彭水水电站地下厂房洞室围岩稳定施工技术

范开平

(中国水利水电第十四工程局有限公司曲靖分公司,云南曲靖 655000)

彭水地下电站为中部式地下厂房布置形式,采用单机单洞布置方案。电站装有5台单机容量350MW的大型混流式水轮发电机组,多年平均发电量63.51亿kW⋅h,电站正常蓄水位293 m。地下厂房洞室尺寸252 m ×30 m ×84.5 m(长 ×宽 ×高),洞室规模较大。厂房洞室断面为直墙曲顶拱型,拱顶高程248 m,起拱高程240 m以下为直立高边墙,机组安装高程220 m。

地下厂房洞室群位于坝址右岸山体内,主厂房洞室上覆岩体厚度最大约200 m,最小约130 m,左端距河床最小距离100 m。围岩为层灰岩、白云岩及含灰质串珠体页岩,厂区岩溶发育且规模较大,围岩为陡倾角层状灰岩及灰质页岩,地质条件复杂。与主厂房纵轴线平行的岩层倾角为60°～70°、岩层走向为 NE22°～25°。上游高边墙出露岩层为南津关组灰岩,为薄层、陡倾角逆坡向产状,岩层倾向洞壁内;下游高边墙围岩为南津关组灰岩和白云质页岩,为陡倾角、顺向岩层组合,岩层倾向洞内,存在较软页岩临空面,对围岩稳定十分不利。下游侧壁等层属于软岩或以软岩为主的软硬岩相间互层状,自稳时间短,抗风化能力弱,为Ⅳ类围岩。另外,主厂房位于W84与KW51顺岩层发育的两个大型岩溶系统之间,其中W84热水岩溶地温25～27℃,地下水位较高(高程280～320 m)、外水压力较大。主厂房轴线与坝区最大主应力平行,最大主应力约8～10MPa。

地下厂房围岩稳定支护与加固方案是在详实的工程地质资料以及多理论的数值模拟分析和工程类比分析成果基础上,根据施工过程中开挖提示的围岩变形及应力特征反馈分析,对支护、开挖钻爆参数等进行适时调整而最终确定的,其洞室围岩稳定支护与加固实践了“新奥法”的动态设计、施工技术理念。

1 顶 拱

主厂房拱顶岩体的完整性、稳定性较好,属Ⅱ类围岩,岩层产状有利于下游拱座稳定,而对上游拱座稳定不利。开挖模拟计算的多项成果表明顶拱、拱座均为受压且塑性区很小,离散元法计算分析表明在上游拱座附近有局部掉块现象。拱顶采用系统的钢质楔头中空注浆张拉锚杆及15 cm厚喷钢纤维混凝土进行支护,锚杆直径32 mm,长8 m和10 m间隔布置,间距1.5 m ×1.5 m,初期张拉力大于90 kN。开挖中,在厂房顶拱上出露6条断层,断层走向基本与主厂房轴线近直交,岩石中裂隙相互切割成倒三角,南津关第4层沿层面多夹面岩薄片,根据围岩变形情况,在顶拱上游侧进行了局部增设中空锚杆及增设机编铁丝网等进行加固。

施工过程中,钢质楔头中空注浆张拉锚杆在造孔完毕插杆后即可施加预应力,随后进行灌浆固结,可以及时对出露围岩提供支护力并保证了锚杆注浆的密实度,取得了较好的效果。同时解决了深层锚固锚索施工周期长、围岩揭露不能及时受到支护力的弊端,减小了洞室围岩的变形,加快了施工进度。实践表明,上述支护有效地加快了顶拱施工进度,保证了顶拱开挖支护施工质量。

2 洞室高边墙

2.1 上游边墙

上游高边墙出露岩石的完整性和稳定性较好,为陡倾角逆坡向产状,但部分岩层层面夹薄层泥化页岩结合较差。由于边墙沿岩层走向开挖,加上5条引水隧洞、5条母线洞在上游边墙交汇,上游边墙岩体的挖空率较高,上游岩锚梁底距母线洞顶的最小距离约3.5 m,母线洞距引水隧洞的最小距离仅9 m。设计采用的支护为系统喷锚支护加无粘结预应力锚索加固,喷15 cm钢纤维混凝土;普通砂浆锚杆直径32 mm,长6 m和9 m间隔布置,间排距1.5 m×1.5 m;预应力锚索为2000 kN级,张拉锁定值为1500 kN,长 25 m,间距4.5 m ×4.5 m;另在各洞室与边墙交汇处沿周边布置两排直径32 mm、长12 m的张拉锚杆进行锁口加固。

