曾 強

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

白鶴灘水電站左岸地下廠房頂拱開挖跨度達(dá)34 m，是目前世界上在建、開挖跨度最大的水電站地下廠房，加之其地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖變形控制難度極大。對于如此大跨度的地下廠房頂拱，為解決圍巖穩(wěn)定問題、保障開挖質(zhì)量和安全以及后續(xù)施工的順利進行，迫切需要制定出一套科學(xué)合理的開挖支護施工方案。水電七局白鶴灘施工局的技術(shù)人員從施工程序、開挖分區(qū)、分序等方面進行了深入研究，提出了多種開挖方案，并從控制應(yīng)力集中程度和爆破規(guī)模、利于支護跟進和施工組織等多角度出發(fā)對各方案進行了綜合評估，最終提出了大跨度頂拱開挖新方法，并且針對施工過程中出現(xiàn)的特殊問題采取了有針對性的處理措施。詳細(xì)闡述了具體的研究過程。

白鶴灘水電站是金沙江下游干流河段水電梯級開發(fā)的第二個梯級電站，左右岸各布置8臺、單機容量為100萬kW的水輪發(fā)電機組，是目前世界上單機容量最大的水輪發(fā)電機組[1]，總裝機容量為1 600萬kW。

白鶴灘水電站左岸地下廠房布置在拱壩上游山體內(nèi)，洞室水平埋深800～1 050 m，垂直埋深260～330 m[2]，埋深大、地應(yīng)力高。主副廠房洞和主變洞平行布置[3]，主副廠房按“一”字型布置。左岸地下廠房頂拱層高程為611～624.6 m，開挖尺寸為453 m×34 m×13.6 m(長×寬×高)。頂拱層中部布置有廠頂中導(dǎo)洞，中導(dǎo)洞斷面尺寸為12 m×10 m(寬×高)，前期已完成開挖與支護施工。廠房頂拱布置了兩個Φ6 m的通風(fēng)豎井，廠房1號排風(fēng)豎井布置樁號為左廠0+38.4，廠房2號排風(fēng)豎井布置樁號為左廠0+256.4。廠房頂拱布置有廠頂南北側(cè)交通洞作為對外聯(lián)系通道。

左岸地下廠房頂拱圍巖以Ⅲ1類為主，占64%，Ⅱ類圍巖占17%，Ⅲ2類位于7號和8號機組頂拱部位，占3%，Ⅳ類圍巖分布于緩傾角結(jié)構(gòu)面附近，占7%。廠房區(qū)地應(yīng)力量值達(dá)22 MPa左右，局部可達(dá)34 MPa，大主應(yīng)力方向與廠房軸線夾角較大，對圍巖穩(wěn)定不利。在地應(yīng)力作用下，巖體不會產(chǎn)生整體的塑性變形和破壞[4]。在頂拱靠上游段發(fā)育LS3152等層內(nèi)錯動帶對頂拱穩(wěn)定不利。地下廠房頂拱及邊端墻頂部分布的第二類柱狀節(jié)理玄武巖開挖后可能產(chǎn)生局部松弛變形和巖體破裂。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[5]。副廠房頂拱及高邊墻中部出露的角礫熔巖可能因其強度較低而產(chǎn)生一定的塑性變形。

對于層間錯動帶C2的臨界水力坡降，地質(zhì)人員建議Jcr=1.99，允許水力坡降J允=0.8，在高水頭作用下，沿層間錯動帶C2可能產(chǎn)生一定程度的滲透變形。左岸廠房部位發(fā)育層內(nèi)錯動帶5條，大部分出露在廠房頂拱附近30 m高度范圍內(nèi)，對廠房左側(cè)段(SW側(cè))頂拱穩(wěn)定影響較大。1號機組頂拱部位由陡傾角斷層f721與緩傾角層內(nèi)錯動帶LS3152可組合成1號半定位塊體，體積約為9 800 m3。

2 開挖方案的選擇

2.1 開挖方案的初步擬定

鑒于白鶴灘水電站左岸地下廠房頂拱層地質(zhì)條件復(fù)雜，開挖跨度大(達(dá)34 m)，因此選擇科學(xué)合理的開挖支護方案對控制廠房頂拱圍巖變形就顯得尤為重要。在廠房頂拱開挖前，技術(shù)人員通過反復(fù)模擬、推敲初步擬定了六種開挖方案，包含兩種分三區(qū)開挖方案(廠房頂拱分三區(qū)開挖示意圖見圖1)和四種分六區(qū)開挖方案(廠房頂拱分六區(qū)開挖示意圖見圖2)。

圖1 廠房頂拱分三區(qū)開挖示意圖

圖2 廠房頂拱分六區(qū)開挖示意圖

方案1：兩側(cè)擴挖分兩序開挖至結(jié)構(gòu)面。中導(dǎo)洞減底開挖后先進行上游側(cè)一序擴挖，再進行下游側(cè)一序擴挖，然后進行上游側(cè)二序擴挖和下游側(cè)二序擴挖。

