柔性支护在柳洪水电站地下厂房的应用及效果

罗贤奎

摘 要：地下厂房顶拱是永久结构，传统的做法是采用钢筋混凝土衬砌，不允许顶拱围岩在衬砌后变形，属于刚性支护范畴；而锚喷支护技术是将围岩当作承载的主体，允许围岩变形，属于柔性支护范畴。将柔性支护技术应用于柳洪水电站地下厂房顶拱永久性支护，是地下厂房支护技术的又一次有益尝试，其应用效果备受各方面关注。工程于2004年6月1日～2004年9月17日施工完成，经过二年多的观测结果显示，柳洪地下厂房顶拱围岩变形逐渐减少，趋于稳定，达到预期效果，满足安全运行要求，其成功经验可资同类型工程借鉴。

关键词：柳洪水电站 地下厂房 柔性支护 施工技术

1.工程简介

柳洪水电站位于四川省凉山州美姑县柳洪区境内，金沙江支流美姑河下游尔其至柳洪沟口河段，为引水式电站，电站共装机3台，单机容量60MW，总装机容量180MW。枢纽工程由拦河闸坝、引水隧洞、调压室、压力管道、地下厂房和尾水渠等水工建筑物组成。

地下式电站厂房系统由主厂房、安装间、副厂房、母线洞、尾水洞和尾水渠、交通洞、排风出线洞、GIS楼等组成，主、副厂房及安装间呈直线布置，顶拱开挖断面长81.52m，最大跨度（宽）18.1m。

地下厂房顶拱采用柔性支护，于2004年6月1日～2004年9月17日施工完成。布置有各种原型观测仪器共27套，经过二年多的观测结果显示，厂房顶拱围岩稳定，满足安全运行要求。

工程建设单位为四川美姑河水电开发有限公司，设计单位为成都勘测设计研究院，由中国葛洲坝水利水电工程集团有限公司（以下简称“葛洲坝集团”）承担施工任务。

1.1柔性（锚喷）支护原理

地下厂房顶拱是永久结构，传统的做法是采用钢筋混凝土衬砌，不允许顶拱围岩在衬砌后变形，属于刚性支护范畴；而柔性支护技术是将围岩当作承载的主体，按“支护—围岩”共同工作的原理进行设计，充分利用围岩的承载能力，允许围岩应力释放过程中有一定的变形，最后达到稳定。用锚喷结构取代钢筋混凝土结构，不仅满足了围岩长期稳定的目标，而且还节约工程造价，提高施工速度。柔性（锚喷）支护技术在我国水电工程中的应用始于20世纪80年代初，主要用于洞室开挖施工中的临时支护。该技术成功应用于柳洪水电站地下厂房顶拱永久性支护，是地下厂房支护技术的又一次有益尝试，备受各方面关注。

1.2地质条件

地下厂房顶拱以砂质页岩、页岩为主，夹紫红色粘土岩夹层，岩层产状平缓，层面裂隙较发育，围岩类别以Ⅲ类为主，部分Ⅳ类。在奥陶系下统下部砂质页岩中存在f701断层，延伸长大于50m，主错带宽10～20cm，主要由碎屑和泥组成，性状较差。影响带宽1～2m，岩体破碎，呈碎裂结构。

2.厂房顶拱柔性（锚喷）支护设计布置

2.1系统锚杆布置

（厂横）0+000.00～0+037.00段系统锚杆Φ25/L=6m&Φ28/L=8m、@1.5×2.0m梅花型间隔布置，采用M 20砂浆锚固；（厂横）0+038.13～0+072.50段系统锚杆Φ25/ L=6m&Φ28/L=8m、@1.5×1.5m梅花型间隔布置，M20砂浆锚固。

2.2钢筋网布置

顶拱范围内设计布置挂钢筋网φ10@15×15cm。

2.3钢筋拱架及局部加强支护

厂房顶拱有一断层通过（宽度为10cm～30cm），設计布置增加了贯穿断层的跨缝锚杆（Φ28/L=9m）60根，增加二层钢筋网φ10@20×20cm，6Φ28钢筋异型肋拱20榀，Φ25/L=3m肋拱支座锚杆240根。

