內設計布置掛鋼筋網φ10@15×15cm。

2.3鋼筋拱架及局部加強支護

廠房頂拱有一斷層通過（寬度為10cm～30cm），設計布置增加了貫穿斷層的跨縫錨桿（Φ28/L=9m）60根，增加二層鋼筋網φ10@20×20cm，6Φ28鋼筋異型肋拱20榀，Φ25/L=3m肋拱支座錨桿240根。

2.4噴鋼纖維混凝土

C25鋼纖維混凝土厚20cm，局部適當增加。

地下廠房頂拱支護布置詳見圖1。

2.5巖石固結灌漿

固結灌漿目的是為增加頂拱巖石的整體性，提高巖石彈性模量，改善廠房巖石頂拱的受力條件，在錨噴支護完成后，對頂拱巖石進行了固結灌漿。

固結灌漿范圍為1號卸荷裂隙區、頂拱中心潛在卸荷裂隙區及頂拱部位隨機出現的較大裂隙區域。

固結灌漿技術參數：

a .灌漿孔伸入圍巖6 m，孔徑50mm，間排距3m，梅花型布置；

b.灌漿用水泥為P.O.32.5水泥；

c.灌漿壓力：固結灌漿分兩段進行施工。第一段孔深3m、灌漿壓力0.3MPa，第二段孔深6m、灌漿壓力0.6MPa；灌漿方法采用逐步加密法；固結灌漿在錨噴支護完工后14天以后進行。

2.6監測儀器布置

廠房頂拱按設計布置有三個安全監測觀測斷面，其樁號為（廠橫）0+014.00、0+034.00、0+054.50。每個斷面分三個布置點，共布置多點位移計9套、錨桿應力計9套。地下廠房頂拱監測儀器布置詳見圖2。

3.施工過程

電站廠房頂拱開挖（第一層）于2004年4月5日完成，廠房頂拱支護于2004年9月17日完成，2004年10月4日廠房頂拱固結灌漿結束，支付工作歷時6個月時間。

3.1錨桿支護

主要工序為鉆孔—沖洗—錨桿安裝—灌漿。采用H178型三臂臺車配φ64鉆頭開孔（孔深4m），人工手風鉆加深；用高壓風（水）沖洗錨桿孔，確保錨桿孔干凈無積水；人工安裝錨桿及注漿管（直徑φ20，孔內出漿口比錨桿頂部低0.1m），采用注漿泵注漿，漿液灌滿后出漿孔出漿，立即封閉灌漿管和出漿管待凝。

3.2掛網支護

頂拱掛網鋼筋采用φ10@15×15cm。在鋼筋加工廠將φ10盤圓拉伸后，按施工需要切割下料，5t載重汽車運至施工現場，人工在腳手架操作平臺上進行安裝、綁扎、焊接固定等作業。

3.3噴鋼纖維混凝土支護

采用PZ-5型干噴機和KSP-Ⅱ型濕噴機施工，噴混凝土料由洞外小型拌和站拌制，5T自卸車運輸至施工部位進行施工。廠房頂拱層噴混凝土量 403m3。

3.4頂拱固結灌漿

灌漿前先做灌漿試驗以確定灌漿濃度，灌漿方法采用逐步加密法；灌漿壓力和灌漿孔間距根據灌漿情況進行調整；固結灌漿在錨噴支護完工后14天以后進行。

施工中采用集中制漿方式制漿，站內配置1臺NJ-600型高速攪拌機制漿，1臺1m3的低速攪拌桶儲漿，1臺BW250泥漿泵（或SGB-1中壓泵）輸漿。輸漿管采用φ50鋼管沿廠房縱向中心線全程鋪設，每隔20m設一個分漿閥，制漿站制供漿能力200L/min。在錨噴段實施固結灌漿不同于在襯砌段進行固結灌漿，我部嚴格控制灌漿壓力，避免發生抬動。

廠房頂拱固結灌漿結完畢后采用檢查孔壓水試驗方式進行質量檢查。檢查孔的數量大于灌漿孔總數的5%。檢查孔鉆孔壓水試驗在該區灌漿結束3～7天后進行，檢查孔壓水試驗采用單點法，壓水檢查結束后，按灌漿孔要求進行灌漿和封孔。

