巴塘水电站强卸荷破碎岩体边坡快速支护施工技术

张 伟 ，张 超 ，王旭辉 ，周一生 ，张 栋

（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.长江生态环保集团有限公司，湖北 武汉 430061；3.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；4.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概况

巴塘水电站位于川藏交界的金沙江干流上，周围崇山峻岭，坝址右岸为西藏昌都芒康县，左岸为四川甘孜巴塘县，坝址距巴塘县以南9 km。电站采用沥青混凝土心墙坝堆石坝、左岸溢洪道、明管引水、地面厂房的枢纽布置格局，总装机容量750 MW，以发电为主，是已获得批复的金沙江上游水电规划的13个梯级电站中第9级电站。

电站枢纽建筑物主要布置在金沙江左岸，地貌为金沙江与巴楚河切割形成的条形山脊，出露的地层岩性为二迭系下统黑云母石英片岩（Sc），局部穿插花岗岩脉等，均为硬质岩类。岩体呈薄层至中厚层状结构或互层状，岩层产状岩为NE10°NW∠80°。受左侧区域性活动断裂“巴塘断裂”及右岸区域断裂“雄松-苏洼龙断裂”的组合切割影响，左岸岩体内构造十分发育，并伴随薄层岩体普遍揉皱现象。风化厚度不大但构造风化明显，卸荷深度较大且存在深部卸荷现象。其中表层为强卸荷带，水平深度一般为20~40 m，卸荷带内结构面多呈张开状，整体松弛，拉张裂缝宽度一般0.001~0.300 m，弱卸荷水平深度一般40~70 m，局部可达150 m以上。根据开挖后揭露的典型地层情况可显示，边坡岩体破碎，裂隙发育成片状夹层，无完整岩石，多被切割成0.1~0.4 m大小不等的块体，对边坡支护施工造成了极大的困难（见图1）。

图1 开挖揭露的地层情况图

1.1 设计情况：

左岸引水发电系统开挖形成的人工高边坡，最大高度约200 m，每 15 m 设1级马道，马道宽度一般为3 m，坡顶2级开挖坡比1:1.5，以下各级开挖坡比均为1:0.8、1:0.6。开挖边坡采用挂网喷混凝土及锚杆、锁口锚索（1 000 kN，长35 m/45 m）+锚筋桩+网格梁的支护形式。其中锚索原设计结构为全粘结式预应力锚索，布设在各级边坡上部的网格梁节点处，分上下2排布置，长度分别为35，45 m，间排距4 m，下倾15°，各级边坡的典型支护剖面见图2。

图2 巴塘水电站引水发电边坡典型支护剖面图 单位：cm

1.2 前期施工存在的问题

工程开工之初采取分级开挖，搭设脚手架，采用锚固钻机施工锚索、锚筋桩，完成后拆除脚手架，再进行挂网喷射混凝土、网格梁、马道种植槽、覆土、排水孔施工。但由于未能正确认识边坡复杂的地质条件，在实施过程中发现了较多问题：

（1）锚杆使用YT28手风钻造孔，无法成孔且卡钻漏风情况严重。调整为自进式锚杆后，虽然可以钻进，但注浆渗漏较严重，无损检测密实度无法达到设计及规范要求。

（2）锚索造孔成孔困难，选用哈迈YXZ-50A、哈迈YXZ-70A型号锚固钻机，使用直钎钻头无法直接成孔。后改用跟管造孔工艺，钻头使用双摆叶偏心跟管钻头，仍然频繁发生卡钻情况，大量锚索孔无法达到设计孔深要求，一次成孔合格率较低。

（3）锚索注浆漏浆、串浆严重，根据二级边坡锚索注浆情况统计，22束锚索单孔平均消耗水泥21.647 t，其中最大一束锚索水泥消耗量达到132.929 t。充分表明边坡裂隙发育较宽，裂隙连通性好。受串浆影响，二级边坡出现数根锚索锚固段进浆管阻塞，无法进行锚固注浆的情况。针对漏浆问题，采取间歇、限流、待凝、灌注砂浆等一系列控制注浆措施，仍然出现锚固段灌注不饱满，无法达到设计注浆压力、闭浆结束标准的情况。

