河北易縣抽水蓄能電站地下廠房頂拱預應力錨索快速施工研究

柳曉龍,郭智榮,李 超

(1.中國水利水電第四工程局有限公司,西寧 810007;2.中國水利水電第四工程局有限公司第二分局,河北 涿州 072750;3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

抽水蓄能電站機組吸出高度大,廠房機組大部分布置在地下。針對不同圍巖條件,對地下洞室群進行支護設計,其中廠房頂拱部位易出現頂拱混凝土脫空、振搗不密實、厚度不夠、鋼筋外露等質量問題,因此多采用柔性噴錨支護為永久支護結構、預應力樹脂錨桿、預應力砂漿錨桿、無粘結式錨索等方式進行錨定加固[1-3]。預應力錨索施工技術含量高,工序繁多復雜,特別是洞內頂拱預應力錨索施工難度大,施工時間長,工序干擾大,質量要求高,預應力錨索施工甚至成為影響整個洞室施工進度的重要因素之一[2-6]。本文以河北易縣抽水蓄能電站為依托,針對地下廠房頂拱地質條件復雜、施工期安全風險突出的特點,從錨索錨固方式、施工工藝與方法等的角度出發,在保證施工質量和控制成本的前提下提出地下廠房頂拱預應力錨索快速施工方法,以期為同類抽水蓄能地下廠房錨索施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

河北易縣抽水蓄能電站位于河北省保定市易縣境內,初擬安裝4臺單機容量為300 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機,總裝機容量為1 200 MW,額定發電水頭354 m。工程為Ⅰ等大(1)型。地下廠房為1級建筑物。地下廠房由安裝場、主機間和副廠房組成,呈“一”字形布置,斷面形似城門洞,總長173.00 m,下部寬度為25.00 m,上部寬度為25.50 m,最大開挖高度達到54.50 m。機組安裝高程為170.00 m。主變室和地下廠房平行布置,兩洞間凈距40 m。根據工程計劃,預應力錨索按常規施工技術將影響項目整體施工進度,因此為確保蓄水和提前半年發電目標的實現,采用預應力錨索快速施工技術勢在必行。

1.2 地下廠房復雜地質條件分析

地下廠房布置在輸水系統中部,廠房地表為官座嶺溝,廠房上覆巖體厚度130～200 m。地下廠房圍巖均為燕山期閃長巖,灰黑色,微細粒結構,塊狀構造,巖石新鮮,巖質堅硬。地下廠房區域共出露8條斷層破碎帶,寬度在0.1～1.0 m,主要由碎裂巖、蝕變泥組成。其中斷層fc1、fc2、fc3、fc9出露在主廠房頂拱部位;斷層fc6、fc7、fc8出露在主變洞頂拱部位。地下廠房區域共出露3條節理密集帶:Jc1、Jc2、Jc3。其中Jc1出露在主廠房頂拱部位;Jc2與Jc3出露在主變洞頂拱部位。地下廠房區域共發育12組裂隙。其中主廠房發育4組裂隙、主變洞發育8組裂隙。

廠房首層頂拱內多處發現了蝕變現象,主要集中于樁號廠右0+070.00 m～廠右0+137.00 m一帶,廠左0+048.00 m～廠右0+070.00 m一段少見。廠房首層頂拱揭露有4條蝕變帶,分別為Sc1、Sc2、Sc3、Sc5。同時,在斷層fc2、fc3、fc9內,均有蝕變現象。

地下廠房首層頂拱長度為185 m,根據圍巖分類結果,將地下廠房首層頂拱各類巖體所占比例按地質編錄圖進行統計,結果顯示,Ⅲ類圍巖長度113 m,約占61%;Ⅳ類圍巖長度72 m,約占39%。地下廠房首層頂拱面積為4 623 m2,根據圍巖分類結果,將地下廠房首層頂拱各類巖體所占比例按地質編錄圖進行統計,結果顯示,Ⅲ類圍巖面積為3 358 m2,約占73%;Ⅳ類圍巖面積為1 265 m2,約占27%。

