高地应力条件下巨型水电站地下厂房机坑开挖支护施工技术

韩 进 奇，曾 强，薛 本 垚

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

水电站地下厂房机坑开挖具有工程量大、技术难度高、不可预见因素多等特点[1]。传统的厂房机坑开挖普遍采用的是先施工开挖区周围锁口锚杆、后进行机坑分区开挖的施工工艺，该工艺对地应力较低的地下厂房机坑开挖具有很好的成型效果；但针对高地应力和玄武岩不利地质构造共同作用的巨型水电站地下厂房机坑开挖施工，其厂房前期开挖时围岩变形较大，挖空率高，在机坑进一步下挖过程中机坑间隔墩卸荷松弛加剧，故采用传统施工工艺开挖机坑成型效果不理想，安全风险高。

白鹤滩水电站左岸地下厂房布置在拱坝上游山体内，主要包括主副厂房、主变室及母线洞等洞室群。洞室水平埋深800～1 050 m，垂直埋深260～330 m，埋深大、地应力高，厂房区地应力量值达22 MPa左右，实测局部最大值为34 MPa。

主副厂房洞和主变洞平行布置，洞室轴线方向为N20°E，采用8条母线洞与主变洞连通。主副厂房按“一”字型布置，从南到北依次布置副厂房(长32 m)、辅助安装场(长22.5 m)、机组段(长304 m，机组间距为38 m)和安装场(长79.5 m)，总长度为438 m，最大高度为88.7 m(厂房顶拱高程为624.6 m，底板高程为535.9 m)，岩壁吊车梁以上宽34 m，以下为31 m。厂房顶拱布置厂顶南、北侧交通洞作为厂房上层对外的联系通道，安装场布置进厂交通洞，辅助安装场布置进厂交通洞南侧支洞作为厂房中下层对外的联系通道。厂房机坑部位的开挖高度为27 m(高程535.9～562.9 m)，上部与8条引水隧洞下平段连通，下部与8条尾水扩散段连通，尾水扩散段位于母线洞正下方。

左岸厂房围岩主要由P2β23和P2β31层新鲜隐晶质玄武岩、斜斑玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩等组成，以Ⅲ1类、Ⅱ类围岩为主。斜切边墙底部的P2β24层凝灰岩及其中的层间错动带C2岩性软弱，易产生一定程度的塑性变形和剪切变形。P2β23第二类柱状节理玄武岩分布在⑤～⑧号机坑，①～④号机坑有C2层间错动带穿过。层间错动带C2及柱状节理裂隙等复杂地质条件与结构面切割后形成的不稳定块体易发生塌方和掉块。

2 重难点问题分析

白鹤滩水电站左岸地下厂房洞室规模巨大，其长度、跨度、边墙高度尺寸均居世界前列，在高地应力条件下厂房开挖过程中应力调整剧烈，围岩稳定问题突出。厂房机坑开挖过程中，确保机坑间隔墩及下游岩桥的完整性对降低厂房边墙高度、限制应力调整、减小厂房边墙变形、保证厂房高边墙围岩稳定具有重要作用。笔者根据对厂房机坑的结构特点、通道特性、施工机械设备性能、地质条件等进行综合分析得知厂房机坑开挖的重难点问题为：

(1)保证隔墩和下游岩桥成型，最大程度地利用其支撑作用保证围岩稳定。厂房机坑结构复杂，埋深大、地应力高，C2错动带穿过①～④号机坑，⑤～⑧号机坑发育第二类柱状节理玄武岩，不利的地质条件给机坑隔墩及下游岩桥的成型带来了极大的困难。厂房机坑隔墩及下游岩桥是减小厂房下部挖空率、增强对高边墙支撑作用的关键结构，因此，保证其开挖体型完整，减小围岩松弛深度是机坑开挖的关键。

(2)加强爆破控制，减小爆破振动影响。机坑开挖过程中将与其下部的尾水扩散段贯通，洞室挖空率将进一步增大，洞室群效应增大，应力调整剧烈，加之机坑部位地质条件复杂，导致高边墙变形控制难度增大。因此，需要加强爆破控制以减小爆破振动对高边墙变形的影响。

(3)创造快速支护条件。根据对厂房机坑结构特点进行分析得知：厂房机坑无大型设备施工通道，大型支护设备无法进入机坑进行支护施工；同时，由于在厂房开挖支护结束前围岩变形尚未收敛，而设计要求厂房桥机轨道安装在岩体变形基本稳定后实施，以至于机坑开挖期间厂房桥机尚未安装，无法利用桥机吊运大型支护设备下井实施支护。而玄武岩快速松弛的特点又需要逐层开挖、逐层快速支护封闭围岩，因此，这一矛盾的解决是减小机坑开挖期间高边墙围岩变形的关键。

