白鶴灘水電站左岸地下廠房復雜地質條件下大跨度頂拱開挖施工技術

曾 強

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

白鶴灘水電站左岸地下廠房頂拱開挖跨度達34 m，是目前世界上在建、開挖跨度最大的水電站地下廠房，加之其地質條件復雜，圍巖變形控制難度極大。對于如此大跨度的地下廠房頂拱，為解決圍巖穩定問題、保障開挖質量和安全以及后續施工的順利進行，迫切需要制定出一套科學合理的開挖支護施工方案。水電七局白鶴灘施工局的技術人員從施工程序、開挖分區、分序等方面進行了深入研究，提出了多種開挖方案，并從控制應力集中程度和爆破規模、利于支護跟進和施工組織等多角度出發對各方案進行了綜合評估，最終提出了大跨度頂拱開挖新方法，并且針對施工過程中出現的特殊問題采取了有針對性的處理措施。詳細闡述了具體的研究過程。

白鶴灘水電站是金沙江下游干流河段水電梯級開發的第二個梯級電站，左右岸各布置8臺、單機容量為100萬kW的水輪發電機組，是目前世界上單機容量最大的水輪發電機組[1]，總裝機容量為1 600萬kW。

白鶴灘水電站左岸地下廠房布置在拱壩上游山體內，洞室水平埋深800～1 050 m，垂直埋深260～330 m[2]，埋深大、地應力高。主副廠房洞和主變洞平行布置[3]，主副廠房按“一”字型布置。左岸地下廠房頂拱層高程為611～624.6 m，開挖尺寸為453 m×34 m×13.6 m(長×寬×高)。頂拱層中部布置有廠頂中導洞，中導洞斷面尺寸為12 m×10 m(寬×高)，前期已完成開挖與支護施工。廠房頂拱布置了兩個Φ6 m的通風豎井，廠房1號排風豎井布置樁號為左廠0+38.4，廠房2號排風豎井布置樁號為左廠0+256.4。廠房頂拱布置有廠頂南北側交通洞作為對外聯系通道。

左岸地下廠房頂拱圍巖以Ⅲ1類為主，占64%，Ⅱ類圍巖占17%，Ⅲ2類位于7號和8號機組頂拱部位，占3%，Ⅳ類圍巖分布于緩傾角結構面附近，占7%。廠房區地應力量值達22 MPa左右，局部可達34 MPa，大主應力方向與廠房軸線夾角較大，對圍巖穩定不利。在地應力作用下，巖體不會產生整體的塑性變形和破壞[4]。在頂拱靠上游段發育LS3152等層內錯動帶對頂拱穩定不利。地下廠房頂拱及邊端墻頂部分布的第二類柱狀節理玄武巖開挖后可能產生局部松弛變形和巖體破裂。斜切邊墻底部的 P2β24層凝灰巖及其中的層間錯動帶C2巖性軟弱，易產生一定程度的塑性變形和剪切變形[5]。副廠房頂拱及高邊墻中部出露的角礫熔巖可能因其強度較低而產生一定的塑性變形。

對于層間錯動帶C2的臨界水力坡降，地質人員建議Jcr=1.99，允許水力坡降J允=0.8，在高水頭作用下，沿層間錯動帶C2可能產生一定程度的滲透變形。左岸廠房部位發育層內錯動帶5條，大部分出露在廠房頂拱附近30 m高度范圍內，對廠房左側段(SW側)頂拱穩定影響較大。1號機組頂拱部位由陡傾角斷層f721與緩傾角層內錯動帶LS3152可組合成1號半定位塊體，體積約為9 800 m3。