（4）锚索一次张拉合格率低，主要体现在实际伸长值较理论伸长值偏小、锚索普遍存在卸荷情况、锚索拔脱现象。经分析，锚索伸长值的问题主要由于全粘结锚索无PE管包裹，锚固段灌注浆液沿裂隙绕过制浆塞包裹自由段，造成自由段实际长度变短。锚索卸荷由于造孔对锚墩基础周边岩体破坏，承载力下降导致。锚索拔脱是由于锚固段漏浆，注浆不密实造成。

（5）受边坡地质条件影响，锚索造孔、注浆时间较长，完成一级边坡锚索造孔施工大约为1.5个月，完成一级边坡锚索造孔至张拉所有工序大约需要3个月。

1.3 强卸荷破碎岩体边坡快速支护施工改进技术路线

边坡复杂的地质条件是影响支护施工的主要原因，工程技术人员从以下5个方面对支护工艺方法进行了改进[1-4]。

（1）锚杆、锚筋桩施工，采用跟管造孔方法，确保其能成孔下杆，辅以控制性注浆措施，解决注浆成本高的问题。

（2）锚索造孔施工，选用合适的机具、设备，改进锚索造孔工艺，提高锚索成孔率。

（3）调整锚索索体结构，避免串浆影响、漏浆影响；调整锚墩体结构，提高基础承载力。

（4）采取控制性注浆措施，对锚索不同阶段注浆采取不同的控制标准，在确保锚索注浆质量的同时尽量减小锚索的注浆成本，缩短注浆时间。

（5）从施工组织方面入手，减小锚索各道工序占用的直线工期时间，充分利用锚索注浆、锚墩混凝土待强时间。

2 边坡快速支护施工技术

2.1 边坡快速支护工艺

2.1.1 工艺原理

（1）快速开挖支护按照“下台阶远边坡减量瘦身，近边坡预裂爆破和机械开挖相结合，分层出渣，素喷封闭，随层支护、系统跟进、滚动流水作业，中台阶锚墩、挂网喷混、锚索待强张拉、网格梁依次实施，上台阶马道种植槽、覆土、排水孔收尾，三台阶同步实施”的原则施工。

（2）利用移动履带式钻造孔效率高、移动方便的特点，每台履带钻可同时负责3~5个锚索孔施工，利用锚索固壁待强时间，穿插锚杆施工作业，大幅度提高系统支护、锚索造孔功效，大大缩短了分层开挖支护的时间，同时节省了搭设脚手架时间和挪移钻机的时间[1-2]。

（3）锚索施工工序繁多，周期较长，上中下三台阶同步施工、流水作业，有效减少锚索注浆、锚墩混凝土待强、锚索张拉所占用的直线工期。

（4）设置集中空压站，将同型号类别的空压机联通至空压罐，再由送风管路以及软管供至各造孔设备。

（5）设置集中制浆站，灌注净浆直接从制浆站供浆，砂浆由于浓度大，管路过长容易堵管，采取由集中制浆站制拌水泥浆，输送至临近工作面附近的砂浆搅拌机现场掺砂，搅匀后再通过砂浆泵灌注至锚杆、锚筋桩、锚索孔内。

图3 快速支护工艺流程示意图

2.1.2 注意事项

（1）现场根据岩石情况确定是否需要进行预裂爆破、梯段爆破，然后在边坡外围进行瘦身开挖，消减边坡石方开挖量。

（2）分层开挖支护按照70~120 m分区，分层高度3~4 m，顶宽不小于10 m作业面宽度，确保能够布置履带式钻机、吊车、天泵等施工设备，施工材料能及时运送至各工作部位，按1:1临时坡比放坡。

