双江口水电站地下厂房岩锚梁高地应力处理与施工

李培丰 刘宁博 郑铠浩

(中国水利水电建设工程咨询北京有限公司，北京 100024)

1 工程概况

双江口水电站是大渡河流域水电规划“3库22级”开发方案的第5个梯级，为大渡河干流上游控制性水库电站工程，工程开发任务以发电为主。水库正常蓄水位2500m，总库容28.97亿m3，调节库容19.17亿m3，具有年调节能力。电站装机总容量2000MW，多年平均发电量77.07亿kW·h。

地下厂房布置于左坝肩坝轴线上游，厂房纵轴线方向为N10°W，主厂房最小水平埋深约400m，垂直埋深约320～500m。主机间、副厂房和安装间呈“一”字形布置，安装间和副厂房分别布置在主机间的两端。主机间开挖断面尺寸为：顶拱跨度28.30m，岩锚吊车梁以下跨度25.30m，最大开挖高度68.32m，长度135.06m；安装间跨度与主机间相同，最大高度29.22m，长度54.02m；副厂房开挖断面尺寸为：跨度25.30m，最大高度42.72m，长度30.40m；厂房总长度为219.48m。

根据设计总体规划引水发电系统地下洞室群中主厂房竖向布置自上而下共分为9层，岩锚梁位于厂房3层，分层高程为2269.02～2261.42m，分层高度为7.6m。岩锚梁布置在主机间及安装间，上、下游侧(厂横)0+120.26～(厂横)0-68.82处，单侧长度为189.08m，总长378.16m，岩锚梁上拐点高程为2267.40m，下拐点高程为2265.30m，根据主副厂房中部开挖支护图，2267.4～2265.3m为岩锚梁开挖范围，总高度为2.1m。岩锚梁斜面长2.58m，与主厂房边墙成35.54°夹角。

2 厂房高地应力现状

双江口水电站厂房施工时，在进行厂房第1、2层开挖过程中，频繁出现片帮、层状剥落、掉块等地应力较高、岩爆突发情况。目前，实测地应力量值高达37.8MPa，主要集中在上游侧的拱肩及下游侧的拱脚，属于高地应力地区，为国内最高地应力在建水电站。

3 工艺试验

主副厂房岩锚梁层开挖高度为7.6m，分两小层(3.8m)开挖(见图1)。

图1 厂房Ⅲ层开挖分区(尺寸单位：cm)

3.1 保护层开挖试验

3.1.1 上游侧保护层开挖试验

第一次开挖试验在上游侧(厂横)0+10～(厂横)0+20段进行，高程2269.02～2266.42m，保护层光爆孔孔距为40cm，手风钻垂直造孔，单孔装药350g，线装药密度185g/m，孔数26个(见图2、图3)。爆后效果检查：爆破后每个孔位均留有半孔，但半孔成型仅为炮孔长度的1/3，分段装药处半孔破坏较严重；孔间岩面平顺光滑，平整度好；部分半孔孔壁内有爆破裂隙；爆破后三天光爆面存在明显的片帮现象。

图2 保护层开挖爆破布孔及联网(单位：cm)

图3 保护层光爆孔典型装药结构

第二次开挖试验在上游侧(厂横)0+20～(厂横)0+30段进行，高程为2269.02～2266.42m，保护层光爆孔孔距为40cm，手风钻垂直造孔，单孔装药300g，线装药密度165g/m，孔数26个。第三次开挖试验在上游侧(厂横)0+30～(厂横)0+40段预留保护层上进行，高程为2269.02～2266.42m，保护层光爆孔孔距为40cm，手风钻垂直造孔，单孔装药300g，线装药密度165g/m，孔数26个(见图4)。爆后效果检查：爆破后每个孔位均留有半孔，半孔成型较好；半孔内孔壁没有明显的爆破裂隙，且分段装药处没有明显的爆破裂隙、半孔没有明显破坏，爆点清晰可见；孔底部位出现一条横向裂缝，影响整体成型效果。

