乌东德水电站是金沙江下游河段4个水电梯级———乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝中的最上游梯级, 坝址所处河段右岸隶属云南省禄劝县, 左岸隶属四川省会东县。电站上距攀枝花市213.9km, 下距白鹤滩水电站182.5km, 与昆明市直线距离125km。工程开发任务以发电为主, 兼顾防洪, 电站装机容量10 200MW, 多年平均发电量389.3亿k W·h。工程枢纽建筑物主要由挡水建筑物混凝土双曲拱坝、泄水建筑物、引水发电建筑物等组成。

乌东德左岸地下电站位于左岸山体内, 由复杂洞室群组成, 厂房布置6台单机容量850MW的水轮发电机组。地下电站洞室群三维布置如图1所示。

地下厂房穿过落雪组Pt_2l^2-3~Pt_2l^3-2地层, 岩性为中厚~厚层灰岩、白云岩及中厚~薄层大理岩化白云岩。厂房揭露围岩主要为第3段厚~中厚层灰岩或白云岩, 局部为互层大理岩化白云岩, 岩层走向与洞轴线夹角一般为30°~40°, 倾角75°~85°;围岩类别以Ⅱ, Ⅲ类为主;局部长大结构面及剪切带走向与洞轴线小夹角切割形成大量块体;岩溶总体弱发育, 但Pt_2l^3-1, Pt_2l^3-3等地层中灰岩岩溶相对较发育, 局部顺层溶蚀明显;落雪组第4段 (Pt_2l^4-1) 等岩体劈理较发育, 地下水相对较丰富, 洞室开挖过程中滴渗水点较多;地下水有弱~中等硫酸盐腐蚀性;地应力水平为低~中等 (一般6~13MPa) 。

乌东德水电站左岸地下主厂房开挖尺寸333.0m×30.5m (32.5m) ×89.8m (长×宽×高) , 开挖断面为圆拱直墙型, 高度居世界第一, 跨度居世界第四;主厂房、主变洞和调压室三大洞室平行布置, 主厂房上游侧布置6条引水隧洞和6条补气廊道, 下游侧布置6条母线洞和1条电缆廊道与主变洞连通。主厂房顶拱及边墙相间布置L=9m, 32@3.0m张拉锚杆和L=6m, 32@3.0m普通砂浆锚杆, Ⅱ类围岩喷C30混凝土12cm, 再喷3cm厚C30素混凝土;Ⅲ类围岩挂网喷C30混凝土15cm;上、下游边墙及左、右端墙布置内锚或对穿预应力锚索, 排距4.5m (3.0m) ×4.5m。

主厂房开挖揭露的主要工程地质问题有小夹角层面、块体、B类角砾岩、较长大缓倾角裂隙、短小缓倾角裂隙相对较发育区、小夹角长大构造结构面、溶洞等。其中, 以小夹角层面 (见图2) 、块体及B类角砾岩对工程围岩稳定性及施工难度影响最大。

1) 主厂房岩层走向一般270°~280°, 倾向S, 倾角75°~85°。主厂房轴线走向60°, 岩层走向与厂房轴线夹角以30°~40°为主, 靠江侧局部夹角<30°, 山内侧局部夹角40°~50°。开挖揭露的实际岩层走向与厂房轴线夹角≤20°的洞段约占6%, 夹角为20°~30°的洞段约占9%, 夹角>30°的洞段约占85%。层状岩体在受开挖扰动后, 破坏通常首先沿层面张开或滑移, 若不及时支护, 层面破坏范围将逐渐扩大, 同时由于表层岩体开裂松弛使深部岩体侧向约束力逐步解除, 破坏也会由表层逐步向深部扩展。

2) 厂房顶层开挖后5~6号机组段顶拱及边墙揭露较大规模B类角砾岩, 其成分为白云岩及灰岩, 主要呈弱~微风化状, 角砾岩体密度2.4g/cm³, 声波值一般3 800~4 800m/s, 单轴抗压强度约40MPa。这表明, 角砾岩本身的致密程度差于周围岩体 (灰岩) 。对饱和及干燥角砾岩进行室内试验测试, 由测试可知力学性质较差的B类角砾岩给顶拱和高边墙开挖带来极大的施工安全隐患和稳定性问题。

3) 主厂房开挖揭露大量块体, 总量超过100个, 方量以100~500m³居多, 最大达1 000m³, 埋深一般2~7m, 最大埋深12m;块体大多分布在IV层以上, 顶拱分布最多。为此, 设计增加大量预应力锚索进行加强支护, 其中顶拱增加锚索约231束。

4) 主厂房上、下游边墙布置大量内锚或对穿型预应力锚索, 受空间及各工序限制和干扰, 支护制约开挖进度仍是大型厂房开挖的突出矛盾, 尤其锚索施工进度直接影响厂房高边墙稳定性, 进而影响下挖。

主厂房开挖分层考虑其结构特点、与相邻洞室关系、支护布置、施工通道布置及施工机械性能, 并结合围岩稳定条件进行确定, 共分11大层 (18小层) , 大层分层高度为6.7~9.8m。

乌东德水电站左岸主厂房开挖支护注重安全、高效, 利用厂房长度、宽度, 在做到传统开挖方法“平面多工序”的基础上实现了开挖与支护“流水作业”, 即充分应用大型机械设备实施支护, 替代传统搭设排架实施支护的方式, 从而实现开挖先行, 随机支护及时跟进, 滞后一定距离依次进行浅层系统支护 (锚杆、挂网喷护) 和深层支护 (锚索) , 开挖与支护在同一平面流水作业, 避免了传统方法开挖与支护存在的上下交叉作业、施工干扰大、安全风险大等问题。主厂房开挖支护施工方法如表1所示。

