楊房溝水電站地下廠房混凝土噴層開裂成因分析

摘要：楊房溝水電站地下洞室群開挖施工過程中存在混凝土噴層開裂脫落現象，若不及時查明原因并進行處理，將影響后續廠房開挖。針對楊房溝水電站主副廠房頂拱混凝土噴層開裂掉塊的問題，分析其原因并提出了解決措施。結果表明：不利地質結構面的影響、廠房上游頂拱為應力集中區、復噴混凝土黏結力不足是導致混凝土噴層開裂掉塊的主要原因。針對此，采取清撬、加強支護、增設主動防護網、控制爆破等措施后，有效解決了頂拱噴層開裂掉塊對廠房下部開挖的不利影響，處理效果良好，保證了地下廠房施工期間的安全。

關鍵詞：洞室開挖； 混凝土開裂； 地下廠房； 楊房溝水電站

中圖法分類號：TU755

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S1.004

文章編號：1006-0081（2024）S1-0010-03

1 工程概況

在地下洞室開挖過程中，特別是在一些中高地應力硬巖條件下水電站地下廠房等大型洞室，噴射混凝土開裂現象比較常見。由于大型地下洞室工程本身非常復雜，造成混凝土噴層開裂、脫落的原因很多，主要與圍巖巖性、地質構造、地應力條件、施工質量等因素有關［1-2］。

楊房溝水電站地下廠房采用左岸首部開發方案，地下廠房部位的地面高程為2 240～2 370 m，上覆巖體厚度為197～328 m，水平巖體厚度為125～320 m，巖性為花崗閃長巖，巖體完整，圍巖以Ⅱ，Ⅲ類為主。地下廠房地應力值為 12.62～13.04 MPa，與廠房軸線夾角為56°～74°，屬低-中等應力區。主副廠房洞在平面布置上采用“一”字形布置，從左至右依次為副廠房、主廠房和安裝場，主副廠房洞長230.00 m，高75.57 m，巖梁以下寬28.00 m，以上寬30.00 m。楊房溝水電站地下洞室群開挖施工過程中存在混凝土噴層開裂脫落現象，尤其是主副廠房。因此，本文針對楊房溝水電站地下廠房頂拱噴層開裂掉塊原因進行了分析并提出了相應對策，旨在為類似工程提供參考。

2 廠房頂拱混凝土噴層開裂掉塊情況

楊房溝水電站地下廠房洞室共分Ⅸ層開挖，總開挖高度達75.57 m。自2016年4月6日開始開挖第Ⅰ層，在開挖至廠房第Ⅲ層期間，地下廠房頂拱局部陸續出現了噴射混凝土開裂掉塊的現象，直接威脅到下方施工人員和設備的安全，且影響工程的正常進展。

截至2017年10月15日，主副廠房共出現了10次頂拱混凝土噴層局部脫落現象，噴層脫落時間和位置分別為：2016年11月6日（廠左0+20 m至廠左0+22 m頂拱上游側）、2017年3月11日（廠右0+80 m上游頂拱）、2017年3月23日（廠右0+10 m上游拱肩）、2017年5月10日（廠右0+90 m下游頂拱）、2017年5月19日（廠左0+3 m 上游頂拱）、2017年5月26日（廠左0+31.5 m上游頂拱）、2017年9月26日（廠右0+30 m上游頂拱、廠右0+16 m上游拱肩）、2017年10月7日（廠右0+25 m上游頂拱、廠右0+15 m上游頂拱）。噴層脫落厚度平均為10～15 cm，最大為18 cm，噴層脫落區域尺寸最大約為120 cm×100 cm。此時主副廠房洞第Ⅲ層才剛剛全部開挖完畢，開挖高度為 26.7 m（高程為2 022.5～1 995.8 m），尚有48.87 m未開挖。若不及時查明原因進行處理，在后續廠房開挖中將存在很大的干擾和風險。

3 掉塊原因分析

從廠房頂拱混凝土噴層開裂、脫落的位置來看，大部分均位于上游頂拱；從現場照片來看，噴層開裂、脫落體均屬于薄片形態；從圍巖穩定復核情況來看，頂拱不存在圍巖穩定問題；從數值反饋分析來看，廠房上游頂拱屬于應力集中區，且隨著廠房的下臥，廠房上游頂拱應力逐步調整。綜合多次調查分析，認為噴層開裂掉塊的原因為以下幾點。

