高地應(yīng)力砂板巖區(qū)巖錨梁精細(xì)化開挖技術(shù)研究

王 媛， 張東明， 李宏璧， 王晉明

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610106；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司， 四川 成都 610051)

高地應(yīng)力砂板巖區(qū)巖錨梁精細(xì)化開挖技術(shù)研究

王 媛1， 張東明2， 李宏璧2， 王晉明2

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610106；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司， 四川 成都 610051)

兩河口水電站地下廠房處于高地應(yīng)力砂板巖區(qū)，廠區(qū)第一主應(yīng)力與廠房軸線大角度相交，應(yīng)力集中釋放破壞巖體問題突出，且存在優(yōu)勢裂隙發(fā)育不利于塊體穩(wěn)定等地質(zhì)問題，導(dǎo)致廠房巖錨梁開挖施工難度大、成型質(zhì)量難控制.開挖中嚴(yán)格遵循“薄層開挖、隨層支護(hù)”原則，通過1∶1精細(xì)化爆破實驗優(yōu)選爆破參數(shù)并嚴(yán)控爆破鉆孔質(zhì)量；嚴(yán)格遵循“先固后挖”原則，根據(jù)地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定速監(jiān)測與反饋分析成果進(jìn)行支護(hù)參數(shù)動態(tài)調(diào)整、采取預(yù)加固措施等嚴(yán)格控制圍巖變形，確保了巖錨梁開挖優(yōu)質(zhì)成型.巖錨梁精細(xì)開挖技術(shù)在砂板巖地區(qū)的施工控制措施全過程的詳細(xì)介紹為同類工程提供了參考.

高地應(yīng)力；砂板巖；巖錨梁；爆破實驗；反饋分析；精細(xì)化

0 引 言

巖錨梁是利用注漿錨桿和巖壁之間的阻力將應(yīng)力傳至巖體的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其優(yōu)勢在于可以不設(shè)立柱，并充分應(yīng)用圍巖的承載能力，采用該構(gòu)件可以減少圍巖開挖量，有效縮短工期，降低工程造價[1-2].目前，大型水利樞紐工程越來越多地將巖錨梁應(yīng)用于地下廠房的建設(shè)中，其施工技術(shù)是集光面爆破、錨固技術(shù)、混凝土技術(shù)、應(yīng)力應(yīng)變和位移量監(jiān)測技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)，施工技術(shù)要求高、難度大[3-5].本研究結(jié)合兩河口水電站地下廠房巖錨梁開挖實例，從地質(zhì)條件、施工過程和監(jiān)測資料等多個角度分析了巖錨梁精細(xì)化開挖技術(shù)的施工要點.

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

兩河口水電站是雅礱江中下游的控制性工程，電站裝機(jī)容量3 000 MW，年平均發(fā)電量約為110億kW·h，工程為一等大(I)型工程.水電站右岸地下廠房系統(tǒng)由主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室等建筑物組成，主廠房長275.94 m，高63.9 m，最大跨度28.4 m，縱軸方向為N3 ° E，安裝6臺機(jī)組.

1.2 地質(zhì)條件

兩河口水電站地下廠房布置在右岸山體內(nèi)，水平埋深350～700 m，垂直埋深400～450 m，最大主應(yīng)力范圍值為21.57～30.44 MPa，屬高應(yīng)力區(qū).

水電站地下廠房區(qū)巖性為砂板巖，巖性較單一，無規(guī)模較大的斷層、構(gòu)造帶和軟弱巖帶分布，小斷層主要發(fā)育多條III級結(jié)構(gòu)面，斷層破碎帶寬度不大；斷層充填物以片狀巖為主，碳化、糜棱化強(qiáng)烈.廠房軸線NNE向短小裂隙與邊墻夾角均較小，存在邊墻隨機(jī)塊體局部穩(wěn)定問題，對吊車梁平臺成型影響較大.同時，斷層、擠壓帶內(nèi)物質(zhì)性狀較軟，寬度變化較大，易在上下游邊墻產(chǎn)生掉塊，施工期圍巖穩(wěn)定問題比較突出.

2 巖錨梁精細(xì)化開挖施工技術(shù)

2.1 專項施工措施

2.1.1 薄層開挖、隨層支護(hù).

