姜萬齊

中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司，中國·廣東 深圳 518100

高地應力；特大型；地下洞室群；開挖支護

1 引言

中國西部開發(fā)戰(zhàn)略的實施，加快了水電項目的開發(fā)，近10 多年以內(nèi)開工建設的大型水電站均主要分布于西部高山峽谷地區(qū)，這些水電站大多選擇為深埋式地下廠房構筑物，如在建的白鶴灘水電站左岸地下廠房洞室水平埋深800 ～1050m，垂直埋深260 ～330m。對白鶴灘水電站地下洞室開挖與支護方案的研究可為工程建成后的洞室圍巖穩(wěn)定提供依據(jù)，也可為中國其他水電站建設項目提供技術參考。

2 概述

2.1 工程概況

本技術主要針對左岸廠房EL562.90 ～EL531.40 共計31.5m 的開挖、支護施工進行研究。左岸地下廠房布置在拱壩上游山體內(nèi)，主要包括主副廠房、主變室及母線洞等洞室群。主副廠房按“一”字型布置，從南到北依次布置副廠房（長32.00m）、輔助安裝場（長22.50m）、機組段（長304.00m，機組間距38.00m）和安裝場（長79.50m），總長度為438m，最大高度88.7m。

2.2 工程地質(zhì)

圍巖主要由P2β23和P2β31層新鮮的隱晶質(zhì)玄武巖、斜斑玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖等組成，以Ⅲ1類、Ⅱ類圍巖為主。斜切邊墻底部的P2β24層凝灰?guī)r及其中的層間錯動帶C2巖性軟弱，易產(chǎn)生一定程度的塑性變形和剪切變形。P2β23第二類柱狀節(jié)理玄武巖分布在⑤～⑧機窩。層間錯動段C2及柱狀節(jié)理裂隙等復雜地質(zhì)條件，與結構面切割后形成不穩(wěn)定塊體易發(fā)生塌方和掉塊[1]。

3 開挖技術方案的選定

3.1 開挖分層、分區(qū)

根據(jù)廠房的結構特點、通道條件、機械性能，并兼顧支護施工等，左岸廠房EL562.90 ～EL531.40 采用薄層開挖的方式進行施工。集水井分3 大層（8 序）、1#機窩分3 大層（10 序）、2 ～8#機窩分3 大層（9 序）進行開挖支護施工。各層開挖工程總量為12.60 萬m3。

3.2 施工工藝

左岸廠房EL562.90 以下開挖施工工藝流程如下：

圖1 開挖施工工藝流程圖

3.3 爆破試驗

3.3.1 試驗目的及部位

為確定適用于EL562.90 ～EL557.40 高程的開挖方法和爆破參數(shù)，以保證EL562.90 ～EL557.40 結構面成型質(zhì)量。特選取8#機窩第Ⅷ-2 層作為試驗區(qū)，進行豎向預裂、豎向光爆和水平光爆對比試驗。

3.3.2 試驗參數(shù)

試驗區(qū)順水流方向長12m，分3 個循環(huán)，每個循環(huán)長度4m。

豎向預裂孔間距50cm，孔深400cm，分3 組進行對比裝藥，每組8 孔。豎向光爆孔間距50cm，孔深400cm，分2 組進行對比裝藥，每組8 孔。

水平光爆孔間距45cm；主爆孔間距110cm，排距110/120cm；緩沖孔距結構面50/60cm，間距80cm；底板孔間距80cm。炮孔均人工采用YT-28 手風鉆造孔，并借助導向樣架進行孔向控制，孔徑42mm，孔深400cm。

豎向預裂孔分3 組進行裝藥，線裝藥密度分別為350g/m、375g/m、400g/m。豎向光爆孔分2 組進行裝藥，線裝藥密度分別為96g/m、121g/m。水平光爆孔線裝藥密度為75g/m。主爆孔單孔裝藥量2.4kg，緩沖孔、底板孔單孔裝藥量1.9kg。炸藥單耗0.58 ～0.59kg/m3。

在實施過程中，試驗部位可根據(jù)現(xiàn)場條件進行適當調(diào)整。

3.3.3 技術要求

根據(jù)《白鶴灘水電站左岸引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群開挖支護施工技術要求（BHT/0416）》的相關規(guī)定，預裂及光面爆破的效果應達到以下要求：

