高地应力砂板岩区岩锚梁精细化开挖技术研究

王 媛， 张东明， 李宏璧， 王晋明

(1.成都大学 建筑与土木工程学院， 四川 成都 610106；2.雅砻江流域水电开发有限公司， 四川 成都 610051)

高地应力砂板岩区岩锚梁精细化开挖技术研究

王 媛1， 张东明2， 李宏璧2， 王晋明2

(1.成都大学 建筑与土木工程学院， 四川 成都 610106；2.雅砻江流域水电开发有限公司， 四川 成都 610051)

两河口水电站地下厂房处于高地应力砂板岩区，厂区第一主应力与厂房轴线大角度相交，应力集中释放破坏岩体问题突出，且存在优势裂隙发育不利于块体稳定等地质问题，导致厂房岩锚梁开挖施工难度大、成型质量难控制.开挖中严格遵循“薄层开挖、随层支护”原则，通过1∶1精细化爆破实验优选爆破参数并严控爆破钻孔质量；严格遵循“先固后挖”原则，根据地下厂房洞室群围岩稳定速监测与反馈分析成果进行支护参数动态调整、采取预加固措施等严格控制围岩变形，确保了岩锚梁开挖优质成型.岩锚梁精细开挖技术在砂板岩地区的施工控制措施全过程的详细介绍为同类工程提供了参考.

高地应力；砂板岩；岩锚梁；爆破实验；反馈分析；精细化

0 引 言

岩锚梁是利用注浆锚杆和岩壁之间的阻力将应力传至岩体的结构构件，其优势在于可以不设立柱，并充分应用围岩的承载能力，采用该构件可以减少围岩开挖量，有效缩短工期，降低工程造价[1-2].目前，大型水利枢纽工程越来越多地将岩锚梁应用于地下厂房的建设中，其施工技术是集光面爆破、锚固技术、混凝土技术、应力应变和位移量监测技术为一体的综合性技术，施工技术要求高、难度大[3-5].本研究结合两河口水电站地下厂房岩锚梁开挖实例，从地质条件、施工过程和监测资料等多个角度分析了岩锚梁精细化开挖技术的施工要点.

1 工程概况与地质条件

1.1 工程概况

两河口水电站是雅砻江中下游的控制性工程，电站装机容量3 000 MW，年平均发电量约为110亿kW·h，工程为一等大(I)型工程.水电站右岸地下厂房系统由主厂房、主变室、尾水调压室等建筑物组成，主厂房长275.94 m，高63.9 m，最大跨度28.4 m，纵轴方向为N3 ° E，安装6台机组.

1.2 地质条件

两河口水电站地下厂房布置在右岸山体内，水平埋深350～700 m，垂直埋深400～450 m，最大主应力范围值为21.57～30.44 MPa，属高应力区.

水电站地下厂房区岩性为砂板岩，岩性较单一，无规模较大的断层、构造带和软弱岩带分布，小断层主要发育多条III级结构面，断层破碎带宽度不大；断层充填物以片状岩为主，碳化、糜棱化强烈.厂房轴线NNE向短小裂隙与边墙夹角均较小，存在边墙随机块体局部稳定问题，对吊车梁平台成型影响较大.同时，断层、挤压带内物质性状较软，宽度变化较大，易在上下游边墙产生掉块，施工期围岩稳定问题比较突出.

2 岩锚梁精细化开挖施工技术

2.1 专项施工措施

2.1.1 薄层开挖、随层支护.

在水电站工程施工中，主厂房分为9大层，14小层，自上而下逐层分区开挖支护.厂房顶拱层开挖采用中部先行，上、下游侧错距扩挖支护跟进的方式，错距距离不小于该主体洞室跨度的1.2～1.5倍；顶拱层以下开挖遵循“薄层开挖、随层支护”的施工原则.详细施工开挖布置如图1所示.

2.1.2 开挖及保护措施.