綜合以上分析,地下廠房及主變洞頂拱斷層、節理密集帶和裂隙發育,圍巖穩定較差,施工期安全風險突出,洞頂隨時會出現塌方或不穩定體掉落,造成人身傷亡事故,延誤工期。

圖1 地下廠房首層頂拱地質編錄

2 洞室預應力錨索快速施工技術研究

針對易縣抽水蓄能電站地下廠房及主變洞頂拱存在斷層、節理密集帶、裂隙較多且圍巖穩定較差的特點,防止施工期洞頂塌方或不穩定體掉落,因此,從預應力錨索快速施工出發,研究預應力錨索型式的選擇和施工方法尤為重要[7-8]。

2.1 預應力錨索型式的選擇

根據圍巖穩定性分析,主要采用柔性噴錨支護為永久支護結構,采用預應力樹脂錨桿、預應力砂漿錨桿、預應力錨索等方式進行錨定加固,主廠房開挖支護見圖2。考慮到洞頂及洞室兩側斷層裂隙發育的特點,預應力錨索施工一定要快速,預應力錨索的錨固型式有粘結和無粘結兩種類型。有粘結的預應力錨索先要對錨索孔洞進行預灌漿,使其形成較為完整孔壁,再進行穿索后灌漿,需要兩次灌漿。無粘結的預應力錨索鋼絞線外側包裹層形成自由段,僅在穿索后灌漿一次即可。為了便于快速施工,選擇無粘結的預應力錨索。洞室頂拱斷層出露部位的加強支護選用無粘結式預應力錨索,錨索L=25 m,錨固段長7 m,設計張拉力為1 000 kN。

圖2 主廠房洞開挖支護剖面

2.2 施工方法的研究

無粘結預應力錨索施工程序如圖3所示:

圖3 無粘結預應力錨索施工工藝流程

從施工工藝分析,進行快速施工,第一、在地質條件差的洞室如何精準造孔是關鍵,鉆孔設備的選擇很重要;第二、錨索安裝方法不能用傳統人工方法,要采用先進安裝方法;第三、優化漿液的配合比,早期強度高,可縮短張拉時間[9-10]。

(1) 預應力錨索精準鉆孔方法

鑒于地下廠房頂拱部位斷層較多、圍巖穩定性差,使用先進的全站儀進行測量,精確定位錨索孔位,并將其以紅油漆進行清晰的標識,以確保錨索鉆孔的精準度。在造孔過程種,每個孔都應該記錄尺寸、斜度、巖石顏色、鉆進速度、巖石性質和孔深。鉆孔結束后用高壓水對孔壁進行清洗,直至孔口返出清水為止(堆積體、崩積層中鉆孔只用高壓風),保證孔內巖粉等清除干凈,并用一根聚乙烯管復核孔深,保證孔內無阻塞。一旦孔內的清潔工作完成,應該立刻向物理探測試驗室發出通知,以便對5%的孔位進行實時拍照、聲波檢查,以ACK其符合規范,然后再繼續進行下一道工序的施工。為了確保安全,在安裝錨索之前,需要使用填充物臨時封堵。

本工程采用改造一條鉆臂的DW3-180三臂鑿巖臺車進行鉆孔(見圖4)。在進行鉆孔作業時,確保孔位偏差小于等于10 cm,孔斜誤差小于等于孔深的2%,穿錨索誤差小于等于1%。在使用過程中,終孔的深度不得超過設計深度40 cm,孔徑不小于設計孔徑10 mm。經過實踐,鉆孔設備的選擇是保證錨索施工順利的關鍵步驟。

