周長興 張 捷 趙朝霞 張萬祝

(1.北京交通大學 北京 100044;2.北京水電勘測設計研究院 北京 100024)

1 概述

西龍池抽水蓄能電站位于山西省五臺縣境內,裝機容量4×300MW,額定發(fā)電水頭640m,為一等、大 (1)型工程。廠房位于下水庫庫尾左岸呈“鼻梁”狀的山體中,廠區(qū)地層為寒武系張夏組、崮山組下段的灰?guī)r巖層,依巖性不同劃分為泥質鮞狀灰?guī)r、泥質條帶狀灰?guī)r、泥質柱狀灰?guī)r、鈣質石英粉砂巖,巖體結構以互層狀和薄層狀為主、紋理發(fā)育,巖層產(chǎn)狀 NW290°～ 340°NE∠4°～ 10°。廠房洞室群位于F112和F118斷層之間相對較完整的巖體內,其上覆巖體厚度170～330m,圍巖以Ⅲb～Ⅲa類為主,頂拱圍巖的穩(wěn)定是工程的關鍵技術問題之一。

2 廠房位置與軸線確定

(1)廠房位置確定。

在滿足樞紐總體布置的條件下,地下廠房位置確定主要圍繞洞室圍巖穩(wěn)定展開工作,主要考慮避開地質斷裂等不利構造的影響。前期勘探查清了廠區(qū)地質構造及發(fā)育規(guī)律,工程區(qū)規(guī)模較大的主干斷層為F118、F112,其對地下廠房部位的斷裂發(fā)育起著控制作用,廠區(qū)次一級的斷層、張性斷裂帶較為發(fā)育,大部分表現(xiàn)為張扭性,張性斷層帶P5及裂隙密集帶J7、J8規(guī)模相對較大。廠房位置確定的原則是:避開F118、F112、P5破碎帶等地質構造發(fā)育區(qū)域;使廠房頂拱盡可能多地位于厚層巖層中。主體工程開工前結合地下廠房模型試驗,探洞貫通廠房軸線且穿過F118、F112斷層,進一步驗證了廠房洞室位于F118、F112之間相對完整的巖塊內。施工開挖揭露的地質情況基本與設計預測的一致,F112位于廠房左端墻外8.0～25.0m,其在崮山組巖層底部尖滅或在鉛直面上呈雁行斜列展布,在廠房頂拱及距左端墻50m的范圍內沒有出露;F118斷層位于廠房西側外,距廠房右端墻42.0～55.0m;廠房部位圍巖相對完整。

(2)廠房縱軸線方向確定。

廠房縱軸線應盡可能與廠區(qū)主要斷層、裂隙等地質構造的走向成較大的夾角;縱軸線應盡可能地平行于初始地應力的最大主應力方向或與其成較小夾角。

根據(jù)廠區(qū)裂隙玫瑰圖及實測的三維地應力成果,在滿足洞室穩(wěn)定和樞紐總布置要求的前提下,廠房軸線方向確定為NW280°。理由如下:

①F118、F112、P5等主要斷層及破碎帶與廠房縱軸線夾角均大于45°。

②主要裂隙組方向為NE30°～50°,次要裂隙組方向為 NE50°～ 30°、 NE50°～ 60°、 NW330°～ 360°。廠房縱軸線與主裂隙組方向夾角為50°～70°,與次裂隙組方向夾角均大于40°。

③軸線選擇以地質構造為主,兼顧地應力等因素。工程區(qū)屬中等應力場,最大水平主應力方向為近NE50°,與廠房縱軸線夾角約為50°。

推薦的廠房軸線 (NW280°),在廠房施工開挖過程中未出現(xiàn)在前期地質探洞中出現(xiàn)的 “片幫”及大的超挖等現(xiàn)象,廠房監(jiān)測資料均在合理范圍內,廠房軸線選擇是合適的。

3 安裝場位于廠房中部方案的確定

廠區(qū)圍巖以Ⅲb～Ⅲa類巖石為主,一般最大水平主應力為12MPa,其與圍巖飽和抗壓強度之比為1︰3.33～5,洞室圍巖穩(wěn)定是該工程的關鍵技術問題。為此,對廠房安裝場位置進行論證。

(1)圍巖穩(wěn)定。

據(jù)工程經(jīng)驗,在類似工程地質條件下,安裝場一般位于廠房中間,主要是有利于洞室圍巖穩(wěn)定。

理論分析也證明安裝場位于廠房中部可有效改善廠房圍巖的應力、變位、松弛區(qū)范圍等條件。根據(jù)計算分析,該工程安裝場位于廠房中部有效地改善了洞室圍巖的應力和變位,減少了洞周塑性區(qū)的范圍。