在水電站工程施工中，主廠房分為9大層，14小層，自上而下逐層分區(qū)開挖支護(hù).廠房頂拱層開挖采用中部先行，上、下游側(cè)錯距擴(kuò)挖支護(hù)跟進(jìn)的方式，錯距距離不小于該主體洞室跨度的1.2～1.5倍；頂拱層以下開挖遵循“薄層開挖、隨層支護(hù)”的施工原則.詳細(xì)施工開挖布置如圖1所示.

2.1.2 開挖及保護(hù)措施.

廠房巖錨梁位于廠房3層開挖區(qū)，分中槽(上、下層)、上下游保護(hù)層(各2層)和巖錨梁巖臺巖體3個區(qū)域進(jìn)行開挖.同時，根據(jù)開挖1：1模擬實驗結(jié)果制訂了巖錨梁臺體開挖支護(hù)施工專項措施：

圖1主、副廠房開挖分層示意圖

1)造孔控制.中槽水平光面爆孔深6.0 m，保護(hù)層垂直孔深第一層4.0 m、第二層5.0 m，巖臺上拐點垂直孔孔深2.78 m，斜面孔孔深2.61 m；每個孔均進(jìn)行測量放線，并做到“三點一線”，光爆孔鉆孔實行“三定”制度，即定人、定機(jī)、定孔位施鉆.巖臺雙向光爆孔鉆孔時設(shè)置樣架，孔位偏差為±20 mm，鉆孔角度偏斜±3°，垂直鉆孔深度超深5 cm，鉆孔深度及角度用測量儀器嚴(yán)格控制.巖臺雙向光爆孔間距30～35 cm.

2)開挖控制.在進(jìn)行第III層開挖前，完成上部全部錨噴支護(hù)(含錨索)，盡可能控制上部水平向變形的發(fā)生，減少圍巖松弛變形.總體開挖采取兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層、先中槽淺層水平光爆，再保護(hù)層淺層水平光爆開挖，最后精細(xì)雙向巖臺開挖.中槽主開挖區(qū)寬17.4 m，高9.0 m，分為2個薄層開挖，第一層(III1-1區(qū))層高4.0 m，第二層(III2-1)層高5.0 m，采用手風(fēng)鉆水平光爆開挖.兩側(cè)巖臺預(yù)留保護(hù)層為4.0 m厚，層高9.0 m，仍分2個薄層開挖，第一層(III1-2區(qū))層高4.0 m，第二層(III2-2區(qū))層高5.0 m，采用手風(fēng)鉆垂直光爆開挖.巖臺開挖采用巖臺上直墻面垂直孔及沿巖臺斜面斜孔造孔小藥量雙向光面爆破開挖，爆破參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實驗結(jié)果分段選擇.巖臺預(yù)留保護(hù)層開挖前，巖臺面以上垂直成型面造孔先完成并加以保護(hù)，同時完成II層噴錨支護(hù)與錨索施工.保護(hù)層第一層(III1-2區(qū))光面爆破開挖完成后，根據(jù)實際揭露地質(zhì)情況，在不利巖層或巖石破碎地段，在上拐點垂直邊墻面及巖臺斜面分別設(shè)2排Φ25@1.0 m，L=4.5 m玻璃纖維錨桿，局部進(jìn)行預(yù)灌漿處理，以盡量保持應(yīng)力水平，提高巖體完整性.開挖完成后，及時進(jìn)行鎖口錨桿、鋼筋鎖口壓條與網(wǎng)噴支護(hù).

2.2 精細(xì)化爆破設(shè)計

2.2.1 爆破實驗設(shè)計.

根據(jù)廠房地質(zhì)條件及巖性、技術(shù)規(guī)范要求、開挖方法及以往施工經(jīng)驗，廠房III層邊墻設(shè)計輪廓線采用預(yù)裂爆破，巖臺豎直面及斜面采用光面爆破，嚴(yán)格控制最大起爆藥量.爆破實驗安排在主廠房第III層(廠縱0+060～0+080段)距下游邊墻5.5 m處保護(hù)層范圍內(nèi)進(jìn)行，分4個區(qū)域采用不同的爆破參數(shù)按規(guī)范和設(shè)計要求對爆破參數(shù)進(jìn)行實驗，共布置50個光爆孔.

