溪洛渡大型地下廠房關(guān)鍵部位開挖圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)
摘要：大型地下廠房洞室群在開挖過程中，在保證洞室群整體穩(wěn)定的前提下，主體大型洞室關(guān)鍵部位順利開挖及局部穩(wěn)定的控制工藝也是重點研究課題之一。本文重點介紹溪洛渡大型地下廠房關(guān)鍵部位開挖體型的設(shè)計、開挖順序的研究及局部穩(wěn)定控制工藝，從設(shè)計至施工各階段所采取的措施，地下廠房開挖過程順利，圍巖變形小，所采取的開挖設(shè)計方案，施工工藝適當(dāng)，可靠，供同類工程參考借鑒。
關(guān)鍵詞：體型設(shè)計；支護參數(shù)；開挖順序；開挖成型
1工程概況
溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的金沙江溪洛渡峽谷，距下游宜賓市河道里程184km，是金沙江下游河段梯級開發(fā)規(guī)劃的第三個梯級，是一座以發(fā)電為主，兼有攔沙、防洪和改善下游航運等綜合利用效益的巨型水電工程，發(fā)電廠房為地下式，兩岸各9臺機組基本對稱布置，單機容量770MW，總裝機容量13860MW。
溪洛渡水電站地下洞室群包括左、右岸地下廠區(qū)，分別由主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大主洞室以及9條壓力管道、9條母線洞、9條尾水管及尾水連接洞、3條尾水洞、2條出線井以及通排風(fēng)系統(tǒng)、防滲排水系統(tǒng)等組成，構(gòu)成以三大洞室為主體、縱橫交錯、上下分層的大規(guī)模的地下洞室群。主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大主洞室平行布置，尾水調(diào)壓室頂拱中心線與廠房機組中心線間距為149m，主變室頂拱中心線與廠房機組中心線間距為76m。
2地下廠房開挖特點及難點
1）與其他洞室相比，地下廠房規(guī)模巨大，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，周邊洞室密集，中下部位分別有母線洞、引水洞、交通洞、尾水管等，另外還有一定數(shù)量的施工支洞分布，洞室間相互作用和影響效應(yīng)突出；
2）機組臺數(shù)多，大跨度、高邊墻“尺寸效應(yīng)”帶來的圍巖穩(wěn)定問題突出；
3）圍巖地質(zhì)條件總體較好，但是緩傾角發(fā)育的層間層內(nèi)錯動帶和節(jié)理裂隙帶來的局部穩(wěn)定問題突出；
4）開挖和支護工程量較大，工作面多，開挖支護時間較長，安全控制標準高，施工組織和過程控制難度加大，施工期間安全問題突出；
5）圍巖松動受開挖程序與開挖方式影響大，影響圍巖穩(wěn)定的作用效應(yīng)復(fù)雜。
3關(guān)鍵部位開挖穩(wěn)控技術(shù)
針對地下廠房開挖上述特點及難點，針對不同關(guān)鍵部位，通過開挖輪廓體型設(shè)計、開挖順序設(shè)計、支護方式設(shè)計、質(zhì)點振動速度控制等綜合技術(shù)措施，保證地下廠房開挖的順利實施，確保施工期及運行期地下廠房周邊圍巖的安全穩(wěn)定。
1) 頂拱體型設(shè)計
溪洛渡水電站地下廠房開挖跨度大，巖錨梁以上頂拱開挖跨度31.90m，巖錨梁以下開挖跨度28.40m。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，常用的大跨度地下洞室頂拱矢跨比大部分為1/3~1/5，根據(jù)溪洛渡水電站地質(zhì)條件、地應(yīng)力大小、頂拱通風(fēng)道布置、頂棚設(shè)計及橋機運行條件，主廠房頂拱矢跨比為1/3.3。為了減少開挖量，目前大部分城門洞型洞室頂拱高度在滿足安全的前提下盡量減小，圓弧與直墻相交處均未相切，圓弧與直墻相交處拱角易產(chǎn)生應(yīng)力集中，巖石受壓超過極限強度會產(chǎn)生劈裂破壞，溪洛渡水電站主廠房跨度較大，同時矢跨比較小，為了保證頂拱的開挖成型效果，主廠房頂拱采用了三心圓拱設(shè)計，使直墻與頂拱圓弧相切，增加了拱效應(yīng)，避免應(yīng)力集中。主變室與尾水調(diào)壓室開挖跨度相對主廠房較小，沒有采取三心圓拱設(shè)計。
