河北易县抽水蓄能电站地下厂房顶拱预应力锚索快速施工研究

柳晓龙,郭智荣,李 超

(1.中国水利水电第四工程局有限公司,西宁 810007;2.中国水利水电第四工程局有限公司第二分局,河北 涿州 072750;3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

抽水蓄能电站机组吸出高度大,厂房机组大部分布置在地下。针对不同围岩条件,对地下洞室群进行支护设计,其中厂房顶拱部位易出现顶拱混凝土脱空、振捣不密实、厚度不够、钢筋外露等质量问题,因此多采用柔性喷锚支护为永久支护结构、预应力树脂锚杆、预应力砂浆锚杆、无粘结式锚索等方式进行锚定加固[1-3]。预应力锚索施工技术含量高,工序繁多复杂,特别是洞内顶拱预应力锚索施工难度大,施工时间长,工序干扰大,质量要求高,预应力锚索施工甚至成为影响整个洞室施工进度的重要因素之一[2-6]。本文以河北易县抽水蓄能电站为依托,针对地下厂房顶拱地质条件复杂、施工期安全风险突出的特点,从锚索锚固方式、施工工艺与方法等的角度出发,在保证施工质量和控制成本的前提下提出地下厂房顶拱预应力锚索快速施工方法,以期为同类抽水蓄能地下厂房锚索施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介

河北易县抽水蓄能电站位于河北省保定市易县境内,初拟安装4台单机容量为300 MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机,总装机容量为1 200 MW,额定发电水头354 m。工程为Ⅰ等大(1)型。地下厂房为1级建筑物。地下厂房由安装场、主机间和副厂房组成,呈“一”字形布置,断面形似城门洞,总长173.00 m,下部宽度为25.00 m,上部宽度为25.50 m,最大开挖高度达到54.50 m。机组安装高程为170.00 m。主变室和地下厂房平行布置,两洞间净距40 m。根据工程计划,预应力锚索按常规施工技术将影响项目整体施工进度,因此为确保蓄水和提前半年发电目标的实现,采用预应力锚索快速施工技术势在必行。

1.2 地下厂房复杂地质条件分析

地下厂房布置在输水系统中部,厂房地表为官座岭沟,厂房上覆岩体厚度130～200 m。地下厂房围岩均为燕山期闪长岩,灰黑色,微细粒结构,块状构造,岩石新鲜,岩质坚硬。地下厂房区域共出露8条断层破碎带,宽度在0.1～1.0 m,主要由碎裂岩、蚀变泥组成。其中断层fc1、fc2、fc3、fc9出露在主厂房顶拱部位;断层fc6、fc7、fc8出露在主变洞顶拱部位。地下厂房区域共出露3条节理密集带:Jc1、Jc2、Jc3。其中Jc1出露在主厂房顶拱部位;Jc2与Jc3出露在主变洞顶拱部位。地下厂房区域共发育12组裂隙。其中主厂房发育4组裂隙、主变洞发育8组裂隙。

厂房首层顶拱内多处发现了蚀变现象,主要集中于桩号厂右0+070.00 m～厂右0+137.00 m一带,厂左0+048.00 m～厂右0+070.00 m一段少见。厂房首层顶拱揭露有4条蚀变带,分别为Sc1、Sc2、Sc3、Sc5。同时,在断层fc2、fc3、fc9内,均有蚀变现象。

地下厂房首层顶拱长度为185 m,根据围岩分类结果,将地下厂房首层顶拱各类岩体所占比例按地质编录图进行统计,结果显示,Ⅲ类围岩长度113 m,约占61%;Ⅳ类围岩长度72 m,约占39%。地下厂房首层顶拱面积为4 623 m2,根据围岩分类结果,将地下厂房首层顶拱各类岩体所占比例按地质编录图进行统计,结果显示,Ⅲ类围岩面积为3 358 m2,约占73%;Ⅳ类围岩面积为1 265 m2,约占27%。