（1） 不利地質結構面的影響。當地下洞室頂拱發育不利巖體結構面如緩傾軟弱斷層、錯動帶時，會導致較大的開挖變形和明顯的非連續變形特征，尤其在洞室后續下臥中，不利結構面影響的洞段頂拱圍巖變形將持續增長，結構面的差異變形特征也會進一步加劇，這會對噴層變形及受力產生較大不利影響。經驗表明，頂拱發育的不利巖體結構面是造成噴層開裂的重要原因之一，這類噴層裂縫一般沿結構面發生并發展，如2017年3月23日發生在主副廠房廠右0+10上游拱肩部位的噴層開裂、剝落現象，分析認為主要是受緩傾斷層f1-49影響，而廠房下部開挖擾動和開裂部位的滲水問題是主要誘因。

（2） 廠房上游頂拱屬于應力集中區。中高地應力條件下，地下洞室開挖后頂拱圍巖一般會出現應力集中，若應力集中水平偏高，局部或系統支護強度不足時，與圍巖應力性破裂及片幫破壞一樣，混凝土噴層也會出現剪切型裂縫，破裂面一般呈“刀刃狀”，這在錦屏一級、猴子巖、白鶴灘水電站等高地應力工程地下洞室中均有所發現。由于廠房區的地應力場一般具有一定的分布規律，使得洞室頂拱應力集中區可能偏向楊房溝側拱肩，也將導致頂拱噴層開裂的部位具有一致性。另外，隨著洞室下臥開挖，圍巖應力持續調整，頂拱噴層開裂、剝落現象一般也表現出一定的時間效應。

受河谷地應力場影響，地下廠房應力集中區主要位于上游側拱肩，數值分析結果顯示受洞室分層開挖影響，洞室應力調整顯著，并且隨著洞室開挖，主副廠房頂拱應力集中程度和范圍呈逐漸增長趨勢，洞室開挖完成后頂拱應力集中程度一般為20～26 MPa，局部洞段應力集中程度可能達到圍巖破裂或應力性破壞的閾值，導致淺部噴層的受力持續增加，引發噴層應力性開裂。

（3） 復噴混凝土黏結力不足的影響。從施工期混凝土噴層破壞特征調查統計結果來看，大部分噴層開裂脫落部位未見鋼筋網，脫落體主要為復噴層。因廠房頂拱開挖過程中局部圍巖條件較差導致部分區域掉塊超挖較大，為確保噴射混凝土表面平整度滿足合同文件要求，施工單位對超挖較大部位采取了補噴混凝土處理，補噴混凝土厚度過厚及新老混凝土黏結力不足是掉塊的重要原因，特別是局部有滲水時會進一步降低結合面的黏結強度。

4 解決措施

結合楊房溝水電站地下廠房地質條件、施工條件、掉塊原因，綜合經濟、技術方面進行比選后，最終針對主副廠房頂拱噴射混凝土掉塊提出如下應對措施。

（1） 對地下廠房頂拱掉塊情況進行系統全面的排查，針對松動的、開裂的噴射混凝土塊進行清撬處理。

（2） 在廠房廠右0+10 m至廠右0+00 m區域上游拱肩增設一排預應力錨桿32@1 m，長度L=9 m，張拉力T=120 kN，錨桿布置高程為2 015.00 m，錨桿上仰45°布置。加強錨桿布置避開原系統錨桿，加強斷層跡線區域的鎖口支護。

（3） 在廠房廠右0+10 m至廠右0+00 m區域上游拱肩，沿斷層f49出露跡線，在滲水區域增設隨機排水孔（直徑50 mm，長4.5 m），并采用40 mm彈簧軟管連接至邊墻排水溝。排水孔角度可根據現場情況調整，確保排水孔穿過斷層。

