金沙江乌东德水电站是金沙江下游河段(攀枝花—宜宾)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,为Ⅰ等大(1)型工程,是我国第3座、世界第7座跨入千万千瓦级行列的水电站。坝址所处河段的右岸隶属云南省昆明市禄劝县,左岸隶属四川省凉山州会东县。左岸地下主厂房开挖尺寸(长×宽×高)333.00m×30.50m(32.50m)×89.80m,开挖断面为圆拱直墙型,高度居世界第一,跨度居世界第四。

主厂房边墙主要布置2 000k N级无粘结预应力锚索进行系统加固,包括内锚型和对穿型2种形式,锚索长20~44.85m,总量超过1 250束;主厂房及主变洞顶层开挖后揭露地质条件比预期差,分布大量块体及B类角砾岩区域,为此,设计陆续增加了总计约271束1 500k N级预应力锚索进行加固^[1] ,锚索长度33m/36m,锚索钻孔方向均垂直于开挖面,钻孔直径均为165mm。根据国内类似工程(如三峡水电站、溪洛渡水电站、向家坝水电站等)锚索施工经验,顶拱锚索施工一般采取布设锚固廊道的方式进行,但乌东德水电站因地质条件并考虑工期,不具备增布锚固廊道的条件。

1)按照传统锚索施工方法,需搭设排架作为锚索钻孔、入索、注浆等工序的操作平台,但采用排架施工主要存在以下难点或不足:①搭设排架需占用锚索施工直线工期,且操作空间受限,工效低下;②锚索施工排架需占用工作面,对施工空间相对较小的硐室施工来说,影响道路通行及所占压工作面的其他施工安排,施工干扰较大;③排架作业安全风险较高,存在高处坠落、物体打击等安全隐患;④排架利用率较低,一般锚索间排距为4.0m×4.5m~6.0m×6.0m,而排架搭设仍需覆盖整个锚索布置区域。

2)传统送索方法主要采用葫芦配合人工送索,费时、费工,且深长竖向锚索自重较大,垂直向上送索时操作难度大,存在索体脱落伤人的安全隐患^[2] 。

3)锚索孔口段设计为气囊式止浆环,需配置专用充气设备,灌前需提前充气、预灌检查,灌浆中需适时补气以防漏浆,止浆效果较难以保障;且现场实施时,由于气囊容易损坏而经常出现漏浆情况,导致锚索注浆无法实施。

4)对穿锚索钻孔精度要求高,受边墙密集系统锚杆、锁扣锚杆及地质条件等因素影响,钻孔偏斜控制难度较大。

乌东德水电站左岸地下电站主厂房顶层开挖后底板距离顶拱最大高度近12m,顶层以下开挖层高8m左右,传统锚索造孔采用YG系列导轨式钻机进行,该钻机最大钻孔高度仅为1.5m左右,且无行走机构,必须借助排架作为操作平台,移位需借助起吊设备。而搭设排架如前所述存在搭拆周期长、干扰大、利用率低、安全风险大等问题。

为克服上述难题,在主厂房顶拱锚索施工时,结合开挖分层及锚索布置,首次研发出新型液压高臂履带钻车。这种钻机依靠自身履带总成作为操作平台,钻机滑架通过液压钻臂与履带总成连接,使水平钻孔高度最大可达8.5m,也可进行顶拱大仰角锚索钻孔,不仅无须搭设排架,对作业面要求低,且可实现自行行走;同时,在钻机上加装辅助作业平台,用于辅助锚索注浆、锚墩施工、张拉等工序;在钻机滑槽上设置导向装置,解决了开孔、钻孔精度控制问题。

新型液压高臂履带钻车由电动机带动液压油泵形成压力油,通过换向阀驱动液压电动机及液压缸工作,实现钻机行走、回转、推进及钻架变换角度,完成各种预定动作;由空压机提供压缩空气,经冲击风阀控制驱动冲击器工作进行钻孔作业;采用马达加齿轮减速机构传动,大油缸倍速给进,提拔力大,油箱散热好,全液压系统性能可靠;且在常规钻机滑架底部增加了一个由液压马达驱动的回转支撑台,可使滑架全方位旋转,使动力头适应不同角度钻孔,大幅提高了钻机的灵活性和适应性,且工作效率高。

新型液压高臂履带钻车性能参数如表1所示。

该钻机在每层(8m左右)梯段开挖后,即可进行钻孔施工,无须搭设排架,因其占用空间小,可灵活移动,对其他施工干扰小;施工动力大、效率高,对加快主厂房开挖支护总体进度效果明显。另外,因其自重较大,稳定性好,钻孔精度也可得到保证。