3 控制措施

3.1 隔墩及下游岩桥成型控制措施

3.1.1 隔墩及下游岩桥预支护加固

厂房机坑上一层开挖结束后，在高地应力作用下机坑隔墩及下游岩桥易卸荷松弛，且机坑隔墩发育层间错动带及断层等不利地质结构面，为保证隔墩及下游岩桥开挖成型，提前对厂房机坑隔墩及下游岩桥进行了预支护加固，机坑岩体预支护措施主要包括：沉头锚杆、锁口锚杆、盖重混凝土、锁口预应力锚索。预支护加固在厂房机坑隔墩开挖前施工完成。

(1)沉头锚杆施工。沉头锚杆施工时机为机坑顶部上一层开挖前，沉头锚杆垂直机坑隔墩和下游岩桥布置，其作用是对机坑隔墩及岩桥进行预支护，避免在高地应力作用下厂房机坑顶部上一层开挖后隔墩及下游岩桥顶面产生较大的卸荷松弛，保证隔墩及下游岩桥成型。沉头锚杆参数为Φ28，L=4.5 m@1.2 m×1.8 m，采用ROC-D7液压钻钻孔，钻孔深度为机坑顶部上一层层高与沉头锚杆长度之和，顶部高程与隔墩及下游岩桥顶面设计高程562.9 m一致，采用“先注浆，后插杆”施工工艺。

(2)锁口锚杆施工。厂房机坑顶部上一层底部采用光面爆破开挖以保证机坑顶部岩体不产生大量的爆破裂隙，最大程度地保证机坑顶部岩体的完整性，确保机坑隔墩及下游岩桥成型。

机坑顶部上一层开挖完成后，立即进行机坑隔墩及下游岩桥锁口锚杆施工，对隔墩及下游岩桥进行加强支护，锁口锚杆沿机坑隔墩和下游岩桥周边垂直于岩面布置两排。锁口锚杆参数为Φ32，L=6 m，间距1 m，外露设计开挖线0.4 m，采用ROC-D7液压钻钻孔，采用“先注浆，后插杆”施工工艺。厂房隔墩周边的沉头锚杆和锁口锚杆交错布置。

(3)盖重混凝土施工。厂房机坑顶部上一层开挖完成后，机坑隔墩及下游岩桥顶面长期裸露在空气中，为防止隔墩及下游岩桥在后续机坑开挖支护过程中卸荷松弛，在顶部增加了50 cm厚盖重混凝土进行封闭，混凝土浇筑顶高程为563.4 m。为保证盖重混凝土与机坑隔墩及下游岩桥形成整体受力，保持整体稳定，盖重混凝土施工前，在厂房机坑隔墩及下游岩桥顶部增加插筋施工，插筋参数为Φ32，L=6 m@ 1.2 m×1.8 m，外露设计开挖线0.1 m，端部弯折0.6 m，采用ROC-D7液压钻造孔，采用“先注浆，后插杆”施工工艺。盖重混凝土为C30钢筋混凝土，顶部布置一层Φ25@20 cm钢筋网。盖重混凝土浇筑过程中，在厂房隔墩顶部锁口锚索位置预留70 cm×70 cm位置，为后期锁口锚索施工创造条件。

(4)锁口预应力锚索施工。为增加机坑隔墩岩体的整体刚度，在隔墩顶部设置了竖向锁口预应力锚索支护。竖向预应力锚索为有黏结预应力锚索，T=2 000 kN，L=20 m@3.6 m×3.6 m，锚索钻孔采用HM70A履带钻机，孔径为165 mm，锚索钻孔及下索在盖重混凝土施工前完成。盖重混凝土施工期间，为防止污水、石渣流入锚索孔，锚索孔用外径159 mm、长40 cm的钢管进行保护，外部预留张拉束体。锚索张拉在盖重混凝土达到设计强度后进行。锚索张拉完成后，对锚头部位采用与盖重混凝土同标号混凝土回填封堵至盖重混凝土顶高程563.4 m。

3.1.2 机坑下游岩桥的加强支护

随着厂房机坑下挖，机坑下游岩桥附近的挖空率进一步增大，洞室群效应增大。为提高机坑下游岩桥围岩的整体性，保证下游岩桥开挖成型，在机坑下游岩桥高程599.4 m处新增了一排有黏结预应力锚索T=2 500 kN，L=25 m，用于加强支护。

