不良地质段地下厂房岩锚梁开挖技术探究

王淑莹

(中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110179)

1 引 言

岩壁吊车梁简称岩锚梁，它借助长锚杆或预应力锚索将钢筋混凝土梁体固定在岩台上，通过混凝土、锚杆和岩石的接触面将梁体承受的全部荷载传递到围岩上[1]。岩壁吊车梁是综合利用钢筋混凝土技术、锚固技术、光面(预裂)爆破技术的产物，是水电站地下厂房系统中一种特殊的结构型式[2]。

20世纪60—70年代，北欧国家最早将岩锚梁技术应用在水电站地下厂房中。1986年，我国将岩锚梁技术率先应用在鲁布革水电站建设中，开挖质量达到预期效果[3]。与其他结构梁相比，采用岩锚梁技术有利于围岩稳定，缩小主厂房跨度，加快厂房下部开挖进度，大大缩短施工期限，降低工程造价[4]。由于岩锚梁具有安全性好、经济效益高、承载能力强等特点，该技术逐渐被广泛应用，并取得了较好的应用效果。

2 工程概况

乌东德水电站位于四川省会东县和云南省禄劝县交界，为目前中国第四、世界第七大水电站，是金沙江下游4个梯级电站中的第一梯级电站[5]。

右岸地下厂房布置在河床侧山体岸坡内，洞室埋深210～390m，外侧端墙距岸边约120m。右岸地下厂房岩体以已灰色中厚—厚层白云岩及灰岩为主。主厂房安装6台单机容量为850MW的水轮发电机组。主厂房的开挖尺寸为333.00m×30.50m(32.50m)×89.80m。岩锚梁通长布置在主厂房第Ⅲ层，岩锚梁桥机轨顶高程为839.70m。岩锚梁岩台设计高度为4.1m，顶部设计宽度为1.0m。

乌东德水电站右岸地下厂房三维布置图见图1。

图1 乌东德水电站右岸地下厂房三维示意图

3 工程地质条件

乌东德水电站右岸地下厂房存在层间附碳质薄膜和小夹角岩层等不良地质段，地质条件差。其中，层间附碳质薄膜区岩面光滑，层间结合松弛，抗剪强度低，容易发生滑动、变形、离层脱离等现象，严重影响高边墙的稳定和岩锚梁的成型[6]。主厂房岩层走向与洞室轴线相交角度为20°～30°，夹角较小，岩层较薄，施工中容易发生变形破坏，如片帮、顺层剥落、塌落等。开挖后高边墙因卸荷松弛影响，导致围岩稳定问题极为突出。主厂房缓倾角节理、顺断层、B类角砾岩等相对发育，岩锚梁成型较为困难。

4 岩锚梁开挖施工技术

4.1 开挖分层分区分块

根据工程地质条件、施工通道、施工机械设备的性能等因素进行主厂房的分层分区分块开挖。主厂房第Ⅰ层为顶拱层，高程为855.0～845.0m，分层高度为10.0m；第Ⅱ层高程为845.0～841.5m，分层高度为3.5m；岩锚梁开挖层位于第Ⅲ层，高程为841.5～831.9m，分层高度为9.6m。为了保证岩锚梁的开挖质量，将主厂房第Ⅲ层进一步细化、调整分层分区。

岩锚梁开挖分层分区见图2。

图2 岩锚梁开挖分层分区示意图(尺寸单位：cm)

4.2 岩锚梁开挖施工程序

结合图1所示，岩锚梁开挖施工程序为：①区中槽预裂施工→①区中间拉槽开挖→②区、③区保护层梯段开挖→④区中间拉槽开挖→⑤区、⑥区、⑦区保护层依次开挖→⑧区岩锚梁岩台开挖及支护施工→第Ⅳ层预裂施工。

4.3 岩台仿真爆破试验

仿真爆破试验是为了获取爆破最大单响药量，优化调整爆破参数，减少爆破对岩壁梁保留岩体的扰动；根据爆破试验效果分析研究爆破振动衰减传爆规律，控制开挖质点振动速度，使岩锚梁爆破开挖质量达到最佳效果[7]。爆破试验流程为：选择爆破试验位置→布设爆破试验测点→采集爆破试验数据→整理分析爆破试验数据→优化调整爆破参数→下一循环。