（1）殘留炮孔痕跡應在開挖輪廓面上均勻分布，炮孔痕跡保存率：完整巖石在80%以上，較完整和完整性差的巖石不小于60%，較破碎和破碎巖石不小于20%。

（2）相鄰兩孔間的巖面平整，孔壁不應有明顯的爆震裂隙。

（3）相鄰兩茬炮之間的臺階或預裂爆破孔的最大外斜值，不應大于15cm。

（4）預裂爆破后，必須形成貫穿連續(xù)性的裂縫。

3.3.4 爆破振動監(jiān)測

爆破振動監(jiān)測采用傳感器和自記儀進行監(jiān)測，在待測部位（巖體）進行爆破質(zhì)點振動速度監(jiān)測，然后通過專用分析軟件對已采集的數(shù)據(jù)進行分析計算[2]。

根據(jù)《關于明確左岸地下廠房下部開挖支護具體技術要求的設計通知》規(guī)定，爆心距R=10m 時，實測質(zhì)點振動速度不大于7cm/s。

3.3.5 試驗總結

試驗結束后，分析、對比各組爆破試驗效果，確定適用的爆破方式和爆破參數(shù)。

3.4 爆破設計

3.4.1 環(huán)向預裂爆破

廠房下部裝渣導洞對應范圍內(nèi)下游第Ⅷ-5 區(qū)（2 ～8#機窩）、第Ⅷ-6 區(qū)（1#機窩）邊墻結構面需進行環(huán)向預裂。

環(huán)向預裂孔分為兩部分，一部分自上而下采用QZJ100B手風鉆造孔，孔深3m，孔徑42mm，孔間距40cm?？椎撞捎? 節(jié)A32 藥卷加強裝藥，正常裝藥段為7 節(jié)A25 藥卷間隔10cm 裝藥，孔口采用粘土堵塞，堵塞長度63cm，線裝藥密度300g/m。

另一部分自下而上采用多臂鉆造孔，孔深4.7 ～5.36m，孔徑64mm，孔間距40cm?？椎撞捎? 節(jié)A32 藥卷加強裝藥，正常裝藥段為13 ～15 節(jié)A25 藥卷間隔10cm 裝藥，孔口采用編織袋堵塞，堵塞長度47 ～51cm，線裝藥密度318g/m。

環(huán)向預裂孔采用竹片間隔裝藥、導爆索傳爆。自上而下、自下而上兩個起爆網(wǎng)絡應采用導爆索連接，保證對應部位上、下預裂孔同時起爆。

3.4.2 光面爆破

除節(jié)環(huán)向預裂范圍、左廠下0+6.25 ～左廠下0+11（EL562.90 ～EL557.40）結構面進行豎向預裂或豎向光爆（根據(jù)爆破試驗確定）外，其余結構面光面爆破。井挖段結構面為豎向光爆孔，其余部位結構面均為水平光爆孔。

