“先锚后挖”施工工艺在高地应力坝基开挖中的研究和应用

2013-09-05殷本林乔介平

水电站设计 2013年1期

殷本林，乔介平，张宇

(1.中国水利水电第七工程局有限公司第二分局，四川成都 611730;2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都 610051)

1 前言

随着国家西部大开发，水电工程向高海拔和高峡谷地区转移，而高陡窄深的河谷高差极大，在峡谷底部形成天然的高地应力区。在坝基开挖过程将致使边坡体型变化，岩体应力重分布，卸荷调整和损伤破坏等，且建基面在开挖后长期暴露，在应力释放及重力卸荷等综合因素作用下，易发生卸荷回弹、松弛破坏，使岩体不能满足拱坝建基面的要求。我国已建的拉西瓦水电站、二滩水电站、小湾水电站等高拱坝在建基面开挖时均存在由于高地应力岩体卸荷造成建基面回弹松动和剪切错动，甚至出现岩爆现象，造成建基面不得不大面积二次开挖、固结灌浆及重复锚筋施工，致使施工工期延后和施工成本大量增加。通过创新提出“先锚后挖”施工工艺，并在锦屏一级水电站左岸高地应力、复杂地质环境下高陡边坡坝基开挖中进行研究和试验，已成功运用于工程施工，取得了良好的效果。

2 工程概况

锦屏一级水电站拱坝坝高305m，为世界第一高拱坝，坝址区为典型的深切河谷，左岸坝肩自然边坡坡高超过1 000m，开挖后坝肩从2 120m高程至1 580m高程，形成540m的高边坡，开挖量达550万m3。左岸开挖边坡主要为大理岩，断层、裂缝发育，地质条件复杂，是目前水电工程开挖高度最高、开挖规模最大、稳定条件最差的边坡工程之一(见图1)。

经探测，左岸坝基部位饼状岩芯现象严重，地应力普遍达到30MPa以上，接近坝基底部1 630m高程以下应力均达到40～60MPa(见图2)。高地应力开挖施工成为大坝左岸坝基开挖的巨大难题。

3 “先锚后挖”施工工艺研究

3.1 施工工艺

针对锦屏一级水电站大坝左岸存在的高地应力坝基开挖，以及已建工程施工中采取的“先挖后锚”施工工艺的不足，创新提出采用“先锚后挖”的施工工艺进行坝基开挖施工。

“先锚后挖”施工工艺为在高地应力坝基保护层开挖前采用施工预裂等方式预留适当厚度的保护层，在保护层外侧对建基面岩体采用埋入式锚杆或者锚筋束进行预支护，并预埋监测仪器监控保护层开挖后围岩变形情况及锚杆受力情况。在埋入式锚杆或者锚筋束达到设计强度要求并与建基面岩体形成牢固整体后进行保护层的开挖。在开挖后预先施工的埋入式锚杆和锚筋束与岩体一同参与应力重分布，控制强烈的卸荷作用，起到加固建基面浅层部位岩体、保持岩体完整性的作用。

图1 锦屏一级水电站左岸边坡开挖设计

图2 左岸边坡岩体最大主应力沿高程方向变化曲线

针对锦屏一级水电站大坝左岸高地应力坝基开挖工程的施工特点，对于地应力大于40MPa的1 630m高程以下区域初步拟定的“先锚后挖”施工参数为:台阶开挖高程10m，建基面外预留保护层厚度3m，采用9m长、2φ32mm螺纹钢锚筋束进行预先锚固，到达设计强度后完成保护层开挖。

3.2 数值模拟和理论分析

为预估和判断“先锚后挖”施工工艺在左岸坝基开挖施工中所起到的作用，在初步拟定施工参数后，对“先锚后挖”施工工艺开挖与传统“先挖后锚”施工方式对高地应力岩体开挖产生的效果进行计算机数值模拟分析。数值模拟分析的岩体为1 630m高程以下典型的第二段第3、4、5层厚～巨厚层状大理岩、角砾状大理岩，岩体微新、完整，嵌合紧密，地应力在40MPa以上，受开挖应力释放调整过程的影响，在此部位将发生卸荷回弹，并可引起松弛破坏。根据施工进度:(1)坝基1 630m高程以下高地应力岩体开挖;(2)然后进行建基面清理;(3)进行坝基底部坝段6.25m混凝土浇筑;(4)进行坝基底部相邻坝段6.25m混凝土浇筑。按照时间安排，得出了不同方案开挖条件下典型点变形随时间的变化曲线(见图3)。