(2)施工條件。

中、端部安裝場方案的主要區(qū)別是主廠房Ⅴ～Ⅵ層開挖支護施工通道,中部方案對Ⅴ～Ⅵ層的施工通道和施工方法有一定影響,但采用豎井溜渣、結合機電設備布置安裝場下可設通道同樣可以滿足,對開挖分層、步序、工期均無影響。兩方案廠房輪廓尺寸相當,安裝場位于中部方便機組安裝和檢修吊運,據(jù)此確定該方案。

開挖揭示廠區(qū)地質條件同前期勘測預測,圍巖條件較復雜。采用中部安裝場方案后,實測廠房上、下游邊墻最大位移相對較小,錨桿等支護設施應力均在合理范圍內,實踐證明安裝場位于中部符合西龍池工程的實際情況。

4 地下廠房頂拱開挖、支護方案的確定

在水平薄層圍巖中建造地下廠房,由于薄層巖石紋理極發(fā)育,飽和抗拉強度介于0.1～0.4MPa之間,頂拱圍巖穩(wěn)定問題較為突出。施工開挖引起洞周應力重分布,且?guī)r層間結合力差,易沿層間結合面脫開,產(chǎn)生彎曲、折斷,進而向深層發(fā)展,形成塌落體、塌方,曾經(jīng)在2m×2m地質勘探洞開挖時就出現(xiàn)過頂拱塌落現(xiàn)象。

(1)開挖支護方案。

根據(jù)工程經(jīng)驗及相關理論分析,水平薄層圍巖中頂拱支護方案應防止圍巖層間脫開,以充分利用圍巖本身的作用。頂拱支護方案是:20cm厚的噴鋼纖維混凝土,局部設噴混凝土肋拱;系統(tǒng)預應力錨桿,錨桿規(guī)格Ф32,間排距1.5m×1.5m,長度4.8m和7.2m;系統(tǒng)錨索,頂拱布置7排,4排為1600k N內錨錨索,3排2000k N為對穿錨索,行、排距為4.5m。

廠房共設四個系統(tǒng)監(jiān)測斷面,根據(jù)地質條件的變化增設5個頂拱隨機監(jiān)測斷面,主要監(jiān)測儀器借助周邊排水廊道、錨洞采用預埋方式,即在主洞室開挖前埋設完成。獲得比較真實的監(jiān)測資料,根據(jù)監(jiān)測資料進行跟蹤分析,嘗試數(shù)字化設計施工的管理模式。根據(jù)揭示的地質情況、監(jiān)測資料及根據(jù)監(jiān)測資料的反分析結果,過程中適時、動態(tài)調整支護參數(shù),局部范圍設置了噴混凝土肋拱、隨機錨索、隨機錨桿等措施。

支護的關鍵措施是先行開挖位于廠房頂拱上方28.5m處由地質勘探洞改擴建的錨洞,并提前完成錨索孔,在中導洞開挖時及時完成對穿錨索的施工。輔以噴鋼纖維混凝土及錨桿及時跟進,避免了薄層巖體的松脫,保留其承載能力;中導洞完成錨桿、錨索等系統(tǒng)支護措施后,有利于兩側頂拱施工期的穩(wěn)定,及整個廠房頂拱的穩(wěn)定。此外,為避免洞室頂拱開挖后,平緩層狀巖體在頂拱形成疊合梁結構,出現(xiàn)脫頂、板裂、彎曲或折斷,在施工開挖過程中根據(jù)開挖揭示情況,采用鎖邊預應力錨桿等措施。頂拱開挖的順利完成證明采取的措施是適宜的。

(2)開挖、支護施工步序。

頂拱開挖對圍巖穩(wěn)定、變形、應力及塑性區(qū)都有較大的影響。根據(jù)工程類比、理論分析,結合該工程的支護方案,確定頂拱采用中導洞開挖方案,即中導洞領先約30m,兩邊導洞擴挖依此跟進。該方案的目的是與支護方案相匹配,在中導洞中完成對穿錨索、預應力錨桿、首層噴混凝土施工,再擴挖邊導洞,已有支護措施防止巖層層間脫開失穩(wěn);廠房位于工程的關鍵線路,在錨洞中施工錨索有利于縮短工期。由于現(xiàn)場施工能力限制,開挖支護方案調整為中導洞開挖支護領先,上游側邊導洞跟進,最后擴挖下游側。錨噴支護滯后開挖面不大于10m,錨索距離掌子面不大于30m。

(3)監(jiān)測資料分析。

監(jiān)測斷面布設考慮地質因素,主要儀器采用預埋方式。監(jiān)測資料比較真實地反映了施工過程對圍巖的影響,頂拱變位規(guī)律與地質條件相適應,儀器反映了開挖接近、開挖到、經(jīng)過掌子面的變位情況。2005年12月24日頂拱累計最大變位16.27mm,其中中導洞開挖完后的變位占其39%;中導洞首次擴挖變位占其11%;中導洞二次擴挖完到頂拱層施工結束的變位占其37%;頂拱層施工累計變位占其87%;后期變位占其13%。