（1）Ⅱ、Ⅲ類圍巖

Ⅱ、Ⅲ類圍巖情況下，循環(huán)進尺4m。

水平光爆孔采用YT-28 手風鉆造孔，孔徑42mm，孔間距45cm，孔深400cm。邊墻光爆孔線裝藥密度75g/m，底板光爆孔線裝藥密度117g/m。

豎向光爆孔采用YT-28 手風鉆造孔，孔徑42mm，孔間距50cm，孔深385cm。豎向光爆孔線裝藥密度117g/m。

光爆孔采用竹片間隔裝藥、導爆索傳爆；主爆孔和緩沖孔采用非電雷管引爆。

裝藥參數(shù)應根據(jù)現(xiàn)場實際揭露情況和爆破試驗進行優(yōu)化。

（2）不良地質(zhì)段

圍巖為Ⅳ類、Ⅴ類、揭露C2層間錯動帶或發(fā)育第二類柱狀節(jié)理玄武巖時，循環(huán)進尺2.5m。

光爆孔采用YT-28 手風鉆造孔，孔徑42mm，孔間距45cm，孔深250cm。邊墻光爆孔線裝藥密度64g/m，底板光爆孔線裝藥密度107g/m。

裝藥參數(shù)應根據(jù)現(xiàn)場實際揭露情況和爆破試驗進行優(yōu)化。

3.5 聲波測試

爆破時，需進行聲波測試，確定松動圈范圍。聲波測試在保護層開挖時進行，共測試3 組。采用單孔測試，孔深為15m，孔徑A76mm，下傾10°，以保證測試時測試孔內(nèi)能存水，使耦合效果良好。測試孔采用多臂鉆造孔。在爆破開挖前先進行爆前測試，爆后形成輪廓面后，再進行測試，進行爆前爆后波速對比，以確定圍巖松動圈范圍。測試結束后，聲波孔采用M35 砂漿封堵。聲波測試孔具體布置見圖2。

圖2 聲波測試孔布置圖

3.6 施工方法

3.6.1 機窩及集水井平推施工

手風鉆平推分中槽開挖和兩側(cè)結構面保護層開挖，保護層滯后中槽開挖不超過10m。

（1）扒面

采用1.6m3液壓反鏟對準備鉆孔的作業(yè)面進行清理，清除掛渣、松動石塊等。

（2）放線布孔

施工測量采用全站儀進行，測量由專業(yè)人員認真進行，測量儀器必須經(jīng)過鑒定后方可使用，每個月進行一次測量檢查，復測，確保測量控制工序質(zhì)量。

（3）鉆孔

爆破孔采用YT-28 手風鉆鉆孔，鉆孔直徑42mm。鉆孔孔位依據(jù)測量放線確定。每個鉆手按“平、直、齊”的要求施鉆，使用熟練的鉆手負責光爆孔，嚴格按照爆破設計進行施鉆。傾角采用坡度尺進行控制，嚴格按照設計孔深鉆孔。

左廠下0+6.25 ～左廠下0+11（EL562.90 ～EL557.40）結構面豎向預裂孔或豎向光爆孔孔底技術超挖35cm，方便下一循環(huán)施鉆。

（4）裝藥、聯(lián)線、起爆

炮孔經(jīng)檢查合格后，方可進行裝藥爆破；炮孔的裝藥、堵塞和引爆線路的聯(lián)結，由經(jīng)考核合格的炮工，嚴格按監(jiān)理工程師批準的爆破設計進行施作。

裝藥嚴格遵守安全爆破操作規(guī)程。裝藥前，先用PVC 管或其他工具檢查炮孔有無堵孔的情況，以便及時進行洗孔。然后由專業(yè)炮工根據(jù)爆破設計進行每孔孔內(nèi)非電雷管分發(fā)。裝藥的炮工則根據(jù)爆破設計裝藥量進行裝藥，孔內(nèi)延期雷管及時裝入。裝藥完成后，采用粘土進行堵孔，堵塞長度按照爆破設執(zhí)行。同時，炮工根據(jù)爆破設計進行孔外網(wǎng)路連接[3]。

最后由炮工和值班技術員復核檢查，確認無誤，撤離人員和設備并做好相鄰工作面的警戒工作，炮工負責引爆。

（5）通風、散煙

爆破后，啟動廠房和尾水系統(tǒng)的系統(tǒng)通風機進行通風，自然通風為輔。

（6）排險

爆破通風散煙結束后，由1.6m3液壓反鏟清撬松動巖塊及危石，以確保后續(xù)作業(yè)人員和設備的安全。在施工過程中，經(jīng)常檢查已開挖洞段的圍巖穩(wěn)定情況，清撬可能塌落的松動巖塊。

（7）出渣

開挖渣料采用1.6m3液壓反鏟或3.0m3側(cè)卸式裝載機配25t 自卸汽車出渣。

3.7 不良地質(zhì)洞段施工方法

（1）根據(jù)爆破試驗情況和實際揭露圍巖情況優(yōu)化爆破設計。

（2）邊墻揭露后及時跟進系統(tǒng)支護，按照設計圖紙做好加強支護。

3.8 結構面成型控制方法

廠房EL562.90 以下設計開挖結構體型復雜，成型困難。為保證成型質(zhì)量，控制方法如下：

（1）開挖前，按設計圖紙要求做好鎖口支護。

（2）控制樣架搭設精度，樣架導向管角度應按技術措施進行控制。

（3）設計開挖體型變化部位，做好周邊孔造孔質(zhì)量控制。選用技術過硬的鉆工進行周邊孔鉆孔施工，做到孔間距相等、孔向互相平行、孔底處于同一鉛直面上。不合格的炮孔在爆破前采用水泥砂漿封堵[4]。