2 開挖方案的選擇

2.1 開挖方案的初步擬定

鑒于白鶴灘水電站左岸地下廠房頂拱層地質條件復雜，開挖跨度大(達34 m)，因此選擇科學合理的開挖支護方案對控制廠房頂拱圍巖變形就顯得尤為重要。在廠房頂拱開挖前，技術人員通過反復模擬、推敲初步擬定了六種開挖方案，包含兩種分三區開挖方案(廠房頂拱分三區開挖示意圖見圖1)和四種分六區開挖方案(廠房頂拱分六區開挖示意圖見圖2)。

圖1 廠房頂拱分三區開挖示意圖

圖2 廠房頂拱分六區開挖示意圖

方案1：兩側擴挖分兩序開挖至結構面。中導洞減底開挖后先進行上游側一序擴挖，再進行下游側一序擴挖，然后進行上游側二序擴挖和下游側二序擴挖。

方案2：兩側擴挖分兩序開挖至結構面。中導洞減底開挖后先進行上游側一序擴挖，再進行上游側二序擴挖，然后進行下游側一序擴挖和下游側二序擴挖。方案2與方案1的區別在于上游側擴挖全部完成后再進行下游側擴挖。

方案3：兩側擴挖分兩序開挖至結構面。中導洞減底開挖后先進行下游側一序擴挖，再進行上游側一序擴挖，然后進行下游側二序擴挖和上游側二序擴挖。

方案4：兩側擴挖分兩序開挖至結構面。中導洞減底開挖后先進行下游側一序擴挖，再進行下游側二序擴挖，然后進行上游側一序擴挖和上游側二序擴挖。方案4與方案3的區別在于下游側擴挖全部完成后再進行上游側擴挖。

方案5：兩側擴挖一次開挖至結構面。中導洞減底后先進行下游側擴挖，再進行上游側擴挖。

方案6：兩側擴挖一次開挖至結構面。中導洞減底后先進行上游側擴挖，再進行下游側擴挖。

2.2 開挖方案的初步確定

經綜合分析后得知，在復雜地質條件下實施大跨度頂拱分三區開挖方案存在以下問題：

(1)頂拱層中導洞兩側擴挖采用一次擴挖到結構面的分區方案存在一次揭露的頂拱跨度過大，單循環支護工程量大，支護跟進時間長的問題，對頂拱圍巖穩定不利。

(2)單循環爆破規模大，爆破振動控制難度大，不利于控制爆破對圍巖穩定造成的影響。

(3)擴挖高度高，鉆孔作業平臺尺寸大、重量重，采用裝載機移動臺車難度大，安全風險高。

(4)擴挖區最大高度為12.65 m，爆破開挖后反鏟排險高度高，作業困難，易造成排險不徹底而存在安全隱患。

在以上問題中又以問題(1)最為關鍵。經分析比較后，實施階段暫定方案為：分六區開挖，擴挖分兩序進行，一序支護完成后再進行二序擴挖，以此減小一次開挖揭露的跨度，保證支護及時跟進，進而有利于頂拱圍巖穩定控制。

2.3 開挖方案的確定

廠房頂拱分區分序開挖方案初步確定后，技術人員對以上初步擬定的六種方案的開挖過程進行了數值模擬計算，分析了圍巖二次應力場的分布特征，以此評價圍巖穩定性并確定了最佳頂拱開挖方案。六種開挖方案最大主應力分布特征圖見圖3。

圖3 六種開挖方案最大主應力分布特征圖

由計算結果可知：方案1中上下游應力集中區最大主應力分別為40.5 MPa和40 MPa。方案2與方案1的區別在于上游側擴挖先全部完成后再進行下游側擴挖，該方案上下游應力集中區最大主應力均為40 MPa。方案3中上下游應力集中區最大主應力分別為55 MPa和41 MPa，該方案開挖分區與方案1相同，開挖程序與方案1相反，但應力集中區最大主應力值遠超方案1。方案4與方案2開挖程序相反，上下游應力集中區最大主應力均超過50 MPa。方案5為分三區開挖，中導洞減底后先進行下游側擴挖(一次擴挖至結構面)，再進行上游側擴挖。該方案上游側應力集中區最大主應力超過54 MPa。方案6為分三區開挖，中導洞減底后先進行上游側擴挖(一次擴挖至結構面)，再進行下游側擴挖。該方案無明顯應力集中區。

