烏東德水電站陡傾小夾角薄層巖體特高地下廠房開挖關(guān)鍵技術(shù)

(中國水利水電第六工程局有限公司西南分局，昆明，650041)

1 工程概況

烏東德水電站是金沙江下游河段(攀枝花市至宜賓市)四個水電梯級(烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩)中的最上游梯級，壩址所處河段的右岸隸屬云南省昆明市祿勸縣，左岸隸屬四川省會東縣。樞紐工程主體建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成，電站廠房布置于左右兩岸山體中，均靠河床側(cè)布置，各安裝6臺單機(jī)容量為850MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量10200MW，多年平均發(fā)電量401.1億kW·h，正常蓄水庫容58.63億m3，為Ⅰ等大(1)型工程，主廠房結(jié)構(gòu)尺寸為333.3m×32.5/30.5m×89.8m(長×寬×高)，為超大型地下廠房，其高度居世界第一，跨度居世界第四。三大洞室間距較近，約40m(不到1.5倍主廠房和調(diào)壓室的最大跨度)，洞間兩面臨空高度大，且洞室軸線與巖層走向小角度相交，開挖后高邊墻巖體卸荷松弛穩(wěn)定問題極為突出，容易出現(xiàn)塌落、順層剝落、片幫等變形破壞。

2 工程地質(zhì)

右岸引水發(fā)電建筑物皆分布于中元古界會理群落雪組地層中，該地層分為10段，由灰?guī)r、白云巖、大理巖化白云巖等組成。巖層走向近EW，傾向SW，傾角70°～85°，為一套淺變質(zhì)的碳酸鹽巖。右岸地下廠房位置選擇時受上游F14白溝斷層及下游Pt2l3與Pt2l4-1薄層、極薄層大理巖化白云巖的限制，將地下廠房布置于巖體位于相對較好的落雪組第三段，其分布范圍不大，布置空間有限，且受多期構(gòu)造活動影響，產(chǎn)狀和層厚變化較大。致使巖層走向與洞軸線夾角較小，且廠房附近發(fā)育一褶皺，核部位于9#、10#機(jī)處，地質(zhì)條件極為復(fù)雜(見圖1)。前期地質(zhì)勘探主要揭露了9類不良工程地質(zhì)問題：①巖溶；②小夾角層面；③結(jié)構(gòu)面附碳質(zhì)薄膜區(qū)；④薄層～極薄層巖體；⑤B類角礫巖；⑥小夾角長大構(gòu)造結(jié)構(gòu)面；⑦長大緩傾角裂隙；⑧塊體；⑨裂隙相對發(fā)育區(qū)等。其中最主要影響到廠房穩(wěn)定的典型不良地質(zhì)為：巖溶、陡傾小夾角層面、層間碳質(zhì)薄膜和薄層～極薄層巖體，在開挖過程中高邊墻巖體卸荷松弛穩(wěn)定問題突出，施工期變形控制問題突出，工程與施工安全風(fēng)險高。

3 施工方法

根據(jù)烏東德水電站右岸地下廠房前期勘探和揭露出地質(zhì)情況，對地下廠房施工難點(diǎn)及特點(diǎn)進(jìn)行了分析，確定施工方案，按照“薄層開挖、隨層支護(hù)”的施工方法，主廠房共分為11大層18小層(見圖1)，自上而下分層開挖，除第Ⅰ層外，每層開挖高度4m～6m，采取中間梯段爆破先行，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層光爆跟進(jìn)的施工方法，支護(hù)滯后開挖30m～50m及時跟進(jìn)，形成以“支護(hù)促開挖”的良性施工循環(huán)。每開挖一層立即進(jìn)行邊墻的淺層支護(hù)，約束巖層的松弛變形；同時，陡傾小夾角層面容易出現(xiàn)深部滑移變形，在淺層支護(hù)完畢后，立即采用深層錨索加固，提供軸向抗拉應(yīng)力，抑制變形的持續(xù)增長。同時為減小爆破對高邊墻影響，主廠房上部開挖期間，分別沿上、下游邊墻增加一條L3施工支洞和一條母線洞施工支洞，支洞采用9m×7m(寬×高)的城門洞型斷面，長為276.6m，利用該支洞進(jìn)行母線洞和引水隧洞下平段開挖，提前對揭露區(qū)域廠房邊墻系統(tǒng)錨索及錨噴支護(hù)。

圖1 主廠房分層情況及開挖通道

4 開挖關(guān)鍵技術(shù)