由分析结果可见，在采取“先挖后锚”开挖时，左岸坝基1 630m高程以下高地应力岩体在开挖后的应力释放调整过程中将发生约13cm的卸荷回弹量，引起坝基岩体松弛破坏;但若采取“先锚后挖”开挖方案，卸荷回弹量将减少60%以上。数值模拟分析结果表明，在左岸坝基1 630m高程以下高地应力岩体开挖过程中应采用“先锚后挖”方案，对开挖强烈卸荷作用的控制效应明显。

3.3 施工工艺开挖对比试验

3.3.1 对比试验布置方式

为进一步验证“先锚后挖”施工工艺在高地应力坝基开挖施工中产生的控制效果和“先锚后挖”施工参数，在大坝左岸坝基选择1 620～1 615m高程作为施工试验区域进行开挖工艺对比试验。

图3 不同开挖方式的典型点位移变化曲线

大坝左岸坝基1620～1615m高程为典型的第二段第3、4、5层厚～巨厚层状大理岩、角砾状大理岩，岩体微新、完整，嵌合紧密，地应力在40MPa以上岩体，具有明显的完整高地应力岩体特征。坝基上游侧18.9m为“先锚后挖”施工工艺试验区域，下游18.9m为“先挖后锚”施工工艺试验区域，中间间隔18.9m作为试验分隔区域。为了检验两种开挖方案对建基面的损伤程度，分别对两次试验进行了松弛监测，松弛监测采用在爆前爆后进行物探测试和安装2套两点位移计。为监测坝基回弹松弛应力变化情况，布置了2套三点式锚杆应力计。对比试验平面布置见图4。

图4 施工工艺开挖对比试验平面布置

3.3.2 试验监测结论

3.3.2.1 物探监测结果

通过对“先挖后锚”及“先锚后挖”施工工艺对比试验区域的声波检测孔、爆破检测孔爆前和爆后测试、对穿声波测试的物探测试成果及岩体声波速度测试统计结果进行分析，得出如下结论:各爆破检测孔爆后比爆前岩体平均单孔波速均有降低，且爆后波速降低段主要反映在爆后孔口段，其中，爆后检测孔0～1.4m孔口段岩体声波波速降低较大，爆前孔口段岩体声波平均波速变化范围为5 200～5 900m/s之间，而爆后孔口段岩体声波平均波速主要集中在4 400～5 100m/s之间，为爆破松弛卸荷等综合影响所致。“先锚后挖”试验区爆破松弛卸荷深度0.6m，“先挖后锚”试验区爆破松弛卸荷深度1.4m。

3.3.2.2 锚杆应力计监测结果

通过对爆破开挖后对比试验区域安装的2组锚杆应力计的对比分析得出如下结论:锚杆应力在爆破开挖后均有增加，应力增加主要深度在距离孔口5m位置，“先锚后挖”施工区的锚杆应力计最大应力达到214MPa，“先挖后锚”施工区锚杆应力计最大应力达到115MPa(见图5)。

3.3.2.3 浅层变形监测结果

图5 “先挖后锚”和“先锚后挖”实验区锚杆应力对比

通过对爆破开挖后对比试验区域安装的2组两点式多点位移计的对比分析得出如下结论:坝基边坡浅层变形主要集中在孔口到1号锚点(10m深以内)。M1(“先挖后锚”区)变化比较明显，在孔口到10m深锚点半月内累计分段位移增加5.89mm。M2点(“先锚后挖”区)变化较小，为1.71mm。位移变化仍然表现在10m深以内(见表1)。

3.3.3 试验总结

通过在1 620～1 615m高程典型高地应力区域进行的“先锚后挖”及“先挖后锚”分区爆破试验表明，施工方法、流程及爆破震动监测等各项指标符合设计要求，孔口区域出现卸荷松弛，但符合声波衰减率均小于10%的要求;“先锚后挖”试验区卸荷深度远小于“先挖后锚”试验区。“先锚后挖”试验区预锚锚筋在开挖后应力增大值远大于“先挖后锚”试验区后期施工的锚筋，“先锚后挖”试验区浅层变形位移仅为“先挖后锚”试验区的29%。通过以上数据可以得出:“先锚后挖”在高地应力开挖中能通过预锚锚筋与建基面岩体的联合作用，参与开挖后地应力重分布，使岩体卸荷作用极大消减，浅层岩体变形位移大大减小，显著改善了高地应力对坝基岩体的破坏。

表1 两点式位移计位移变化情况

4 “先锚后挖”施工工艺在锦屏一级中的应用

通过对“先锚后挖”施工工艺进行的计算机数值模拟分析和爆破开挖试验表明，“先锚后挖”施工工艺在高地应力坝基开挖施工过程中比传统“先挖后锚”施工工艺效果优良，因此在锦屏一级水电站大坝左岸坝基开挖中1 630m以下高程采用了“先锚后挖”施工工艺。