为了获取岩锚梁岩台爆破参数，按照模拟比例1 ∶1进行爆破试验，每次爆破试验段长约10m，每段进行两次爆破试验，并根据工程地质条件的不同和每段爆破后的效果及时优化调整爆破参数。为了进一步研究爆破后影响的松弛深度，布置两组声波孔在模拟岩台部位和模拟直立边墙部位，以3孔为1组，布孔深度为3m，布孔间距为1.5m，在岩台面垂直布置，直立边墙部位下倾10°布置。穿过模拟试验区声波孔均可进入待开挖岩体内。通过分析模拟试验监测点爆破飞石的最大距离、围岩表面的爆破裂隙、围岩变形、残孔痕迹等，及时优化调整爆破参数，最终达到理想爆破效果、获得爆破的最优参数[8]。

声波孔布置见图3。

图3 声波孔布置示意图(尺寸单位：cm)

4.4 岩锚梁开挖施工方法

4.4.1 岩锚梁①区施工

岩锚梁①区采用中间拉槽施工，先进行①区两侧预裂爆破施工，然后进行梯段爆破施工。采用D7液压钻机钻孔，梯段爆破开挖高度为5.5m，梯段爆破开挖宽度为12.0m。

4.4.2 岩锚梁②区施工

岩锚梁②区施工为第一次保护层开挖，采用梯段爆破开挖方式，开挖采用D7液压钻机钻孔，梯段爆破开挖高度为5.5m，单侧梯段爆破开挖宽度为5.25m。②区梯段爆破施工前先进行②区和③区之间的预裂爆破施工。②区梯段爆破施工滞后①区拉槽开挖约30m。

4.4.3 岩锚梁③区施工

岩锚梁③区为岩锚梁外侧保护层第一层，③区与岩台分界处采用光面爆破。光面爆破炮孔和垂直孔采用YT-28手风钻钻设，开挖高度为4.0m，单侧开挖宽度为4.0m，③区岩锚梁外侧保护层第一层施工滞后②区保护层30m。

4.4.4 岩锚梁④区施工

岩锚梁④区采用中间拉槽施工，先进行④区两侧预裂爆破施工，然后进行梯段爆破施工。采用D7液压钻机钻孔，梯段爆破开挖高度为4.1m，梯段爆破开挖宽度为12.0m。待①区中间拉槽结束后方可进行④区中间拉槽施工，④区施工滞后③区30m。

4.4.5 岩锚梁⑤区施工

岩锚梁⑤区施工为第二次保护层开挖，采用梯段爆破开挖方式，开挖采用D7液压钻机钻孔，梯段爆破开挖高度为4.1m，单侧梯段爆破开挖宽度为5.25m。⑤区梯段爆破施工前先进行⑤区和⑥区之间的预裂爆破施工。⑤区梯段爆破施工滞后④区拉槽开挖约30m。

4.4.6 岩锚梁⑥区施工

岩锚梁⑥区为岩锚梁外侧保护层第二层，⑥区与岩台分界处采用光面爆破。光面爆破炮孔和垂直孔采用YT-28手风钻钻设，开挖高度为3.0m，单侧开挖宽度为4.0m。⑥区岩锚梁外侧保护层第二层施工滞后⑤区保护层30m。

4.4.7 岩锚梁⑦区施工

岩锚梁⑦区为岩锚梁外侧保护层第三层，⑦区与设计边线处采用光面爆破。光面爆破炮孔和垂直孔采用YT-28手风钻钻设，开挖高度为2.6m，单侧开挖宽度为4.0m。⑦区岩锚梁外侧保护层第二层施工滞后⑥区保护层30m。

4.4.8 岩锚梁⑧区施工

岩锚梁⑧区施工为岩锚梁岩台开挖区，采用竖直孔和斜孔相结合方式开挖，采用YT-28手风钻钻设竖直孔和斜孔。竖直孔钻孔孔距30cm、孔深300cm、单孔装药量约450g，斜孔钻孔孔距30cm、孔深180cm、单孔装药量约250g。

4.5 开挖成型关键技术措施

4.5.1 超前预固结灌浆技术

根据岩锚梁岩性特征和不良地质段的情况，在岩台外侧4m厚的保护层开挖前进行超前预固结灌浆。采用高压水冲洗保护层岩面后，喷射厚度15cm的C25混凝土将岩面封闭[9]。预固结灌浆孔垂直于保护层岩面钻设布置，灌浆孔布置间距为2m、排距为2m、孔径为76mm、孔深为10m。灌浆材料为高抗硫酸盐水泥，分两序两段进行预固结灌浆。灌浆段长度分别为3m、7m，灌浆压力分别控制在0.3～0.5MPa、0.8～1.2MPa。预固结灌浆见图4。