针对深层支护高排架的施工进度往往直接制约洞室下挖, 尤其是大型洞室高边墙的开挖。为此, 通过研发和改进施工设备, 提出一套大型洞室开挖支护高度机械化的施工技术, 即洞室总体按照自上而下分层开挖的程序进行施工^[2], 每层开挖先行, 随机支护及时跟进, 浅层支护采用多臂钻及湿喷台车滞后约30m进行;锚索施工采用新型液压高臂履带钻机钻孔, 人工配合汽车式起重机 (或随车起重运输车) 、液压自动入索机进行入索、注浆及封锚等工序。锚索施工新型设备的使用, 避免了搭设、拆除排架及其所带来的施工干扰大、工效低等一系列问题, 结束了传统锚索施工依赖排架作为操作平台的历史, 使大型地下洞室开挖支护实现了全过程无排架的高度机械化施工, 不仅节约了成本投入、降低了安全风险, 更重要的是大大提高了锚索施工效率, 在安全监测的配合下, 可极大地减小开挖进度受深层支护制约的影响, 有效加快施工进度。

1) 顶拱高臂履带钻车的锚索安装技术

主厂房和主变洞顶层开挖后揭露B类角砾岩区域及大量块体, 设计增加大量预应力锚索进行加固。为减小施工干扰, 提高施工工效和安全性, 厂房及主变洞顶拱锚索施工引进了履带式液压钻机, 并对这种钻机进行了改进, 研制出新型 (JBY680型) 液压高臂履带钻车, 该钻车依靠自身履带总成作为操作平台并实现在工作面灵活移动;为保证钻孔精度, 在钻车滑槽上设置了导向装置。同时, 在钻机上增加液压臂设置辅助作业平台, 可用于辅助锚索注浆、锚墩施工, 解决了传统锚索施工须搭设、拆除排架所带来的周期长、干扰大、利用率低、安全风险大等问题。同时, 研发了一种锚索液压自动送索装置安装在吊车或随车吊大臂顶端, 通过在地面操作液压控制系统即实现自动入索 (见图3) , 该装置的使用将单束锚索入索时间由传统方法的16h缩短至2~3h, 极大地提高了工效, 而且有效降低了安全风险。

2) 边墙锚索精确定位施工技术

主厂房开挖层高一般8.0m左右, 采用新型液压高臂履带钻车实施造孔, 完全满足施工需要。同样因避免了搭设排架, 大大减小了施工干扰, 加快了施工进度, 从保证洞室围岩稳定方面为快速开挖提供了基础保障。边墙对穿锚索设计要求钻孔允许偏斜≤孔深的2%, 且受系统锚杆及厂房与其他洞室交叉口锁口锚杆影响, 钻孔偏斜较大很容易造成废孔。采取对钻杆增加扶正器、根据地质条件适时调整开孔参数及钻进参数, 以及通过设置放样点支架对开孔前视点和后视点进行精确放样等技术措施, 使一次钻孔合格率由施工初期的71.6%提高到91.4%。

为保证厂房小夹角层面 (一般指夹角<30°, 主要指<20°) 洞段高边墙稳定, 对其变形及破坏机理进行了充分分析, 并从支护设计、施工技术、组织管理等多方面有针对性地制定控制措施: (1) 支护设计

依据数值反馈计算成果, 围岩支护采用32, L=9m@1.5m×1.5m张拉锚杆;锚索间排距调整为3.0m×4.5m; (2) 施工技术严格按照“薄层开挖, 随层支护”的原则组织小夹角部位的开挖支护, 开挖的层高控制在4.0m左右;要求随机支护紧跟掌子面, 浅层系统支护滞后掌子面一般控制在15m以内, 1个月内完成锚索支护; (3) 爆破对小夹角层面部位的爆破参数进行专门设计, 通过控制爆破参数尽量减小围岩损伤, 控制沿层面张开等变形。典型爆破设计要求最大单响控制在20kg以内。

针对顶拱B类角砾岩在开挖后出现较为明显的松弛卸荷情况, 采取喷混凝土和系统锚杆快速施工可有效改善其应力状态, 从而抑制表面开裂浅层围岩变形, 系统锚杆长度9m, 超过该岩体短期塑性屈服区深度6~8m;但其长期塑性区深度可达20m, 为保证工程长期运行安全, 布置预应力锚索以抑制深层围岩变形十分必要。对于块体即根据其方量、埋深等采取增加锚杆或锚索的方式进行加固。

1) 高度机械化开挖支护施工, 实现了开挖与支护“流水作业”, 极大地降低了上下交叉作业的安全风险, 同时有效加快施工进度。其中, 自主研发的新型液压高臂履带钻车、锚索液压自动入索装置以及钻孔精度精确控制装置等新设备、新技术、新工艺为地下厂房快速开挖支护施工技术的核心;参建各方的高效合作以及现场合理组织同样重要。

2) 与以往地下厂房不同, 乌东德地下厂房岩锚梁预应力锚杆外露出岩锚梁梁体外, 在岩锚梁浇筑完成后进行第1次张拉, 厂房开挖完成变形收敛后进行第2次张拉。外露预应力锚杆不仅加大了岩锚梁浇筑施工及质量控制的难度, 而且二次张拉施工难度大、安全风险很高。建议类似工程岩锚梁预应力锚杆宜采用埋入式设计。