圖4 三臂鑿巖臺車錨索孔鉆孔

(2) 錨索安裝方法的選擇

使用專業平板運輸車,確保錨索不會暴露于潮濕、雨水或其他有害物質而受到破壞。

錨索安裝采用機械輔助人工進行安裝,安裝方法見圖5。在安裝錨索之前,應當仔細核實其編號和孔口編號的一致性,并確保其綁定牢固,鎖體和其他配件沒有受到破壞,加強錨索的檢測。使用探孔器再檢查一次巖孔是否塌孔、堵孔,發現塌孔、堵孔時進行處理,孔內不得殘留廢渣等污物。將錨索精確地吊裝到孔口,然后使用3 t卷揚機或者手提葫蘆將其抬起,最后在頂拱錨索孔的兩側安裝直徑25 mm孔深1.5～2 m的錨桿。通過焊接彎鉤來連接錨桿,然后將定滑輪緊緊地固定在其上,最后,將卷揚機的鋼絲繩的一端與錨索體緊密捆扎,長度為60～80 cm。可以通過人工操縱來確保其不會彎曲,保持軸線的一致性,使送索的方向正確。當高度上升60～80 cm時,斷開鉛絲,將錨索和牽引鋼絲繩分離。鋼絲繩作為牽引力,安全繩起到了輔助的作用。當剩余2～3 m的距離時,使用手提葫蘆將錨索精確地投放到孔中。為了確保錨索的完整性和穩定性,在安裝過程中,曲率半徑應超過5 m。

圖5 頂拱錨索安裝

(3) 灌漿漿液配合比的優化

在錨索體安裝完畢并固定在位之后,使用高壓氣流對其進行檢查,確保進漿管和回漿管的暢通,進漿管灌漿直到回漿管中的漿液完全流出為止。水泥強度必須達到42.5 MPa以上,水泥漿水灰比控制在0.38～0.45,添加適當的微膨脹劑和早強劑,10 d左右能夠滿足張拉設計要求。

在灌漿過程中,將漿料注入灌漿管,排氣管上安裝壓力表,以便進行有效的循環灌漿,確保孔內漿料的充分填充[11]。根據孔壁圍巖地質條件,灌漿壓力需要進行精確的測量,將其設定在0.3 MPa以下,防止壓力過大使裂隙張開。必須嚴格控制排水和排漿,確保孔口排出的漿液與注入的漿液的比例相當,才能夠安全地施工屏漿。屏漿的壓力應該控制在0.3～0.4 MPa,而且屏漿的持續時間也要控制在20～30 min。在灌漿完成后,應在漿液凝固之前進行補充灌漿。在灌漿過程中進行現場取樣,進行抗壓強度檢查,從而確定錨索張拉時間。

在注漿完成之前,任何形式的拉伸或移動都是禁止的。在封孔灌漿期間,爆破的質點振動速度應該在3～7 d保持在不超過1.5 cm/s的范圍內,錨索注漿區域內不允許進行任何爆破活動。當注漿強度超過75%時,才能夠繼續施工,并要求質點的振動速度不得超過7 cm/s。

3 結 論

(1) 選擇施工有效地錨固方式。針對頂拱存在多個斷層及裂隙復雜地質條件,錨固方式選擇了無粘結錨索,可以減少二次自由段注漿的步驟,保證內錨段施工質量。

(2) 鉆孔設備的選擇對于保證項目的順利實現至關重要。由于對鉆孔精度要求極其嚴格且施工時間短,考慮巖體的完整性差,施工環境狹窄,綜合考慮各項參數,最終選擇先進鉆孔設備三臂鑿巖臺車(DW3-180)。

(3) 使用先進的錨固技術來安裝。鑒于頂拱錨索的復雜性,不能夠僅靠人力操作,需要采用卷揚機來進行,將錨索精確地拉到孔口,使其與孔壁緊密結合,最終將錨索穩固地抬起放置于孔底。

(4) 優化錨固漿體配合比。漿液里添加灌漿劑和錨固劑,大幅改善預應力錨索的錨固性能,增強內錨段漿液及墊層砂漿的早期強度,大大縮短其等強期,保證了水泥漿或水泥砂漿在28 d內具備不低于40 MPa的抗壓強度。

針對易縣抽水蓄能電站地下廠房地質條件復雜、施工環境狹窄、工期要求緊張的特點,所提出的施工工藝能夠保證頂拱錨索施工質量、加快了錨索的施工期,為同類錨索施工起到了借鑒意義。