3.2 控制爆破措施

3.2.1 开挖方案的选择

左岸厂房机坑开挖高度为27 m(高程535.9～562.9 m)，根据厂房机坑的结构特点、施工机械设备性能并兼顾支护施工等，厂房机坑采用中部拉槽、周边预留保护层、分薄层、小块开挖。厂房机坑自上而下共分Ⅷ～Ⅹ三大层，其中第Ⅷ层分三层7区开挖，第Ⅸ层分两小层开挖，第Ⅹ层为机坑底板保护层开挖。通过薄层分区，分序开挖以减小单次爆破规模，控制爆破振动对围岩的影响，最大限度地保证了机坑体型完整。厂房机坑分层分区方案如图1所示。

(1)减薄层开挖。减薄层开挖包括第Ⅷ-1和Ⅷ-2区开挖，分层高度为5.5 m(高程557.4～562.9 m)。减薄层开挖的目的是减小后期机坑一次性贯穿高度，控制爆破规模以达到减小围岩变形的目的。减薄层开挖利用引水下平段和厂房上游侧操作廊道作为施工通道直接进入各机组段机坑部位进行开挖支护施工。减薄层分2序开挖：Ⅰ序施工为厂房上游侧操作廊道开挖，Ⅱ序施工为厂房下游侧机坑减薄开挖，采用中部拉槽、两侧预留保护层的开挖方式。为保证机坑开挖成型的质量，对机坑周边结构面采用密孔距预裂爆破开挖，预裂孔采用样架导向，QZJ100B潜孔钻造孔，孔距60 cm，线装药密度为510 g/m。

(2)井挖段开挖。厂房机坑井挖段开挖包括Ⅷ-3～Ⅷ-7区开挖，为机坑与下部装渣导洞贯穿开挖，分层高度为7.7 m(高程549.7～557.4 m)，主要采用竖向分层、平面分区的方式进行开挖，包括溜渣井开挖和溜渣井扩挖。

厂房机坑贯通前，需要完成下部装渣导洞的开挖，装渣导洞为8 m×8.8 m标准城门洞型，随尾水扩散段开挖一起施工完成。装渣导洞的开挖以超过机组中心线4.5 m为宜(超过井挖段一次扩挖区域)。

井挖段的开挖：首先进行Φ3 m溜渣井(Ⅷ-3区)开挖，溜渣井分Φ1 m导井和溜渣井扩挖2序施工。Ⅰ序开挖在机组中心线附近采用ROC-D7液压钻从高程557.4 m向下垂直造孔至装渣导洞，孔距50 cm左右，乳化炸药采用铅丝固定，导爆索传爆，孔底用编织袋封堵，采用“直孔掏槽”和“提药法”自下而上分三段开挖[2～4]，形成Φ1 m导洞。Ⅰ序导井形成后，启动Ⅱ序造孔施工，Ⅱ序孔孔距75 cm左右，底部预留30 cm左右的岩体，采用非电雷管传爆，一次爆破形成Φ3 m溜渣井。

图1 厂房机坑开挖分层分区典型断面图

Φ3 m溜渣井形成后，进行导井一次扩挖(Ⅷ-4区)，同时启动溜渣井下游侧二次扩挖区(Ⅷ-5区)的造孔施工。溜渣井一次扩挖宽度与下部装渣导洞宽度一致(8 m)，分上下游两次扩挖完成，单次扩挖长度不大于4.5 m(装渣导洞超过机组中心线距离)。溜渣井一次扩挖及下游侧二次扩挖(宽8 m)采用ROC-D7液压钻造孔，下游侧结构面环向预裂孔分别采用QZJ100B潜孔钻自上而下造孔和多臂钻自下而上造孔(装渣导洞开挖时提前造孔完成)。溜渣井一次扩挖和下游侧二次扩挖完成后，采用炮渣垫渣作为施工平台进行厂房下游侧的边墙支护施工。

厂房下游侧边墙支护施工完成后，进行厂房上游和两侧边墙的二次扩挖(机坑周围保护层开挖)施工，该部分分上下两层施工(Ⅷ-6区和Ⅷ-7区)，平面上分中区、上区、下区3区开挖，结构边线采用QZJ100B潜孔钻造孔，样架导向，预裂爆破，其余炮孔采用YT-28手风钻钻垂直孔，小药量爆破，按照中区→上区→下区的顺序逐步扩挖，每小层开挖完成后随层支护，支护完成后进行下一层施工。

(3)井挖段下层施工。井挖段下层包括Ⅸ-1区、Ⅸ-2区和Ⅹ区开挖。Ⅸ-1区已提前完成装渣导洞开挖，仅剩厂房上游侧和两侧保护层开挖，Ⅹ区为建基面保护层开挖。该部分开挖从上向下分层进行，随层支护，炮孔采用YT-28手风钻造水平孔，结构边线光面爆破开挖。