为保证边墙及各洞室交汇区边墙的稳定,考虑岩层地质条件,主厂房边墙开挖按分层高度不大于5 m进行控制。由于边墙沿岩层走向开挖,采用常规的水平孔光爆法进行施工,层面切割严重,将导致边墙的大面积塌落。施工中通过水平孔开挖与垂直孔开挖两种爆破方法的对比性试验,确定主厂房采用垂直孔进行边墙保护层开挖,洞室交叉部位采用了先小洞后大洞的开挖顺序,对于母线洞等与主厂房交叉部位,为保护岩锚梁基岩还采取了先完成母线洞衬砌,再进行厂房边墙开挖的方法。

实际开挖过程中部分边墙呈现沿层面的张裂、折断、倾倒掉块状破坏,但范围较小,后针对该部分岩层补充、调整了张拉锚杆,并对各洞间边墙调整加密锚索间距为3 m,最后根据表层围岩张裂松动变形的情况增加部分无盖重固结灌浆。

2.2 下游边墙

下游侧墙围岩强度高,较完整,属Ⅱ、Ⅲ类围岩,岩层为陡倾角顺坡向产状。采用系统喷锚支护及无粘结预应力锚索加固,系统锚杆直径32 mm,长6 m和9 m间隔布置,间排距1.5 m ×1.5 m;预应力锚索为2000 kN级,锁定张拉力1500 kN,长25 m,间距4.5 m ×4.5 m。

在主厂房开挖高度至30 m时,部分边墙呈现沿层面的张裂、错动、滑移掉块破坏,探洞揭示的页岩受开挖爆破扰动影响后强度及完整性大为下降,因其位于边墙下部,处于下游边墙水平变形最大部位,各机窝间页岩处于墙角高应力区,机窝与尾水管结合部位挖空率高,边墙相当高,下部属应力集中区,对下游边墙及整个洞室围岩的稳定极为不利。根据已探明的地质情况,虽对下部岩体的开挖支护施工程序进行了调整,页岩部分保护层开挖层高调整为2.5 m,保证支护紧随开挖面进行,开挖一层支护一层,仍无法限制边墙的变形,开挖后安全监测结果显示,下游边墙锚索测力计张拉力超过原设计张拉锁定值,多点位移计测试主厂房边墙位移最大达到39.28 mm,变形主要集中在页岩范围内。根据以上开挖及监测反馈的情况,暂停了厂房的下挖,对下部岩层,将普通砂浆锚杆调整为张拉锚杆,间距1.2 m×1.2 m,将下部未施工的边墙锚索间距调整为3 m,对上部已施工边墙锚索进行了补充加密,对上部边墙表层已张裂范围进行了全面无盖重固结灌浆。通过采取以上加固措施后,限制了厂房边墙的变形,保证了主厂房高边墙的稳定。

3 岩锚吊车梁的预应力锚固

岩锚梁基础岩体岩石坚硬完整,稳定性较好,但岩层层面发育。在岩锚梁基础开挖过程中,呈现沿层面松动、张裂变形现象,后经边墙固结灌浆处理,其完整性有较大提高。

岩锚梁锚固体系一般分为预应力与非预应力两类,均要求在开挖至岩锚梁下部2～3 m范围时完成岩锚梁的浇筑与受力锚杆的锁定。由于岩锚梁的断面刚度较大,锚固体系的约束较强,为满足桥机运行要求,其分段长度不能太小,因此岩锚梁适应后续边墙开挖变形的能力较差。目前地下厂房施工过程中出现了大量岩锚梁开裂的现象,主要原因就是适应下部边墙变形的能力差。彭水地下厂房岩锚吊车梁在主厂房开挖第3层后进行混凝土浇筑,采用后张拉预应力锚固体系,其中受力锚杆采用直径32 mm的精轧螺纹钢,设计张拉锁定值为200 kN,岩锚梁混凝土浇筑完成后,初始张拉锁定100 kN,用以固定并适应边墙的开挖变形;待边墙开挖支护完成后,再张拉锁定至设计值,最终完成岩锚梁的施工。

