锁定梁在变质粉砂岩夹碳质板岩洞段开挖中的应用

涂小兵，刘明生，胡建勋，羊樟发

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.中国电建集团水利水电第七工程局有限公司，四川成都，610081）

锁定梁在变质粉砂岩夹碳质板岩洞段开挖中的应用

涂小兵1，刘明生2，胡建勋1，羊樟发1

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.中国电建集团水利水电第七工程局有限公司，四川成都，610081）

杨房沟水电站导流洞的部分洞段位于碳化严重的变质粉砂岩夹碳质板岩洞段中，围岩稳定性差或不稳定。通过科学合理安排洞挖程序、支护型式和支护顺序，并在特定的施工时机和施工部位设置锁定梁和锁腰锚筋束，有效地控制了围岩变形，保证了施工安全，这种技术值得同类工程借鉴。

变质粉砂岩夹碳质板岩；隧洞；变形；锁定梁；锁腰锚筋束

1 工程概况

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，坝址位于雅砻江流域支流杨房沟的汇合口上游约450 m处。控制流域面积8.088万km2，多年平均流量900 m3/s，装机容量1 500 MW。电站由双曲拱坝、左岸引水及地下厂房等组成。

拦河坝采用一次拦断河床、隧洞导流的方式。两条导流洞均布置在右岸，导流洞进口位于年公沟沟口下游台地上，地形平缓，出口位于左岸，地形陡峭。两条导流洞进口高程均为1 985.00 m，出口高程均为1981.00m，采用城门洞型，断面为13m×16m。1号导流洞靠江侧，长716.23 m；2号导流洞靠山侧，长833.56 m。

2 工程地质

导流洞沿线山体陡峻，上覆岩体厚325～375 m，洞线走向由S1.41°E转向S48.55°E。根据开挖揭露的情况，变质粉砂岩洞段局部碳化严重，为Ⅳ类围岩，碳质板岩稳定性差，强～弱风化，层理发育，岩层厚度20～40 cm，局部厚度小于20 cm，产状为N20°E，SE∠50°～70°，岩层走向与洞轴线夹角约15°～20°，岩层走向主要被“两陡一平行”岩层层面切割成小块体，岩体破碎，呈碎裂～块裂结构，围岩稳定性差或不稳定，洞室受层理和节理不利组合影响，开挖后易松弛破坏，边墙及洞顶易出现垮塌。

Ⅳ类围岩的单轴饱和抗压强度为20～50 MPa，变形模量为1～3 GPa，单位弹性抗力系数为15～25 MPa/cm。采用单孔声波检测技术检测，围岩松弛深度在1.6～3.2 m之间，平均波速为3 581 m/s，波速≥3 800 m/s的测点占56.7%，波速≥4 500 m/s的测点占11.4%，其中碳质板岩围岩岩体松弛深度在2.0 m以内，平均波速为1 591 m/s，波速≥3 800 m/s的测点为33.4%，无波速≥4 500 m/s的测点。据二维地应力测试成果，最大水平地应力值为4.32～ 11.24 MPa，最小水平地应力值为3.21～8.70 MPa，平均值7.19 MPa，最大水平主应力方向为N78°W。

3 边墙松弛坍塌破坏形成机制分析

根据开挖揭露的地质条件，变质粉砂岩为薄层结构，其中发育层间剪切带，局部夹碳质板岩，层理走向与洞室轴线小角度相交，高边墙部位易产生内鼓弯折变形，进而导致上部岩体失稳。数值计算结果显示，开挖后的边墙塑性区范围较大，且受碳质板岩夹层切割影响，边墙局部范围易形成松弛型坍塌破坏。假设第II层开挖后未在边墙部位加强支护措施，在第II层开挖完成后，边墙变形增量最大的位置将位于第II层底脚附近。根据监测数据，顶拱层开挖期间，围岩变形量级在-1.31～23.16 mm，边墙的围岩变形量级在-1.09～42.25 mm；在进行第II、III层开挖期间，边墙的围岩变形量级在-0.28～ 78.34 mm（位于2号导流洞0+350 m桩号），虽然部分过大变形与当时开挖爆破参数有关，不能准确反映围岩与开挖之间的关系，但变形增减的趋势是基本吻合的。因此在第III层开挖前，需加强支护措施以约束边墙变形，防止第III层开挖后变形过大而影响边墙稳定。

4 现场采取的主要开挖程序

导流洞的典型开挖尺寸为15.70 m×18.55 m，由于变质粉砂岩洞段为Ⅳ类围岩，参考同类工程，导流洞分三层进行开挖[1]。根据导流洞地应力特征和围岩开挖基本响应特征分析，距掌子面1.0～1.5倍洞径范围内的变形释放可以达到86%，在I、II层全部开挖完成后，系统喷锚支护最多滞后1.0～1.5倍洞径范围，在围岩基本稳定后再开挖第III层。