從防止應力集中、避免圍巖應力型破壞的角度考慮，方案6為最優方案，方案2為次優方案。但是方案6分三區開挖，如前述存在一次揭露跨度過大、支護跟進困難等實際問題。經綜合考慮，廠房頂拱層仍選擇分六區開挖的方案。根據數值模擬的分析結果，在所有分六區開挖的方案中，方案2對于應力集中的控制效果最好。但方案2采用單側分兩序連續擴挖到結構面的方式存在通道布置困難問題，對現場施工組織不利。而方案1應力集中區最大主應力僅比方案2多0.5 MPa，且現場施工通道布置更為有利。經綜合考慮，最終將廠房頂拱層開挖選擇方案1作為實施方案。

3 制定有針對性的控制措施

白鶴灘水電站左岸廠房頂拱采取上游一序→下游一序→上游二序→下游二序的分兩序六區擴挖至結構面的開挖方案，有利于頂拱系統支護及時跟進，減小了頂拱一次開挖揭露跨度，對控制頂拱圍巖變形有利；同時，采取分序擴挖方案有效減小了單次爆破規模，有利于控制爆破振動對圍巖穩定產生的影響。但該方案促進了中導洞與兩側擴挖結合部位的應力集中，使該部位產生的應力型破壞較多，需采取有針對性的控制措施，以減少其對頂拱圍巖拱效應的影響。

3.1 高地應力引發巖爆片幫

因左岸地下廠房頂拱層埋深較大，地應力量級為中等～高，易發生巖爆及片幫。根據前期中導洞開挖揭露的地質情況，頂拱多個部位發生過多次巖爆，主要集中在頂拱上游側部位，而且上游側頂拱片幫破壞現象嚴重。同時，白鶴灘水電站左岸地下廠房軸線布置方位為N20°E，軸線與最大主應力方位交角約為50°～70°，不利于洞室圍巖穩定。廠房開挖后圍巖應力重新分布使上游拱肩和下游拱腳處產生切應力集中，導致該部位巖爆及片幫破壞的發生。

針對巖爆及片幫破壞易引發安全事故，施工局采取“短進尺、弱爆破、光面爆破技術”等方式以減小爆破振動對圍巖的影響，改善圍巖應力狀態，控制洞壁成型質量，減小因成形不規則帶來的圍巖表層應力集中而導致巖爆發生的幾率[6]。對于已發生巖爆的部位，采用多臂鉆施打徑向應力釋放孔，孔深3～6 m，間排距1.5 m×1.5 m。

為確保施工人員及設備安全，對巖爆易發段采用多臂鉆進行鉆孔作業，反鏟平臺或其他機械平臺作為裝藥連線登高平臺。鉆孔、裝藥、出渣設備的駕駛室頂部采用固定輪胎或加焊厚鋼板做防護棚。對裝藥平臺頂部進行封閉以確保裝藥聯網人員的安全。爆破后先通風散煙15 min，人員進入檢查安全后立即向掌子面及掌子面以后30 m范圍的巖面進行噴霧和高壓水沖洗，使其降溫、軟化、釋放應力，改變圍巖的物理力學性質。

3.2 頂拱應力集中區噴層開裂的處理

白鶴灘水電站左岸地下廠房區域屬于中～高地應力區，隨著廠房的逐步下挖，主廠房上游側拱肩部位的應力集中加劇，局部出現混凝土噴層開裂及掉塊現象。為保證廠房的施工安全，借鑒白鶴灘水電站左岸導流洞臨江側拱肩高應力片幫采取的主動防護經驗，在主廠房頂拱增設了GSP-2型主動防護網，以保證下部作業人員和設備施工期安全。

