白鶴灘水電站左岸地下廠房大跨度頂拱開挖支護技術分析

補 約 依 呷， 陳 鵬， 方 丹， 萬 祥 兵

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概況

白鶴灘水電站是金沙江下游第二級梯級電站，攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，高289 m；左右岸引水發電系統基本對稱布置，廠內各布置8臺1 000 MW水輪發電機組，總裝機容量16 000 MW，多年平均發電量624.43億kWh，總裝機容量僅次于三峽水電站。

地下廠房采用首部開發方式，洞室群由主副廠房洞、主變洞、尾水管檢修閘門室、尾水調壓室四大洞室及其附屬洞室構成，洞室群規模巨大。左岸地下廠房全長453 m，巖梁以上開挖跨度34m，以下31 m，最大開挖高度88.7 m，與下游主變洞間距為60 m。

左岸地下廠區地質條件復雜且地應力水平較高，洞室群規模及地下廠房跨度巨大，地下廠房開挖過程中頂拱圍巖變形破壞遠超一般工程圍巖穩定控制難度大，給工程建設帶來了巨大挑戰。

2 左岸地下廠房基本地質條件

左岸地下廠房位于壩肩上游山體內，水平埋深600～1 000 m，垂直埋深260～330 m，洞軸線N20°E。左岸地下廠區出露二疊系上統峨眉山組(P2β)玄武巖，地層為單斜構造，總體產狀為N40°～45°E，SE∠15°～20°，走向與廠房軸線小角度相交，交角20°～25°。左岸地下廠房圍巖主要為P2β31層新鮮的斜斑玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、隱晶質玄武巖，局部發育第三類柱狀節理玄武巖。

如圖1所示，左岸廠房內發育f717、f720、f721三條陡傾斷層，為巖塊巖屑型，寬度5～20 cm；長大裂隙T720和T721，為陡傾硬性結構面；層間錯動帶C2斜切廠房邊墻中下部，厚度10～30 cm，產狀為N42°～45°E，SE∠14°～17°，為泥夾巖屑型，遇水易軟化；層內錯動帶LS3152斜切廠房頂拱，以巖塊巖屑型為主，帶寬2 cm，在廠房頂拱南側左廠0-071.6～0-038 m段揭露。

圖1 左岸地下廠房地質縱剖面圖

左岸廠區地應力以河谷構造應力為主，水平應力大于豎向應力，第一和第二主應力基本為水平方向，第三主應力大致為豎直方向。第一主應力量值19～23 MPa，方向一般在N30°～50°W之間，傾向河谷5°～13°；第二主應力量值13～16 MPa；第三主應力量值8.2～12.2 MPa。左岸地下廠房巖石平均飽和抗壓強度Rb為74～112 MPa，強度應力比(Rb/σ1)為3.22～5.89，局部存在應力集中現象，實測最大水平主應力達33.39 MPa，屬高地應力區。如圖2所示，第一主應力方向與地下廠房洞室軸線方向大角度相交，夾角約50～70°。

3 廠房頂拱系統支護設計

根據白鶴灘水電站左岸地下廠房的規模和基本地質條件，遵循“噴錨支護為主，鋼筋拱肋支護為輔”的設計原則在類比溪洛渡、烏東德、錦屏一級、錦屏二級、二灘、小灣等西部相似規模的地下廠房支護參數[1-2]并參照現行相關規范的基礎上，綜合對比分析擬定廠房頂拱噴錨支護類型及參數。然后采用數值仿真計算對支護效果進行復核調整，最終確定了頂拱的系統支護設計方案，表1[3]頂拱預應力錨索典型布置方案見圖3。

圖2 左岸地下廠房初始地應力方向

如表1和圖3所示，白鶴灘水電站左岸地下廠房頂拱系統噴錨支護與其同類工程存在以下不同點：

(1)噴護混凝土分為初噴混凝土和復噴混凝土，初噴混凝土采用抗拉強度較高的鋼纖維混凝土CF30，并要求緊跟掌子面及時實施，以快速封閉掌子面圍巖；

表1 左岸地下廠房頂拱系統支護參數

(2)為了盡快對圍巖施加一定的壓力，限制圍巖的破裂松弛，頂拱系統錨桿至少一半采用了預應力錨桿；

(3)針對大跨度頂拱緩傾角巖層及發育的層內錯動帶等復雜地質條件，頂拱系統設置預應力錨索，并在廠頂中導洞與廠頂錨固觀測洞之間設置4排對穿錨索，要求在上下游側頂拱擴挖前實施；

