乌东德水电站右岸地下厂房不良地质段岩锚梁开挖技术

王长城

(中国水利水电第六工程局有限公司，沈阳，110013)

1 工程概况

乌东德水电站右岸地下厂房位于峡谷岸坡内，岩体主要为已灰色中厚～厚层白云岩及灰岩，距岸边距离约120m，洞室埋深210m～390m。主厂房洞轴线方向为65°，与岩层走向夹角约20°～30°，厂房的开挖尺寸为333.00m×30.50m(32.50m)×89.80m，岩锚梁位于主厂房第Ⅲ层，通长布置。岩锚梁岩台顶部设计宽度为1m，高4.1m，岩台上拐点设计高程837.58m，下拐点设计高程835.9m。

2 岩锚梁开挖技术要求

根据《乌东德水电站地下洞室开挖及支护施工技术要求》的要求，岩锚梁开挖需满足以下要求：

(1)岩锚梁壁面不允许欠挖，超挖不超过10cm，对于岩台斜面的两个转角点要保持较好轮廓尺寸和围岩的完整。斜面与水平面的夹角与设计值相比应偏小，偏小值应不大于3°。

(2)控制爆破振动，以减小由于爆破而产生的围岩爆破影响深度，实测壁面爆破影响深度小于20cm。

(3)岩锚梁部位预裂爆破或光面爆破半孔率应达到85%以上，表面基本平整无明显裂隙。该部位周边孔应在断面轮廓线上开孔，其孔位偏差应不大于5cm。

3 影响主厂房岩锚梁成型主要不良地质条件

3.1 层间附碳质薄膜

碳质薄膜区域充填碎裂岩，断面附碳质薄膜，局部潮湿，岩面光滑。岩性为灰黑色中厚～厚层局部夹薄层白云岩，层面等结构面多附碳质薄膜。其抗剪强度参数f′=0.4，c′=25kPa，其抗剪强度低，在地应力作用下易产生变形与滑动，层间结合松弛，容易离层脱离，对岩锚梁和高边墙稳定产生不利影响。

3.2 小夹角岩层

洞室轴线与岩层走向小角度相交(约20°～30°)，其主厂房岩层走向与洞轴线(交角≤30°的占55%)近于平行，岩层较薄，开挖后高边墙岩体卸荷松弛稳定问题极为突出，容易出现塌落、顺层剥落、片帮等变形破坏。而且缓倾角节理相对发育，受小夹角与缓倾节理切割，岩锚梁成型较为困难。

4 保证不良地质段岩锚梁开挖质量采取的技术方案

对于不良地质段岩锚梁，需提高区域内岩层抗剪强度，加强围岩的整体性及稳定性，为后续岩锚梁桥机安全运行提供有力保障。根据现场地质勘察情况，对主厂房岩锚梁区域进行重新分层分区的开挖调整，预留两层保护层，通过多次1∶1模拟试验，小孔径小药量精细化爆破，确定爆破最优参数。对不良地质段增加超前锚固措施，在围岩爆破开挖前完成锚固，以减少爆破对岩锚梁区域岩壁损伤，保证岩台成型质量。

