楊房溝水電站地下廠房開挖支護(hù)設(shè)計(jì)施工實(shí)踐

焦 凱， 李 俊， 張 曉 輝

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

隨著西部開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國水能資源開發(fā)集中在西部高山峽谷地區(qū)，區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，工程建筑物布置難度大，建造技術(shù)難度高。由于地下廠房具有樞紐布置占地少、與擋水泄水建筑物相對(duì)獨(dú)立、受施工導(dǎo)流影響小、抗震性能好、環(huán)境和諧友好、工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，我國目前開發(fā)的水電工程中約有半數(shù)采用了地下廠房 。

隨著金沙江、雅礱江、大渡河、瀾滄江等流域水力資源的大規(guī)模集中開發(fā)，水電行業(yè)逐步形成了相對(duì)完整的超大洞室群建設(shè)技術(shù)體系，地下廠房洞室群建設(shè)技術(shù)及工程建設(shè)規(guī)模均處于世界領(lǐng)先地位。

楊房溝水電站為雅礱江流域中游河段一庫七級(jí)開發(fā)的第六級(jí)，總裝機(jī)容量1 500 MW。樞紐工程區(qū)屬高山峽谷地貌，河谷狹窄，岸坡陡峻，地震烈度高，壩身泄洪量大，不具備修建壩后式地面廠房及引水式地面廠房的條件。經(jīng)可行性研究對(duì)比分析，引水發(fā)電系統(tǒng)布置于工程區(qū)左岸山體內(nèi)，地下廠房采用首部開發(fā)方案。

1 開挖支護(hù)設(shè)計(jì)

楊房溝水電站地下廠房上覆巖體厚度197～328 m，水平巖體厚度125～320 m，巖性為花崗閃長巖，巖體完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬，以次塊狀～塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體較完整～完整性差。總體成洞條件較好，圍巖整體穩(wěn)定，但局部存在塊體穩(wěn)定問題，局部穩(wěn)定性較差，主要為Ⅱ、Ⅲ1類圍巖，其中Ⅱ類占52.5%，Ⅲ1類占38.8%，局部Ⅲ2類，占8.7%。巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度在80～100 MPa之間，廠區(qū)最大主應(yīng)力σ1值為12～15.48 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹61°W～N79°W，屬于中等地應(yīng)力區(qū)。

廠房縱軸線方向?yàn)镹5°E，采用圓拱直墻型斷面，在平面布置上采用“一”字型布置，從左至右依次為副廠房、主廠房和安裝場(chǎng)，洞室開挖尺寸為230 m×30 m(28 m)×75.57 m(長×寬×高)。楊房溝水電站引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群三維布置如圖1所示。

圖1 地下洞室群三維布置圖

根據(jù)楊房溝水電站地下廠房的規(guī)模和特點(diǎn)，支護(hù)設(shè)計(jì)遵循“根據(jù)工程特點(diǎn)，以已建工程經(jīng)驗(yàn)和工程類比為主，巖體力學(xué)數(shù)值分析為輔”的原則，并根據(jù)開挖施工期所揭露的實(shí)際地質(zhì)條件和圍巖監(jiān)測(cè)及反饋分析成果對(duì)圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，進(jìn)行“動(dòng)態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)”以滿足圍巖的穩(wěn)定要求。廠房結(jié)構(gòu)系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 地下廠房系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)

2 地下廠房開挖施工方案

2.1 分層開挖及施工方法

根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、圍巖穩(wěn)定條件、施工機(jī)械性能、運(yùn)輸通道條件及支護(hù)方式等因素，按照“立體多層次、平面多工序的”總體原則，洞室開挖支護(hù)施工總體共分九大層，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采取層內(nèi)分層、分區(qū)進(jìn)行爆破開挖。分層分區(qū)布置見圖2，具體方案如下：

圖2 主副廠房洞開挖分層分區(qū)示意圖

(1)第Ⅰ層采用先中導(dǎo)洞開挖，后兩側(cè)擴(kuò)挖的方式，通過通風(fēng)兼安全洞出渣。

(2)第Ⅱ～Ⅶ層均采用中間拉槽，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層的開挖方式，成“品”字型推進(jìn)，根據(jù)開挖進(jìn)展情況分別通過通風(fēng)兼安全洞、進(jìn)廠交通洞、母線洞和壓力管道下平段出渣。其中，母線洞和壓力管道范圍內(nèi)采用“先洞后墻”的開挖順序，提前進(jìn)入廠房后對(duì)3 m范圍內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