（4）嚴格按照措施中爆破設計進行裝藥，爆破裝藥參數(shù)可根據(jù)爆破試驗和現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整。

（5）每次爆破后，進行炮后分析、總結，為下一循環(huán)開挖爆破提供合理的爆破參數(shù)。

4 支護技術方案的選定

廠房EL562.9 以下支護項目主要有：初噴CF30 納米鋼纖維混凝土、初噴C25 混凝土、掛鋼筋網(wǎng)A8@15cm×15cm、復噴CF25 納米混凝土、復噴C25 混凝土、Φ32，L=6m 普通砂漿錨桿、Φ32，L=9m 普通砂漿錨桿，Φ32，L=6m，T=100KN 預應力錨桿、Φ32，L=9m，T=100KN 預應力錨桿等。

支護原則：初噴混凝土應緊跟掌子面，系統(tǒng)錨桿支護滯后1 ～2 個循環(huán)（不大于3 天），掛網(wǎng)復噴混凝土滯后掌子面不大于30m（不大于15 天），錨索張拉滯后掌子面不大于60m。

4.1 噴混凝土施工

4.1.1 施工工藝

噴混凝土施工與開挖、錨桿施工跟進平行作業(yè)。施工工藝為：

（1）施工準備

埋設好厚度控制標志，作業(yè)區(qū)有足夠的通風照明，噴前檢查所有機械設備和管線，確保施工正常。

（2）拌和及運輸

拌和配料嚴格按試驗確定的配合比精確配制攪拌，攪拌時間足夠，拌合料用混凝土攪拌車運輸施工現(xiàn)場。

（3）清洗巖面

撬挖后的巖面，先用高壓風水分區(qū)進行沖洗。開噴以前對有微滲水巖面要進行風吹干燥。

（4）分層噴射及復噴

噴射混凝土沿一定方向分區(qū)、分塊、分薄層均勻施噴，避免回彈料覆蓋未噴面。噴頭距施噴面0.6 ～1.0 米，噴射推進進行有序，盡量減少回彈，剛噴射完的部分進行噴厚檢查不滿足厚度要求的，及時復噴處理。

（5）養(yǎng)護、檢測

噴射混凝土終凝2 小時后，噴水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間一般部位為7 天，重要部位為14 天。對噴層厚度及噴混凝土的強度檢測，符合設計要求。

4.1.2 施工方法

噴混凝土施工前采用高壓風水聯(lián)合清洗巖面，12m3混凝土罐車從拌和站運料至工作面供料。1 ～8#機窩井挖段（EL557.4 ～EL549.7）和檢修排水廊道采用混凝土噴射機噴混凝土；其余部位采用濕噴臺車噴混凝土，分層噴至設計厚度。施工程序為：初噴混凝土→系統(tǒng)錨桿安裝→鋼筋網(wǎng)片、龍骨筋安裝→復噴混凝土→預應力錨索施工[5]。

4.2 錨桿施工

4.2.1 普通砂漿錨桿施工

1 ～8#機窩井挖段（EL557.4 ～EL549.7）邊墻普通砂漿錨桿采用“先插桿、后注漿”工藝，人工安裝普通砂漿錨桿工藝如圖3。

圖3 “先插桿、后注漿”施工工藝流程圖

除上述所述范圍采用“先插桿、后注漿”工藝外，其余普通砂漿錨桿采用“先注漿、后插桿”工藝，人工安裝普通砂漿錨桿工藝如圖4。

圖4 “先注漿、后插桿”施工工藝流程圖

（1）測量放線、錨孔定位

基礎驗收合格后，按照設計要求或現(xiàn)場監(jiān)理工程師指令放好錨桿孔位、角度，并用紅油漆作好標記，鉆孔時嚴格按設計角度開鉆，嚴格控制鉆孔質(zhì)量。