（3）为确保边坡支护施工时的安全稳定，防止边坡分化、松散碎裂石渣塌滑，每层开挖完清理坡面浮渣后立即进行素喷封闭，素喷混凝土厚度0.05 m。

（4）HM90A履带式钻机在分层开挖平台施工锚杆、锚筋桩、锚索孔，孔位验收合格后下杆、下索，注浆作业紧随其后。

（5）边坡锚索锚固段注浆、系统支护完成后，在坡面搭设简易施工平台，对锚墩基础进行处理，可采用细石混凝土或水泥砂浆填补，再进行锚墩施工，并预留与网格梁的连接筋。

（6）锚墩浇筑完成后，在边坡上现编钢筋网Φ8 mm@20 cm×20 cm，喷射混凝土喷至设计厚度，再进行网格梁的施工。

（7）锚墩浇筑完成，达到龄期后立即组织进行张拉，确保边坡能够尽早持加预应力。锚墩混凝土可采用高标号混凝土，缩短锚索待强张拉时间。

（8）边坡支护项目全部完成后，最后进行马道种植槽、覆土和排水孔施工。

（9）混凝土采用47 m臂长的天泵浇筑，边坡施工所需的钢筋、模板、种植土等采用25 t吊车吊运至各级马道平台，手推车、人工运输至作业部位。

2.2 锚索施工工艺

2.2.1 工艺流程

针对强卸荷破碎岩体散、硬、漏、夹的地质特点，根据前期积累的施工经验，并借鉴类似工程的锚索施工经验，工程技术人员对锚索施工工艺进行诸多改进，形成了一套较为完备的碎裂边坡锚索施工工艺（见图4）。

图4 锚索施工工艺流程图

2.2.2 造孔工艺方法及机具选择

采用跟管+固壁+预注浆的造孔工艺，表层强卸荷松散体，跟管成孔，跟管深度超过20 m后根据岩体情况确定跟管终孔深度，遇到断层要将断层穿过，钻进至较为坚硬的岩体结束。造孔使用90A履带式钻机，钻具选择Φ150偏心钻头+Φ147厚10 mm跟管，跟管材质为P110级钢，丝扣经淬火处理，以提高跟管的抗拉强度。跟管造孔结束后改用直钎钻头，钻头Φ127[5]。

2.2.3 锚索结构的调整

为应对碎裂地层，借鉴全粘结锚索结构，对无粘结预应力锚索结构进行改进（见图5），具体如下[6]：

图5 锚索结构示意图 单位：cm

（1）在锚固段设置一进一回2个注浆管，锚固段注浆管深入至距离孔底0.3 m，锚固段回浆管布置在锚固段与张拉段分界位置以内0.5 m。设置回浆管主要用来检查锚固段注浆密实情况，同时兼做补灌灌浆管。进浆管在锚固段范围内开1 m间距的花孔，便于浆液的扩散。

（2）在锚固段与自由段分界位置处设置止浆包，止浆包前后端处用棉絮包裹缠紧每根钢绞线、进（回）浆管，外包土工布并绑扎紧密，一次进浆管开设2个小口，锚固段注浆时能将止浆包先填充密实，阻断锚固段浆液继续上升。

（3）锚索张拉段包裹土工布，主要目的是防止浆液四处扩散，减小注浆量。

（4）张拉段设置一进一回2个注浆管，进浆管深入至止浆包位置处，进浆管开花孔，2 m间距；孔口设回浆管，用来排气和自由端补注浆。

2.2.4 操作要点

（1）根据孔壁塌孔情况确定直钎钻头的循环进尺深度，一般控制在2~5 m，拔出钻头后用砂浆进行固壁。尽量灌注流动度低砂浆，如吃浆量大，掺加一定的速凝剂，砂浆掺加早强剂缩短待强时间，扫孔后孔壁不坍塌即可进行下一循环，直至设计深度。

（2）注意造孔斜挠度控制，根据钻进岩石的软弱程度调整钻进速度，一般软弱岩石采用中低速钻进，坚硬岩石采用中高速钻进[7]。

（3）造孔至设计孔深后对锚固段进行孔内摄像，根据孔壁裂隙发育情况确定是否需要进行预注浆。如需要预注浆则下注浆塞对锚固段进行预注浆，重新扫孔后下锚索，并按照设计注浆压力要求结束。

（4）锚固段注浆，采用水泥浆进行灌注，28 d抗压强度不低于35 MPa，7 d届时强度应不低于30 MPa。浆液中应掺入一定量的膨胀剂和早强剂，不得掺加速凝剂、水玻璃等任何有腐蚀作用的外加剂[8-9]。

（5）张拉段注浆：采用水泥砂浆灌注，28 d抗压强度不低于30 MPa，孔口返浆结束。

（6）锚墩施工：由于边坡岩体较为破碎，造孔、拔管过程中对锚墩基础破坏较严重，张拉时锚墩沉陷情况较为严重。采取增大锚墩尺寸，孔口基面浇筑砂浆或混凝土提高基岩承载力的措施。