2.4喷钢纤维混凝土

C25钢纤维混凝土厚20cm，局部适当增加。

地下厂房顶拱支护布置详见图1。

2.5岩石固结灌浆

固结灌浆目的是为增加顶拱岩石的整体性，提高岩石弹性模量，改善厂房岩石顶拱的受力条件，在锚喷支护完成后，对顶拱岩石进行了固结灌浆。

固结灌浆范围为1号卸荷裂隙区、顶拱中心潜在卸荷裂隙区及顶拱部位随机出现的较大裂隙区域。

固结灌浆技术参数：

a .灌浆孔伸入围岩6 m，孔径50mm，间排距3m，梅花型布置；

b.灌浆用水泥为P.O.32.5水泥；

c.灌浆压力：固结灌浆分两段进行施工。第一段孔深3m、灌浆压力0.3MPa，第二段孔深6m、灌浆压力0.6MPa；灌浆方法采用逐步加密法；固结灌浆在锚喷支护完工后14天以后进行。

2.6监测仪器布置

厂房顶拱按设计布置有三个安全监测观测断面，其桩号为（厂横）0+014.00、0+034.00、0+054.50。每个断面分三个布置点，共布置多点位移计9套、锚杆应力计9套。地下厂房顶拱监测仪器布置详见图2。

3.施工过程

电站厂房顶拱开挖（第一层）于2004年4月5日完成，厂房顶拱支护于2004年9月17日完成，2004年10月4日厂房顶拱固结灌浆结束，支付工作历时6个月时间。

3.1锚杆支护

主要工序为钻孔—冲洗—锚杆安装—灌浆。采用H178型三臂台车配φ64钻头开孔（孔深4m），人工手风钻加深；用高压风（水）冲洗锚杆孔，确保锚杆孔干净无积水；人工安装锚杆及注浆管（直径φ20，孔内出浆口比锚杆顶部低0.1m），采用注浆泵注浆，浆液灌满后出浆孔出浆，立即封闭灌浆管和出浆管待凝。

3.2挂网支护

顶拱挂网钢筋采用φ10@15×15cm。在钢筋加工厂将φ10盘圆拉伸后，按施工需要切割下料，5t载重汽车运至施工现场，人工在脚手架操作平台上进行安装、绑扎、焊接固定等作业。

3.3喷钢纤维混凝土支护

采用PZ-5型干喷机和KSP-Ⅱ型湿喷机施工，喷混凝土料由洞外小型拌和站拌制，5T自卸车运输至施工部位进行施工。厂房顶拱层喷混凝土量 403m3。

3.4顶拱固结灌浆

灌浆前先做灌浆试验以确定灌浆浓度，灌浆方法采用逐步加密法；灌浆压力和灌浆孔间距根据灌浆情况进行调整；固结灌浆在锚喷支护完工后14天以后进行。

施工中采用集中制浆方式制浆，站内配置1台NJ-600型高速搅拌机制浆，1台1m3的低速搅拌桶储浆，1台BW250泥浆泵（或SGB-1中压泵）输浆。输浆管采用φ50钢管沿厂房纵向中心线全程铺设，每隔20m设一个分浆阀，制浆站制供浆能力200L/min。在锚喷段实施固结灌浆不同于在衬砌段进行固结灌浆，我部严格控制灌浆压力，避免发生抬动。

厂房顶拱固结灌浆结完毕后采用检查孔压水试验方式进行质量检查。检查孔的数量大于灌浆孔总数的5%。检查孔钻孔压水试验在该区灌浆结束3～7天后进行，检查孔压水试验采用单点法，压水检查结束后，按灌浆孔要求进行灌浆和封孔。

