高拱坝坝肩抗力岩体置换洞地质缺陷开挖施工技术

【摘要】本文简要介绍了小湾水电站拱坝坝肩抗力体地质缺陷工程规模、工程地质和抗力体布置特点，抗力体地质缺陷面积大、地质复杂、施工通道狭小、施工安全风险突出，施工布置、工艺（方法）、质量、安全是关键、予以高度重视，结合设计要求，采取先进的开挖施工方法、安全监测手段，顺利完成施工，施工成果达到设计和施工规范要求。抗力体地质缺陷施工布置、工艺（方法）、安全监测手段可为相关地下地质缺陷处理工程提供借鉴及经验。

【关键词】抗力体；地质缺陷；开挖；施工技术

1、概况

1.1 工程概况

小湾水电站位于云南省澜沧江中游河段，是中下游河段的龙头水库，最大坝高294.5m。坝肩两岸地下共布置了14层置换洞，左岸地下布置4层置换洞（共17条置换洞、2条竖井），左岸布置10层置换洞（共25条置换洞），各种洞室分布长短不一、洞径大小不一、方位不同，在平面上相交，空间上交错。置换洞布置如图1、2。

1.2 地质条件

坝址地段分布的岩层为时代不明的中～深变质岩系（M）及第四系，岩层呈单斜构造。左岸主要分布有断层Ⅱ级F7一条，Ⅲ级F11、F5、F20三条；右岸主要分布有断层Ⅱ级F7一条，Ⅲ级F11、F5、F10、F3、F9等五条，产状为近EW走向，陡倾角，属顺层挤压性质，蚀变带主要有E1、E4、E5、E2等4条。典型断层和蚀变带如图3、4。

1.3 开挖施工概述

左右岸设计布置的置换洞室断面类型和数量较多，长短各异，分布相对复杂，开挖的特殊性，其开挖主要是清除软弱地质结构面，开挖均处在不良地质段中，开挖过程是一个不断跟踪构造带、断层、蚀变岩体的过程，在施工过程中，每开挖进尺5m～7m段，都需要由业主、监理、设计及施工四方组成的地质跟踪小组对洞室地质情况进行鉴定，确定下一开挖段的方位和洞室的断面尺寸。

开挖时同一立面、高程上相邻的洞室，靠近拱坝建基面的洞口10m段开挖自上而下及早开挖施工，该范围内洞段开挖应在上层洞段的支护措施全部完成后，方能进行紧邻下层洞口段的开挖；10m以外洞身段，遵循自上而下、间隔开挖的总体顺序，原则上要求上、下层洞塞衬砌浇筑完毕7d后方能进行紧邻的中间层洞塞相应洞段开挖，间隔开挖的洞塞，其开挖应错开施工，先施工洞塞的支护须超前后施工洞塞的开挖至少20m。

2、抗力体施工布置

2.1 施工总布置

结合设计院对坝肩抗力岩体受力结构研究及置换洞和边坡锚固设计布置，研究地形、地质条件，与周围大坝标段及其它标段等标段相互关联互相干扰的问题，优化施工组织设计，合理布置施工通道、临建设施是保证施工进度的关键。

结合抗力岩体置换洞塞与周边排水、灌浆、监测等洞室交叉，以及紧靠大坝施工的上中下层施工道路，综合利用现有通道，合理布置施工通道、临建（附属）设施。

2.2 施工道路布置

左岸区域布置2条施工竖井和不同高程布置11条施工支洞与置换洞、坡面公路连接，作为施工通道。

右岸区域布置3条施工竖井和不同高程布置17条施工支洞与置换洞连接、坡面公路连接，作为施工通道。

3、抗力体地质缺陷开挖施工

3.1 开挖施工规划

左、右岸置换洞为分层布置形式，相邻洞层基本位于同一立面上，且在同一平面内大多都存在交错布置。开挖时同一立面、高程上相鄰的洞塞，靠近拱坝建基面的洞口10m段开挖自上而下尽早开挖施工，该范围内洞段开挖应在上层洞段的支护措施全部完成后，方能进行紧邻下层洞口段的开挖；10m以外洞身段，遵循自上而下、间隔开挖的总体顺序，要求上、下层洞塞衬砌浇筑完毕7d后方能进行紧邻的中间层洞塞相应洞段开挖，间隔开挖的洞塞，其开挖应错开施工，先施工洞塞的支护须超前后施工洞塞的开挖至少20m。