2) 頂拱支護設(shè)計調(diào)整
國內(nèi)外的工程經(jīng)驗表明，低預(yù)應(yīng)力錨桿具有許多普通錨桿所不具備的優(yōu)點，如能在巖石開挖后立即提供支護抗力，有利于抑制圍巖的松動和變形，保持圍巖固有強度。
前期設(shè)計階段主廠房頂拱支護型式采用Φ32長6/8m間排距1.5m砂漿錨桿間隔布置、15cm厚網(wǎng)噴混凝土，頂拱3分點處布置有2排1750KN，長度20m，間距3m的預(yù)應(yīng)力錨索，尾水調(diào)壓室頂拱3分點處布置有2排1500KN，長度15m，間距4.5m的預(yù)應(yīng)力錨索，考慮到溪洛渡廠區(qū)地層產(chǎn)狀平緩，頂拱采用低預(yù)應(yīng)力錨桿效果更好，技施設(shè)計階段將三大洞室頂拱支護參數(shù)調(diào)整為Φ32長6m砂漿錨桿與120KNΦ32長9m預(yù)應(yīng)力錨桿間隔布置，間排距1.5m，頂拱噴混凝土厚度由15cm調(diào)整為20cm。通過三維有限元計算對比分析，方案可行。由于錨索造價高，施工工期長，取消了原設(shè)計錨索，降低了工程造價，節(jié)省工期。
3) 頂拱開挖控制及出露層間、層內(nèi)錯動帶加固措施
通過數(shù)值分析方法進行施工開挖方式與施工程序研究，結(jié)合施工方法、施工交通和進度的綜合分析，三大洞室均采用先開挖頂拱、逐層下挖、多個工作面同時施工、逐層進行圍巖支護的施工方法。三大洞室頂部開挖，首先進行主廠房及尾水調(diào)壓室頂部開挖，待廠房及尾水調(diào)壓室上部開挖及支護完成后進行主變室的頂部開挖。
三大洞室頂拱開挖要求中導(dǎo)洞提前實施完成，同時注意中導(dǎo)洞的錨噴支護與三大洞室頂拱的系統(tǒng)錨噴支護的銜接和整體性，頂拱的支護完成后，然后進行擴挖。擴挖過程中分步進行，分別擴挖中導(dǎo)洞上下游兩側(cè)巖體，避免一次完成頂拱的擴挖施工，同時頂拱擴挖和支護在空間上應(yīng)錯開實施，并滿足施工安全距離及質(zhì)點振動速度的要求，同時加強監(jiān)測及數(shù)據(jù)反饋。
地下廠區(qū)地層產(chǎn)狀平緩，巖流層產(chǎn)狀總體走向為N20°～30°E，傾向SE，廠區(qū)無斷層分布，主要結(jié)構(gòu)面為層間、層內(nèi)錯動帶和節(jié)理裂隙。層間、層內(nèi)錯動帶在三大洞室頂拱部位均有不同程度出露，根據(jù)勘探揭露的層間、層內(nèi)錯動帶及長大裂隙的產(chǎn)狀及分布規(guī)律，分別對左、右岸地下廠房頂拱部位進行不穩(wěn)定塊體搜索分析，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)提出加固措施。對于出露規(guī)模相對較大，巖體相對破碎的部位，在維持原系統(tǒng)支護參數(shù)不變的前提下，要求在錯動帶出露邊緣松動塊體清撬，沿錯動帶出露邊緣線往里1m左右布置2～3排φ28，L＝4.5m～6.0 m，間距1.0m～1.5 m左右的鎖口錨桿，快速封閉，錯動帶塊體內(nèi)根據(jù)出露規(guī)模適量布置φ32，L=9m預(yù)應(yīng)力錨桿。
根據(jù)現(xiàn)場實際開挖成型效果及期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，層間、層內(nèi)錯動帶出露部位未發(fā)生較大位移，錨桿應(yīng)力穩(wěn)定，頂拱噴混凝土也未出現(xiàn)開裂等情況，說明所采取的加固措施是合適的。
4）高邊墻開挖成型控制工藝
地下廠房開挖總高度約77m，主變室開挖總高度43.82m，尾水調(diào)壓室開挖總高度95.50m，開挖過程中邊墻的變形大，廠房洞室縱橫交錯，布置集中，在施工的時間和空間、洞室自身的穩(wěn)定、施工通道等各方面，各洞室相互聯(lián)系、相互制約。為了控制高邊墻的開挖成型效果，現(xiàn)場主要采取如下措施及工藝控制開挖質(zhì)量及效果.