4.1 “先锚后挖”施工具体流程

4.1.1 坝基边坡预留保护层外侧的预裂和开挖

在坝基高地应力建基面开挖前，在边坡预留3m厚度的保护层。保护层采用施工预裂预留，施工预裂孔径为 φ90mm，孔距0.8m，线装药密度0.5～1.0kg/m，堵塞长度1.5m，采用 TAMROCK7002液压钻造孔，钻孔方向与建基面平行。施工预裂与外侧岩体梯段爆破一同进行。

4.1.2 坝基保护层预锚

施工预裂完成后，对坝基保护层进行预锚施工(见图6)。预锚施工主要预锚参数有:φ32预锚锚杆，L=9m，梅花形布置，间、排距2m×2m。预锚锚固孔采用TAMROCK7002液压钻或XZ－30潜孔钻施工，钻孔深度为锚杆长度+保护层厚度，钻孔总长度12m。钻孔完成后进行下锚施工，锚杆伸入锚杆孔最底部，保证保护层开挖完成后锚杆与建基面齐平。预锚孔采用全孔灌浆。待锚杆达到设计要求的强度后，再进行保护层的开挖。

4.1.3 坝基保护层监测布置

在每层保护层开挖前埋设三点式锚杆应力计，垂直位置布置在坝基开挖分层的中部，水平位置按照开挖区域宽度布设。三点式锚杆应力计钻孔深度12m，孔向垂直边坡，孔径φ110mm，锚杆应力计长度9m，直径 φ28mm，测点埋深分别为距建基面2.5m、5m、7m，采用全孔段灌浆。两点式位移计在保护层开挖爆破前进行钻孔施工，孔口部位预埋保护管，用棉纱堵塞，爆破后再安装位移计。

图6 预锚施工示意

爆破前需进行单孔声波检测、对穿声波检测和钻孔电视，掌握岩体声波传递速率等基本参数，为爆破开挖前后岩体卸荷变形情况提供原始数据。

爆破施工前，将爆破震动监测仪器安装在爆破施工区域以外及注意需保护的岩体和混凝土周边，以判断爆破过程中的微差延时起爆效果和对保留岩体的震动破坏。

4.1.4 坝基保护层开挖

预锚达到设计强度、监测仪器布置完成后进行坝基保护层开挖施工。爆破孔和缓冲孔造孔均采用TAMROCK7002液压钻进行，钻孔角度与保护层边坡预裂孔角度一致。缓冲孔间、排距1.5m×1.0m，爆破孔间排距2.0m×1.5m，单耗控制在0.30～0.35kg/m3，预裂孔采用 XZ－30钻进行，孔径φ90mm，预裂孔间距0.6m，线装药量控制在200～250g/m;分段雷管为 MS2，缓冲孔孔内雷管为MS13，整体网路采用下游侧起爆。开挖爆破完成后采用人工或液压冲击锤配合反铲将石渣挖除，开挖过程中注意对预埋监测仪器电缆的保护。

4.1.5 坝基开挖评价及缺陷处理

开挖爆破出渣完成后，即清理边坡，标记原来三点式锚杆应力计、单孔监测声波孔、对穿声波孔位置和编号，清理爆破施工前两点式位移计钻孔，立即进行两点式位移计的安装。两点式位移计和三点式锚杆应力计监测频率为前15天1次/d，后续15天1次/2d，一个月后每周观测1次，根据时间的推移形成数据统计并进行分析。进行爆后单孔声波监测、对穿声波监测及钻孔电视观测，取得爆破后不同深度岩体的声波传爆速率和裂隙发育情况，并与开挖爆破前的岩体参数进行对比，了解爆破开挖后高地应力岩体的应力释放、卸荷松弛和回弹变形情况。

4.2 “先锚后挖”施工效果

通过在锦屏一级水电站大坝左岸高地应力坝基开挖中创新地应用“先锚后挖”施工工艺，顺利地完成了大坝坝基开挖的施工任务，开挖完成的1 630m以下坝基岩体经物探探测声波衰减率约为4%，远低于技术要求中10%规定。开挖完成的坝基半孔率、平整度优良，未出现由于卸荷松弛和回弹变形造成的“葱皮”、板裂，甚至岩爆现象，避免了二次开挖、固结灌浆和重复锚筋施工，大大节省了施工工期和施工成本，获得业主、监理一致好评。坝基1 700～1 600m高程开挖获得“A级样板工程”殊荣。