由于断层产状在平面上、立面上均有变化，特别是蚀变岩体分布不均一，要求超前勘探洞每开挖进尺5～7m左右，将洞室表面粉尘、石渣用水清洗干净，通知、监理、设计对洞室地质条件进行鉴定，确定下一步的开挖洞向和洞径。

同一立面、高程上相邻的洞室遵循间隔开挖的总体顺序：洞高8m以上城门型断面均分为2～3层进行开挖支护，先挖超前探洞2.5m×2.5m，进行地质缺陷鉴定确定开挖方位后再扩挖高度约5m，再地质缺陷鉴定确定开挖方位、洞径，最后扩挖或下层开挖高度3～5m；洞高8m以下城门型断面先挖超前探洞2.5m×2.5m，进行地质缺陷鉴定确定开挖方位后再全断面扩挖。

开挖采用手风钻造孔，中心掏槽，分层爆破，周边轮廓光面爆破法。遵循弱爆破、短循环、勤支护的方法。

开挖支护过程中，相应的进行安全监测项目的施工，根据监测数据及时调整开挖方案。

3.2 开展控制爆破试验

总结以往各型地下洞室开挖成功经验，结合小湾电站抗力岩体置换洞实际地质情况，选取有代表性的洞室段，针对性地作爆破设计及专门的爆破试验，2005年8月13日～2006年3月8日，抗力岩体置换洞塞限购完成7次控制爆破试验，右岸3次、左岸4次，取得了抗力体开挖控制爆破试验研究成果。取得爆破试验数据和效果检查后，及时分析研究修改调整爆破设计，用于指导现场施工。

3.3 平洞地质缺陷开挖施工

置换洞开挖支护主要施工技术方案如下。

（1）一般置换洞开挖施工

一般置换洞分2～3个次序开挖：6m×6m以上大断面先进行2m×2m超前地质探洞开挖，扩挖滞后跟进的施工方法。每次开挖5～7米后进行地质跟踪鉴定：确定下一步洞轴线、断面。随后分两层进行开挖支护，上层开挖高度约为4.0m，遇不良地质洞段及时进行支护。下层开挖高度为3～4m，开挖后再次进行地质跟踪，确定岩层基建面是否满足设计要求，必要时进行下部扩挖。6m×6m以下小断面开挖类同以上施工。置换洞开挖成型后，与原设计图比较，置换洞均有不同程度地优化调整。

一般地质段洞室，周边孔采用密孔、小药量光爆，系统支护及随机支护施工。超前地质探洞主要采用灵活多样的人工钻爆作业方式施工[3][5]。

（2）蚀变岩体洞开挖施工

蚀变岩体在各层洞室均有不同范围内分布，并夹有断层带分布，由密实的断层泥、糜棱岩、蚀变岩组成，易吸水，吸水后岩石崩解、强度降低。

蚀变岩体置换洞身开挖分三步：先进行2m×2m超前地质探洞开挖，扩挖滞后跟进的施工方法。每次开挖5～7米后联合地质跟踪，开挖20～30米后，再分两层进行开挖支护。

施工过程中按设计要求，及时布设多点位移计、声波孔等监测设施对蚀变岩体洞室实施监测。

3.4 洞井开挖施工

左岸LZJA1、LZJA2竖井在EL.1220m、EL.1200m层置换洞开挖支护结束后进行施工，采用“反井法”、“正井法”相结合进行开挖，左岸EL.1220m层先期进行开挖支护施工，与竖井相交LZA洞开挖时，竖井顶部（LZA洞底部）下挖3米。EL.1200m层与竖井相交LKB1、LKB2洞上層开挖支护结束后，先采用人工手风钻开挖2.5m×2.5mLZJA1、LZJA2竖井的反导井，再自上而下扩挖至设计断面[5]。

