不良地质条件下地下厂房岩锚梁开挖施工技术

2022-07-08刘培伟

四川水利 2022年3期

刘培伟

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610213)

1 工程背景

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定市境内，枢纽建筑物主要由拦河坝、两岸泄洪及放空建筑物、右岸首部式地下引水发电系统等组成[1]。引水发电建筑物布置于河道右岸，采用首部式地下厂房，电站装机容量170万kW(4×42.5万kW)。

引水发电建筑物布置于河道右岸，最大垂直埋深约660m、最大水平埋深约300m。主厂房、主变室、尾水调压室三大洞室平行布置[2]，主厂房219.5m×29.2m×68.7m(长×宽×高)，主变室139m×18.8m×25.2m(长×宽×高)，尾调室140.5m×23.5m×75.0m(长×宽×高)；尾水调压室中心线和厂房顶拱中心线间距为134.9m，主变室与厂房和尾水调压室间岩柱厚度分别为45.0m和44.75m。引水采用“单管单机”供水，尾水采用“两机一室一洞”布置[1-3]。

地质勘探实测最大地应力为36.4MPa，如此之高的地应力在国内水电工程已建成的地下洞室中实属罕见。σ2、σ3最大值达29.80MPa、22.32MPa，测值均较大，且与厂房轴线大角度相交，σ2与岩层走向小角度相交，对洞室的稳定不利，在洞室开挖解除σ2、σ3后，将产生拉张应力，并使得剪应力增大，从而造成围岩强烈劈裂破坏，对洞室的稳定性极为不利[2-3]。

2 施工工艺流程

针对猴子岩水电站地下厂房高地应力，提出了超前固灌、先锚后挖、提前预裂等方法，有效规避在不良地质条件下常规施工方法所面临的边墙稳定差、岩台成形质量差的难题，既保证了施工质量，同时也确保了岩锚梁边墙的结构稳定。

施工工艺流程见图1：

图1 岩锚梁层开挖施工工艺流程

3 施工方法

3.1 岩锚梁层分层、分区设计

3.1.1 设计原则[4]

(1)根据岩锚梁所在位置，确定岩锚梁上层的洞室开挖厚度，合理选择施工设备和施工方法，岩锚梁层及下面一层的开挖分层以4m～8m为宜。

(2)根据岩锚梁锚杆钻孔和安装的施工需要，确定岩锚梁层底板开挖高度。

(3)为保证下层开挖不对岩锚梁造成损害，岩锚梁底部混凝土距离下层开挖层的高度不宜小于3m。

(4)确定岩锚梁层开挖分层高度后，根据施工机械设备的特性及现场地质情况，合理确定中部中槽和两侧预留保护层的宽度，保护层宽度宜为2m～4m。

(5)中部主爆区与两侧预留保护层宜先预裂，两侧预留保护层岩体开挖在中部主爆区推进30m后进行。

3.1.2 分层、分区设计[5]

岩锚梁段开挖由上至下包括岩锚梁段上拐点以上至下拐点以下、按横截面分成中部中槽和两侧保护层进行。其中，中槽分上、下两层进行开挖；两侧保护层均分别分上、中、下三层进行开挖，保护层中层至少覆盖下拐点。

图2 岩锚梁洞室开挖分区分块示意

3.2 开挖设计技术要求

3.2.1 岩锚梁岩壁开挖要求

(1)岩壁吊车梁层开挖时，吊车梁附近应预留2m～4m厚的岩石保护层。

(2)岩壁吊车梁的岩壁开挖应采取光面爆破，爆破参数需经试验确定。严格控制一次起爆药量，确保岩壁成形，保证岩壁的完整和稳定，尽量减小由于爆破而产生的岩石松动范围[6-7]。

(3)应控制钻孔精度。岩壁不允许欠挖，超挖不大于0.1m。岩壁开挖后，应清除爆破产生的裂隙及松动岩石，清洁岩壁面，及时进行岩壁斜面修整，斜面与水平面的夹角与设计值相比应偏小，但不小于3°[6-7]。