(4)為增加混凝土噴層剛度，設置了鋼筋拱肋或雙向龍骨筋。

4 廠房頂拱開挖支護施工方案

廠房頂拱開挖支護前，根據洞室規模、地質條件、支護類型及參數、典型巖石力學問題等，經研究選擇了合適的開挖支護施工方案：

(1)為減小一次爆破規模和縮短支護周期，廠房頂拱層分為6個區塊進行開挖支護，具體方案圖4。

(2)如圖3和圖4所示，廠房頂拱層開挖支護施工工藝流程關鍵步驟：一是提前完成廠頂中導洞和廠頂錨固觀測洞開挖支護；二是廠頂中導洞上下游側頂拱擴挖前完成中導洞頂拱對穿錨索施工和廠頂多點位移計預埋；三是上下游側頂拱擴挖時前后錯開施工。

圖3 左岸廠房頂拱錨索和多點位移計典型布置剖面圖

(3)噴錨支護要求：初噴混凝土緊跟掌子面；錨桿支護和掛網復噴混凝土滯后掌子面不大于20 m；預應力錨索支護滯后掌子面不超過50 m；預應力錨索支護到位后才能進行同一洞段另一側擴挖支護工作。

5 廠房頂拱圍巖變形破壞特征及工程措施

5.1 頂拱圍巖高應力破壞特征分析及工程措施

5.1.1 頂拱圍巖高應力破壞特征分析

白鶴灘左岸地下廠區玄武巖脆性特征顯著且初始地應力水平較高，巖石強度應力比(Rb/σ1)為3.22～5.89，具備應力型破壞的發生條件。玄武巖室內單軸壓縮試驗中當軸向荷載加至40MPa左右時，巖石試件內部微破裂導致的聲發射次數就明顯增多，說明玄武巖巖塊的啟裂強度約為40 MPa[4]。

根據巖石力學基本理論可知，洞周應力集中區出現的部位與斷面上初始最大主應力方位密切相關，總體上與初始最大主應力和開挖面切線方位一致[5]。左岸地下廠房頂拱層開挖前，根據圍巖力學參數和頂拱開挖支護方案，采用FLAC3D對廠房各層開挖后的二次應力分布特征進行了分析，成果見圖5[6]。實際上，左岸地下廠房頂拱開挖過程中，頂拱和上游側拱肩圍巖也普遍發生了片幫破壞：中導洞頂拱片幫比例達60%，上游側第一序頂拱片幫比例達47%，上游側第二序頂拱片幫比例達11%，片幫破壞深度達0～80 cm，小規模片幫為片狀，規模較大的為板狀，現場典型片幫破壞見圖6。

圖5 廠房開挖過程圍巖應力分布圖

圖6 廠房頂圍巖片幫破壞特征

廠房頂拱以下各層開挖時，受洞室應力調整影響，頂拱圍巖應力集中范圍和強度不斷增加(圖5[6])，從而導致頂拱應力集中部位圍巖不斷發生破裂松弛，混凝土噴層也不斷出現零星開裂在第VII1層開挖過程中，上游側頂拱混凝土噴層急劇發生不同程度的裂縫，裂縫分布情況見圖7。