引水壓力管道下平段、母線洞、尾水管、進廠交通洞、主變交通洞、中1施工支洞的開挖進度安排應(yīng)與廠房、主變室、尾水調(diào)壓室高邊墻開挖進度相適應(yīng)，在高邊墻開挖至上述洞室的交叉部位之前，完成上述洞室開挖，并貫入主洞室2m，做到“先洞后墻”，并做好鎖口錨噴支護、徑向預(yù)裂和洞室支護。預(yù)裂爆破參數(shù)需經(jīng)試驗確定，嚴格控制梯段爆破一次起爆藥量。采用聲波測試松動深度，實測松動深度滿足施工圖紙或監(jiān)理人要求。每層開挖完成后，及時進行噴混凝土；在下一層爆破出渣之前，進行錨桿、錨索、及二次噴混凝土等支護措施。同時加強監(jiān)測及數(shù)據(jù)反饋，以便確定后續(xù)開挖、支護方案。
由于尾水調(diào)壓室開挖高度最高，高邊墻穩(wěn)定問題突出，根據(jù)尾水調(diào)壓室運行及布置特點，尾水調(diào)壓室內(nèi)設(shè)巖柱隔墻，對限制調(diào)壓室上、下游邊墻位移作用較大，有利圍巖穩(wěn)定。低水位和常年洪水位下正常運行及負荷變化時，三室分開，互不干擾以改善機組運行條件；高水位下，負荷變化時三室連通溢流，以降低涌波波幅，減小調(diào)壓室高度，隔墻開挖厚度16m。從開挖效果來看，尾水調(diào)壓室邊墻最大位移及平均位移均小于主廠房，說明中隔墻對邊墻的支撐效應(yīng)十分明顯。
5）高邊墻出露層間、層內(nèi)錯動帶加固措施
由于溪洛渡地層產(chǎn)狀平緩，出露的層間、層內(nèi)錯動帶與地下洞室高邊墻成較大交角，因此對高邊墻的整體穩(wěn)定影響相對較小，但局部錯動帶錯動較強，斷續(xù)延伸，部分表現(xiàn)為熔結(jié)型，部分為裂隙巖塊型及含屑角礫型，主要充填碎裂巖，部分角礫及少量巖屑，巖體破碎，影響帶寬度一般20~30cm，對高邊墻的局部穩(wěn)定影響較大，因此，針對高邊墻部位出露的層間、層內(nèi)錯動帶，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)及監(jiān)測反饋分析計算結(jié)果采取了加強支護措施，錯動帶出露邊緣松動塊體進行清撬處理，沿錯動帶出露邊緣線往里0.5m~1m左右進行鎖口支護，鎖口錨桿參數(shù)為直徑φ28，L＝4.5m～6.0 m，間距1.0m～1.5 m，鎖口錨桿避開系統(tǒng)錨桿適當(dāng)距離布置，錯動帶寬度范圍內(nèi)系統(tǒng)支護采用L=9m預(yù)應(yīng)力錨桿及L=9m砂漿錨桿間隔布置，根據(jù)實測監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過以上加固措施，錯動帶周邊巖體位移得到了有效控制。
6）尾水管肘管段的開挖與控制
肘管位于地下廠房高邊墻的下部，上部下游側(cè)為母線洞，上游側(cè)為壓力鋼管下平段，周邊巖體挖空率較高，同時本身開挖體型較為復(fù)雜，開挖爆破震動對高邊墻影響較大。
肘管段開挖時要求兩岸各9條肘管及尾水支洞間隔開挖，盡量避免相鄰洞室同時開挖，減小爆破震動對巖體的破壞程度，相鄰洞室最近距離的質(zhì)點振動速度滿足要求，確保不影響相鄰洞室的施工安全和相鄰洞室已實施的噴混凝土、錨桿等不因爆破振動受損，還應(yīng)對尾水管1倍洞徑范圍以內(nèi)、尾水管之間以及尾水管與母線洞之間采取加強臨時支護措施。
7）巖壁吊車梁成型控穩(wěn)技術(shù)
巖壁吊車梁位于廠房第Ⅲ開挖層內(nèi)，為保證巖壁吊車梁巖臺成型，開挖時采用控制爆破技術(shù)，采用高精度非電雷管，開挖前精心進行爆破設(shè)計與試驗，采用合理的爆破參數(shù)。巖壁吊車梁部位的開挖采用預(yù)留保護層的開挖方式，保護層與中部槽挖采取預(yù)裂爆破分開，中部先行，用液壓潛孔鉆垂直鉆孔梯段爆破，保護層厚度4.0～5.3m，施工中根據(jù)爆破試驗優(yōu)化參數(shù)。