3.2.2 爆破振动控制

厂房机坑开挖前，对机坑上层爆破振动监测实测数据进行了整理，将实测振速值V(cm/s)及相应爆心距R(m)和单响药量Q(kg)进行了统计，按照前苏联M.A萨道夫斯基经验关系式进行了回归计算[5]，得到以下峰值质点振动速度衰减传播规律[6，7]：①水平径向质点振动速度V=54.74(Q1/3/R)1.65；②水平切向质点振动速度V=87.82(Q1/3/R)1.93；③竖直向质点振动速度V=93.72(Q1/3/R)2.14。由于厂房机坑上层开挖工作面距离厂房机坑开挖区较近，地质条件与厂房机坑地质条件较为接近，因此，机坑上层爆破振动监测实测数据具有很好的代表性。将上述峰值质点振动速度衰减传播规律作为厂房机坑开挖允许单响药量的计算依据，并根据技术控制指标(R=10 m，V≤7 cm/s)计算出机坑开挖最大单响药量为19.6 1kg(初步设计值)。厂房机坑开挖过程中，按照单次爆破总装药量不超过200 kg、最大单响药量18.2 kg控制，爆破振动监测45次，实测最大质点振动速度为6.654 cm/s，满足设计控制指标≤7 cm/s的要求，同时，厂房机坑成型效果理想。

3.3 机坑快速支护控制措施

厂房机坑支护包括表层支护、浅层支护和深层支护，不同部位、不同地质洞段采用不同的支护组合方式。表层支护为：初喷纳米混凝土12 cm、Φ8@15 cm×15 cm挂网钢筋和Φ16@1.2 m×1.2 m龙骨筋；喷混凝土施工井挖段采用喷射机，其余部位采用湿喷台车；挂网钢筋和龙骨筋采用吊车平台或施工排架。浅层支护为：普通砂浆锚杆Φ32，L=6/9 m和预应力锚杆Φ32，L=6/9 m，T=100 kN；锚杆施工井挖段采用ROC-D7液压钻造孔，其余部位采用多臂钻钻孔；砂浆锚杆采用“先注浆、后插杆”工艺，预应力锚杆采用“先张法”施工工艺。深层支护为预应力锚索施工，包括上下游边墙、端墙部位端头锚索(T=2 500 kN,L=25 m)和机组间对穿锚索(T=2 000 kN,L=18 m)，锚索钻孔采用HM70A履带钻机，孔径为165 mm。为缩短锚索张拉等强时间，实现锚索快速支护，创新采用了新型材料——KD-18细石混凝土及压浆剂。

厂房机坑采取“薄层开挖，随层快速支护”和“由表及深”的支护原则。同时，为给机坑创造快速支护条件，采取了以下措施快速封闭裸露的岩体，解决了玄武岩快速松弛的问题。

(1)厂房机坑高程557.4 m以上部位减薄层开挖支护期间，利用上游操作廊道沟槽形成通道，保证了大型支护设备进入工作面实施快速支护。

(2)厂房机坑高程557.4 m以下部位井挖段开挖支护期间，无法利用上游操作廊道形成的通道，通过在操作廊道沟槽布置钢栈桥，将引水下平洞与厂房机坑隔墩顶部联通，使吊车能行驶至机坑隔墩上部，再利用吊车将喷射机、液压钻、锚索钻机吊入井内进行快速支护。

(3)厂房机坑高程557.4 m以下部位井挖段下层开挖支护期间，利用尾水扩散段作为施工通道，保证了大型支护设备进入工作面进行快速支护。

4 实施效果

白鹤滩水电站左岸厂房机坑于2017年8月初启动开挖，2018年5月底开挖结束，历时10个月，按期完成了厂房机坑开挖支护施工，为后续厂房混凝土浇筑争取了时间。厂房机坑采用“预支护+分薄层、小块开挖+快速支护”的施工方法，机坑隔墩及下游岩桥体型保留完整，围岩变形增量最大不超过2 mm，得到了业主、监理的一致好评。

5 结 语

白鹤滩水电站左岸厂房机坑部位属高地应力条件区域，地质结构复杂且发育层间错动带等不利地质构造。通过在厂房机坑下挖前对隔墩进行沉头锚杆+锁口锚杆+盖重混凝土+锁口预应力锚索组合等多重预支护措施进行加固，保证了厂房机坑隔墩开挖成型和稳定；对厂房机坑采用中部拉槽，周边预留保护，分薄层、小块开挖，合理组织开挖顺序，减小爆破规模和快速对开挖结构面进行支护施工，有利于机坑的开挖成型，保证了机坑的稳定性和安全性。白鹤滩水电站左岸厂房机坑开挖成型效果理想，其成功经验对其他类似工程施工具有推广和借鉴作用。