猴子巖水電站高地應力地下廠房頂拱開挖技術(shù)

田君，張鵬，袁平順

(1.中國水利水電建設工程咨詢北京公司，北京 100024;2.中國水利水電第七工程局有限公司二分局，四川成都 611730)

1 工程概況

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整推薦22級開發(fā)方案中的第9個梯級電站，引水發(fā)電系統(tǒng)布置于大渡河右岸，采用首部式地下廠房，電站裝機容量為4×425MW，總裝機容量為1700MW。

猴子巖水電站地下廠房縱軸線方向為N61°W，左上角距壩軸線鉛直面約100m，順壩軸線方向距右壩肩約200m，最小垂直埋深約380m，最小水平埋深約250m。廠房結(jié)構(gòu)尺寸為219.5m×29.2m ×68.7m(長 × 寬 × 高)，從左到右分別為副廠房、主機間及安裝間，其中副廠房長度為23m，跨度為25.8m;主機間及安裝間長度分別為140.5m和56m，巖錨梁以上開挖跨度為29.2 m，巖錨梁以下開挖跨度為25.8m。

2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)勘探揭示，猴子巖水電站地下廠房裂隙優(yōu)勢方向主要有三組，多為剛性結(jié)構(gòu)面，閉合、起伏、間距較大。根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)及構(gòu)造發(fā)育情況，圍巖初步分類為Ⅲ1～Ⅱ類，σ1最大值達 36.43 MPa，為高地應力區(qū)。考慮應力折減后，以Ⅲ1類為主，成洞條件較好。在勘探及洞室開挖過程中揭示斷層及其影響帶、擠壓破碎帶和裂隙密集帶等的巖體為Ⅳ、Ⅴ類。

頂拱:巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，巖體完整性好，以厚層狀～巨厚層狀結(jié)構(gòu)為主，局部為中厚層狀結(jié)構(gòu)，圍巖總體為Ⅲ1類。局部發(fā)育有緩傾角擠壓破碎帶，為Ⅳ類圍巖，對頂拱圍巖穩(wěn)定不利，中緩傾角的層面裂隙較發(fā)育，并與中陡傾角結(jié)構(gòu)面組合形成“人”字形塊體，將影響頂拱圍巖的局部穩(wěn)定。

上游側(cè)邊墻:巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，巖體完整性較好，以厚層狀～巨厚層狀結(jié)構(gòu)為主，局部為中厚層狀結(jié)構(gòu)，圍巖總體為Ⅲ1類。但由于工程處于高地應力區(qū)，一般實測地應力在30 MPa左右，最高達36MPa，圍巖強度在80～130 MPa，開挖過程中易產(chǎn)生圍巖松弛變形，甚至產(chǎn)生破壞。

下游側(cè)邊墻:巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，巖體完整性好，以厚層狀～巨厚層狀結(jié)構(gòu)為主，局部為中厚層狀結(jié)構(gòu)，圍巖總體為Ⅲ1類。但由于工程處于高地應力區(qū)，開挖過程中易產(chǎn)生圍巖松弛變形，甚至產(chǎn)生破壞。局部層間擠壓破碎帶和小斷層與邊墻小角度相交的小斷層、擠壓帶為Ⅳ類圍巖，對邊墻圍巖穩(wěn)定不利，此外，結(jié)構(gòu)面的不利組合，有發(fā)生小規(guī)模的掉塊和滑塌的可能。

3 廠房頂拱施工方案

3.1 頂拱層設計支護參數(shù)

頂拱設置系統(tǒng)錨桿φ32，L=9m及φ28，L=7 m，邊墻設置系統(tǒng)錨桿 φ32，L=8m 及 φ28，L=6 m，系統(tǒng)錨桿布置的間排距依據(jù)開挖揭示的圍巖類別，Ⅳ類、Ⅲ2類及Ⅲ1類圍巖布置間排距分別為1m ×1m、1.2m ×1.2m 及1.5m ×1.5m，拱座設置預應力錨桿φ32，L=9m。掛鋼筋網(wǎng)φ8@20cm×20cm，噴C20混凝土厚20cm。