第Ⅰ层为顶拱层，根据三臂钻机、混凝土喷射台车的机械性能，开挖高度不应低于7.60 m，结合第Ⅱ、Ⅲ层的分层高度，确定第Ⅰ层开挖高度为7.60～8.00 m。考虑到支护方便，在对比分析“中导洞领先掘进、两侧扩挖跟进”以及“半边领先、另侧跟进”等开挖方案后[2]，最终决定采用“全断面、短进尺”的开挖施工方案，一次性完成初期支护，避免扩挖阶段的安全隐患，每一循环不超过2.0 m。第Ⅱ层为梯段爆破开挖层，梯段高度为6.0 m，边墙提前预裂爆破，预裂深度8.45 m，梯段爆破长度3～5 m（岩性接触带、转弯段、进口渐变段等部位采用3 m），中间采用潜孔钻钻竖直爆破孔，分为左、右半洞开挖施工，第二段预裂在第一段开挖基本完成后进行，严格控制预裂缝未支护时间。第Ⅲ层为底板保护层，厚4.95 m（底板抬高50 cm左右钻水平光爆孔，减少底板超挖），采用人工配YT8气腿钻造孔，底板及边墙周边光面爆破，为防止边墙及拱脚变形超过警戒值，分为左、右半洞开挖支护施工。开挖时需紧密结合监测数据，易变形洞段的梯段爆破长度控制在3.0 m，其余部位为5.0 m。第Ⅲ层开挖尽量穿插并紧跟第Ⅱ层开挖进行，为及时进行全断面系统喷锚支护预留充足时间。

5 结合围岩变形监测采取的加强支护措施

在采取常规的支护措施以后，根据监测反馈数据，导流洞开挖期间的顶拱围岩变形值仍达到-1.31～23.16 mm，边墙的围岩变形值达到-1.09～ 42.25 mm，尤其在临近部位爆破期间，局部断面还呈现短暂的增大趋势（部分变形过大数据与爆破振动有关）。为了防止围岩持续变形、确保围岩稳定，在第I、II、III层开挖期间均采取了加强支护的针对性措施，并制定了日变形量不超过2 mm的警戒值。

5.1 第I层开挖期间的加强支护措施

结合导流洞洞身段实际揭露地质条件和左拱肩应力变形数值模型分析结论，综合分析变质粉砂岩洞段碳质板岩条带、层理走向等不利影响，为避免第II、III层开挖期间出现左拱肩变形引起上层顶拱及钢拱架出现失稳情况，现场对左拱肩进行了加强支护。根据变质粉砂岩的性状情况，并经过现场多次的讨论和优化，最终为总长400 m的洞段设置了锁定梁及相应的锚筋束。具体措施是在变质粉砂岩洞段第I层开挖后、第II层开挖之前，对第I层钢拱架下部进行加固并设置锁定梁：在第I层钢拱架的左拱肩以下矮边墙位置钢拱架之间的超挖凹陷处浇筑一条钢筋混凝土梁连接相邻钢拱架，并在每两榀钢拱架部位采用锚筋束固定该锁定梁，见图1。其作用是第II层开挖期间，在第II层钢拱架下接之前确保上部钢拱架整体安全稳固。在实际施工中，为了不影响后续施工，确定锁定梁的厚度为25 cm，高度为70 cm，并靠锚筋束端头受力作为钢拱架及锁定梁的锚固力。

图1 现场浇筑锁定梁Fig.1 Casting of lock beam

锁定梁的作用是将单榀的钢拱架连接为整体，大大改善了钢拱架的受力条件；锚筋束的作用是将锁定梁、钢拱架和围岩紧密地结合为一体，增强了左拱肩部位的支护强度。从现场反馈情况看，在设置了锁定梁的洞段，第II、III层开挖期间左拱肩没有明显变形，而未设置锁定梁的同类围岩附近洞段，左拱肩钢拱架有明显的扭曲变形，局部喷射混凝土有开裂现象，说明锁定梁对控制左拱肩变形有较好作用。

5.2 第Ⅱ层开挖期间的加强支护措施

根据第Ⅱ层开挖后的围岩整体变形和塑性区数值模型的研究结论，变质粉砂岩洞段两侧边墙易产生松弛坍塌破坏，需在第III层开挖前，在第II层脚部增加一定的支护措施，对边墙变形起到一定的约束作用。现场施工过程中，第III层开挖前在距离第Ⅱ层开挖底板以上0.5 m的两侧边墙设置一排锁腰锚筋束，328@2.0 m，L=9.0 m，水平下倾15°，洞段总长为735.19 m。