4 预应力锚墩优化

大型地下厂房的洞室围岩支护及加固,需要大量的预应力锚索。现行的预应力锚索外锚墩大部分采用钢筋混凝土现浇或预制,同时为适应不同的锚固角度及开挖不均引起的起伏差尚需进行二次局部清挖。这一方面延迟了预应力锚索加固的时效性,同时二次清挖爆破造成的围岩破坏将极大地影响非常敏感的围岩二次应力调整,对开挖后本已处于应力松弛状态的围岩造成非常不利的影响。对于彭水地下厂房这种顺岩层走向开挖、层面结合较差的围岩地质条件,更加容易引起高边墙的局部垮塌与失稳。为此,彭水地下厂房边墙的预应力外锚墩根据围岩的性状采用了钢板锚墩,极大地方便了预应力锚索施工,加快了施工进度,保证了支护的及时性,对减少围岩变形、保证洞室围岩稳定起到了十分重要的作用。

5 高边墙无盖重固结灌浆

针对受开挖爆破影响产生卸荷松驰层面张开的浅表围岩体,以及断层结构面交汇形成的松动破碎带还采用了灌浆加固处理,灌浆范围包括厂房上、下游边墙高程218～240 m、桩号X0+000.0至X0+216.0 m,以及高程218.0 ～189.0 m、桩号 X0+13.00 ～X0+193.00 m。

无盖重固结灌浆通常应用于坝基基础处理,而顺岩层走向呈0°夹角布置在薄层、陡倾角灰岩、夹软弱页岩层状中的大型地下洞室高边墙在无盖重条件下进行固结灌浆加固处理,其灌浆压力控制、灌浆先后顺序等尚无成熟经验可借鉴。针对顺岩层走向的薄层、陡倾角层状灰岩、夹软弱页岩体中的大型地下洞室高边墙采用无盖重固结灌浆加固。灌浆压力过小则满足不了灌浆固壁效果,灌浆压力过大则将加速岩体卸荷变形,进一步危及高边墙稳定。通过深入的灌浆试验,灌前应用地质取芯、地质探洞探明厂房边墙的地质情况,确定了采用自下而上、先排序、后孔序的施工方法;采用孔口阻塞,分段灌注,严格控制各段灌浆压力的灌浆工艺。灌后对围岩进行物探、压水等检测,对灌浆效果进行评价分析,检查结果表明围岩加固效果良好,对改善因开挖卸荷和爆破震动而损伤、松动的裂隙岩体效果十分显著,改善了节理裂隙的力学形状,提高了围岩的整体刚度及抗变形能力。

6 施工期安全监测及反馈

主厂房3个主要监测断面221～218 m高程的多点位移计在若干次分层开挖爆破施工过程中,均出现了不同程度的变形,最大变形量达41.1 mm,下游边墙的锚索测力计锚固力增大,2005年10月初多点位移计和锚索测力计均出现突变迹象,监测资料表明:主要变形产生在下游侧190～230 m。相关单位及时研究后确定了如下方案:停止爆破施工,在下游边墙进行固结灌浆,增加锚杆,在207.5 m及199 m处增布7束无粘结预应力监测锚索,在198 m处布置2套多点位移计,继续加密监测其变形发展趋势,0+141.2 m下游侧198 m处的多点位移计2006年1月开始投入观测,至2007年2月相对累计位移在3 mm以内。

厂房洞室于2003年9月14日开挖,2006年4月中旬开挖结束,安全监测仪器也随施工进展逐一埋设,在开挖过程中,监测仪器不断反应出各个施工阶段的围岩变形情况,变化过程曲线呈阶梯状,开挖结束并支护后,各测点变形趋缓,至2007年4月以后全部处于平稳状态。

下游边墙O21n页岩性状较差,当形成55 m以上的高边墙,下端页岩断层交错切割,使190～230 m段产生变形;1号机组下游靠尾水管处遇F110断层,尾水管开挖后的围岩应力释放,导致表面出现多条裂缝,锚杆应力计测值出现异常,为此调整了施工工序,优化爆破参数,有效地减少了爆破施工对围岩稳定的不利影响,并针对性地在下游侧增加锚杆、锚索,对已经产生的裂缝进行固结灌浆,使该部位变形得到有效控制。