方案2：兩側(cè)擴挖分兩序開挖至結(jié)構(gòu)面。中導(dǎo)洞減底開挖后先進行上游側(cè)一序擴挖，再進行上游側(cè)二序擴挖，然后進行下游側(cè)一序擴挖和下游側(cè)二序擴挖。方案2與方案1的區(qū)別在于上游側(cè)擴挖全部完成后再進行下游側(cè)擴挖。

方案3：兩側(cè)擴挖分兩序開挖至結(jié)構(gòu)面。中導(dǎo)洞減底開挖后先進行下游側(cè)一序擴挖，再進行上游側(cè)一序擴挖，然后進行下游側(cè)二序擴挖和上游側(cè)二序擴挖。

方案4：兩側(cè)擴挖分兩序開挖至結(jié)構(gòu)面。中導(dǎo)洞減底開挖后先進行下游側(cè)一序擴挖，再進行下游側(cè)二序擴挖，然后進行上游側(cè)一序擴挖和上游側(cè)二序擴挖。方案4與方案3的區(qū)別在于下游側(cè)擴挖全部完成后再進行上游側(cè)擴挖。

方案5：兩側(cè)擴挖一次開挖至結(jié)構(gòu)面。中導(dǎo)洞減底后先進行下游側(cè)擴挖，再進行上游側(cè)擴挖。

方案6：兩側(cè)擴挖一次開挖至結(jié)構(gòu)面。中導(dǎo)洞減底后先進行上游側(cè)擴挖，再進行下游側(cè)擴挖。

2.2 開挖方案的初步確定

經(jīng)綜合分析后得知，在復(fù)雜地質(zhì)條件下實施大跨度頂拱分三區(qū)開挖方案存在以下問題：

(1)頂拱層中導(dǎo)洞兩側(cè)擴挖采用一次擴挖到結(jié)構(gòu)面的分區(qū)方案存在一次揭露的頂拱跨度過大，單循環(huán)支護工程量大，支護跟進時間長的問題，對頂拱圍巖穩(wěn)定不利。

(2)單循環(huán)爆破規(guī)模大，爆破振動控制難度大，不利于控制爆破對圍巖穩(wěn)定造成的影響。

(3)擴挖高度高，鉆孔作業(yè)平臺尺寸大、重量重，采用裝載機移動臺車難度大，安全風(fēng)險高。

(4)擴挖區(qū)最大高度為12.65 m，爆破開挖后反鏟排險高度高，作業(yè)困難，易造成排險不徹底而存在安全隱患。

在以上問題中又以問題(1)最為關(guān)鍵。經(jīng)分析比較后，實施階段暫定方案為：分六區(qū)開挖，擴挖分兩序進行，一序支護完成后再進行二序擴挖，以此減小一次開挖揭露的跨度，保證支護及時跟進，進而有利于頂拱圍巖穩(wěn)定控制。

2.3 開挖方案的確定

廠房頂拱分區(qū)分序開挖方案初步確定后，技術(shù)人員對以上初步擬定的六種方案的開挖過程進行了數(shù)值模擬計算，分析了圍巖二次應(yīng)力場的分布特征，以此評價圍巖穩(wěn)定性并確定了最佳頂拱開挖方案。六種開挖方案最大主應(yīng)力分布特征圖見圖3。

圖3 六種開挖方案最大主應(yīng)力分布特征圖

由計算結(jié)果可知：方案1中上下游應(yīng)力集中區(qū)最大主應(yīng)力分別為40.5 MPa和40 MPa。方案2與方案1的區(qū)別在于上游側(cè)擴挖先全部完成后再進行下游側(cè)擴挖，該方案上下游應(yīng)力集中區(qū)最大主應(yīng)力均為40 MPa。方案3中上下游應(yīng)力集中區(qū)最大主應(yīng)力分別為55 MPa和41 MPa，該方案開挖分區(qū)與方案1相同，開挖程序與方案1相反，但應(yīng)力集中區(qū)最大主應(yīng)力值遠(yuǎn)超方案1。方案4與方案2開挖程序相反，上下游應(yīng)力集中區(qū)最大主應(yīng)力均超過50 MPa。方案5為分三區(qū)開挖，中導(dǎo)洞減底后先進行下游側(cè)擴挖(一次擴挖至結(jié)構(gòu)面)，再進行上游側(cè)擴挖。該方案上游側(cè)應(yīng)力集中區(qū)最大主應(yīng)力超過54 MPa。方案6為分三區(qū)開挖，中導(dǎo)洞減底后先進行上游側(cè)擴挖(一次擴挖至結(jié)構(gòu)面)，再進行下游側(cè)擴挖。該方案無明顯應(yīng)力集中區(qū)。