厂房岩锚梁位于厂房3层开挖区，分中槽(上、下层)、上下游保护层(各2层)和岩锚梁岩台岩体3个区域进行开挖.同时，根据开挖1：1模拟实验结果制订了岩锚梁台体开挖支护施工专项措施：

图1主、副厂房开挖分层示意图

1)造孔控制.中槽水平光面爆孔深6.0 m，保护层垂直孔深第一层4.0 m、第二层5.0 m，岩台上拐点垂直孔孔深2.78 m，斜面孔孔深2.61 m；每个孔均进行测量放线，并做到“三点一线”，光爆孔钻孔实行“三定”制度，即定人、定机、定孔位施钻.岩台双向光爆孔钻孔时设置样架，孔位偏差为±20 mm，钻孔角度偏斜±3°，垂直钻孔深度超深5 cm，钻孔深度及角度用测量仪器严格控制.岩台双向光爆孔间距30～35 cm.

2)开挖控制.在进行第III层开挖前，完成上部全部锚喷支护(含锚索)，尽可能控制上部水平向变形的发生，减少围岩松弛变形.总体开挖采取两侧预留保护层、先中槽浅层水平光爆，再保护层浅层水平光爆开挖，最后精细双向岩台开挖.中槽主开挖区宽17.4 m，高9.0 m，分为2个薄层开挖，第一层(III1-1区)层高4.0 m，第二层(III2-1)层高5.0 m，采用手风钻水平光爆开挖.两侧岩台预留保护层为4.0 m厚，层高9.0 m，仍分2个薄层开挖，第一层(III1-2区)层高4.0 m，第二层(III2-2区)层高5.0 m，采用手风钻垂直光爆开挖.岩台开挖采用岩台上直墙面垂直孔及沿岩台斜面斜孔造孔小药量双向光面爆破开挖，爆破参数根据现场实验结果分段选择.岩台预留保护层开挖前，岩台面以上垂直成型面造孔先完成并加以保护，同时完成II层喷锚支护与锚索施工.保护层第一层(III1-2区)光面爆破开挖完成后，根据实际揭露地质情况，在不利岩层或岩石破碎地段，在上拐点垂直边墙面及岩台斜面分别设2排Φ25@1.0 m，L=4.5 m玻璃纤维锚杆，局部进行预灌浆处理，以尽量保持应力水平，提高岩体完整性.开挖完成后，及时进行锁口锚杆、钢筋锁口压条与网喷支护.

2.2 精细化爆破设计

2.2.1 爆破实验设计.

根据厂房地质条件及岩性、技术规范要求、开挖方法及以往施工经验，厂房III层边墙设计轮廓线采用预裂爆破，岩台竖直面及斜面采用光面爆破，严格控制最大起爆药量.爆破实验安排在主厂房第III层(厂纵0+060～0+080段)距下游边墙5.5 m处保护层范围内进行，分4个区域采用不同的爆破参数按规范和设计要求对爆破参数进行实验，共布置50个光爆孔.

为有效控制岩体应力释放及爆破对岩台的破坏，在爆破之前增加预加固措施：岩台竖向和斜面各增加2排Φ25@1.0 m(间)×1.5 m(排)，L=4.5 m玻璃纤维锚杆.在下拐点下方增加1排C25锁口锚杆，在垫板上采用2C25纵向钢筋进行焊接，使锁口锚杆连接成整体，形成锁口压条.

2.2.2 爆破振动监测.

爆破实验过程中，对实验段爆破进行实时振动监测，单孔最大装药量0.25 kg，单响最大药量17.225 kg.监测所得最大振动速度为6.2127 cm/s.3个方向振动速度均在7.0 cm/s以内，满足《爆破安全规程GB6722-2003》振动安全标准，具体数据如表1所示.

表1 监测点振动速度检测

2.2.3 爆破参数及效果评价.