（2）鉆孔、吹洗孔

錨桿孔主要采用多臂鉆進行造孔，鉆孔直徑64mm；局部多臂鉆不具備施工條件時，采用液壓鉆D7/JK590/CM351造孔，鉆孔直徑90mm。鉆孔孔位偏差不大于150mm，孔深偏差不大于50mm。鉆孔完成后用高壓水槍或風槍將孔清洗干凈，作好記錄經(jīng)驗收合格再進行錨桿安裝。

（3）錨桿安插及注漿

①先插桿、后注漿

采用“先插桿、后注漿”工藝時，錨桿結構圖如圖5。人工或人工借助吊車平臺進行錨桿安裝。砂漿按試驗室提供的配比拌制，施工時將注漿管插入距孔底50 ～100mm，排氣管的里端應深入錨桿孔距孔底30 ～50mm，注漿時須待排氣管出漿或不再排氣時方可停止。

圖5 “先插桿、后注漿”錨桿結構圖

采用“先插桿、后注漿”工藝時，注漿管采用內(nèi)徑15mmPVC 管，回漿管采用內(nèi)徑8mm 硬質(zhì)塑料管。

②先注漿、后插桿

人工或人工借助吊車平臺進行錨桿安裝。砂漿按試驗室提供的配比拌制，注漿時將注漿管插至孔底，然后回抽5 ～10cm，在灌漿壓力下慢慢將注漿管拔出，保證注漿飽滿。

（4）無損檢測

錨桿安插完成，砂漿達到齡期后進行無損檢測，抽檢數(shù)量每作業(yè)區(qū)不小于10%，桿體孔內(nèi)長度大于設計長度的95%為合格。

4.2.2 預應力錨桿施工

預應力錨桿施工工藝：錨固段采用藥卷速凝錨固劑，采用錨固噴槍輸送藥卷，速凝錨固劑注裝完畢后進行錨桿及附件安裝，等強后采用20T 扭力扳手進行錨桿張拉，超張拉持荷鎖定。張拉完成后，進行自由段灌漿。

（1）桿體制作

預應力錨桿桿體按設計要求在施工局綜合加工廠加工，自卸汽車運至施工現(xiàn)場。錨桿體整根鋼筋加工，不得采用焊接加長。桿體端部采用套絲機加工20cm 長的絲口。加工好的桿體按規(guī)范要求檢查驗收，驗收。錨墊板尺寸為200mm×200mm×8mm，在施工局綜合加工廠進行加工，從專業(yè)廠家購買與錨桿桿體絲扣配套的M32 螺母，并經(jīng)驗收合格后用于本工程。

錨桿增設止?jié){環(huán)，止?jié){環(huán)安裝在距孔底端3m 處，并在錨桿自由段安裝進漿管和回漿管，進漿管采用內(nèi)徑15mmPVC管，回漿管采用內(nèi)徑8mm 硬質(zhì)塑料管，回漿管距止?jié){環(huán)15cm，進漿管深入孔內(nèi)約30cm，進、回漿管通過在錨墊板上預留孔引出孔外。

（2）造孔

采用全站儀進行精確放樣，采用多臂鉆進行造孔，造孔孔徑為A64mm；或采用液壓鉆D7/JK590/CM351 造孔，鉆孔直徑90mm。為控制孔向及傾角，開孔前用羅盤對鑿巖機導軌的方向及傾角進行測量，合格后，用半功率開孔，開孔深度達0.5 米時，再次對孔向及傾角進行復核，確保無誤后，采用全功率鉆進，直至鉆孔結束。對孔深的控制，一般在鉆桿上作好標記，施鉆結束后，采用風或水聯(lián)合對鉆孔進行清洗，然后檢測孔深，合格后，進行孔口保護，移交下道工序。孔位偏差不大于15cm，孔斜誤差不得大于孔深的5%，造孔深度達到設計要求，孔深誤差不大于5cm。

（3）錨桿灌注張拉

①速凝錨固劑注裝

藥卷錨固劑采用錨固劑噴槍進行注裝，安裝錨固劑藥卷前，安裝人員先用桿體試探鉆孔的深度，并做出標記。根據(jù)設計錨固段長度和鉆孔孔徑，用體積公式算出藥卷用量。藥卷入孔前應根據(jù)所選用的錨固劑出廠使用說明書用清水浸泡（40 ～70s），然后將錨固劑藥卷裝入專用的錨固噴槍，最后將噴槍送至孔內(nèi)預定位置，摳動扳機，將錨固劑藥卷均勻打入孔內(nèi)，同時退出噴槍。