開挖成型后，巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)頂部以上約1m，和結(jié)構(gòu)底部以下約1m處，各布置了一排L=15m，T=1500KN的預(yù)應(yīng)力錨索，間距4.5m，對巖壁吊車梁周邊巖體進行加固，減小邊墻變形對巖壁吊車梁的影響。
溪洛渡水電站巖壁吊車梁已投入運行，運行狀況良好，吊車梁混凝土表面光滑整潔，未產(chǎn)生裂縫，一方面，混凝土澆筑溫控措施得當(dāng)，未產(chǎn)生溫度裂縫，另一方面，巖壁開挖方案合理，加固措施得當(dāng)，不均勻變形小，也是混凝土不產(chǎn)生裂縫主要前提條件。
4結(jié)語
通過三大洞室頂部開挖研究及現(xiàn)場實施效果來看，三大洞室頂拱開挖整體成型效果較好，主廠房拱角采用三心圓拱體型避免了應(yīng)力過于集中，拱角部位未發(fā)生較大位移，也未發(fā)生拉裂現(xiàn)象。根據(jù)監(jiān)測斷面統(tǒng)計結(jié)果，位移較大部位發(fā)生在主廠房頂拱7#機斷面下游拱弧處，最大為14.4mm，與其他工程類比，數(shù)據(jù)相對較小，說明溪洛渡三大洞室頂拱通過體型設(shè)計優(yōu)化、預(yù)應(yīng)力錨桿及砂漿錨桿相間布置的措施，取消錨索的的方案證明是成功的。對于大型洞室，施工采用先施工中導(dǎo)洞，后期擴挖兩側(cè)巖體的方案，事實證明方案可行，可靠。
根據(jù)現(xiàn)場實際開挖成型效果及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，高邊墻層間、層內(nèi)錯動帶出露部位未發(fā)生較大位移，錨索、錨桿應(yīng)力穩(wěn)定，邊墻噴混凝土也未出現(xiàn)開裂等情況，主廠房上下游邊墻較大位移發(fā)生巖壁吊車梁下部，大部分均小于20mm，上游邊墻最大位移28.6mm，發(fā)生于5#機組斷面EL.385高程，與該部位巖體主要為Ⅲ1類有關(guān)，下游邊墻最大位移40.4mm，發(fā)生于7#機組斷面EL.385.5高程，交叉施工與巖體主要為Ⅲ1類是該部位位移較大的主要原因，與其他地下廠房工程類比，數(shù)值也不大。主變室大部分測點位移小于20mm，尾水調(diào)壓室移量普遍小于20.0mm，其中最大位移量為28.2mm，發(fā)生于14#機EL.385.5高程附近。
尾水肘管巖橋開挖現(xiàn)場實施時爭議較大，由于施工方便的原因，部分專家提出了整體挖除上部巖橋，后期進行混凝土澆筑回填的方案，并進行了多次討論，設(shè)計院對肘管段開挖體型及施工方案認真研究，并聽取參建各方專家意見，認為挖除巖橋雖然施工工藝簡單，施工速度快，但是增大了廠房高邊墻的高度，從現(xiàn)場反饋監(jiān)測信息來看，高邊墻變位問題突出，保留巖橋，相當(dāng)于降低了廠房高邊墻的高度，對肘管上部邊墻相當(dāng)于增加了保護層厚度，盡量保留肘管上部及機窩間的巖柱，以減少開挖和擾動，更有利于圍巖的穩(wěn)定和變形控制 ，并且有利于蝸殼、肘管等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力和安全運行，同時每臺機組可減少開挖量2200m3，減少回填混凝土澆筑量2200m3，兩岸各9臺機組，總體工程造價相對節(jié)省很多，即使犧牲部分工期，也是值得的。
總體上溪洛渡水電站三大洞室開挖相對順利，頂拱、邊墻基本未產(chǎn)生塌方、局部垮塌等現(xiàn)象，位移相對較小，錨桿、錨索應(yīng)力平穩(wěn)，所采取的洞室間距、體形、格局基本合理，所采取的開挖措施、控制方案可行，所采取的支護措施穩(wěn)妥、合適、可靠。
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