(4)在对厂房顶拱、边墙进行喷混凝土作业时，必须对岩壁吊车梁范围的岩壁面进行遮盖保护，防止喷混凝土回弹到岩壁面上[7]。

(5)岩壁面开挖完成后，应立即开展锚杆施工，对下层周边进行预裂爆破，预裂深度大于6m，且必须保证预裂效果。在预裂完成后，才能开始岩壁吊车梁的混凝土浇筑。

(6)岩壁吊车梁浇筑时，周边区域不得进行开挖爆破；其下层开挖对岩壁吊车梁的振动速度应满足设计要求。

3.2.2 一般边墙的开挖要求

(1)地下厂房边(端)墙开挖应遵循“先洞后墙”原则[6]，边墙在开挖至相应洞口高程之前，应先完成相应岔口开挖及锁口支护，再下降边墙。

(2)采用预裂爆破。

(3)预裂爆破参数需经试验确定，严格控制梯段爆破一次起爆药量。

(4)开挖岩壁应完整、稳定。相邻两炮孔间岩面不平整度不大于15cm。承包人应采用声波测试松动深度，实测松动深度满足施工图纸或监理人要求。

(5)爆破质点振动速度满足设计的要求。

(6)每层开挖完成后，及时进行喷混凝土；在下一层爆破出渣之前，进行锚杆、锚索及二次喷混凝土等支护措施。

3.3 中部中槽开挖

为减少中部中槽爆破振动影响，在中槽与保护层之间设置一排预裂孔，先行起爆形成一道裂缝。并按照“深层预裂，薄层开挖”的要求，先把预裂孔直接贯通至岩锚梁层底部，再把中部分两层采用梯段方式进行开挖。

3.3.1 结构预裂

预裂孔采用ROCD7液压钻造孔，孔径一般为φ75，钻孔深度H=岩锚梁层分层高度，间距一般为(7～12)D，采用乳化炸药进行爆破，底部加强装药，上部装药采用φ25/φ32药卷，线密度400g/m～500g/m，最终药量及装药结构将根据试验结果确定。为了使药卷位于炮孔的中心线上，除采用竹片间隔绑药外，还在竹片上间隔设置定位装置，以达到爆破效果。

3.3.2 梯段开挖

梯段爆破孔采用ROCD7液压钻造孔，孔径一般为φ75，钻孔深度H=1/2岩锚梁层分层高度，梯段爆破示意如图3所示。炮孔间排距、最小抵抗线、装药量等参数[8]见表1。

图3 梯段爆破示意

表1 浅孔梯段爆破参数和药包量经验公式

梯段爆破后根据爆破规模、开挖深度及道路条件等因素确定施工设备，一般采用液压反铲开挖，装载机配合，自卸汽车出渣。

3.4 不良地质段预固结灌浆

针对岩体松散破碎、完整性及稳定性较差，为保证高地应力条件下破碎岩体岩台成形，在岩锚梁保护层岩体开挖前对该段围岩进行固结灌浆。灌浆孔间排距2.5m，深入设计开挖线5m；采用循环法全孔一次灌浆，灌浆段长5m，保护层岩体内孔段不灌浆[2]；灌浆压力2.0MPa，采用逐级升压方法，起始压力为0.3MPa，每段增加0.3MPa～0.5MPa；灌浆孔在灌浆前用压力水进行裂隙冲洗，直至回水清净为止，冲洗压力不大于0.3MPa[9]。

图4 岩台预固结灌浆孔布置示意

固结灌浆根据钻孔深度、孔径、施工强度等要求确定钻孔设备，一般采用潜孔钻、锚索钻机等设备进行钻孔。

3.5 保护层开挖

(1)两侧预留保护层岩体开挖在中部主爆区开挖推进30m后进行。

(2)对洞室顶拱起拱点与岩壁梁上拐点距离较小、岩台较薄、岩性相对完整的岩体，可采用沿岩台轴线方向设置水平孔小药量光面爆破的方法，排炮孔深不宜超过3m。

(3)两侧保护层分三层开挖，采用手风钻钻孔，靠预留岩台面和岩台下拐点以下直墙面采用光面爆破，具体爆破参数如下[8]：

①最小抵抗线

W=(7～20)D

②炮孔间距

土石方开挖时

a=(0.6～0.8)W

③单孔装药量，用线装药密度Qx表示

Qx=qaW

上述三式中D为钻孔直径；q为松动爆破单位耗药量。

(4)为保证造孔精度，采取搭设样架+套管的形式造竖向孔。钻孔样架全部采用φ48钢管搭设，主要由支撑管、导向管两部分组成，样架搭设顺序为先支撑钢管后导向管，钢管与钢管之间采用扣件进行连接[7，10-11]。

(5)钻孔

①开钻前，当班技术员采用钢卷尺、地质罗盘、水平尺对准备投入使用的钻孔排架进行钻前校核检查，经检查无变形和移位后方可开钻。开孔后应立即检查孔位是否在开口线位置，确保孔位无误后再继续施钻，并在钻进过程中注意检查[7，10-11]。

②岩台光爆孔位置造孔严格执行换钎制度，首次开孔采用短钎，再换为长钎，终孔钻杆长度=光爆孔设计孔深+导向管长度+钎尾长度[7]。

3.6 岩台下边墙系统支护及锁口支护

上、下游两侧保护层下层开挖完成后就立即进行边墙结构面系统支护，及时完成岩石锚固，减少边墙岩石裸露及应力释放的时间，确保边墙的稳定及成形质量。在岩台三角体开挖前在下拐点位置增设一排锁口锚杆+角钢进行保护[12]，提前完成该部位岩体锚固，减少爆破震动对下拐点及周边岩体的破坏，确保岩台成形质量。边墙支护如图5所示。