②錨桿安裝

a 安裝錨桿：錨桿安裝前，先檢查錨桿止?jié){環(huán)、進漿管、回漿管是否安裝到位，加固是否滿足要求，然后進行錨桿安裝施工。錨桿安裝利用吊車平臺配合人工進行將桿體緩慢推至設計位置，然后采用木楔將孔口臨時固定（木楔完全打入孔內(nèi)）。桿體必須在速凝錨固劑初凝前安裝到位，理論初凝時間為55min。

b 安裝托板、墊圈（球形墊）和螺帽：速凝錨固劑初凝后，開始安裝錨桿體托板、墊圈和螺帽，并調(diào)整托板位置使之與錨桿軸線垂直。若巖面采用球形墊也難以調(diào)平螺母與球形墊板平行，可采用適量速凝錨固劑藥卷墊平。在進行錨墊板調(diào)平加固時，注意保護進、回漿管不被彎折和破壞。

圖6 預應力錨桿結構布置圖

c 張拉：錨桿的張拉鎖定應在速凝錨固劑強度（含墊板后找平水泥卷）達到20MPa 后進行，預應力錨桿采用20t 扭力扳手進行張拉。

張拉施工前，將張拉機具按設計要求進行率定。然后移機就位進行張拉。預應力錨桿正式張拉前，先按照20%設計張拉荷載對錨桿進行預張拉1 ～2 次，使其各部位接觸緊密，然后分別以設計荷載的50%、75%、105%逐級張拉，每級持荷5分鐘，測讀相應的桿體伸長值，并做好記錄。當加荷至1.05T（T=100KN）桿體伸長值無變化時，持荷鎖定，然后卸荷，撒除機具。錨桿鎖定后48h 內(nèi)，若發(fā)現(xiàn)預應力損失大于錨桿設計值的10%時，進行補償張拉。張拉力的大小必須滿足設計要求，張拉錨桿擰緊螺帽的扭矩不應小于100N.m。

d 自由段灌漿：自由段注漿通過進漿管按照普通砂漿錨桿注漿工藝進行注漿施工，砂漿配合比按照洞內(nèi)普通砂漿錨桿執(zhí)行。

4.3 鋼筋網(wǎng)施工

廠房EL562.9以下系統(tǒng)掛網(wǎng)參數(shù)為A8mm@15cm×15cm。鋼筋網(wǎng)按設計編制、接頭采用點焊或綁扎，盡可能采用現(xiàn)場綁扎網(wǎng)筋，網(wǎng)筋與巖面大致密貼，利用插筋固定，人工借助吊車平臺或施工排架安裝。兩片網(wǎng)間搭接不小于20cm。鋼筋網(wǎng)與巖面距離不得大于30mm。

5 結語

目前，由中國電建集所屬工程局施工的白鶴灘水電站左岸地下廠房開挖支護已全面結束，開工至今洞內(nèi)未發(fā)生一起安全事故。除加強平時的安全監(jiān)測和按設計要求施工以外，上述方案的實施取得了重大成功，為今后中國類似的地下洞室開挖項目積累了豐富的施工技術經(jīng)驗，具有一定的借鑒意義，但應注意以下幾個問題：對于洞挖方案的選擇，應根據(jù)圍巖地質(zhì)條件的變化作出合理的調(diào)整，不可盲目冒進施工，也不可按部就班固定施工，需從安全、經(jīng)濟、工期等方面綜合考慮作出決定。每一洞段開挖完成后，圍巖內(nèi)部應力會發(fā)生變化，需及時進行系統(tǒng)支護，增強圍巖穩(wěn)定性。支護作業(yè)需考慮與開挖的相互影響，支護不能跟進掌子面太近，避免影響開挖，也不能滯后開挖太遠，出現(xiàn)開挖等支護的現(xiàn)象，應綜合考慮保證開挖與支護的連續(xù)作業(yè)。