扩挖渣料采用人工扒渣落至EL.1200m层洞塞，再采用2m3装载机或0.15m3反铲装渣，小型自卸车水平运输或0.3m3装载机直接抬至LS2溜料竖井溜至L8施工支洞内，最后由3m3侧卸装载机装渣，自卸车运输至指定渣场。

3.5 实施联合地质跟踪

采用地质跟踪确定开挖范围及面积，先开挖超前探洞5～7m（对于软弱岩带产状变化部位3～5m），由业主、设计、监理、施工四方现场进行跟踪鉴定，确定下一步开挖方位和范围，然后再进行钻孔爆破开挖方式。

4、施工监测

开挖施工过程中为掌握围岩变形发展情况，采用各种测量仪表、仪器、收敛变形、电视图像、声波测试、多点位移计、岩石应力计对围岩变化情况及各工序施工状态下进行监测，并按照监测围岩变形和应力状况，预见事故和险情，作为调整和修改设计方案、施工工艺的依据，及时调设计参数，保证设计数据的针对性和施工过程的安全性。以及掌握洞室周围围岩稳定及动态变化，为围岩缺陷加固处理工程建设提供了数据支持。

开挖过程中紧跟掌子面跟进声波测试，所有开挖洞塞均安排声波测试。声波成果测试表明，大部分开挖松弛都在0.4～0.8m之间或松弛范围不明显，波速大多在4500m/s以上；个别洞塞个别孔出现孔口段低波速区超过1.5m，低波速段波速在2500m/s左右，经过实际查勘，这些孔都位于结构面上，或者孔口段在蚀变体中，出现低波速区。从整个声波测试结果看：开挖造成的岩石松弛范围都在0.6m左右或者不明显，个别大的低波速区是由地质原因造成，整个开挖爆破控制及支护效果均有效和较好。

5、施工质量

抗力岩体地质缺陷开挖充分体现了“新奥法”施工原则：“短进尺、弱爆破、少扰动，紧封闭，勤量测”；同时充分利用机械设备与施工人员有效结合，实现了断层、蚀变岩体开挖、及时支护、快速循环的先进施工工艺。

开挖结束后，经过联合检查验收，开挖质量满足设计要求。

6、施工总结

小湾水电站坝肩抗力岩体地质缺陷开挖施工，技术要求高，无经验借鉴，是一项极具挑战性的设计、施工技术难题。施工期间，通过抗力岩体置换洞塞开挖，在积累了大量地下工程爆破施工经验的基础上，重点在造孔设备选型、造孔精度控制、爆破参数制定等几方面的综合分析研究，并通过爆破工艺试验、针对不同岩体工艺改进及采取一系列先进技术保证了置换洞开挖精度。使整个开挖爆破施工工艺向规范化、程序化，标准化发展，有效地提高爆破开挖质量。同时，本工程在开挖施工中进行了精细化的施工管理，实施了“开孔证”、“终孔证”、 “准爆证” 三证制度，从而保证了置换洞的爆破开挖成形质量。

抗力岩体置换洞室开挖于2005年7月15日开始进行开挖施工，2006年12月底顺利开挖完成，所有洞室未发生一起较大塌方事故；施工高效、快速、安全，创造了极差地质条件特殊洞室施工的开创性记录。

先进的施工工艺、施工设备、人员合理配置，地下地质缺陷处理工程施工形成了一套完整、成熟的施工方案，积累了宝贵的施工经验，可为今后类似工程的设计和施工提供经验及借鉴。

参考文献：

[1] 电力行业标准，《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》DL/T5099-1999

[2] 李明华，尹浩，《干河泵站工程地下厂房开挖施工》，云南水力发电，2013（3）

[3] 水利水电工程施工组织设计手册，第三篇施工交通运输，水利电力出版社

[4] 普国江，《高地应力地区地下厂房贯穿开挖支护技术措施》，云南水力发电，2011（4）

[5] 中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院， 《坝基坝肩地质缺陷开挖与支护施工技术要求（第A版）》XW.TJ11A-2005