為有效控制巖體應(yīng)力釋放及爆破對巖臺的破壞，在爆破之前增加預(yù)加固措施：巖臺豎向和斜面各增加2排Φ25@1.0 m(間)×1.5 m(排)，L=4.5 m玻璃纖維錨桿.在下拐點下方增加1排C25鎖口錨桿，在墊板上采用2C25縱向鋼筋進(jìn)行焊接，使鎖口錨桿連接成整體，形成鎖口壓條.

2.2.2 爆破振動監(jiān)測.

爆破實驗過程中，對實驗段爆破進(jìn)行實時振動監(jiān)測，單孔最大裝藥量0.25 kg，單響最大藥量17.225 kg.監(jiān)測所得最大振動速度為6.2127 cm/s.3個方向振動速度均在7.0 cm/s以內(nèi)，滿足《爆破安全規(guī)程GB6722-2003》振動安全標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 監(jiān)測點振動速度檢測

2.2.3 爆破參數(shù)及效果評價.

光面爆破實驗共造孔55個，從造孔質(zhì)量檢測及開挖后揭露的造孔情況看，均滿足平、直、齊的設(shè)計要求.爆破實驗共選取了3組裝藥參數(shù)，分別為55 g/m(I區(qū))、71 g/m(II區(qū)、III區(qū))、83 g/m(IV區(qū)).從各個分區(qū)爆破效果(見圖2)看，爆破后整個斜向成型效果較好，大面較平整，4個區(qū)域殘留半孔率分別為95%、88%、88%、91%，其中II區(qū)和III區(qū)巖體完整性較差殘孔率較低，各區(qū)域殘孔率均能滿足設(shè)計技術(shù)要求，具體情況為：

1)豎向光面效果差于斜向光面效果，經(jīng)綜合分析認(rèn)為，豎向光爆孔有多條水平向裂隙穿過整個光爆巖體，且實驗巖臺上部為臨空面，沒有高邊墻的約束；另有III-1層開挖爆破對該部位巖體有擾動，該部位巖層有錯臺或位移，導(dǎo)致預(yù)先完成的鉆孔塌孔，無法裝藥，只能采用導(dǎo)爆索爆破，由于導(dǎo)爆索爆速(6 000～7 000 m/s)與普通炸藥爆速(2 000～4 000 m/s)有差異，造成豎向面爆破效果不理想.

圖2爆破實驗后效果圖

2)巖臺斜面孔與豎向孔結(jié)合部位巖體無欠挖，孔壁無明顯爆破損傷裂隙，表面斜面孔底部采用1節(jié)Φ25 mm(2#巖石乳化炸藥)藥卷結(jié)構(gòu)較合理.從實驗結(jié)果看，玻璃纖維錨桿及鋼筋束壓條等預(yù)加固措施有效可行，能有效控制巖體應(yīng)力帶來的不利影響，爆破后效果較好，斜面與下拐點交線較完整，沒有被破壞.

3)Ⅰ區(qū)爆破效果較好，開挖規(guī)格、殘孔率等滿足設(shè)計和規(guī)范要求，該段孔間距30 cm，爆破孔線密度55 g/m(導(dǎo)爆索未計入)，光爆孔20個，殘孔19個，殘孔率95%，不平整度最大值5.7 cm，最小值2.7 cm.后續(xù)巖錨梁開挖爆破參數(shù)可參照該段執(zhí)行，并根據(jù)不同的巖性和節(jié)理裂隙發(fā)育程度局部微調(diào).

4)豎向孔采用導(dǎo)爆索裝藥，開挖效果不理想，不具有參考價值.根據(jù)廠區(qū)地應(yīng)力高、巖體松弛和節(jié)理裂隙張開較快這一特性，實際開挖過程中應(yīng)及時支護(hù)，并及時完成既定的預(yù)加固和保護(hù)措施.

2.2.4 爆破參數(shù)選定.