固結灌漿質量檢查主要采用檢查孔壓水試驗方式進行，檢查孔的數量不小于灌漿孔總數的5%。經鉆孔壓水試驗檢查全部合格。

3.5原型觀測

原型觀測儀器埋設施工與支護施工同步布置完成。φ110mm儀器孔采用支架式替孔鉆造孔，深度為20m。儀器在洞外組裝完成，人工運輸到施工排架上安裝。施工期原型觀測頻度按設計要求，24小時內1次/8小時；以后每天一次，觀測一周；一周后，每周一次，觀測半年；半年后每月一次至本工程移交。特殊情況下隨時調整觀測頻次。每月由項目部出一期原型觀測月報，并報監理工程師備案。

4.原型觀測成果

根據廠房安全監測儀器監測成果2006年11月資料，廠房頂拱錨桿應力計及位移計測值統計結果詳見表1，過程線詳見圖3、4、5、6。

廠房頂拱錨桿應力計最大應力在主廠房上游拱肩0+053.63、標高EL.932.98m的R-31儀器，測值為186.50 MPa，2006年11月10日17時出現；最小應力在主廠房下游拱肩0+053.61、標高EL.933.54的R-33儀器，測值為8.93 MPa，2006年9月20日8時出現。錨桿應力反映了錨桿所受到的拉力，變化的特點是隨時間推移而逐漸減少，最后趨于穩定。

廠房多點位移計埋設在頂拱0+054.50、標高EL.934.35的M4-21儀器，最大變形5.75mm，2006年4月30日8時出現；埋設在上游拱肩0+014.50、標高EL.930.55的M4-21儀器，最小變形0.72mm，2005年12月28日8時出現。位移變化的特點是隨時間推移而逐漸減少，最后趨于穩定。

5.地下廠房錨噴支護效果

廠房頂拱錨噴支護支護施工質量主要控制指標有錨桿施工質量、噴混凝土施工質量及接觸灌漿施工質量等。施工質量控制重點主要落實到原材料、半成品、施工過程及結果等幾個方面。嚴格按照規范及技術標準要求對原材料及半成品進行檢測試驗控制，并在施工質量月報中反映出各種結果。施工過程中安排專人跟班作業，指導施工。對施工完成的錨桿進行了拉拔試驗及無損檢測試驗；噴混凝土前做好厚度控制標志并進行驗收，完成后進行了厚度檢測。通過以上措施，廠房頂拱施工質量得到有效保障。

廠房頂拱錨桿支護為關鍵工序，施工、質檢人員對其進行了全過程跟蹤監控。成勘院物探中心對頂拱錨桿進行了無損監測。2004年7月21日～8月9日廠房頂拱錨桿進行了第一次無損檢測，檢測結果為取樣124根，其中注漿正常的為78根，注漿不正常的為46根，約占廠房頂拱錨桿總數的15%。為確保廠房頂拱錨桿質量，對（廠橫）0+000～（廠橫）0+020段進行了第二次無損檢測，取樣93根，其中優良或合格的共77根，占所測錨桿總數的82.8%。針對以上不合格錨桿，重新進行施工，并全部進行無損檢測，最終檢測結果全部合格，保證了廠房頂拱的支護質量。

噴混凝土施工前，巖面均進行了認真清理，并通過了業主、設計、監理、施工四方的聯合驗收。噴混凝土嚴格按配合比要求拌制，噴層厚度采用預埋厚度標志進行控制。噴混凝土強度現場共取樣試驗51組，強度合格率100%。

6.結論

柳洪水電站地下廠房頂拱柔性支護設計合理、施工過程全面受控，全部合格，滿足設計要求。

經過二年多的觀測結果顯示，柳洪水電站地下廠房頂拱圍巖變形趨于穩定，滿足安全運行要求。

將柔性（錨噴）支護技術應用于柳洪水電站地下廠房頂拱永久性支護，是地下廠房支護技術的又一次有益嘗試，其應用效果備受各方面關注。工程于2004年6月1日～2004年9月17日施工完成，經過二年多的觀測結果顯示，柳洪地下廠房頂拱圍巖變形逐漸減少，趨于穩定，達到預期效果，滿足安全運行要求。實踐證明柔性支護在柳洪工程中應用設計合理、施工質量優良，為同類型工程提供了可資借鑒經驗。