4.1 大跨度頂拱一次成型

主廠房第Ⅰ層開挖斷面為13.5m×32.5m(高×寬)，頂拱擴(kuò)挖光面爆破采用人工持YT-28手風(fēng)鉆配合鉆爆臺車鉆水平孔開挖，炮孔孔徑φ42mm，孔深3.8m，每循環(huán)進(jìn)尺3.5m。周邊孔直邊墻位置處炮孔間距45cm，頂拱弧段位置炮孔間距50cm；緩沖孔與周邊孔排距70cm，間距80cm；主爆孔間排距1.5m，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當(dāng)加密，其中最底排炮孔要求距上一排0.8m，孔深4.5m，以保證底面爆破的平整度。主爆孔、緩沖孔采用φ32藥卷連續(xù)裝藥孔口堵塞，單孔藥量分別為3.0kg/2.1kg，孔口堵塞長度1.0m/1.5m，光爆孔采用φ32藥卷竹片綁扎間隔裝藥，線裝藥密度90g～110g，孔口堵塞長度0.5m。

頂拱開挖過程中揭露多個溶蝕裂隙帶，多順層面發(fā)育，充填有泥質(zhì)及方解石等雜物，頂拱部位松散泥碎屑形成倒懸、邊墻部位在開挖后易出現(xiàn)失穩(wěn)、傾倒破壞產(chǎn)生脫空。采取“自上而下，分層開挖，分層加固，分層回填、置換”。為保證清理、支護(hù)過程中的施工安全，溶蝕裂隙處理按照自上而下，分層處理原則實施，分層高度控制在2m左右，滿足施工空間需要。單層跨度較大時，采取分區(qū)分塊施工，先施工中部再實施兩側(cè)或從一端往另外一端依次實施。每一區(qū)域處理時，先采用人工挖除充填物，局部不規(guī)則巖壁采取小藥量爆破形成較規(guī)則的受力體形，每循環(huán)清理進(jìn)尺控制在1m～2m。清理后采取工字鋼和錨桿對頂拱巖壁進(jìn)行支撐加固，上一循環(huán)完成后再進(jìn)行下一循環(huán)的施工，待一層全部處理后再由內(nèi)向外進(jìn)行混凝土回填。

4.2 巖錨梁超前錨固及置換回填

上游墻揭露了典型的小夾角層面，層面附碳質(zhì)薄膜區(qū)，其影響區(qū)域沿上游墻分布長42m，水平深約48m。薄碳層為軟弱夾層，層面間結(jié)合能力極差，其抗剪強(qiáng)度低(f′=0.4，c′=25kPa，粘聚力接近于0)；碳質(zhì)薄膜區(qū)，若遭受地下水的入侵，薄碳層極易泥化，使層面間結(jié)合能力進(jìn)一步下降，對主廠房巖錨梁和高邊墻的穩(wěn)定性極其不利。在巖錨梁巖臺外側(cè)4m厚保護(hù)層開挖前，穿過保護(hù)層向巖體內(nèi)鉆垂直向、傾斜向錨桿孔，巖臺每個橫斷面增加布置3根錨桿，錨桿為φ25mm，入開挖巖體內(nèi)3.0m，錨桿安裝超入邊線10cm，軸向間距1.5m，錨桿造孔深度7m～8.5m；1#錨桿上仰20°，2#錨桿上仰15°，3#錨桿垂直巖面。超前錨桿施工完后，穿過保護(hù)層向巖體內(nèi)垂直于巖面鉆設(shè)固結(jié)灌漿孔，孔徑φ76mm，孔深為10m，間排距為2m×2m，分兩序兩段施灌，第一段灌漿長3m，灌漿壓力為0.3MPa～0.5MPa，第二段灌漿長7m，灌漿壓力為0.8MPa～1.2MPa，灌漿材料采用高抗硫酸鹽水泥。通過采用超前錨桿提前鎖定開挖巖臺，預(yù)固結(jié)灌漿改善圍巖條件(如圖2)，解決了不良地質(zhì)段巖錨梁開挖成型與穩(wěn)定問題。