通过对边墙变形和塑性区范围的对比分析，设置锁腰锚筋束后的边墙变形与塑性区范围均有所减小。结合现场变形监测反馈数据，在边墙设置锁腰锚筋束后，第III层开挖前后的两侧边墙日变形幅度大幅减小，各观测断面的变形值普遍小于0.3～ 0.5 mm，可以认为是稳定状态，说明在边墙设置锁腰锚筋束可有效减小边墙围岩松弛变形，约束效果较好。

5.3 第III层开挖期的控制措施

第III层属于底板预留保护层开挖，厚度为4.95 m，底板抬高50 cm钻水平光爆孔。由于第I层开挖时设置了锁定梁，第Ⅱ层开挖时设置了锁腰锚筋束，根据变形监测数据分析，导流洞的围岩变形已经趋于收敛，在没有较大爆破振动干扰的条件下，围岩是基本稳定的。为了继续维持这种稳定状态，第III层开挖时的关键措施是减少单次开挖进尺的影响范围，并控制好爆破参数。

第Ⅲ层边墙预裂施工同第Ⅱ层一起完成（一次钻孔到距底板2.5 m左右），开挖时的最小排炮进尺控制在3 m以内（主要为岩性接触带、转弯段、进口渐变段等部位），其它普通岩层洞段进尺一般为5 m。开挖时的主爆孔间排距100 cm，底部光爆破孔间距50 cm，光爆层厚70 cm。光爆孔采用ϕ25 mm药卷，间隔不耦合装药，采用竹片绑定药卷的方式，控制周边光爆孔的线装药最小密度150 g/m；其它爆破孔采用ϕ32 mm药卷，连续装药，炸药单耗量为0.41 kg/m3。

第Ⅲ层开挖的实际效果良好，除1号导0+240、2号导0+350等极少数部位边墙和左拱肩在爆破时有较大的变形以外（爆破后2 d内变形收敛），绝大部分洞段均没有再发生变形。

6 结语

由于变质粉砂岩局部洞段碳化严重，围岩稳定性差或不稳定，导流洞开挖后易松弛破坏，边墙及洞顶易垮塌。通过科学合理安排开挖程序、增强局部支护可以达到质量和安全目标。

（1）第I、II层全部开挖完成后，在围岩基本稳定后再开挖第III层。第Ⅰ层采用全断面、短进尺开挖，避免扩挖后的二次支护和支护不及时问题。第III层需采用短进尺，避免已稳定的围岩继续变形。

（2）第I层支护十分关键，钢拱架等顶拱强支护措施必须紧跟开挖掌子面“一炮一支护”完成。全断面的系统喷锚支护最多滞后1.0～1.5倍洞径范围。

（3）在第II层开挖前，在左拱肩部位设置锁定梁，改善单榀钢拱架的受力条件，可以有效控制拱肩变形、混凝土喷层开裂及片帮等问题。

（4）第III层开挖前，在第II层脚部边墙设置锁腰锚筋束可有效减少边墙围岩松弛变形，也有利于第III层开挖时保持围岩稳定。

[1]杜鑫,刘小兵,刘晓辉,等.溪洛渡水电站导流洞开挖施工技术研究[J].四川水利,2009,30(4):10-13.

[2]马志峰.不良地质条件大断面导流洞开挖支护的施工技术[J].西北水电,2008(5):38-40.

Application of lock beam in excavation of tunnel of metamorphic siltstone with carbonaceous slate

TU Xiao-bing,LIU Ming-sheng,HU Jian-xun and YANG Zhang-fa

PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited

Partial section of diversion tunnel of Yangfanggou hydropower station is located in intensely carbonated tunnel of metamorphic siltstone with carbonaceous slate,and surrounding rock has the char⁃acteristic of poor stability or even instability.By scientific and reasonable arrangements of excavation procedure,supporting type and supporting sequence,and the installation of lock beam and waist-lock anchor bar bundle at the specified time and special region,the deformation of surrounding rock is effec⁃tively controlled and the construction safety is guaranteed,worthy reference.

metamorphic siltstone with carbonaceous slate;tunnel;deformation;lock beam;waist-lock anchor bar bundle

TV554

：B

：1671-1092（2017）04-0063-04

2016-07-29；

2016-11-01

涂小兵（1979-），男，湖北武汉人，高级工程师，研究方向为施工组织设计。

作者邮箱：tu_xb@ecidi.com