拉西瓦水电站地下厂房顶拱开挖及支护情况综述

拉西瓦水电站地下厂房开挖分层及顶拱的开挖支护白 帆，贺钰钏，王晓辉（黄河水电公司拉西瓦建设分公司，青海 贵德 811700）关键词：地下厂房；开挖分层；顶拱开挖支护；拉西瓦水电站 摘 要： 拉西瓦水电站地下厂房位于高地应力区，厂区最大主应力达20MPa30MPa。为确保施工期、运行期的安全及开挖质量，经对围岩弹性释放能和能量释放率的计算分析，综合考虑其它因素，合理确定了地下厂房的开挖分层，并对厂房顶拱采取有效的开挖方法及支护措施。观测数据证明，厂房开挖支护完成后顶拱围岩已趋于稳定。Delamination Excavation of Underground Powerhouse and Excavation Support of the Caverns Arch Crown for Laxiwa Hydropower StationBai Fan,He Yuchuan,Wang Xiaohui(Yellow River Hydropower Co. Laxiwa Construction Branch, Guide Qinghai 811700)Key Word: underground powerhouse; delamination excavation; excavation and support; Laxiwa Hydropower StationAbstract:The underground powerhouse excavation group of Laxiwa Hydropower Station is buried in high geostress area where the highest principal stress reaches from 20MPa to 30MPa.In order to make sure the security during the construction and function period and sure excavation quality, based on results of compution and analysis to elastic release energy and energy liberation rate of surrounding rock mass and overall consideration of various factors,reasonable delamination excavations is carried out , and effective measures of excavation and support to surrounding rock mass of arch crown are taken.Recent observation shows that deformation of surrounding rock mass has tended to be constant after the completion of excavation and support.1 工程概况拉西瓦地下厂房位于河道右岸150m466m深的岩体内，总长311.75m，其中主厂房长279.75m、宽30m、高74.84m，内装6台700MW的水轮发电机组，地下厂房下游侧设主变开关室，长232.60m、宽28.7m、高51m。2 地质条件地下厂房区岩性为坚硬致密的花岗岩，无较大断层，地下水活动微弱，上覆岩体风化卸荷浅。厂房顶拱围岩以II类、III类为主；岩体完整较完整，以块状及整体块状为主，少量次块状；局部地段断层及节理裂隙密集，存在不利结构面组合。受Hf8、Hf1及HL1等断裂组合影响，顶拱较大范围内有不稳定结构岩体。经现场地应力测试，厂区最大主应力20MPa30MPa，厂房开挖过程中顶拱时有掉块、岩爆及小方量塌方发生。3 地下厂房开挖分层选择高地应力条件下大型地下洞室的开挖，使岩体中集聚的弹性能突然释放，造成围岩卸荷破坏，对洞室的围岩稳定及施工期的安全极为不利，应采取有效措施限制围岩的卸荷松弛，防止岩爆灾害的发生。岩爆发生的必要条件是围岩系统在力学平衡破坏时所释放的能量大于所消耗的能量。因此应重点考虑降低能量变化对围岩的影响。高地应力条件下大型地下洞室开挖可通过合理分层控制能量变化，具体方法为：建立包括能量释放率的目标函数，根据不同分层开挖方案研究围岩能量释放率的影响规律，确定较合理的开挖分层方案。拉西瓦地下厂房分别取5层（15m）、7层（11m）、9层（8m）三个方案计算分析。3.1 开挖分层与弹性释放能总量的关系南非Salamon等人根据线弹性理论提出地下洞室开挖过程中能量转换公式： （1）式中，Wc为整个岩体体积内应力因开洞而作的功；Um为开挖体含有的能量；Uc为应力集中在围岩中增加的应变能；W r为系统随开挖过程释放的能量。根据上述公式计算，9层开挖方案的弹性释放能总量最小，5层开挖方案的弹性释放能总量最大，即随开挖高度的减少（或层数的增加），弹性释放能总量随之减少，见图1。