图4 预固结灌浆示意图(尺寸单位：m)

4.5.2 超前预锚固锚杆技术

毋庸讳言，面对全球化、现代化的急速发展，乡村社会的自然生态与人文传统是脆弱的，由此在当下呈现出普遍凋零趋势，但村落毕竟是中国传统文化的重要承载地，村民是绝不可轻忽的文化传承主体，何况乡村社会的良好发展乃是国家长治久安的基础，其中所积淀的传统智慧对于人类未来发展弥足珍贵。村落民俗志书写，是中国近现代学术谱系中的重要传统，在当下具有特殊意义。笔者提倡以学者与民众的视域融合，促进村落民俗志的书写实践，其意在此。我认为，其中有如下三个方面值得特别注意：

在岩台外侧4m厚的保护层岩面上钻设倾斜向和垂直向锚杆孔，并安设超前预锚固锚杆。在岩锚梁岩台的每个横断面上分别布置一根上仰25°的锚杆、一根上仰15°的锚杆、一根垂直于保护层岩面的锚杆[10]。锚杆直径为25mm，钻孔深度为7.0～8.5m，入岩深度3.0m，轴向间距1.5m。预锚固锚杆布置见图5。

图5 预锚固锚杆布置示意图

4.5.3 小夹角层面控制技术

为保证小夹角层面高边墙的稳定，按照“薄层开挖，随层支护”的原则进行开挖支护。围岩支护张拉锚杆按1.5m×1.5m进行布置，选用长度L=9.0m、直径为32mm的锚杆。开挖控制层高在4.0m以内，紧跟掌子面进行随机支护，系统支护与掌子面间距不得大于15m，锚索支护需在一个月内完成。不良地质部位进行专门的爆破设计，优化爆破参数。小夹角层面部位最大单响药量控制在20kg以内。

4.5.4 B类角砾岩支护控制技术

为了有效抑制B类角砾岩引起的松弛卸荷及表面开裂浅层围岩变形现象，及时进行系统支护(系统锚杆长9m)和喷射混凝土等施工。根据地质条件、块体埋深及方量等调整增加锚杆，必要时为了抑制深层围岩变形可布置预应力锚索予以加固。

结合图1所示，爆破挖除岩锚梁4m保护层后岩锚梁岩台宽度不利于岩台竖向孔钻孔施工。因此，岩台竖向孔的钻孔施工应在4m保护层爆破前完成。为了防止4m保护层爆破碎石堵塞岩台竖向孔，或因爆破扰动后引起岩台竖向孔塌孔，在岩台竖向孔钻孔结束后及时安装直径40mm的PVC管进行护壁[11]。在岩锚梁岩台爆破时，PVC管起到缓冲作用，有效阻止瞬间巨大的爆破冲击力释放到厂房边墙上，确保岩锚梁施工安全。

4.5.6 岩锚梁岩台下拐点预支护技术

岩锚梁部位地质条件较差，容易发生滑动、变形、岩壁松弛现象，为提高围岩的稳定性和岩锚梁成型质量，应对岩锚梁岩台下拐点部位岩体进行预支护处理。为了锁定加固岩锚梁岩台下拐点部位岩体，具备施工条件后提前施工岩锚梁下拐点以下系统锚杆，并同步将∠63×63×5的护角角钢安装在距岩锚梁最近的一排锚杆上。角钢的一面满焊在系统锚杆上，角钢的另一面紧贴在岩壁上，并将岩壁与角钢之间的缝隙用M10水泥砂浆填满[12]。

5 岩锚梁开挖效果

乌东德水电站右岸地下厂房不良地质段岩锚梁开挖界面不平整度为9.2cm，开挖半孔保存率达85%以上，平均超挖为9.8cm，无欠挖，工程质量优良。经质点爆破振动监测，爆破区域最大质点振动均小于3cm/s，属于合理爆破施工。

岩锚梁开挖效果图见图6。

图6 岩锚梁开挖效果图

6 结 语

岩锚梁开挖是水电站地下厂房开挖过程中非常重要的施工内容，也是最为关键且难度最大的环节。乌东德水电站右岸地下厂房存在层间附碳质薄膜、小夹角岩层、缓倾角节理、顺断层、B类角砾岩、块体等地质问题，加大了开挖施工难度。为了减小爆破振动，开挖过程中合理精细化分层分区分块，在岩台仿真爆破试验的基础上，不断调整优化爆破参数，并通过采取一系列的开挖成型关键技术措施，保证了不良地质段岩锚梁成型质量，值得在类似工程中推广应用。