(3)廠房第Ⅷ～Ⅸ層(機(jī)坑)分導(dǎo)井、上游保護(hù)層、下游保護(hù)層、巖柱頂面保護(hù)層四序開挖，通過導(dǎo)井溜渣至機(jī)坑底部，通過尾水?dāng)U散段出渣。其中，第Ⅸ層通過尾水?dāng)U散段提前進(jìn)行中導(dǎo)洞開挖。

施工過程中遵循“新奧法”理念，開挖鉆 爆遵循“預(yù)支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破，及時(shí)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的施工原則，以確保洞室的穩(wěn)定。

施工過程中，設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定計(jì)算和數(shù)值分析成果，制定廠房分層開挖變形預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)圍巖變形安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化，當(dāng)圍巖變形為安全狀態(tài)時(shí)，可以進(jìn)行正常施工；當(dāng)圍巖變形超過警戒狀態(tài)，需暫停開挖，增加監(jiān)測(cè)頻次并進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；當(dāng)圍巖變形達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)，立即停止開挖，并采取加強(qiáng)支護(hù)措施保證洞室結(jié)構(gòu)安全。

2.2 開挖質(zhì)量控制措施

根據(jù)廠房地質(zhì)條件及巖性、技術(shù)規(guī)范要求、開挖方法及類似工程經(jīng)驗(yàn)，采用孔間微差爆破技術(shù)，輪廓線用預(yù)裂或光面爆破。地質(zhì)條件差的洞段(斷層破碎帶)和噴錨支護(hù)、混凝土襯砌結(jié)構(gòu)附近，特別是巖錨梁、機(jī)坑等特殊部位，爆破設(shè)計(jì)按“短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)”的原則進(jìn)行，減少圍巖爆破松動(dòng)圈深度，確保結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量。廠房開挖以控制第Ⅲ層巖錨梁巖臺(tái)成型質(zhì)量、第IV～V層爆破對(duì)巖錨梁混凝土質(zhì)量影響以及VⅢ～I(xiàn)X層機(jī)坑圍巖松弛深度為重點(diǎn)。

開挖爆破均嚴(yán)格控制爆破規(guī)模，控制單響藥量，確保洞室開挖質(zhì)量和圍巖穩(wěn)定安全。同時(shí)，通過采用爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)、聲波測(cè)試和地質(zhì)素描等手段，掌握爆破開挖情況，適時(shí)調(diào)整鉆孔及裝藥參數(shù)，不斷合理優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)。并且通過采用頂拱周邊孔全站儀精準(zhǔn)定位、邊墻豎直孔及巖錨梁巖臺(tái)孔采用鋼管樣架導(dǎo)向定位、高邊墻深孔預(yù)裂等綜合技術(shù)措施，保證開挖質(zhì)量。

3 主要工程問題及處理措施

楊房溝水電站地下廠房結(jié)構(gòu)及地質(zhì)特點(diǎn)：

(1)第一主應(yīng)力方向與廠房軸線方向大角度相交，夾角約為66°～84°。

(2)受河谷應(yīng)力場(chǎng)特征影響，廠房洞室圍巖應(yīng)力集中，開挖后應(yīng)力釋放較強(qiáng)烈；開挖揭露的小斷層數(shù)量較多，伴隨斷層局部發(fā)育有一定范圍的蝕變巖體。

(3)圍巖順洞向中陡傾角不利結(jié)構(gòu)面發(fā)育，主要優(yōu)勢(shì)節(jié)理與洞軸線成小夾角，易形成不穩(wěn)定塊體。

上述因素對(duì)廠房結(jié)構(gòu)和圍巖安全穩(wěn)定造成了一定不利影響。

3.1 頂拱緩傾角斷層f49影響帶

根據(jù)開挖施工揭示情況，中導(dǎo)洞頂拱上廠左0+01 m處出露緩傾角斷層f(49)，產(chǎn)狀N75°～80°E SE∠25°，充填碎塊巖、巖屑，少量泥膜，帶內(nèi)巖體擠壓破碎，上游側(cè)拱頂附近巖體有蝕變現(xiàn)象，蝕變帶寬10～40 cm不等。施工排險(xiǎn)過程中，斷層下盤出現(xiàn)數(shù)米長的坍塌破壞，塊體方量約30 m3，斷層f49影響區(qū)域地質(zhì)縱剖面如圖3所示。