布設主動防護網之后，隨著廠房進一步下挖，噴層開裂程度、裂縫數量和掉塊數量仍在增加，主動防護網內“兜”了較多掉落的噴混凝土塊及破碎巖塊(廠房頂拱防護網內堆積的掉塊見圖4)。施工局針對此采取了設置廠房頂拱安全檢查平臺(圖5)作為廠房頂拱日常巡查、裂縫檢查、主動防護網內噴層掉塊清理作業平臺。廠房頂拱安全檢查平臺支撐在廠房吊頂支撐結構上。

圖4 廠房頂拱防護網內堆積的掉塊

圖5 廠房頂拱安全檢查平臺

3.3 中導洞與一序擴挖結合部位松弛開裂的處理

廠房頂拱中導洞在前期已完成開挖支護施工，且在廠房頂拱一序擴挖前完成了對穿錨索張拉。實施階段，在上游側一序擴挖后普遍發生了中導洞與一序擴挖結合部位圍巖松弛、開裂現象；同時，由于該部位片幫掉塊，與中導洞交接形成了錯臺。

針對上述問題主要采取了以下措施：

(1)全面檢查脫空區域及松動部位，在不影響現有支護的情況下進行危巖體清除。

(2)危巖體清除后進行噴鋼纖維混凝土封閉施工，將噴混凝土厚度由5 cm調整為8 cm，將該段系統錨桿統一調整為φ32 mm，L=9 m，T=100 kN預應力錨桿。

(3)在已完成系統支護的中導洞頂拱增加了2排φ32 mm，L=9 m，T=100 kN的預應力鎖口錨桿。

(4)在脫空區域內增加了頂拱掛網鋼筋及龍骨筋施工，并利用錨桿墊板壓牢或焊接牢固。

(5)針對局部凹凸不平、錯臺區域，增加了噴混凝土層厚度，使頂拱平緩過渡，改善圍巖應力狀態。

3.4 預應力錨桿灌注竄漿問題的處理

主廠房上游一序擴挖區左廠0+310～左廠0+360段在完成普通砂漿錨桿、初噴鋼纖維混凝土后，預應力錨桿施工時發生了孔內竄漿情況。

針對預應力錨桿注漿時出現的竄漿現象，采取了在復噴施工完成后重新對系統錨桿孔進行洗孔施工后再行低壓固結灌漿固壁以提高圍巖的完整性。圍巖灌漿達到一定強度后，再次進行錨桿造孔、注漿施工，進而完成了該部分預應力錨桿的施工。

3.5 實施效果

白鶴灘水電站左岸廠房頂拱層采用兩序六區擴挖至結構面的開挖方案，通過減小頂拱一次開挖揭露的跨度和單次爆破規模，系統支護及時跟進，同時針對施工過程中出現的特殊問題及時采取有針對性的措施，使頂拱圍巖變形得到了有效控制。多點位移計監測結果顯示：頂拱測點的位移值整體處于較低水平，1.5 m測點的位移平均值控制在20 mm以內，3.5 m測點的位移平均值不足15 mm。頂拱受不良結構面影響洞段的圍巖變形破壞現象也得到了有效遏制，頂拱圍巖處于整體穩定狀態，保證了后續廠房開挖和混凝土澆筑施工的安全，所取得的效果得到業主、監理的一致好評。

4 結 語

施工局技術人員針對世界上開挖跨度最大的地下廠房——白鶴灘水電站地下廠房[10]頂拱層進行的理論分析、數值計算和相關經驗總結，提出了“多分序、緩卸荷”大跨度頂拱開挖新方法，并且針對施工過程中出現的特殊問題采取了有針對性的控制措施，成功攻克了復雜地質條件下大跨度頂拱開挖的技術難題，保障了后續廠房開挖和混凝土施工安全，確保了工程施工進度，其成功經驗可為國內外類似工程提供借鑒。