從爆破后效果分析，I、IV區(qū)裝藥量可以滿足要求，可在I區(qū)線密度上增加5 g/m；IV區(qū)孔跨35 cm，藥卷間距20 cm,線密度83 g/m，可在其基礎(chǔ)上減少5 g/m進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整.孔間距為30 cm時，裝藥線密度控制在60 g較為合適，孔間距為35 cm時，裝藥線密度控制在78 g較為合適.實驗中，I、IV區(qū)以超挖為主，平均超挖3.22～5.61 cm，II、III區(qū)平均超挖6.96～11.44 cm，超挖值滿足設(shè)計技術(shù)要求，各區(qū)不存在欠挖情況.在線密度基本保持不變的情況下，可將孔內(nèi)裝藥間距由底部至孔口進(jìn)行調(diào)整，并將孔口段藥卷間距適當(dāng)調(diào)大.

2.3 實施方案與效果

2.3.1 快速監(jiān)測與反饋分析.

考慮到該工程的節(jié)理、裂隙等不良地質(zhì)條件的出露具有一定的隨機(jī)性，為確保水電站地下廠房洞室群施工期的安全穩(wěn)定及洞室開挖成型質(zhì)量，有必要根據(jù)施工期安全監(jiān)測及開挖施工揭示的實際地質(zhì)條件對廠房支護(hù)參數(shù)進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化調(diào)整.水電站地下廠房洞室群施工期快速監(jiān)測與反饋分析評價體系流程圖如圖3所示.

圖3兩河口水電站地下廠房洞室群施工期快速監(jiān)測與反饋分析評價體系流程圖

2.3.2 施工措施.

在水電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定及支護(hù)設(shè)計反饋分析研究第III期報告中，對廠房巖錨梁開挖施工期圍巖穩(wěn)定進(jìn)行了三維仿真分析，研究表明：

1)地下廠房洞室群區(qū)域，以巖錨梁高程為例，水平向地應(yīng)力約為垂直向地應(yīng)力的1.4～1.8倍，是以構(gòu)造應(yīng)力為主的構(gòu)造應(yīng)力與自重應(yīng)力復(fù)合地應(yīng)力場.以該部位的最大主應(yīng)力水平估算，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比大于3，屬于高地應(yīng)力區(qū).

2)開挖過程中，廠房上游拱腳和下游邊墻下部是應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.3～1.4；廠房上游邊墻下部、下游拱腳和下游邊墻上部屬強(qiáng)卸荷區(qū)，也是洞壁位移最為顯著的區(qū)域，會導(dǎo)致下游側(cè)巖錨梁巖臺開挖成型困難，建議進(jìn)行預(yù)加固處理.

同時，根據(jù)巖錨梁1∶1開挖模擬實驗，下游側(cè)Ⅲ1-1層預(yù)留保護(hù)層段也難以形成光爆面.據(jù)此，項目業(yè)主會商主體設(shè)計院對原有支護(hù)方案進(jìn)行了針對性補(bǔ)充，具體如下：

1)對于陡傾角結(jié)構(gòu)面及不利結(jié)構(gòu)面段，在下拐點以下20 cm、垂直巖臺斜面增設(shè)1排C32@1.0 m、L=4.5 m(孔深6.4 m、孔徑Φ76 mm)的斜向沉頭錨桿，按先插桿后灌漿工藝施工.利用沉頭錨桿試灌漿，對巖石破碎、節(jié)理發(fā)育部住提前噴10 cm厚C25混凝土封閉，并利用錨桿孔預(yù)灌漿.

2)對于陡傾角結(jié)構(gòu)面及不利結(jié)構(gòu)面段，在上拐點垂直面與巖臺斜面各增打2排Φ25@1.0 m、L=4.5 m玻璃纖維錨桿，對破碎巖面噴C25混凝土10 cm封閉，并利用錨桿孔預(yù)灌漿.

3)將原設(shè)計所有下拐點30 cm的C25@1.0 m，L=4.5 m鎖口錨桿改為120 KN級預(yù)應(yīng)力錨桿，將所有鎖口錨桿下一排C32@1.5 m，L=6.0 m/9.0 m系統(tǒng)錨桿調(diào)整間距1.0 m的50 KN級預(yù)應(yīng)力錨桿，使之也起到鎖口錨桿作用.

4)對于提前噴10 cm厚C25混凝土封閉地段，在下拐點第一排鎖口錨桿增設(shè)2C25縱向鋼筋鎖口壓條，在巖臺開挖前噴5 cm鋼纖維混凝土.

2.3.3 開挖質(zhì)量.