3.2 頂拱層開挖施工程序

猴子巖水電站地下廠房頂拱層采用“先中導洞開挖支護，再進行導洞底板及兩側(cè)擴挖支護”的施工程序。廠房頂拱分層高度為13.5m(高程1717～1730.5m)，分為三個區(qū)域進行開挖，第一區(qū)為中導洞開挖支護，中導洞寬度為13.2m，高度為9.26m;第二區(qū)為中導洞底板降底開挖，開挖寬度為13.2m，高3m;第三區(qū)為上下游側(cè)擴挖，單側(cè)寬度8m，最大高度為12.26m。開挖分區(qū)情況見圖1。

圖1 廠房頂拱層開挖分區(qū)圖

3.3 施工工藝

頂拱層采用YT28手風鉆在自制作業(yè)平臺車上進行鉆爆，周邊孔光面爆破。采用導洞超前，分部分區(qū)開挖，液壓反鏟進行危石清理，開挖石渣采用側(cè)卸裝載機配合20t自卸汽車出渣。Ⅱ、Ⅲ類圍巖循環(huán)進尺2.5～3m，Ⅳ類圍巖循環(huán)進尺控制在2m左右。錨桿采用多臂鉆鉆孔，人工自制反鏟平臺進行錨桿安裝、注漿及掛鋼筋網(wǎng)，麥斯特噴漿車噴護混凝土。

4 猴子巖水電站地下廠房頂拱開挖施工出現(xiàn)的問題

(1)地下洞室群密集，開挖爆破震動干擾影響大，安全問題突出。

本工程地下洞室群密集，以主廠房、主變室、調(diào)壓室三大洞室為主體，包括母線洞、出線洞、主廠房頂部通風洞、聯(lián)合排風平洞、進場交通洞、尾調(diào)交通洞、排水廊道等洞室在內(nèi)的大規(guī)模洞室群，廠房洞室結(jié)構(gòu)復雜，跨度大，各洞室之間開挖爆破震動干擾大，各洞室爆破施工時，相互震動干擾，圍巖受爆破擾動容易出現(xiàn)掉塊塌方現(xiàn)象，施工期安全隱患突出。

(2)地應力高，巖爆現(xiàn)象突出。

本工程地下洞室群埋深較大，廠房水平埋深280～510m，垂直埋深400～660m，最大主應力達36.43MPa，地應力較高，巖爆發(fā)生率高，在進行廠房頂拱層中導洞及上游側(cè)擴挖時，(廠橫)0－020～(廠橫)0+070段巖爆現(xiàn)象突出，主要表現(xiàn)為:巖爆過程中持續(xù)出現(xiàn)較大聲響，邊墻拱座以下巖層成片狀剝落且持續(xù)時間較長;巖爆區(qū)域大，上游邊墻整個開挖面均存在巖爆現(xiàn)象。

(3)廠房挖空率高，頂拱及邊墻變形持續(xù)時間長。

在廠房頂拱層開挖支護完成后，受地應力釋放不均勻影響，洞身拱肩偏壓，(廠橫)0+083.8、(廠橫)0+116.3處多點位移計測得變形較為嚴重，應力計超量程達到402.7MPa，頂拱持續(xù)變形，無收斂跡象。廠房拱腳部位位移量大。

(4)廠房頂拱層開挖支護施工受不良地質(zhì)條件影響，塌方嚴重，廠房頂拱層開挖成型效果差。

由于廠房頂拱層開挖挖空率高，斷面積大，局部開挖區(qū)域受不良地質(zhì)條件影響，開挖后巖體應力釋放，因受力擠壓，拱腳以下巖體大范圍層狀脫落，巖體超挖嚴重，頂拱層開挖成型效果差。

5 應對措施

5.1 設計采取的措施

(1)對廠房頂拱層系統(tǒng)錨桿進行調(diào)整。將廠房頂拱原設計的普通砂漿錨桿全部調(diào)整為帶墊板的砂漿錨桿;