圖2 超前錨固示意

在遇到碳質(zhì)薄膜區(qū)的部位，經(jīng)超前錨固后承載力仍不能滿足后期橋機(jī)行走的要求。將1m的斜巖臺采用反鏟全部挖除，設(shè)巖錨梁混凝土支撐墻形式(如圖3)。支撐墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)雙層鋼筋，襯砌厚度1m，支撐墻從巖錨梁底部深入蝸殼外圍混凝土2.5m，支撐墻總高度約為30m。支撐墻隨主廠房下挖采用倒懸法逐層進(jìn)行，廠房開挖一層，支撐墻順接澆筑一層，為盡量減少爆破對混凝土損傷，每層澆筑面底高程高出開挖面2.5m。支撐墻混凝土共分5層進(jìn)行，分層高度為4m～6m。支撐墻均在邊墻系統(tǒng)淺層支護(hù)完成后實施，對支撐墻內(nèi)設(shè)深層錨索采取提前預(yù)埋管的方式。

圖3 碳質(zhì)薄膜區(qū)巖臺挖除增設(shè)支撐墻混凝土典型斷面

4.3 高邊墻立體相交段穩(wěn)定成型

高邊墻立體相交段應(yīng)力相對集中，特別是高邊墻與引水、尾水、母線洞等相交部位的穩(wěn)定及洞口洞體穩(wěn)定。在高邊墻形成之前先施工交叉段洞體，“先洞后墻”，使小洞室進(jìn)入大洞10m～20m，同時，根據(jù)圍巖類別對小洞室進(jìn)行徑向鎖口錨桿加強(qiáng)支護(hù)，鎖口錨桿長度一般為6m、9m，間排距1m×1m，第一排錨桿距離洞口50cm，第二排錨桿距第一排錨桿1m布置。在交叉洞口處5m～10m位置增加工字鋼模噴混凝土形成支撐拱受力體，先對交叉洞口加固處理，能有效控制交叉段的塑性變形，調(diào)整重分布應(yīng)力，確保高邊墻下挖過程中圍巖的穩(wěn)定。

引水洞、尾水洞與廠房邊墻交叉部位復(fù)雜地質(zhì)條件，針對復(fù)雜地層穩(wěn)定開挖采取“預(yù)留隔墩，跳洞開挖”、“開挖一區(qū)，支護(hù)一區(qū)”的方式進(jìn)行施工，防止開挖后的邊墻應(yīng)力突然調(diào)整，爆破最大單響不超過10kg，爆破后根據(jù)爆破效果及振動監(jiān)測情況，優(yōu)化爆破設(shè)計，最大程度減少因爆破對巖壁的松動圈深度，保證巖體質(zhì)量。分區(qū)施工每區(qū)長度20m左右，開挖首先進(jìn)行Ⅰ序開挖支護(hù)施工，施工完畢后，方可進(jìn)行相鄰Ⅱ序區(qū)開挖支護(hù)施工。其中Ⅰ序區(qū)的開挖長度確在23m左右，使引水洞附近的2～3排錨索在Ⅰ序區(qū)開挖后可立即施工，及時增強(qiáng)新開挖區(qū)的深層錨固，施工程序如圖4所示。

圖4 主廠房9#～12#機(jī)組預(yù)留隔墩跳洞開挖平面示意

4.4 精細(xì)化爆破控制

為確保大型地下洞室高邊墻的開挖成型質(zhì)量和減小爆破震動對巖體的影響，全面采取中部6m～7m梯段拉槽先行，兩側(cè)預(yù)留4m～5m保護(hù)層，保護(hù)層采取垂直光爆跟進(jìn)開挖，嚴(yán)格按照“薄層開挖，隨層支護(hù)”的原則。開挖方案中特別采取了垂直光爆孔全部搭設(shè)可移動式標(biāo)準(zhǔn)樣架(如圖5)，控制開挖成型質(zhì)量，采用手風(fēng)鉆鉆小孔，垂直光爆，單響藥量控制在10kg以內(nèi)，同時，保護(hù)層采取了嚴(yán)格的精細(xì)化控制爆破技術(shù)，減少爆破振動影響。

圖5 可移動式標(biāo)準(zhǔn)施工樣架

中部淺孔梯段爆破，每循環(huán)10m～15m，兩側(cè)采用預(yù)裂爆破，減小爆破對結(jié)構(gòu)面巖體損傷，預(yù)裂爆破孔徑φ90mm，間距為1.2m，孔深5.7m，底部采用3×φ32藥卷加強(qiáng)裝藥，長度1m，中間采用φ32mm藥卷間隔裝藥，裝藥間距12cm，單孔藥量控制在5.0kg以內(nèi)，線裝藥密度475g/m，導(dǎo)爆索串聯(lián)，MS13段非電雷管延時啟爆。梯段爆破主爆孔孔徑φ90mm，孔深5.5m，向臨空面傾斜15°，間排距按2.2m×2.2m矩形布置，φ70mm藥卷連續(xù)裝藥，單孔藥量控制在10.0kg以內(nèi)，啟爆網(wǎng)絡(luò)采用“孔內(nèi)延時，孔外微差”技術(shù)，孔內(nèi)采用MS15段非電雷管延時，孔外采用孔間MS3段，排間MS5段接力傳爆，單響藥量控制在10kg以內(nèi)，最大質(zhì)點(diǎn)振速控制在10cm/m以內(nèi)，爆破參數(shù)見表1。