從防止應(yīng)力集中、避免圍巖應(yīng)力型破壞的角度考慮，方案6為最優(yōu)方案，方案2為次優(yōu)方案。但是方案6分三區(qū)開挖，如前述存在一次揭露跨度過大、支護跟進困難等實際問題。經(jīng)綜合考慮，廠房頂拱層仍選擇分六區(qū)開挖的方案。根據(jù)數(shù)值模擬的分析結(jié)果，在所有分六區(qū)開挖的方案中，方案2對于應(yīng)力集中的控制效果最好。但方案2采用單側(cè)分兩序連續(xù)擴挖到結(jié)構(gòu)面的方式存在通道布置困難問題，對現(xiàn)場施工組織不利。而方案1應(yīng)力集中區(qū)最大主應(yīng)力僅比方案2多0.5 MPa，且現(xiàn)場施工通道布置更為有利。經(jīng)綜合考慮，最終將廠房頂拱層開挖選擇方案1作為實施方案。

3 制定有針對性的控制措施

白鶴灘水電站左岸廠房頂拱采取上游一序→下游一序→上游二序→下游二序的分兩序六區(qū)擴挖至結(jié)構(gòu)面的開挖方案，有利于頂拱系統(tǒng)支護及時跟進，減小了頂拱一次開挖揭露跨度，對控制頂拱圍巖變形有利；同時，采取分序擴挖方案有效減小了單次爆破規(guī)模，有利于控制爆破振動對圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生的影響。但該方案促進了中導(dǎo)洞與兩側(cè)擴挖結(jié)合部位的應(yīng)力集中，使該部位產(chǎn)生的應(yīng)力型破壞較多，需采取有針對性的控制措施，以減少其對頂拱圍巖拱效應(yīng)的影響。

3.1 高地應(yīng)力引發(fā)巖爆片幫

因左岸地下廠房頂拱層埋深較大，地應(yīng)力量級為中等～高，易發(fā)生巖爆及片幫。根據(jù)前期中導(dǎo)洞開挖揭露的地質(zhì)情況，頂拱多個部位發(fā)生過多次巖爆，主要集中在頂拱上游側(cè)部位，而且上游側(cè)頂拱片幫破壞現(xiàn)象嚴(yán)重。同時，白鶴灘水電站左岸地下廠房軸線布置方位為N20°E，軸線與最大主應(yīng)力方位交角約為50°～70°，不利于洞室圍巖穩(wěn)定。廠房開挖后圍巖應(yīng)力重新分布使上游拱肩和下游拱腳處產(chǎn)生切應(yīng)力集中，導(dǎo)致該部位巖爆及片幫破壞的發(fā)生。

針對巖爆及片幫破壞易引發(fā)安全事故，施工局采取“短進尺、弱爆破、光面爆破技術(shù)”等方式以減小爆破振動對圍巖的影響，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，控制洞壁成型質(zhì)量，減小因成形不規(guī)則帶來的圍巖表層應(yīng)力集中而導(dǎo)致巖爆發(fā)生的幾率[6]。對于已發(fā)生巖爆的部位，采用多臂鉆施打徑向應(yīng)力釋放孔，孔深3～6 m，間排距1.5 m×1.5 m。

為確保施工人員及設(shè)備安全，對巖爆易發(fā)段采用多臂鉆進行鉆孔作業(yè)，反鏟平臺或其他機械平臺作為裝藥連線登高平臺。鉆孔、裝藥、出渣設(shè)備的駕駛室頂部采用固定輪胎或加焊厚鋼板做防護棚。對裝藥平臺頂部進行封閉以確保裝藥聯(lián)網(wǎng)人員的安全。爆破后先通風(fēng)散煙15 min，人員進入檢查安全后立即向掌子面及掌子面以后30 m范圍的巖面進行噴霧和高壓水沖洗，使其降溫、軟化、釋放應(yīng)力，改變圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)。

3.2 頂拱應(yīng)力集中區(qū)噴層開裂的處理

白鶴灘水電站左岸地下廠房區(qū)域?qū)儆谥小叩貞?yīng)力區(qū)，隨著廠房的逐步下挖，主廠房上游側(cè)拱肩部位的應(yīng)力集中加劇，局部出現(xiàn)混凝土噴層開裂及掉塊現(xiàn)象。為保證廠房的施工安全，借鑒白鶴灘水電站左岸導(dǎo)流洞臨江側(cè)拱肩高應(yīng)力片幫采取的主動防護經(jīng)驗，在主廠房頂拱增設(shè)了GSP-2型主動防護網(wǎng)，以保證下部作業(yè)人員和設(shè)備施工期安全。