500051005200530054005500560057005层 7层9层弹性释放能（MPa）图1 不同开挖层数弹性释放能总量对比图3.2 不同开挖分层的弹性能量释放曲线根据上述理论，将洞室分成m步开挖,则动态开挖过程中某一特定开采步骤的围岩释放能量为： （2）式中，ur为某一动态开挖步骤中围岩释放的能量；Sm为本步开挖而暴露出的岩体空区的表面积；ui为开挖引起的围岩次生位移；Ti为本步开挖前围岩中的表面牵引力。而能量释放率为ERRur/v （3）式中，V为开挖岩体总体积。根据上式计算，采用9层开挖方案的能量释放率最小，5层开挖方案的能量释放率最大，即随开挖高度的减小（或层数的增加），弹性释放率随之减小。见图2。01000200030004000500060001层2层3层4层5层6层7层8层9层弹性释放能（MPa）5层7层9层图2 不同开挖层数弹性能量释放曲线3.3 开挖分层与应力位移的变化关系根据计算，各种开挖方案的应力、位移变化规律基本相似，但主厂房顶拱最大主应力1随开挖深度增加而增大，主厂房5层开挖方案应力极值较9层开挖方案应力极值更大。 综上所述，不同开挖分层方案的应力、位移分布规律具有相似性，但弹性释放能及释放率明显不同，因此可采用弹性释放能及释放率作为地下厂房开挖分层选择的一个指标。综合考虑各种因素，拉西瓦地下厂房最终采用9层开挖方案。4 地下厂房顶拱开挖厂房顶拱开挖跨度30m，总长311.75m（桩号厂左0+034.00厂右0+277.75）开挖高度10m，采用三区分块开挖方案，见图3。图3 拉西瓦水电站地下厂房顶拱开挖程序图4.1 中导洞开挖：中导洞全断面开挖，开挖断面尺寸10m×10m，楔型掏槽造孔,孔深3.0m3.5m，进尺3.0m/循环，系统锚杆跟进支护；特殊不利部位短进尺、弱爆破，必要时打超前锚杆。4.2侧墙开挖：厂房顶拱侧墙采用先下部掏槽，再开挖1.5m保护层的方法，横向开挖宽10m。侧墙开挖分十块，每块开挖为1循环，先开挖、块，采取中下部水平楔型掏槽，上部压顶的方法，压顶孔为水平孔和下斜孔，钻孔深度根据每块厚度决定；保护层根据设计轮廓线造斜向孔，孔深控制在1.5m左右，见图4。图4 拉西瓦水电站地下厂房顶拱侧墙刻槽开挖分块图4.3特殊部位开挖（1）顶拱开挖时，桩号厂右0+153m、厂纵0+000m处顶拱围岩变形监测数据突变较快，为确保该部位顶拱围岩稳定，现场采取预留岩柱的方法：厂房顶拱上下游先预留岩柱，每个岩柱厚10m15m，然后尽快完成其它部位的开挖支护施工，最后进行该岩柱的开挖及顶拱支护。（2）顶拱开挖时，桩号厂右0+30厂右0+180由于受不利结构面影响，出现若干不稳定岩块，为防止塌方，现场采用钢管柱临时加固：钢管座在完整岩石上，钢管底部浇混凝土墩；顶拱用锚杆与钢管焊接；钢管柱之间用角钢连接增加其整体稳定；待该部位支护完成后，拆除钢管柱。5 地下厂房顶拱支护 5.1 一般支护厂房顶拱主要以浅层和表层支护为主，局部地段采用深层预应力锚索支护，设计主要支护参数见表1。表1 拉西瓦水电站地下厂房顶拱系统锚喷支护参数部 位锚 杆锚 索喷混凝土厂房顶拱32/283×3m, L=4.5/9m交错布置，9.0m的为100kN的预应力锚杆1#3#机组段顶拱有锚索，吨位T=150t，每排35根，排距6.0m；其他部分拱顶无锚索钢纤维混凝土厚15cm开挖中根据实际地质情况及监测资料分析，对不利岩体部位又增加了随机锚杆和预应力锚索。综合上述修改，厂房顶拱支护实际完成量见表2。表2 厂房顶拱设计及实际完成的支护工程量统计表序号项 目 名 称单位设 计数 量实际完成数量备 注1砂浆锚杆（28、L4.8m）根894812间排距3m×3m，入岩4.7m2砂浆锚杆（32、L4.8m）根686210间排距3m×3m，入岩4.7m3砂浆锚杆（32、L6.0m）根2781间排距3m×3m，入岩5.9m4砂浆锚杆（32、L9.0m）根300间排距3m×3m，入岩8.9m5预应力锚杆（32、L9.0m）根15471331间排距3m×3m，入岩8.8m6预应力锚索（L20m、1500KN）束1931间排距6m×4.5m7预应力锚索（L25m、1500KN）束1626间排距6m×4.5m8预应力锚索（L30m、1500KN）束8间排距6m×4.5m9预应力锚索（L40m、1500KN）束16间排距6m×4.5m10喷钢纤维混凝土（C30、厚15cm）m31858.341858.3439.74m×311.75m×0.15m5.2 特殊部位支护由厂房围岩监测数据值知，普通锚杆测值大于250MPa的占10.94，预应力锚杆测值大于250MPa的占18.37，应力值较大部位出现在厂房顶拱厂右070m厂右0+97m附近，并出现局部掉块现象。造成应力值大的原因是断层（f7、f8、f9等）相互切割，形成厚约17m的不稳定结构块体，原支护参数不满足要求，进行了二次加固，具体措施为：采用100T、长25m无粘结预应力锚索58束，对该不稳定块体进行深层加固，凿除开裂的混凝土，重新挂网（6，15cm×15cm）喷混凝土（C20，厚15cm）。处理后，厂房顶拱各类监测仪器测值均趋于稳定，岩体整体处于稳定状态。需要说明的是，上述施工是在厂房已开始第VII层开挖时才开始处理的，由于高差较大（2270.52216.0，约54.5m）导致顶拱支护施工难度加大、干扰较多、工期延长、费用增加。6 结语（1）为确保高地应力区地下厂房的围岩稳定，应根据岩石