（4） 在主副廠房洞廠右0+010.5 m至廠左0+003 m段的頂拱上游（廠下0+2.1 m～廠上0+12.9 m）、高程2 014.0 m以上增設主動防護網（GPS2型）。主動防護網主要由縱橫交錯的16 mm橫向支撐繩和12 mm縱向支撐繩組成3.65 m×3.0 m（3.04，3.17，4.04，3.15 m）網格，采用已施工的吊頂錨桿進行支撐繩的固定，拱肩部位新增C22插筋進行固定，C22插筋入巖30 cm，外露30 cm。網格內鋪設一張GR/08/300披覆鋼絲繩網，每張網四周采用縫合繩連接并拉緊，在鋼絲繩網下鋪設GR/2.2/50披覆鋼絲格柵網。主動防護網施工利用50 t汽車吊作為施工平臺在巖錨梁混凝土施工期間穿插進行。

（5） 建立定期巡視制度并清理主動網中的噴層掉塊，確保施工期安全。

（6） 針對噴層開裂風險較高的部位，在地下廠房下部開挖支護過程中堅持弱爆破、短進尺、及時支護的原則，從而減少對保留巖體的爆破松弛損傷和圍巖應力性破裂擴展。需注重支護的系統性和及時性，使噴層、鋼筋網、錨桿或錨索等聯合支護成為體系，提高支護結構的整體支護力，使噴層均勻受力。

（7） 在后續噴射混凝土施工中高度重視噴射混凝土，尤其是復噴混凝土質量控制工作。加強噴射混凝土巖面（噴層面）沖洗，按要求對巖石松動巖塊進行清撬處理，確保混凝土質量滿足規范要求。

（8） 在廠房開挖至第Ⅶ層時，考慮到后續混凝土轉序的要求，為避免噴層脫落區域的修復工作與機電安裝相互干擾，機組安裝前，針對主廠房頂拱噴層脫落出露鋼筋網區域采取清理、復噴措施，復噴施工方案采用小橋機施工平臺，在吊頂安裝前完成。

5 結論與建議

本文針對楊房溝水電站地下廠房頂拱噴層開裂掉塊原因進行了分析，并提出清撬、加強支護、增設主動防護網、控制爆破等應對措施，有效解決了頂拱噴層開裂掉塊對廠房下部開挖的不利影響。

（1） 針對地下洞室頂拱混凝土噴層開裂問題，局部噴層開裂一般不會對整體圍巖穩定造成明顯影響，但當地應力量值偏高時，噴層開裂可能會具有普遍性，若頂拱出現整體性、普遍性的圍巖破裂問題時應重點關注和深入分析。一般而言，高應力條件下頂拱圍巖的應力性破壞一般很難避免，是洞室開挖卸荷圍巖應力調整的正常現象，但若在系統支護完成后仍發生噴層持續開裂、掉塊問題，則間接表明當前的系統支護強度和支護及時性可能不足，需要采取一定的補強支護措施，以保證洞室頂拱在施工期和運行期的圍巖穩定。

（2） 廠房頂拱圍巖高應力集中區和不利軟弱結構面出露部位一般是頂拱噴層開裂的主要潛在風險區。在實際施工過程中，應根據廠房現場開挖實際揭露的地質信息和監測數據情況，綜合工程經驗和數值反饋分析，合理評估這些典型部位的噴層開裂風險，并據此擬定針對性控制爆破、施工順序優化及補強加固方案。

（3） 選擇合理的噴層厚度和噴層強度十分關鍵。對于中高地應力區地下洞室，應保證初噴和復噴混凝土厚度，適當提高噴射混凝土層強度等級，以增加噴層的抗拉、抗剪能力，可有效降低噴層開裂風險。一般而言，素混凝土更容易開裂，而鋼纖維混凝土能較明顯改善混凝土的抗裂性、延性、韌性和抗沖擊性能，使混凝土與巖石有很好的變形適應性，在圍巖和噴層面臨較高的高應力破壞風險時，建議采用鋼纖維噴射混凝土。

參考文獻：

［1］ 向應剛.錦屏二級水電站地下廠房拱肩噴層開裂處理施工技術［J］.四川水利，2011，32（3）：6-7，12.

［2］ 邢磊，陳洪來，祁舵，等.溧陽抽水蓄能電站主廠房下游拱肩附近噴混凝土層開裂、掉塊情況分析與處理［C］∥中國水力發電工程學會，中國水力發電工程學會電網調峰與抽水蓄能專業委員會.抽水蓄能電站工程建設文集2015.北京：中國電力出版社，2015.