图4 优化后光爆孔典型装药结构

第四次开挖试验在上游侧(厂横)0+10～(厂横)0+30段预留保护层上进行，高程2269.02～2263.92m，保护层光爆孔孔距40cm，手风钻垂直造孔，单孔装药300g，线装药密度165g/m，孔数60个，爆破参数同第二、三次保护层开挖试验。爆后效果检查：每个孔位均留有半孔，半孔率达到100%；孔间岩面平顺光滑，平整度好；半孔孔壁内无爆破裂隙；残孔显示，孔间距满足设计要求，无飘钻现象。

3.1.2 下游侧保护层开挖试验

第五次开挖试验在下游侧(厂横)0+10～(厂横)0+20段预留保护层上进行，高程2269.02～2263.92m，保护层光爆孔孔距为40cm，手风钻垂直造孔，单孔装药300g，线装药密度129.8g/m，孔数26个(见图5)。

图5 下游侧保护层光爆孔典型装药结构

爆后效果检查：爆破后每个孔位留有半孔，半孔率较差；受保护层层状结构影响，下游侧保护层光面爆破整体成型较差。

在开挖过程中厂房出现局部应力集中，最大应力超过岩体的强度，局部能够产生受压破坏。

3.2 岩台开挖试验

3.2.1 上游侧岩台开挖试验

第一次开挖试验在(厂横)0+10～(厂横)0+30段进行，垂直光爆孔单孔装药162.5g，线装药密度99.1g/m；斜面光爆孔单孔装药312.5g，线装药密度120g/m(见图6～图8)。共60个孔，最大单响药量为27.75kg。下游侧验证试验因所选部位保护层呈层状结构(图9)，且该部位层状结构上部出现明显裂缝，存在向下滑移的现象，为保证施工安全及试验效果故取消下游侧验证试验。

图6 岩台开挖爆破布孔联网(35cm孔距)(单位：cm)

图7 垂直光爆孔典型装药结构(上游侧)(单位：cm)

图8 斜面光爆孔典型装药结构(上游侧)(单位：cm)

图9 三层中部拉槽后下游侧层状结构

爆后效果检查：.爆破后检查，爆点清晰，半孔率达95%以上，孔壁无爆破裂隙；在(厂横)0+23～(厂横)0+30段进行平整度检测，共选取37个测点，最大值为9.2cm，最小值为1.4cm，平均值为4.81cm；斜壁面4个断面：(厂横)0+13、(厂横)0+20、(厂横)0+24、(厂横)0+29超欠挖显示没有欠挖存在，上拐点位置处超挖最大值为9cm，超挖最小值为2.6cm；对岩台斜壁面成型角度进行测量，角度大致为36°，设计岩台斜面角度为35.54°，可满足设计要求；保护层试验开挖后岩台开挖前即揭露存在一条横向裂隙。(厂横)0+30～(厂横)0+20段岩台开挖揭示在岩锚梁上拐点(高程2267.4m)附近存在水平裂隙，水平裂隙高程约为2267.1m，此裂隙影响了上拐点的开挖成型；(厂横)0+20～(厂横)0+10段开挖前自身较破碎，开挖后斜面光爆孔出现塌孔，影响装药，该段开挖成型较差；下拐点成型较好，无破坏现象发生(见图10)。

图10 岩台开挖试验爆破效果

3.2.2 下游侧岩台开挖试验

第一次开挖试验：本次开挖桩号为(厂横)0-40～(厂横)0-30，垂直光爆孔单孔装药144g，线装药密度86.7g/m；斜面光爆孔单孔装药312.5g，线装药密度114.5g/m(见图11～图13)。共34个孔，最大单响药量为13.2kg。

图11 下游侧第一次试验岩台开挖爆破布孔联网(30cm孔距)(单位：cm)

图12 第一次试验垂直光爆孔典型装药结构(下游侧)(单位：cm)

图13 第一次试验斜面光爆孔典型装药结构(下游侧)(单位：cm)