表1 梯段爆破參數(shù)

兩側(cè)預(yù)留4m保護(hù)層，采取垂直光爆開挖技術(shù)，孔深4.5m～5m，每循環(huán)10m～15m。

主爆孔、緩沖孔采用φ32藥卷連續(xù)裝藥孔口堵塞，單孔藥量分別為3.0kg/2.1kg，孔口堵塞長度1.0m/1.5m，周邊孔采取竹片綁扎間隔裝藥，底部采用1/3卷φ32藥卷加強(qiáng)裝藥，中間1/6卷φ32藥卷間隔裝藥，裝藥間距40cm，線裝藥密度為75g/m，爆破參數(shù)見表2。

表2 光面爆破參數(shù)

主廠房開挖期間，累計進(jìn)行爆破振動監(jiān)測56點(diǎn)次，爆破振動測試結(jié)果滿足要求，爆破對高邊墻巖體影響深度<40cm，巖錨梁部位<20cm，整體開挖質(zhì)量良好，排炮間連結(jié)平順，半孔對齊呈直線，平均超挖11.3cm，整體開挖質(zhì)量優(yōu)良。

4.5 安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

烏東德水電站右岸地下廠房開工以來，安全監(jiān)測緊跟開挖施工進(jìn)度，及時安裝埋設(shè)相關(guān)部位的各類監(jiān)測儀器。根據(jù)地下廠房體型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在廠房7#～12#機(jī)組中心線、主、副安裝場頂拱中心、上下游拱座與巖壁吊車梁的巖臺處布置了永久監(jiān)測儀器。通過監(jiān)測儀器的測讀和分析，及時掌握了廠房頂拱巖體應(yīng)力應(yīng)變的變化情況。為廠房頂拱支護(hù)型式與支護(hù)手段的改變提供了及時的預(yù)警和依據(jù)。共布置多點(diǎn)位移計110套、錨桿應(yīng)力計73支、錨索測力計91臺、錨桿測力計46臺、測縫計50支、變形(內(nèi)觀)觀測20套。7#～12#機(jī)組中心線各布有1個斷面，主安裝場和副安裝場各布有1個斷面，實時觀測烏東德右岸主廠房下挖過程中的變形情況，通過長時間以及大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，開始施工期間，圍巖變形呈不斷上升趨勢，但大部分上升速率較小，且均出現(xiàn)每層開挖后初期變化很快，后期隨著支護(hù)的跟進(jìn)變化逐漸減小，直至收斂，最后新的一層開挖后又出現(xiàn)新的變化增長。實測右岸主廠房拱頂多點(diǎn)位移計孔口圍巖累積變形-0.68mm～13.01mm；拱座多點(diǎn)位移計孔口圍巖累積變形-0.49mm～66.18mm；高邊墻多點(diǎn)位移計孔口圍巖累積變形0.18mm～65.29mm；主廠房圍巖最大變形位于10#機(jī)下游拱座皺巖層核部，其余各部位變形量在12.3mm～28.3mm，目前均已收斂，屬受控狀態(tài)。

5 結(jié)語

烏東德水電站右岸主廠房開挖工程施工過程中，針對揭露巖溶、陡傾小夾角層面、層間碳質(zhì)薄膜區(qū)、鈣質(zhì)薄膜區(qū)、剪切面光滑、薄層～極薄層巖體，創(chuàng)新采用溶蝕裂隙帶加固處理，碳質(zhì)薄膜區(qū)超前錨固、扶壁墻支撐，按照薄層開挖隨層支護(hù)原則采取精細(xì)化的爆破控制，交叉洞口采取先洞后墻，預(yù)留隔墩跳洞開挖，安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，有效控制陡傾小夾角復(fù)雜地質(zhì)情況下圍巖變形，保證了地下廠房開挖成型與穩(wěn)定，使今后地下廠房的開挖方案選擇有了更大的余地。