(2)增加了Ⅳ類圍巖的支護參數(shù)。針對開挖揭露的Ⅳ類圍巖，除加密錨桿間距外，對圍巖進行了超前固結(jié)灌漿，采用C25鋼筋混凝土置換破碎巖體;

(3)將頂拱噴混凝土厚度從15cm調(diào)整為20 cm;

(4)在上下游拱座各設置一排PB32，L=9 m，T=12t的預應力錨桿;

(5)廠房頂拱開挖后期，根據(jù)廠房頂拱層變形監(jiān)測的情況，在廠房頂拱增加隨機錨索，在上下游拱座各增加了一排系統(tǒng)錨索。錨索參數(shù)為:T=2000kN，L=20m，間距3～4m。

5.2 施工采取的措施

針對猴子巖水電站洞室群密集、廠房頂拱跨度大、地應力高、地質(zhì)條件差、巖爆現(xiàn)象突出的特點，項目部對此高度重視，主要采取了以下措施用以保證廠房頂拱的開挖成型及穩(wěn)定安全:

(1)為減少爆破圍巖擾動，施工過程中嚴格按照拱層開挖時確定好的開挖程序分層分區(qū)進行開挖，減小一次性開挖鏤空面積，開挖后及時做好各層(區(qū))支護。

(2)優(yōu)化爆破設計，減小爆破震動對圍巖的損壞。開挖爆破前進行爆破試驗，確定基本的爆破參數(shù);開挖過程中，根據(jù)不同的圍巖情況動態(tài)優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)。猴子巖水電站廠房頂拱周邊孔光面爆破參數(shù)為:孔徑42mm，孔距40cm，線裝藥密度80g/m。

(3)針對地應力高，巖爆現(xiàn)象突出的問題，本工程主要采取了以下措施:

①采取“短進尺、弱爆破”，以減小爆破對圍巖的擾動。

②掌子面施工超前應力釋放孔，在隧道工作面附近噴水，用以改善圍巖應力狀態(tài)，減緩巖爆程度;

③掌握巖爆發(fā)生的規(guī)律，避開巖爆高發(fā)期施工，以減小巖爆的危害;

④對開挖面及掌子面采用噴混凝土進行封閉，優(yōu)先施工φ25，L=4.5m的隨機錨桿;

⑤緊跟施工設計的系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)及噴混凝土施工;

(4)加強施工期臨時監(jiān)測和永久監(jiān)測，建立預警機制。當監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，立即停止開挖爆破作業(yè)，對變形較大的部位進行加強支護，確保安全。

(5)針對Ⅳ類圍巖及軟弱破碎帶，嚴格貫徹“短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的原則。在開挖前采用超前固結(jié)灌漿和超前錨桿進行超前錨固，開挖揭露后及時施工系統(tǒng)支護及加強支護，保證“一炮一支護”。

6 結(jié)語

猴子巖水電站廠房頂拱層于2011年11月1日正式開始開挖，2012年5月31日開挖完成，2012年6月15日支護完成，共計用時7.5月，創(chuàng)造了國內(nèi)同規(guī)模地下廠房頂拱開挖工期最短的最好成績。筆者就猴子巖水電站廠房頂拱層開挖施工中存在的問題有以下幾點體會。

(1)施工中加強現(xiàn)場的組織是關(guān)鍵。洞室的開挖、支護施工工序較多，施工現(xiàn)場必須進行科學組織，才能保證施工進度、洞室穩(wěn)定及施工安全。

(2)針對高地應力導致的巖爆現(xiàn)象，采用“快速錨固，及時封閉”是行之有效的措施。

(3)洞室開挖施工監(jiān)測至關(guān)重要。一方面需要超前或及時埋設監(jiān)測儀器;另一方面，監(jiān)測數(shù)據(jù)必須及時反饋給施工單位，以指導施工;第三，必須建立監(jiān)測預警機制，出現(xiàn)異常，立即采取措施進行處理。

(4)業(yè)主、監(jiān)理、設計及施工單位必須建立應急處理機構(gòu)，及時解決施工現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，對工程施工進度特別有利。