光面爆破实验共造孔55个，从造孔质量检测及开挖后揭露的造孔情况看，均满足平、直、齐的设计要求.爆破实验共选取了3组装药参数，分别为55 g/m(I区)、71 g/m(II区、III区)、83 g/m(IV区).从各个分区爆破效果(见图2)看，爆破后整个斜向成型效果较好，大面较平整，4个区域残留半孔率分别为95%、88%、88%、91%，其中II区和III区岩体完整性较差残孔率较低，各区域残孔率均能满足设计技术要求，具体情况为：

1)竖向光面效果差于斜向光面效果，经综合分析认为，竖向光爆孔有多条水平向裂隙穿过整个光爆岩体，且实验岩台上部为临空面，没有高边墙的约束；另有III-1层开挖爆破对该部位岩体有扰动，该部位岩层有错台或位移，导致预先完成的钻孔塌孔，无法装药，只能采用导爆索爆破，由于导爆索爆速(6 000～7 000 m/s)与普通炸药爆速(2 000～4 000 m/s)有差异，造成竖向面爆破效果不理想.

图2爆破实验后效果图

2)岩台斜面孔与竖向孔结合部位岩体无欠挖，孔壁无明显爆破损伤裂隙，表面斜面孔底部采用1节Φ25 mm(2#岩石乳化炸药)药卷结构较合理.从实验结果看，玻璃纤维锚杆及钢筋束压条等预加固措施有效可行，能有效控制岩体应力带来的不利影响，爆破后效果较好，斜面与下拐点交线较完整，没有被破坏.

3)Ⅰ区爆破效果较好，开挖规格、残孔率等满足设计和规范要求，该段孔间距30 cm，爆破孔线密度55 g/m(导爆索未计入)，光爆孔20个，残孔19个，残孔率95%，不平整度最大值5.7 cm，最小值2.7 cm.后续岩锚梁开挖爆破参数可参照该段执行，并根据不同的岩性和节理裂隙发育程度局部微调.

4)竖向孔采用导爆索装药，开挖效果不理想，不具有参考价值.根据厂区地应力高、岩体松弛和节理裂隙张开较快这一特性，实际开挖过程中应及时支护，并及时完成既定的预加固和保护措施.

2.2.4 爆破参数选定.

从爆破后效果分析，I、IV区装药量可以满足要求，可在I区线密度上增加5 g/m；IV区孔跨35 cm，药卷间距20 cm,线密度83 g/m，可在其基础上减少5 g/m进行优化调整.孔间距为30 cm时，装药线密度控制在60 g较为合适，孔间距为35 cm时，装药线密度控制在78 g较为合适.实验中，I、IV区以超挖为主，平均超挖3.22～5.61 cm，II、III区平均超挖6.96～11.44 cm，超挖值满足设计技术要求，各区不存在欠挖情况.在线密度基本保持不变的情况下，可将孔内装药间距由底部至孔口进行调整，并将孔口段药卷间距适当调大.

2.3 实施方案与效果

2.3.1 快速监测与反馈分析.

考虑到该工程的节理、裂隙等不良地质条件的出露具有一定的随机性，为确保水电站地下厂房洞室群施工期的安全稳定及洞室开挖成型质量，有必要根据施工期安全监测及开挖施工揭示的实际地质条件对厂房支护参数进行动态优化调整.水电站地下厂房洞室群施工期快速监测与反馈分析评价体系流程图如图3所示.

图3两河口水电站地下厂房洞室群施工期快速监测与反馈分析评价体系流程图

2.3.2 施工措施.

在水电站地下厂房洞室群围岩稳定及支护设计反馈分析研究第III期报告中，对厂房岩锚梁开挖施工期围岩稳定进行了三维仿真分析，研究表明：

1)地下厂房洞室群区域，以岩锚梁高程为例，水平向地应力约为垂直向地应力的1.4～1.8倍，是以构造应力为主的构造应力与自重应力复合地应力场.以该部位的最大主应力水平估算，岩石强度应力比大于3，属于高地应力区.

2)开挖过程中，厂房上游拱脚和下游边墙下部是应力集中区，应力集中系数约为1.3～1.4；厂房上游边墙下部、下游拱脚和下游边墙上部属强卸荷区，也是洞壁位移最为显著的区域，会导致下游侧岩锚梁岩台开挖成型困难，建议进行预加固处理.