廠房自2004年1月開工,2005年12月完成整個洞室的開挖支護。

目前頂拱變位、錨桿應力、錨索應力等已穩(wěn)定,且在合理范圍內,洞室圍巖穩(wěn)定。

5 巖壁吊車梁方案確定

可研階段因廠房圍巖條件較差,吊車梁推薦采用常規(guī)的梁柱方案。招標階段根據(jù)現(xiàn)場原位模型試驗、國內外工程經(jīng)驗、理論分析等論證,確定該工程采用巖壁吊車梁方案。該工程確定巖壁吊車梁方案時應滿足的幾個條件為:

(1)地下洞室圍巖整體穩(wěn)定是修建巖壁吊車梁的基本條件。

(2)圍巖飽和抗壓強度應大于30MPa。

(3)接觸面及主要結構面的抗滑穩(wěn)定滿足要求,即μ＜1(同時小于巖石與梁體混凝土的允許摩擦系數(shù)),且μ＜tgφ,(φ為巖石內摩擦角);或通過工程處理措施可以滿足上述要求。

(4)巖壁壁座承載力〔σ〕＞σ。

(5)受力錨桿設計工況K ＞2.5,其校核工況K ＞2.00。

(6)圍巖變位量值、沿廠房縱軸線方向的相對變位值不要太大,滿足吊車運行要求。

該工程對圍巖穩(wěn)定進行了充分的分析,根據(jù)理論計算、工程類比論證地下廠房洞室圍巖是穩(wěn)定的;巖壁吊車梁位于∈Z22巖層中,圍巖飽和抗壓強度Ra=40～60MPa;巖壁壁座承載力〔σ〕＞σ;受力錨桿設計工況K ＞2.5,校核工況K ＞2.00;μ值滿足上述要求或通過工程措施可以滿足上述要求;原位模型試驗驗證各指標的合理性,即當?shù)踯嚵撼d數(shù)倍于設計荷載條件下,各參數(shù)仍在合理范圍之內。

鑒于巖壁吊車梁諸多的優(yōu)越性,在招標階段確定采用該方案。吊車梁已通過橋機及梁體的各工況試驗,目前已經(jīng)投入使用,各指標正常。

6 廠房自流排水方案的確定

廠區(qū)地下水主要為基巖裂隙水,地下廠房排水系統(tǒng)由廠區(qū)排水廊道等系統(tǒng)、廠內排水系統(tǒng)等組成。因廠房底板高于河道,具備修建自流排水洞的條件,因此招標階段對其進行了論證,確定了自流排水洞方案。

(1)自流排水方案與常規(guī)排水方案比較:

常規(guī)排水方案廠內設有滲漏集水井,設多臺深井水泵等機電盤柜。自流排水方案廠內僅設檢修集水井,主要用于周轉回收機組等設備運行時所需的水,取消滲漏集水井,縮短了主廠房尺寸,有利于廠房洞室圍巖穩(wěn)定;增加排水途徑,即便廠內深井泵、或管路出現(xiàn)故障,減少水淹廠房的可能性,減少了電站運行風險,提高廠房運行的可靠性;若提前施工開挖,方便施工期的排水等;同時減少了滲漏深井水泵及相應的控制盤柜系統(tǒng)。兩方案投資相當,經(jīng)綜合比較設置自流排水洞。

(2)自流排水洞布置:

自流排水洞始于廠房下層排水廊道右端,經(jīng)下水庫右岸,自2#公路0+3720m樁號側岸出露,經(jīng)2#公路涵洞,最終匯入滹沱河。全長1232.658m,高程696.451～711.900m,排水縱坡i=1.26%,斷面為城門洞型,凈尺寸2.5m×3m(寬×高),自流排水洞是廠區(qū)排水的重要通道。

7 結語

西龍池地下廠房地質條件復雜,設計中首先詳細查清了廠區(qū)地質構造情況及規(guī)律,在開工前借助于模型試驗洞,貫通廠房軸線,相對準確地確定了廠房位于相對完整的地層中,為工程建設爭取了主動。經(jīng)過工程類比、理論分析、施工、運行及投資等方面的綜合比較,確定安裝場位于廠房中部的方案,適合該工程的圍巖條件。

結合水平薄層狀圍巖條件,確定對穿錨索、系統(tǒng)預應力錨桿、噴鋼纖維混凝土的支護方案,同時利用預埋監(jiān)測儀器獲得的真實監(jiān)測資料,進行反分析跟蹤研究,動態(tài)調整支護參數(shù)。根據(jù)原位模型試驗,確定采用巖壁吊車梁方案。根據(jù)地形條件,確定了自流排水洞的設計方案。

地下廠房于2005年12月開挖支護施工完成,到目前為止,洞室變位已穩(wěn)定,吊車梁等已經(jīng)投入運行。