布設(shè)主動防護網(wǎng)之后，隨著廠房進一步下挖，噴層開裂程度、裂縫數(shù)量和掉塊數(shù)量仍在增加，主動防護網(wǎng)內(nèi)“兜”了較多掉落的噴混凝土塊及破碎巖塊(廠房頂拱防護網(wǎng)內(nèi)堆積的掉塊見圖4)。施工局針對此采取了設(shè)置廠房頂拱安全檢查平臺(圖5)作為廠房頂拱日常巡查、裂縫檢查、主動防護網(wǎng)內(nèi)噴層掉塊清理作業(yè)平臺。廠房頂拱安全檢查平臺支撐在廠房吊頂支撐結(jié)構(gòu)上。

圖4 廠房頂拱防護網(wǎng)內(nèi)堆積的掉塊

圖5 廠房頂拱安全檢查平臺

3.3 中導(dǎo)洞與一序擴挖結(jié)合部位松弛開裂的處理

廠房頂拱中導(dǎo)洞在前期已完成開挖支護施工，且在廠房頂拱一序擴挖前完成了對穿錨索張拉。實施階段，在上游側(cè)一序擴挖后普遍發(fā)生了中導(dǎo)洞與一序擴挖結(jié)合部位圍巖松弛、開裂現(xiàn)象；同時，由于該部位片幫掉塊，與中導(dǎo)洞交接形成了錯臺。

針對上述問題主要采取了以下措施：

(1)全面檢查脫空區(qū)域及松動部位，在不影響現(xiàn)有支護的情況下進行危巖體清除。

(2)危巖體清除后進行噴鋼纖維混凝土封閉施工，將噴混凝土厚度由5 cm調(diào)整為8 cm，將該段系統(tǒng)錨桿統(tǒng)一調(diào)整為φ32 mm，L=9 m，T=100 kN預(yù)應(yīng)力錨桿。

(3)在已完成系統(tǒng)支護的中導(dǎo)洞頂拱增加了2排φ32 mm，L=9 m，T=100 kN的預(yù)應(yīng)力鎖口錨桿。

(4)在脫空區(qū)域內(nèi)增加了頂拱掛網(wǎng)鋼筋及龍骨筋施工，并利用錨桿墊板壓牢或焊接牢固。

(5)針對局部凹凸不平、錯臺區(qū)域，增加了噴混凝土層厚度，使頂拱平緩過渡，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

3.4 預(yù)應(yīng)力錨桿灌注竄漿問題的處理

主廠房上游一序擴挖區(qū)左廠0+310～左廠0+360段在完成普通砂漿錨桿、初噴鋼纖維混凝土后，預(yù)應(yīng)力錨桿施工時發(fā)生了孔內(nèi)竄漿情況。

針對預(yù)應(yīng)力錨桿注漿時出現(xiàn)的竄漿現(xiàn)象，采取了在復(fù)噴施工完成后重新對系統(tǒng)錨桿孔進行洗孔施工后再行低壓固結(jié)灌漿固壁以提高圍巖的完整性。圍巖灌漿達(dá)到一定強度后，再次進行錨桿造孔、注漿施工，進而完成了該部分預(yù)應(yīng)力錨桿的施工。

3.5 實施效果

白鶴灘水電站左岸廠房頂拱層采用兩序六區(qū)擴挖至結(jié)構(gòu)面的開挖方案，通過減小頂拱一次開挖揭露的跨度和單次爆破規(guī)模，系統(tǒng)支護及時跟進，同時針對施工過程中出現(xiàn)的特殊問題及時采取有針對性的措施，使頂拱圍巖變形得到了有效控制。多點位移計監(jiān)測結(jié)果顯示：頂拱測點的位移值整體處于較低水平，1.5 m測點的位移平均值控制在20 mm以內(nèi)，3.5 m測點的位移平均值不足15 mm。頂拱受不良結(jié)構(gòu)面影響洞段的圍巖變形破壞現(xiàn)象也得到了有效遏制，頂拱圍巖處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，保證了后續(xù)廠房開挖和混凝土澆筑施工的安全，所取得的效果得到業(yè)主、監(jiān)理的一致好評。

4 結(jié) 語

施工局技術(shù)人員針對世界上開挖跨度最大的地下廠房——白鶴灘水電站地下廠房[10]頂拱層進行的理論分析、數(shù)值計算和相關(guān)經(jīng)驗總結(jié)，提出了“多分序、緩卸荷”大跨度頂拱開挖新方法，并且針對施工過程中出現(xiàn)的特殊問題采取了有針對性的控制措施，成功攻克了復(fù)雜地質(zhì)條件下大跨度頂拱開挖的技術(shù)難題，保障了后續(xù)廠房開挖和混凝土施工安全，確保了工程施工進度，其成功經(jīng)驗可為國內(nèi)外類似工程提供借鑒。