爆后效果检查：爆破后检查，岩台斜面爆后保存基本完整；受中部拉槽影响，高地应力导致保护层产生新生裂隙，呈扇形破坏，下游侧保护层破碎，按照设计要求进行了预锚固措施施工，起到了一定的效果，保证了岩台的成型；爆破后半孔率较低，个别孔位存在爆破裂隙；对岩台斜面2个断面：(厂横)0-31、(厂横)0-35进行测量验收显示，斜面无欠挖情况，超挖最大值出现在上拐点位置处，最大值为16cm；在下游侧桩号(厂横)0-30处设置围岩松动圈检测孔，检测爆破前后的围岩松动圈变化，检测数据符合规定。

第二次开挖试验：本次开挖桩号为(厂横)0+004～(厂横)0-020，垂直光爆孔单孔装药106g，线装药密度126g/m；斜面光爆孔单孔装药375g，线装药密度137g/m(见图14～图15)。共60个孔，最大单响药量为22.5kg。

爆后效果检查：爆破后检查，爆点清晰，半孔率达95%以上，孔壁无爆破裂隙；下拐点成型较好，无破坏现象发生；因保护层开挖爆破使得岩台④区剩余薄薄一层，在岩台④区斜面孔钻孔时将角度向下倾斜，使得岩台④区开挖后有明显的炮孔槽，形成了一定的超挖；斜壁面5个断面：(厂横)0+00、(厂横)0-05、(厂横)0-10、(厂横)0-15、(厂横)0-20超欠挖显示没有欠挖存在，上拐点位置处超挖最大值为18cm，超挖最小值为2cm。

4 开挖施工

4.1 C层开挖

厂房C层开挖遵循“预支护、短进尺、弱爆破，及时支护、早封闭、勤量测”的施工原则，以确保洞室的稳定。中部拉槽采用液压钻钻孔，单次梯段开挖长度为6.9m，孔径76mm，垂直孔，间排距为200cm×180cm，采用φ70乳化炸药，炸药单耗为0.61kg/m3。

保护层开挖采取人工使用手风钻钻孔，上游侧保护层开挖光爆孔线装药密度165g/m，单次开挖爆破长度30m(为了减小爆破对岩台稳定影响将单次爆破长度调整)，光爆孔间距为40cm，下游侧保护层光爆孔采用30cm孔距，129.8g/m线装药密度，单次开挖爆破长度30m。

4.2 岩台开挖

上游侧岩台斜面光爆孔间距为30cm，φ25乳化炸药入孔，单孔装药375g(底部1/2支、间隔20cm装1/4支)，线装药密度137g/m；岩台垂直光爆孔间距为30cm，φ25乳化炸药入孔，单孔装药106g(底部1/2支、间隔15cm装1/8支)，线装药密度126g/m。

下游侧岩台斜面光爆孔间距为30cm，φ25乳化炸药入孔，单孔装药312.5g(间隔30cm装1/4支)，线装药密度114.5g/m；岩台垂直光爆孔间距为30cm，φ25乳化炸药入孔，单孔装药144g(底部1/3支、间隔20cm装1/8支)，线装药密度86.7g/m。

5 支 护

5.1 支护型式

岩锚梁共计分3种支护型式，砂浆锚杆支护(岩台斜面)、锚喷和锚索支护(下拐点以下边墙)、砂浆锚杆支护(斜面以上边墙)。岩台开挖前预锚固、岩台开挖过程中支护、岩台开挖后系统支护。

5.2 支护参数

岩台开挖前预锚固支护：砂浆锚杆直径25mm，L=3m，排距1.5m，竖直方向共计4排，上部2排水平布置，垂直岩台斜面1排，下拐点1排，上部3排有保护层打入岩台中(沉头锚杆，锚杆孔深度4.5m)，以岩台底面为界外露3cm，下拐点锚杆外露5cm，并用2根直径25mm的钢筋分别布置于锚杆上下紧贴岩面纵向焊接牢固。由于下游侧岩台保护层岩石破碎，需进行清理后再喷C25混凝土，厚5cm。

C层下游侧边墙预加固支护：在下游侧边墙与C层交接面，布置2排玻璃纤维锚杆，直径25mm，L=4.5m，间排距1.5m，垂直于C层新生裂隙层面(C层中部拉槽开挖后呈现扇形开裂破坏)，伸入边墙。