（7）孔口封闭注浆：孔口钢绞线应去皮、去油，孔口封闭注浆采用与锚固段同标号水泥净浆灌注，注浆要密实，确保封闭浆体能与夹片协同受力，增加锚固力的耐久性。

2.3 锚杆、锚筋桩施工重点注意事项

（1）锚杆造孔使用90A履带式钻机，Φ115偏心钻头+108厚6 mm跟管，成孔115 mm。

（2）锚筋桩造孔90A履带式钻机，Φ127偏心钻头+125厚6 mm跟管，成孔125 mm。

（3）锚杆、锚筋桩均按照先插杆后注浆的方式进行施工，杆体绑扎D=10 mm，厚3 mmPVC注浆管，中间开设花孔，间距1.5 m，便于灌注水泥砂浆向周边岩体扩散。

（4）拔管器为四川拓力60 t，基岩面较为破碎时，用钢垫板、垫木等将拔管机架平、架实，确保拔管器拉拔力与跟管方向一致。

（5）锚杆、锚筋桩插杆后应及时进行注浆，确保边坡安全稳定。

（6）注浆浆液为水泥砂浆，尽量选择流动度小的砂浆，减小浆液的扩散范围，降低耗灰量。

2.4 挂网喷射混凝土重点注意事项

（1）钢筋网应与系统锚杆用铅丝连接固定，紧贴岩面。

（2）喷射前用风枪将岩面浮渣吹净，设置厚度标尺。

（3）喷射混凝土自下而上，喷射距离控制在1 m左右。

（4）喷射混凝土终凝后，应喷水养护，养护时间不得少于14 d。

3 工艺方法应用效果

巴塘水电站左岸边坡高差达200多米，仅锚索就2 300余根，支护工程量巨大。施工初期由于对工程地质条件认识不足，采用传统分级开挖，搭设脚手架支护施工的方法，边坡开挖支护进展极其缓慢。经过工程技术人员不断尝试、创新、优化调整，形成“下台阶远边坡减量瘦身，近边预裂爆破和机械开挖相结合，分层出渣，素喷封闭，随层支护、系统跟进、滚动流水作业，中台阶锚墩、挂网喷混、锚索待强张拉、网格梁依次实施，上台阶马道种植槽、覆土、排水孔收尾”的三台阶同步快速施工工法，形成了三台阶同步实施，互不干扰的施工作业局面。每级边坡支护下挖时间从2.5个月缩短到1个月，应用效果明显。

4 结 语

本工艺有效克服了强卸荷破碎岩体散、硬、漏、夹的地质特点，解决了锚杆注浆不密实，造孔塌孔、钻具磨损、卡钻、漏浆、串浆、张拉松弛卸荷等问题，加快了边坡开挖支护进度。通过实践，得出以下结论：

（1）采用跟管成孔方法施工水泥砂浆锚杆、锚筋桩，杆体上安装PVC管开花孔，注水泥砂浆，可以有效保证锚杆、锚筋桩的施工质量，同时对周边岩壁起到固结作用。自进式锚杆在碎裂岩体边坡应用时用注浆密实度较差，不适用于永久边坡支护。

（2）采用“跟管+固壁+预注浆”的造孔施工工艺可以较好地适应强卸荷破碎岩体锚索造孔工作，该方法同时克服固壁灌浆循环进尺周期时间长、费用高以及全跟管造孔卡钻、钻具、管靴磨损严重，废孔率高的工艺缺点，在保证工期的同时节省了施工费用。

（3）移动履带式钻机具有造孔效率高、移动方便、动力强的特点，该设备大幅提高了系统支护、锚索造孔功效，极大缩短分层开挖支护的时间。该方法还省去费时费力的脚手架搭设工作，降低安全作业风险，是以后边坡支护的发展方向。

（4）针对强卸荷破碎岩体特点对锚索结构进行调整，通过注浆管、制浆包的改进，较好地克服了不利地质条件。对锚索不同注浆部位、注浆阶段采取不同的注浆控制策略，在保证注浆质量的同时，减少注浆材料消耗[10]。

（5）对锚固段基础进行处理，采取浇筑垫层、增大锚墩尺寸2项措施，克服锚墩基础承载力不足、张拉沉陷的问题，效果明显。