固结灌浆质量检查主要采用检查孔压水试验方式进行，检查孔的数量不小于灌浆孔总数的5%。经钻孔压水试验检查全部合格。

3.5原型观测

原型观测仪器埋设施工与支护施工同步布置完成。φ110mm仪器孔采用支架式替孔钻造孔，深度为20m。仪器在洞外组装完成，人工运输到施工排架上安装。施工期原型观测频度按设计要求，24小时内1次/8小时；以后每天一次，观测一周；一周后，每周一次，观测半年；半年后每月一次至本工程移交。特殊情况下随时调整观测频次。每月由项目部出一期原型观测月报，并报监理工程师备案。

4.原型观测成果

根据厂房安全监测仪器监测成果2006年11月资料，厂房顶拱锚杆应力计及位移计测值统计结果详见表1，过程线详见图3、4、5、6。

厂房顶拱锚杆应力计最大应力在主厂房上游拱肩0+053.63、标高EL.932.98m的R-31仪器，测值为186.50 MPa，2006年11月10日17時出现；最小应力在主厂房下游拱肩0+053.61、标高EL.933.54的R-33仪器，测值为8.93 MPa，2006年9月20日8时出现。锚杆应力反映了锚杆所受到的拉力，变化的特点是随时间推移而逐渐减少，最后趋于稳定。

厂房多点位移计埋设在顶拱0+054.50、标高EL.934.35的M4-21仪器，最大变形5.75mm，2006年4月30日8时出现；埋设在上游拱肩0+014.50、标高EL.930.55的M4-21仪器，最小变形0.72mm，2005年12月28日8时出现。位移变化的特点是随时间推移而逐渐减少，最后趋于稳定。

5.地下厂房锚喷支护效果

厂房顶拱锚喷支护支护施工质量主要控制指标有锚杆施工质量、喷混凝土施工质量及接触灌浆施工质量等。施工质量控制重点主要落实到原材料、半成品、施工过程及结果等几个方面。严格按照规范及技术标准要求对原材料及半成品进行检测试验控制，并在施工质量月报中反映出各种结果。施工过程中安排专人跟班作业，指导施工。对施工完成的锚杆进行了拉拔试验及无损检测试验；喷混凝土前做好厚度控制标志并进行验收，完成后进行了厚度检测。通过以上措施，厂房顶拱施工质量得到有效保障。

厂房顶拱锚杆支护为关键工序，施工、质检人员对其进行了全过程跟踪监控。成勘院物探中心对顶拱锚杆进行了无损监测。2004年7月21日～8月9日厂房顶拱锚杆进行了第一次无损检测，检测结果为取样124根，其中注浆正常的为78根，注浆不正常的为46根，约占厂房顶拱锚杆总数的15%。为确保厂房顶拱锚杆质量，对（厂横）0+000～（厂横）0+020段进行了第二次无损检测，取样93根，其中优良或合格的共77根，占所测锚杆总数的82.8%。针对以上不合格锚杆，重新进行施工，并全部进行无损检测，最终检测结果全部合格，保证了厂房顶拱的支护质量。

喷混凝土施工前，岩面均进行了认真清理，并通过了业主、设计、监理、施工四方的联合验收。喷混凝土严格按配合比要求拌制，喷层厚度采用预埋厚度标志进行控制。喷混凝土强度现场共取样试验51组，强度合格率100%。

6.结论

柳洪水电站地下厂房顶拱柔性支护设计合理、施工过程全面受控，全部合格，满足设计要求。

经过二年多的观测结果显示，柳洪水电站地下厂房顶拱围岩变形趋于稳定，满足安全运行要求。

将柔性（锚喷）支护技术应用于柳洪水电站地下厂房顶拱永久性支护，是地下厂房支护技术的又一次有益尝试，其应用效果备受各方面关注。工程于2004年6月1日～2004年9月17日施工完成，经过二年多的观测结果显示，柳洪地下厂房顶拱围岩变形逐渐减少，趋于稳定，达到预期效果，满足安全运行要求。实践证明柔性支护在柳洪工程中应用设计合理、施工质量优良，为同类型工程提供了可资借鉴经验。