4.1 调整开挖分层分区减少爆破振动

岩锚梁位于主厂房Ⅲ层，开挖尺寸为333.00m×30.50m(32.50m)×9.6m。

图1 主厂房Ⅲ层开挖施工程序示意

主厂房第Ⅲ层岩锚梁开挖首先启动①区中间拉槽施工，宽度为12m，梯段高度为5.5m，梯段开挖时两侧施工预裂。

②区开挖为保护层梯段开挖，滞后①区拉槽开挖约30m，单侧开挖宽度为5.25m，高度为5.5m。

③区开挖为岩锚梁外侧保护层第一层开挖，滞后②区保护层30m，单侧开挖宽度为4.0m，开挖高度为4.0m，与岩台分界处进行光面爆破。

④区开挖为第二次中间拉槽开挖，待①区拉槽结束后滞后③区30m时进行开挖，开挖宽度为12m，高度为4.1m，两侧施工预裂。

⑤区为第二次保护层开挖，滞后④区拉槽开挖约30m，开挖宽度5.25m，高度4.1m，光面爆破。

⑥区开挖为岩锚梁外侧保护层第二层开挖，滞后⑤区保护层开挖30m，单侧开挖宽度为4.0m，开挖高度为3.0m，光面爆破。

⑦区开挖为岩锚梁外侧保护层第二层开挖，滞后⑥区保护层30m，单侧开挖宽度为4.0m，开挖高度为2.60m，光面爆破。

⑧区为岩锚梁下拐点以下4m范围边墙的系统支护施工(不含锚索施工)，在⑦区开挖完成后，进行岩锚梁以下边墙系统支护，锁定边墙岩体，减小岩锚梁开挖爆破损伤。

⑨区为岩锚梁岩台开挖支护。

4.2 不良地质段围岩超前锚固

根据岩锚梁不良地质段的岩层特性，在岩锚梁岩台外侧4m厚保护层开挖前，对岩锚梁区域进行预固结灌浆及短锚杆预锚固的措施，加强整体围岩结构的稳定性。

4.2.1 实施预固结灌浆改善围岩条件

主厂房在岩锚梁岩台外侧4m厚保护层开挖前，保护层岩面采用高压水冲洗后，喷15cm厚C25混凝土封闭岩面。在保护层立面穿过保护层岩体钻垂直于岩面的预固结灌浆孔，孔径φ76mm，灌浆孔孔深为10m，孔间距2.0m，排距2.0m。分两序两段施灌，第一段灌浆长3m，灌浆压力为0.3MPa～0.5MPa；第二段灌浆长7m，灌浆压力为0.8MPa～1.2MPa。灌浆材料采用高抗硫酸盐水泥。

图2 超前预固结灌浆示意

4.2.2 施工预锚固锚杆提前锁定开挖岩体

在岩锚梁岩台外侧4m厚保护层开挖前，穿过保护层在中间拉槽区域向预留保护层钻垂直向、倾斜向锚杆孔，安装超前锚杆对岩台开挖区域进行超前锚固。岩台每个横断面增加布置3根锚杆，锚杆为φ25mm，入岩深度3.1m，锚杆安装超入设计边线10cm，轴向间距1.5m，锚杆造孔深度7m～8.5m。①号锚杆上仰20°，理论开孔高程为837.6m；②号锚杆上仰15°，理论开孔高程为837.1m；③号锚杆垂直岩面，理论开孔高程为EL836.55m。现场施工时，根据实际开挖边线，测量逐孔放样，确定锚杆角度及钻孔孔深，保证锚杆质量。

图3 超前预锚固锚杆示意

4.3 岩台成型保证技术

4.3.1 实施岩台模拟试验确定最优爆破参数

在岩锚梁岩台正式开挖前，按照1∶1的模拟比例进行爆破试验以确定岩锚梁岩台开挖爆破参数。在不良地质段范围内挑选30m进行岩台及光面保护层实验，岩台及保护层每次爆破试验段长约为10m，爆破试验参数根据不同的工程地质条件，逐孔进行适当调整。爆破试验实施总路线如下：爆破试验部位→爆破试验测点布设→爆破试验数据采集→爆破试验数据整理→优化爆破参数→下一循环试验。开挖程序见图4。

图4 厂房岩锚梁试验开挖顺序

试验目的：验证和优化爆破参数，尤其是爆破最大单响药量，避免单响药量过大对两侧的岩壁梁保留岩体产生影响；获取爆破振动衰减传爆规律，为本层开挖质点振动速度控制提供依据。每段进行两次爆破试验，根据试验效果确定是否进行第三次试验，以达到理想的爆破效果。每次爆破后均对爆破参数进行优化调整，以取得厂房岩锚梁开挖爆破的最优参数。

4.3.2 岩台竖向孔埋设PVC管护壁

在进行4m厚保护层爆破施工时为避免已施工完成的岩台竖向孔塌孔，被爆破碎石堵塞，造成经济损失的同时也影响施工进度，对此，在岩台竖向孔造孔完成后在孔内安装φ32PVC管。其作用在于当4m厚保护层爆破时竖向孔塌落的碎石不堵塞已施工完成的孔身，并在接下来岩锚梁岩台爆破时起缓冲作用，避免药卷爆炸时瞬间强大的作用力直接作用在厂房边墙上，使残孔产生裂隙，影响岩锚梁安全。

4.3.3 岩锚梁岩台下拐点系统锚杆的预支护及护角角钢安装

为减少岩锚梁部位岩壁的松弛，保证岩锚梁成型，提前完成岩锚梁下拐点以下系统锚杆施工，来锁定下拐点部位岩体，并在距岩锚梁最近的一排锚杆上安装∠63mm×63mm×5mm护角角钢，进一步防护岩锚梁下拐点岩台。角钢利用周边系统锚杆焊接，角钢一面与系统锚杆满焊，另一面紧贴岩壁，焊接完成后，用M10水泥砂浆将角钢不能与岩壁完全契合岩壁的缝隙部分填满，防护岩壁。