系统支护：自上而下依次为A、B、C、D四种类型锚杆，A型砂浆锚杆，直径40mm，L=12m，间距80cm，锚入基岩9.5m；B型砂浆锚杆，直径40mm，L=12m，间距80cm，锚入基岩9.5m；A、B型锚杆梅花形布置；C型砂浆锚杆，直径32mm，L=7m，间距160cm，锚入基岩5.5m；D型砂浆锚杆，直径32mm，L=8m，间距80cm，锚入基岩6.8m。

厂房边墙系统支护：预应力砂浆锚杆带钢垫板，钢垫板尺寸200×200×10mm，直径36mm，L=9m，T=120kN，锚固长度2.5m；普通砂浆锚杆带钢垫板，钢垫板尺寸150×150×10mm，直径32mm，L=7m，预应力与普通砂浆锚杆间排距1.5m，相间布置。钢筋网，直径8mm，间距20×20mm。

5.3 支护时机

岩台垂直保护层开挖完成后，根据现场实际情况，一般12h内应完成岩锚梁下拐点以下1排砂浆锚杆支护施工，岩爆特别突出部位需在6～8h后才能支护，然后进行上部3排沉头锚杆支护施工。

在岩台斜面开挖前应完成岩台下拐点以下边墙系统支护，支护完成后方可进行岩台斜面爆破开挖。经过现场多次试验对比分析，只在完成预锚固支护前提下就进行岩台斜面开挖爆破，对于地应力一般部位可采取此方法，但对岩爆和片帮突出部位此开挖支护方法不可取，虽爆破后岩台斜面效果较好，但由于系统支护和边墙系统支护的工程量大，支护资源投入不到位或未组织好现场支护施工，将由于支护滞后导致岩爆和片帮发生，下拐点以下边墙出现开裂脱落情况，严重时将影响岩锚梁岩台斜面最终成型效果。

支护时机：根据工程经验可在岩台斜面开挖完成后进行，但对于高地应力地区，岩爆和片帮频繁部位必须及时进行支护，方能确保岩锚梁最终成型效果，确保施工安全。

6 施工要点

结合设计资料认真全面研究地下厂房应力分布特征，逐步提高岩爆对岩锚梁破坏的思想认识，组织设计、施工召开开挖前专题会，提前综合考虑针对岩爆突出的预锚固和支护措施，尽可能避免应对策略不到位、不及时情况。

在进行岩锚梁层开挖前，应根据上层开挖岩爆地应力情况，确定岩锚梁所在开挖层的中部拉槽位置。可根据上层上下游边墙应力情况确定，上下游边墙地应力基本一致时，中部拉槽位置在正中间，如上下游边墙地应力情况偏差较大时，可适当调整中部拉槽位置，拉槽应偏向岩爆较弱一侧边墙。在中部拉槽完成后，通过现场实际查看，岩爆呈扇形辐射。在地应力较高施工部位进行岩台试验时，爆破参数需较经验数值偏小，在此基础上开展试验，试验前必须在合适位置进行围岩爆破振动监测，用于指导爆破参数优化。由于地应力较高，岩爆现象突出，在岩锚梁最后一次保护层完成后，应根据试验情况进行岩锚梁开挖前的预锚固措施，主要有下拐点沉头锚杆和斜面玻璃纤维锚杆，在预锚固措施实施后再进行岩台开挖。

岩台开挖成型后，在应力释放前必须严格执行一炮一支护，且需注意支护时机，岩石应力释放迅速部位、岩爆频发部位6～8h内须完成锚杆支护。前一炮锚杆支护完成方可允许进行下一炮支护开挖爆破施工。防止出现开挖爆破后岩台体型效果较好，但由于未及时进行岩台、边墙支护，造成开裂脱落，影响岩台最终效果，确保施工期间安全。

7 结 语

高地应力地区进行地下厂房岩锚梁开挖，首先进行地应力分析是非常必要的，在首次中部拉槽爆破后及时对现场岩爆和片帮情况进行分析，判定上、下游边墙地应力高低，可为下步岩锚梁爆破试验和预锚固提供直接依据。进行开挖爆破参数试验是岩锚梁开挖的前提，根据爆破后岩爆和片帮情况，确定最佳支护时机，才能确保最终岩锚梁开挖成型效果。