综合以上分析,地下厂房及主变洞顶拱断层、节理密集带和裂隙发育,围岩稳定较差,施工期安全风险突出,洞顶随时会出现塌方或不稳定体掉落,造成人身伤亡事故,延误工期。

图1 地下厂房首层顶拱地质编录

2 洞室预应力锚索快速施工技术研究

针对易县抽水蓄能电站地下厂房及主变洞顶拱存在断层、节理密集带、裂隙较多且围岩稳定较差的特点,防止施工期洞顶塌方或不稳定体掉落,因此,从预应力锚索快速施工出发,研究预应力锚索型式的选择和施工方法尤为重要[7-8]。

2.1 预应力锚索型式的选择

根据围岩稳定性分析,主要采用柔性喷锚支护为永久支护结构,采用预应力树脂锚杆、预应力砂浆锚杆、预应力锚索等方式进行锚定加固,主厂房开挖支护见图2。考虑到洞顶及洞室两侧断层裂隙发育的特点,预应力锚索施工一定要快速,预应力锚索的锚固型式有粘结和无粘结两种类型。有粘结的预应力锚索先要对锚索孔洞进行预灌浆,使其形成较为完整孔壁,再进行穿索后灌浆,需要两次灌浆。无粘结的预应力锚索钢绞线外侧包裹层形成自由段,仅在穿索后灌浆一次即可。为了便于快速施工,选择无粘结的预应力锚索。洞室顶拱断层出露部位的加强支护选用无粘结式预应力锚索,锚索L=25 m,锚固段长7 m,设计张拉力为1 000 kN。

图2 主厂房洞开挖支护剖面

2.2 施工方法的研究

无粘结预应力锚索施工程序如图3所示:

图3 无粘结预应力锚索施工工艺流程

从施工工艺分析,进行快速施工,第一、在地质条件差的洞室如何精准造孔是关键,钻孔设备的选择很重要;第二、锚索安装方法不能用传统人工方法,要采用先进安装方法;第三、优化浆液的配合比,早期强度高,可缩短张拉时间[9-10]。

(1) 预应力锚索精准钻孔方法

鉴于地下厂房顶拱部位断层较多、围岩稳定性差,使用先进的全站仪进行测量,精确定位锚索孔位,并将其以红油漆进行清晰的标识,以确保锚索钻孔的精准度。在造孔过程种,每个孔都应该记录尺寸、斜度、岩石颜色、钻进速度、岩石性质和孔深。钻孔结束后用高压水对孔壁进行清洗,直至孔口返出清水为止(堆积体、崩积层中钻孔只用高压风),保证孔内岩粉等清除干净,并用一根聚乙烯管复核孔深,保证孔内无阻塞。一旦孔内的清洁工作完成,应该立刻向物理探测试验室发出通知,以便对5%的孔位进行实时拍照、声波检查,以ACK其符合规范,然后再继续进行下一道工序的施工。为了确保安全,在安装锚索之前,需要使用填充物临时封堵。

本工程采用改造一条钻臂的DW3-180三臂凿岩台车进行钻孔(见图4)。在进行钻孔作业时,确保孔位偏差小于等于10 cm,孔斜误差小于等于孔深的2%,穿锚索误差小于等于1%。在使用过程中,终孔的深度不得超过设计深度40 cm,孔径不小于设计孔径10 mm。经过实践,钻孔设备的选择是保证锚索施工顺利的关键步骤。