圖7 左岸地下廠房頂拱混凝土噴層裂縫分布圖

5.1.2 工程措施

針對左岸地下廠房頂拱圍巖破裂、片幫、巖爆和混凝土噴層開裂等應力型破壞，同時考慮時間效應影響，現場及時采取了動態支護措施：

①針對廠房中導洞頂拱和上游側頂拱廣泛出現的片幫破壞，將初噴納米鋼纖維混凝土CF30厚度調整為8 cm，以達到起強快、一次噴護厚度大、快速封閉掌子面的效果；②廠房頂拱圍巖破裂和片幫破壞劇烈部位，將系統錨桿全部調整為預應力錨桿同時在系統錨桿中間再內插9m預應力錨桿，為圍巖盡早提供較強的圍壓；③廠房頂拱圍巖片幫破壞較嚴重而形成較大凹坑部位，在原系統錨索中間內插增設有黏結型預應力錨索T=2 000 kN、L=25 m，從而使圍巖承載圈向深部擴展，減少洞周圍巖及支護結構的承載力；④廠房頂拱混凝土噴層開裂部位，采用廠房吊頂施工臺車，清除開裂噴層和圍巖，針對性布置加強支護預應力錨桿(長9 m，間排距1 m)，恢復破壞的掛網鋼筋并復噴混凝土；⑤廠房中導洞頂拱和上游側頂拱應力集中而噴層開裂掉塊區域提前設置主動防護網，以保證廠房下部施工安全。

5.2 頂拱層內錯動帶的影響分析及工程措施

5.2.1 頂拱層內錯動帶的影響分析

如圖1所示，左岸地下廠房頂拱上方發育層內錯動帶LS3152，揭露于左廠0-071.6～0-038.0 m段頂拱部位。當層內錯動帶發育于廠房頂拱上方時，層內錯動帶下盤巖體深層變形量將大幅增加，如圖8所示，廠房頂拱開挖時左廠0-38～0+160段正頂拱變形量達到11.22～36.13 mm，變形深度也明顯大于無層內錯動帶影響的洞段。圍巖變形較大部位，錨索荷載也明顯比其部位大，并超過設計荷載2 000 kN。

圖8 左岸地下廠房頂拱層開挖完成時頂拱圍巖變形情況

隨著廠房下部不斷開挖，頂拱受層內錯動帶LS3152影響洞段圍巖應力集中程度和范圍均逐漸增大，從而導致頂拱圍巖變形、錨索荷載和噴層開裂均不斷加劇。2017年廠房第VⅠ2～ VⅡ1層開挖時，頂拱對穿錨索和上游拱肩錨索個別發生了局部失效情況，上游拱肩距離廠房邊墻30 m處第5層排水廊道LPL5-1洞周圍巖和噴層也普遍發生了開裂、掉塊等破壞。

5.2.2 工程措施

左岸地下廠房左廠0-040～左廠0+160頂拱受層內錯動帶LS3152影響洞段，針對圍巖變形破壞情況，現場及時采取了動態支護措施：①廠房頂拱圍巖變形較大且錨索荷載超過設計荷載部位，在原系統對穿錨索中間內插增設對穿錨索(T=2 000 kN)。②廠房頂拱對穿錨索個別失效部位，增設對穿錨索(T=2 000 kN)進行補強加固。③針對廠房上游側頂拱錨索個別失效和噴層開裂情況，以及排水廊道LPL5-1圍巖破壞情況，左廠0-040～左廠0+160段上游拱肩在原系統錨索中間內插增設3排錨索(T=2 500 kN)進行補強加固。

6 結 語

白鶴灘水電站左岸地下廠房自2012年12月開始施工，2018年7月開挖支護全部完成。目前，圍巖變形已收斂，錨索荷載和錨桿應力也處于穩定狀態，地下廠房圍巖穩定安全。左岸地下廠房頂拱系統噴錨支護方案是在大量同類工程經驗基礎上對比分析得出，可有效地保證廠房頂拱圍巖的穩定安全白鶴灘水電站左岸地下廠房地質條件復雜且地應力水平較高，導致頂拱圍巖破裂、片幫、噴層開裂等應力型破壞較普遍，頂拱受層內錯動帶影響洞段圍巖變形和錨索荷載均較大現場采用加厚初噴納米鋼纖維混凝土、加密錨桿、增加預應力錨索等綜合措施進行動態支護，有力地保證了頂拱圍巖永久穩定安全。

高地應力區大型地下洞室頂拱混凝土噴層不可避免地會出現開裂、剝落情況，嚴重威脅下部施工安全，頂拱圍巖應力集中區域提前掛設主動防護網以保證下部施工安全，是一種經濟有效的可行方案。

白鶴灘水電站左岸地下廠房頂拱層共分為6塊進行開挖支護，雖然減小了一次爆破規模，縮短了支護周期，但增加了施工程序同時也加劇了各序交界處圍巖應力集中程度及圍巖破裂破壞。