圖3 頂拱f49斷層影響區(qū)域地質(zhì)縱剖面

針對(duì)斷層f49和其他斷層組合的不利影響，設(shè)計(jì)進(jìn)行了塊體分析和數(shù)值計(jì)算，根據(jù)分析成果，采取加強(qiáng)支護(hù)和增設(shè)位移計(jì)等相關(guān)措施，保證不利組合塊體安全穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求。頂拱受影響區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)如下：錨桿全部調(diào)整為帶墊板的普通砂漿錨桿(φ32、L=9 m)，水平和垂直間距達(dá)0.75 m；增設(shè)4列5排錨索，共20根。

3.2 下游邊墻巖錨梁區(qū)域斷層節(jié)理密集帶

第Ⅲ層開挖過程中，1～2#機(jī)組段下游邊墻揭露斷層f83及其影響帶，圍巖順洞向中陡傾角不利結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體節(jié)理面見蝕變現(xiàn)象，表層巖體較破碎。加上受洞群效應(yīng)影響，變形問題相對(duì)突出，且對(duì)下游邊墻和巖錨梁穩(wěn)定不利。該部位多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)值隨開挖過程呈“臺(tái)階狀、跳躍式”上升趨勢(shì)，淺層巖體變形量級(jí)整體較大，深層巖體變形也具有一定量級(jí)。該部位典型地質(zhì)剖面如圖4所示。

圖4 1～2#機(jī)組段下游邊墻典型地質(zhì)剖面圖

根據(jù)該部位聲波檢測(cè)、鉆孔取樣試驗(yàn)及圍巖穩(wěn)定計(jì)算、塊體結(jié)構(gòu)復(fù)核分析等成果，為保證下游邊墻和巖錨梁結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計(jì)對(duì)該部位進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)，確保廠房后續(xù)開挖期間和永久運(yùn)行期巖錨梁結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定。具體措施為:

(1)針對(duì)巖錨梁以上區(qū)域巖體存在沿結(jié)構(gòu)面蝕變現(xiàn)象、存在約2 m深的低波速區(qū)(<3 000 m/s)、發(fā)育擠壓破碎帶問題，在原系統(tǒng)錨桿的條件下采取加密預(yù)應(yīng)力錨桿的措施，加強(qiáng)支護(hù)后，預(yù)應(yīng)力錨桿與帶墊板的普通砂漿錨桿凈間距為0.75 m；采用鋼筋混凝土板+預(yù)應(yīng)力錨索的措施，增設(shè)一排預(yù)應(yīng)力錨索，T=2 000 kN，L=20 m，如圖5所示。

(2)針對(duì)巖錨梁以下區(qū)域巖臺(tái)基礎(chǔ)局部發(fā)育節(jié)理密集帶、巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全裕度不足、巖錨梁下拐點(diǎn)以下發(fā)育擠壓破碎帶等問題，為提高圍巖承載能力和完整性，保證巖錨梁抗滑穩(wěn)定，采取扶壁墻+預(yù)應(yīng)力錨索的措施，如圖6所示。

3.3 廠房下游側(cè)母線洞裂縫

受廠房開挖卸荷變形、下游邊墻挖空率高及順洞向陡傾優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育等因素影響，在第Ⅶ層開挖階段，母線洞內(nèi)靠廠房側(cè)發(fā)生了噴層開裂現(xiàn)象，表現(xiàn)為靠廠房側(cè)10 m區(qū)域內(nèi)環(huán)向鋸齒狀裂縫及右側(cè)拱肩水平向刀刃狀裂縫，環(huán)向裂縫開展寬度相對(duì)較寬。典型裂縫分布情況如圖7所示。

圖5 巖錨梁以上區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)典型剖面圖

圖6 巖錨梁以下區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)剖面圖

圖7 母線洞噴層裂縫典型分布圖

根據(jù)下游邊墻母線洞范圍內(nèi)巖體聲波檢測(cè)、對(duì)穿孔孔內(nèi)電視等補(bǔ)充物探和安全監(jiān)測(cè)情況分析，結(jié)合數(shù)值計(jì)算成果，在系統(tǒng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)擬定加強(qiáng)支護(hù)方案，具體如下：

(1)在每條母線洞底板以下1 983.5 m增設(shè)兩根預(yù)應(yīng)力錨索，L=40 m，T=2 000 kN；1 979 m、1 976 m增設(shè)4根預(yù)應(yīng)力錨索，L=35/40，T=2 000 kN，如圖9所示。