图4 三臂凿岩台车锚索孔钻孔

(2) 锚索安装方法的选择

使用专业平板运输车,确保锚索不会暴露于潮湿、雨水或其他有害物质而受到破坏。

锚索安装采用机械辅助人工进行安装,安装方法见图5。在安装锚索之前,应当仔细核实其编号和孔口编号的一致性,并确保其绑定牢固,锁体和其他配件没有受到破坏,加强锚索的检测。使用探孔器再检查一次岩孔是否塌孔、堵孔,发现塌孔、堵孔时进行处理,孔内不得残留废渣等污物。将锚索精确地吊装到孔口,然后使用3 t卷扬机或者手提葫芦将其抬起,最后在顶拱锚索孔的两侧安装直径25 mm孔深1.5～2 m的锚杆。通过焊接弯钩来连接锚杆,然后将定滑轮紧紧地固定在其上,最后,将卷扬机的钢丝绳的一端与锚索体紧密捆扎,长度为60～80 cm。可以通过人工操纵来确保其不会弯曲,保持轴线的一致性,使送索的方向正确。当高度上升60～80 cm时,断开铅丝,将锚索和牵引钢丝绳分离。钢丝绳作为牵引力,安全绳起到了辅助的作用。当剩余2～3 m的距离时,使用手提葫芦将锚索精确地投放到孔中。为了确保锚索的完整性和稳定性,在安装过程中,曲率半径应超过5 m。

图5 顶拱锚索安装

(3) 灌浆浆液配合比的优化

在锚索体安装完毕并固定在位之后,使用高压气流对其进行检查,确保进浆管和回浆管的畅通,进浆管灌浆直到回浆管中的浆液完全流出为止。水泥强度必须达到42.5 MPa以上,水泥浆水灰比控制在0.38～0.45,添加适当的微膨胀剂和早强剂,10 d左右能够满足张拉设计要求。

在灌浆过程中,将浆料注入灌浆管,排气管上安装压力表,以便进行有效的循环灌浆,确保孔内浆料的充分填充[11]。根据孔壁围岩地质条件,灌浆压力需要进行精确的测量,将其设定在0.3 MPa以下,防止压力过大使裂隙张开。必须严格控制排水和排浆,确保孔口排出的浆液与注入的浆液的比例相当,才能够安全地施工屏浆。屏浆的压力应该控制在0.3～0.4 MPa,而且屏浆的持续时间也要控制在20～30 min。在灌浆完成后,应在浆液凝固之前进行补充灌浆。在灌浆过程中进行现场取样,进行抗压强度检查,从而确定锚索张拉时间。

在注浆完成之前,任何形式的拉伸或移动都是禁止的。在封孔灌浆期间,爆破的质点振动速度应该在3～7 d保持在不超过1.5 cm/s的范围内,锚索注浆区域内不允许进行任何爆破活动。当注浆强度超过75%时,才能够继续施工,并要求质点的振动速度不得超过7 cm/s。

3 结 论

(1) 选择施工有效地锚固方式。针对顶拱存在多个断层及裂隙复杂地质条件,锚固方式选择了无粘结锚索,可以减少二次自由段注浆的步骤,保证内锚段施工质量。

(2) 钻孔设备的选择对于保证项目的顺利实现至关重要。由于对钻孔精度要求极其严格且施工时间短,考虑岩体的完整性差,施工环境狭窄,综合考虑各项参数,最终选择先进钻孔设备三臂凿岩台车(DW3-180)。

(3) 使用先进的锚固技术来安装。鉴于顶拱锚索的复杂性,不能够仅靠人力操作,需要采用卷扬机来进行,将锚索精确地拉到孔口,使其与孔壁紧密结合,最终将锚索稳固地抬起放置于孔底。

(4) 优化锚固浆体配合比。浆液里添加灌浆剂和锚固剂,大幅改善预应力锚索的锚固性能,增强内锚段浆液及垫层砂浆的早期强度,大大缩短其等强期,保证了水泥浆或水泥砂浆在28 d内具备不低于40 MPa的抗压强度。

针对易县抽水蓄能电站地下厂房地质条件复杂、施工环境狭窄、工期要求紧张的特点,所提出的施工工艺能够保证顶拱锚索施工质量、加快了锚索的施工期,为同类锚索施工起到了借鉴意义。