4.3.4 特殊不良地质段临时喷混凝土支护

对于岩锚梁地质极差部位，在完成岩锚梁保护层开挖施工后，利用Aliva-500湿喷机喷5cm厚C25混凝土对岩面进行临时封闭，减少爆破后岩面的松弛卸荷及周边爆破震动对岩锚梁岩层的影响。

4.4 不良地质集中发育段岩锚梁开挖技术

对于层间附碳质薄膜与极薄层小夹角集中区域，经预锚固、预灌浆后，高边墙稳定性仍然较差，此类岩锚梁岩台不足以满足后期承载力要求。故此，对岩锚梁岩台进行挖除增加支撑墙处理，岩锚梁结构修改为支撑墙岩锚梁：①对主厂房上游边墙桩号Yc=1+080.00m～Yc=1+130.00m及桩号Yc=1+176.00m～Yc=1+207.00m段原设计1.0m宽的斜岩台不再保留，在开挖时，直接挖除，直至高程808.85m，后期浇筑混凝土承重岩锚梁桥机；②开挖后，立即对岩体进行5cm钢纤维喷混凝土对岩体进行封闭，减少边墙卸荷；③原设计2排岩锚梁预应力锚杆不变，另增加一排支撑墙岩锚梁200kN预应力锚杆，提高岩锚梁承载力；④对区域内高程839.70m～808.85m范围支护参数进行调整，系统锚杆、锚索加密加长，将原6m砂浆锚杆改为12m带垫板砂浆锚杆，锚杆间距调整为1m×1m，加强岩体锚固；⑤岩锚梁支撑墙采用钢筋混凝土结构，墙高30.85m，支撑墙内设双层钢筋，衬砌厚度1m。墙底传力至水轮机层大体积混凝土内，混凝土浇筑完毕后，对上游支撑墙体进行固结灌浆，固结灌浆孔深15m，孔径φ56mm。其方案及结构见图5。

图5 支撑墙岩锚梁方案及结构

5 岩锚梁开挖质量保证技术

(1)岩锚梁开挖前由测量人员放线，测量落实到人，并填写测量放样记录单。

(2)造孔前对孔位进行编号，填写钻孔责任分区表，将每孔的钻孔质量落实到个人。

(3)深度检查采用以5m为一段的两端孔立上标志杆，在岩壁梁台上方、外侧50cm～100cm处标记、拉线，然后量测。孔偏浅则重新施钻，孔偏深则在孔底垫岩粉。

(4)施工过程中质检人员采用三角样板及地质罗盘仪控制钻孔角度及方向。钻孔后，由质检人员对钻孔深度、角度、孔位进行检查，对不合格的钻孔，进行重新钻孔，验收合格后，方可进行下一工序。

(5)爆破后，由测量部进行围岩变形观测，地质工程师对围岩情况进行描述，质检部对围岩表面爆破裂隙、残孔痕迹进行描述，技术部根据测量、地质、质检的描述，对爆破参数进行优化，绘制爆破图。

(6)成立岩锚梁专业施工管控QC小组，对岩锚梁开挖施工进行全过程管控。

6 岩锚梁开挖质量成果

主厂房不良地质段岩锚梁开挖通过实施上述技术措施，实现了岩锚梁不良地质段开挖半孔保存率85%，开挖界面不平整度9.2cm，平均超挖9.8cm，工程质量优良。爆破开挖时对爆破区域进行质点爆破振动监测，最大质点震动均不超过3cm/s，区域内爆破振动对岩壁影响较小，属合理爆破，爆破振动监测成果如下。

表1 主厂房上游1+190～1+235爆破振动检测成果

表2 主厂房上游1+79.8～1+136.5爆破振动检测成果

7 结语

乌东德右岸主厂房岩锚梁岩台开挖是整个右岸地下厂房开挖施工的重点与难点，由于右岸地下厂房特殊地质因素，不良地质段岩锚梁的开挖质量面临巨大考验。在通过一系列的锚固优化手段后，保证了不良地质段岩锚梁开挖后壁面不欠挖、超挖不超过10cm、半孔率均在85%以上的技术要求，且爆破后的影响深度监测均在20cm以内，岩层表面也无明显裂隙，确保了岩锚梁开挖的样板水平，为后期岩锚梁浇筑混凝土奠定了良好的基础，值得以后类似工程借鉴。