通過認(rèn)真落實巖錨梁精細(xì)化施工技術(shù)方案，兩河口水電站地下廠房巖錨梁較計劃提前20 d開挖完成且開挖成型效果良好，其巖錨梁整體上上直立面、斜面和下直立面3面平整、棱角分明，具體開挖質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 巖錨梁開挖質(zhì)量檢測統(tǒng)計

測量數(shù)據(jù)顯示，巖錨梁巖臺角度偏差±0.5°、巖臺斜面不平整度1.5～9.5 cm，半孔率96.3%，平均超挖7.26 cm，完全符合工程技術(shù)質(zhì)量要求.

3 結(jié) 語

巖錨梁開挖施工是水電站地下廠房施工的重點和難點，但受廠房高地應(yīng)力及節(jié)理裂隙發(fā)育等不良地質(zhì)條件及砂板巖各向異性影響[5]，兩河口水電站地下廠房巖錨梁與國內(nèi)其他工程相比成型更加困難，因此必須采用精細(xì)化施工技術(shù).結(jié)合本工程特點和其他工程經(jīng)驗，本工程在巖錨梁施工中采用的精細(xì)化施工控制技術(shù)主要包括：開挖中嚴(yán)格遵循“薄層開挖、隨層支護(hù)”原則，針對巖錨梁開挖施工制定了專項開挖及保護(hù)措施，嚴(yán)格執(zhí)行“定人、定機(jī)、定孔位施鉆”的“三定”制度，確保了光爆孔鉆孔質(zhì)量；通過1∶1精細(xì)化爆破實驗優(yōu)選爆破參數(shù)，爆破開挖效果穩(wěn)步提升；工程施工嚴(yán)格遵循“先固后挖”原則，并根據(jù)地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定速監(jiān)測與反饋分析結(jié)果進(jìn)行支護(hù)參數(shù)動態(tài)調(diào)整，采取預(yù)加固措施嚴(yán)格控制圍巖變形，確保了巖錨梁開挖質(zhì)量.

[1]陳雷,梁嬌.高應(yīng)力區(qū)大跨度地下廠房巖錨梁開挖施工[J].東北水利水電,2009，27(7):10-13.

[2]傅萌.糯扎渡水電站地下廠房巖錨梁開挖質(zhì)量控制[J].人民長江,2012,43(1):33-35.

[3]李東東,肖明,陳俊濤,等.地下廠房巖錨梁巖臺爆破開挖精細(xì)化控制[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016，44(5)：81-86.

[4]彭少引.水電站地下廠房巖錨梁開挖施工技術(shù)應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2016，24(6)：96-98.

[5]趙勇進(jìn).兩河口水電站砂、板巖各向異性研究[J].四川水力發(fā)電,2009，2(128)：113-118.

Abstract:The underground powerhouse of Lianghekou hydropower station is located where the high-stress sand slate strata area is and the principal stress of the plant site intersects with the plant axis by large angle,which strengthens the stress concentration.The existence of the dominated fissure is harmful for the stability of the rock.Therefore,it is quite difficult for excavation and the quality control of rock-anchored beam forming.Based on it,thin layer excavation accompanied by “l(fā)ayer support" should befollowed strictly as the most important principle,and also the fine blasting test is designed to optimize the blasting parameters and blasting drilling-holes quality is also controlled well.In order to guarantee the high quality forming of the rock-anchor beam,and based on the “digging first and excavation second" principle,the pre-reinforcement measures are adopted rigorously to control the deformation of the surrounding rock and supporting parameters are dynamically adjusted according to the stability monitoring and feedback analysis results of the surrounding rock of the underground powerhouse.The whole process of the construction control measures of rock-anchored beam excavation technology in sand shale strata is introduced in details,which can be used for reference for similar projects.

Keywords：high ground stress;sand slate strata;rock-anchored beam;blasting test;feedback analysis;fine

StudyonFineExcavationConstructionTechnologyforRock-anchoredBeaminHigh-stressSandShaleStrataArea

WANGYuan1,ZHANGDongming2,LIHongbi2,WANGJinming2

(1.School of Architecture and Civil Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China;2.Yalong River Hydropower Development Co., Ltd., Chengdu 610051, China)

TV554

A

1004-5422(2017)03-0315-04

2017-08-01.

王 媛(1980 — )， 女， 碩士， 講師， 從事土木工程設(shè)計與管理研究.