母線洞底板(距離廠房0～20 m區(qū)域)增設(shè)傾向下游系統(tǒng)錨桿φ28@1.5 m，L=4.5 m，傾角60°。

圖8 下游邊墻母線洞底板以下錨索加強(qiáng)支護(hù)典型示意圖

(2)在廠房與主變室之間增設(shè)對(duì)穿錨索，L=45.5 m，T=2 000 kN，如圖9所示。

圖9 廠房下游邊墻對(duì)穿錨索典型示意圖

(3)采取固結(jié)灌漿措施，對(duì)廠房下游邊墻母線洞內(nèi)松動(dòng)圍巖進(jìn)行固結(jié)、對(duì)張開的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行封閉，滿足永久運(yùn)行期穩(wěn)定和防滲要求。固結(jié)灌漿孔深5 m，灌漿壓力0.5～1.0 MPa，排距2.5 m，如圖10所示。

圖10 母線洞圍巖固結(jié)灌漿布置圖

4 施工效果評(píng)價(jià)

4.1 工期評(píng)價(jià)

楊房溝水電站地下廠房于2016年4月開工，于2018年6月全部完工，其中巖錨梁混凝土澆筑期間3個(gè)月未進(jìn)行爆破開挖，開挖支護(hù)施工直線工期23個(gè)月，相比合同要求的節(jié)點(diǎn)目標(biāo)“2018年12月底完成廠房開挖支護(hù)施工”提前6個(gè)月時(shí)間完成。

4.2 變形控制評(píng)價(jià)

圍巖變形監(jiān)測(cè)共布置64套多點(diǎn)位移計(jì)，累計(jì)變形測(cè)值在-3.41 mm～70 mm之間，小于30 mm的測(cè)點(diǎn)占比73.44%，大于50 mm的測(cè)點(diǎn)占比6.25%。最大變形發(fā)生在1#機(jī)組段監(jiān)測(cè)斷面下游邊墻巖錨梁上部，該部位在爆破開挖前通過排水廊道預(yù)埋了多處位移計(jì)，實(shí)現(xiàn)了爆破開挖全過程變形量監(jiān)測(cè)。

爆破開挖施工期間，圍巖變形主要發(fā)生在監(jiān)測(cè)斷面及附近巖體開挖期間，變形曲線總體符合硬巖臺(tái)階狀特征。截至2018年12月底，經(jīng)過半年時(shí)間的持續(xù)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)表明各部位監(jiān)測(cè)變形已基本控制。類比國內(nèi)同等規(guī)模水電站地下廠房，楊房溝水電站廠房變形控制屬于中等偏上水平。

4.3 開挖質(zhì)量評(píng)價(jià)

地下廠房開挖成型良好，質(zhì)量優(yōu)良。廠房總開挖量為36.5萬m3，總超挖量7 454 m3，超挖率2%，其中地質(zhì)超挖量1 274 m3，扣除地質(zhì)超挖量后的平均超挖11.9 cm。開挖面平均半孔率93 %，整體平均平整度6.7 cm，平整度檢測(cè)合格率96%。巖錨梁巖臺(tái)開挖平均半孔率96%，整體平均平整度為4.6 cm，平均超挖7.3 cm。

5 結(jié) 語

楊房溝水電站地下廠房開挖施工過程中揭露的工程地質(zhì)條件及工程地質(zhì)問題與前期勘察成果基本一致，但下游邊墻部分洞段開挖揭示的地質(zhì)條件偏差。開挖支護(hù)施工過程中，結(jié)合工程的實(shí)際地質(zhì)條件、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)及時(shí)開展了廠房結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定復(fù)核及動(dòng)態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)工作，并建立圍巖安全監(jiān)測(cè)變形管理標(biāo)準(zhǔn)。通過精細(xì)化管理和控制，圍巖應(yīng)力調(diào)整變形得到了有效的控制，目前洞室結(jié)構(gòu)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。地下廠房工程施工方法、工藝水平、施工質(zhì)量、圍巖變形控制水平均處于行業(yè)先進(jìn)水平。

楊房溝水電站作為我國首座采用設(shè)計(jì)施工總承包模式建設(shè)的百萬千瓦級(jí)大型水電站，設(shè)計(jì)施工高度融合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，工程建設(shè)管理水平處于行業(yè)領(lǐng)先水平，為總承包模式在水電行業(yè)的進(jìn)一步推廣積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。