同时，根据岩锚梁1∶1开挖模拟实验，下游侧Ⅲ1-1层预留保护层段也难以形成光爆面.据此，项目业主会商主体设计院对原有支护方案进行了针对性补充，具体如下：

1)对于陡倾角结构面及不利结构面段，在下拐点以下20 cm、垂直岩台斜面增设1排C32@1.0 m、L=4.5 m(孔深6.4 m、孔径Φ76 mm)的斜向沉头锚杆，按先插杆后灌浆工艺施工.利用沉头锚杆试灌浆，对岩石破碎、节理发育部住提前喷10 cm厚C25混凝土封闭，并利用锚杆孔预灌浆.

2)对于陡倾角结构面及不利结构面段，在上拐点垂直面与岩台斜面各增打2排Φ25@1.0 m、L=4.5 m玻璃纤维锚杆，对破碎岩面喷C25混凝土10 cm封闭，并利用锚杆孔预灌浆.

3)将原设计所有下拐点30 cm的C25@1.0 m，L=4.5 m锁口锚杆改为120 KN级预应力锚杆，将所有锁口锚杆下一排C32@1.5 m，L=6.0 m/9.0 m系统锚杆调整间距1.0 m的50 KN级预应力锚杆，使之也起到锁口锚杆作用.

4)对于提前喷10 cm厚C25混凝土封闭地段，在下拐点第一排锁口锚杆增设2C25纵向钢筋锁口压条，在岩台开挖前喷5 cm钢纤维混凝土.

2.3.3 开挖质量.

通过认真落实岩锚梁精细化施工技术方案，两河口水电站地下厂房岩锚梁较计划提前20 d开挖完成且开挖成型效果良好，其岩锚梁整体上上直立面、斜面和下直立面3面平整、棱角分明，具体开挖质量监测数据如表2所示.

表2 岩锚梁开挖质量检测统计

测量数据显示，岩锚梁岩台角度偏差±0.5°、岩台斜面不平整度1.5～9.5 cm，半孔率96.3%，平均超挖7.26 cm，完全符合工程技术质量要求.

3 结 语

岩锚梁开挖施工是水电站地下厂房施工的重点和难点，但受厂房高地应力及节理裂隙发育等不良地质条件及砂板岩各向异性影响[5]，两河口水电站地下厂房岩锚梁与国内其他工程相比成型更加困难，因此必须采用精细化施工技术.结合本工程特点和其他工程经验，本工程在岩锚梁施工中采用的精细化施工控制技术主要包括：开挖中严格遵循“薄层开挖、随层支护”原则，针对岩锚梁开挖施工制定了专项开挖及保护措施，严格执行“定人、定机、定孔位施钻”的“三定”制度，确保了光爆孔钻孔质量；通过1∶1精细化爆破实验优选爆破参数，爆破开挖效果稳步提升；工程施工严格遵循“先固后挖”原则，并根据地下厂房洞室群围岩稳定速监测与反馈分析结果进行支护参数动态调整，采取预加固措施严格控制围岩变形，确保了岩锚梁开挖质量.

[1]陈雷,梁娇.高应力区大跨度地下厂房岩锚梁开挖施工[J].东北水利水电,2009，27(7):10-13.

[2]傅萌.糯扎渡水电站地下厂房岩锚梁开挖质量控制[J].人民长江,2012,43(1):33-35.

[3]李东东,肖明,陈俊涛,等.地下厂房岩锚梁岩台爆破开挖精细化控制[J].华中科技大学学报(自然科学版),2016，44(5)：81-86.

[4]彭少引.水电站地下厂房岩锚梁开挖施工技术应用[J].水利技术监督,2016，24(6)：96-98.

[5]赵勇进.两河口水电站砂、板岩各向异性研究[J].四川水力发电,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 “layer 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， 硕士， 讲师， 从事土木工程设计与管理研究.