传统锚索入索采用手拉葫芦配合人工方式在排架上进行操作,需配置大量人力方可满足锚索体的移动和顺利入索,且工效很低,同时搭设排架也存在第2节所述问题。而对于硐室顶拱锚索入索,因锚索自重大,随着深度增加送索难度越来越大,送索至一定程度就难以继续进行。乌东德左岸厂房顶拱锚索施工期间,经现场试验,仅送索耗时长达16h。之后采用了一种竖向锚索快速送索装置,虽然可保证锚索顺利入索,但操作比较繁琐,且需2台汽车式起重机配合实施,成本较大。为进一步提高工效和安全性,研制出一种锚索液压自动送索装置^[3] (国家发明专利号:ZL201410250361.1),该装置安装在汽车式起重机大臂顶端或新型锚索钻机辅助臂顶端,人工只需配合索体一端穿入锚索液压自动送索装置的导向管,操作汽车式起重机就位,然后在地面操作液压控制系统即可实现锚索快速自动入索(见图1),解决了锚索质量大、葫芦配合人工送索速度慢、安全风险大的难题,大大提高了施工效率。

地下硐室锚索灌浆通常采用气囊式止浆环止浆,但气囊止浆环固定困难,施工中易发生移动或损坏,止浆效果较差,影响施工质量;同时,施工需配备专用供风设备,灌前需提前充气、预灌检查,灌浆中还需适时提高止浆气囊的充气压力以防漏浆。为此,研制出一种自胀式止浆装置(见图2),即在止浆包包裹的注浆管上预留长约5cm的缺口,止浆包一般采用帆布制作,注浆时利用浆液及压力充胀止浆包,有效填充索体和孔壁之间的空隙,实现止浆功能,并利用浆液流动阻力形成的进、回浆压力差提高止浆效果,从而保证锚索灌浆质量,并可节省工序、缩短灌浆时间。

乌东德左岸地下电站主厂房与主变洞、主变洞与尾调室之间均布置有对穿型预应力锚索,造孔深度33.25m/45m,设计要求钻孔允许偏斜不大于孔深的2%。在对穿锚索施工初期,钻孔穿孔位置偏差较大,一次钻孔合格率平均仅71.6%,重新钻孔不仅影响工期,而且增加成本投入。为解决对穿锚索钻孔精度控制的问题,通过仔细研究分析,并经现场试验,总结形成了一套有效的对穿锚索钻孔精度控制技术。①对钻杆增加扶正器,根据钻孔深度在钻杆适当位置安装扶正器,从而调整冲击器与钻杆之间的重力平衡以及主副扶正器之间的相对位置,以保证钻头始终处于设计钻孔中心轴线上。一般在第3根钻杆(一般长1.5m)后加设第1根扶正器,再钻进6~7根钻杆时加设第2根扶正器,再钻进8~9根钻杆时加设第3根扶正器,在钻进过程中需退出钻杆2~3次检查钻孔,并根据偏斜情况及时调整主、副扶正器之间距离。②根据地质条件适时调整开孔参数及钻进参数,一般情况下若开孔地质条件较好,则控制钻杆上倾6°±0.5°,钻进速度控制在4~5m/h,若地质条件较差,则控制钻杆上倾6.5±0.5°(一般取偏大值),钻进速度控制在3~4m/h。③对开孔前视点和后视点进行精确放样,即在锚索孔位上方边墙精确放出前视点,在锚索孔上方用钢筋焊制后视点支架,在此支架上精确放出后视点,从而精确控制钻孔方位角偏差。

为提高锚索运行耐久性,同时考虑提高锚索孔周边岩体的整体性和承载力,更好地发挥锚索的锚固作用,锚索孔均需进行灌浆。通常采用水泥浆灌注,灌浆压力一般为0.3~0.5MPa。而对于顶拱竖向锚索灌浆,孔口止浆装置需承受设计灌浆压力和浆液自重产生的压力,孔深40m左右竖向孔,孔口止浆装置实际承受的压力达到1.0MPa左右。受高压力影响,常规气囊式止浆环在灌浆中易出现漏浆,甚至出现止浆环破裂现象^[2,3,4],严重影响灌浆质量和施工进度。为此进行了施工工艺改进,即利用气囊式止浆环阻塞孔口,并增加1根进浆管,限量灌入浓水泥浆或水泥砂浆,在孔口形成2~3m高浆液柱,待凝固后作为止浆装置,24h后可进行后续灌浆作业^[2] 。由于凝固后的浆液柱具有良好的止浆效果,且可承受很大压力,解决了顶拱竖向锚索高压止浆的技术难题,并在一定程度上提高了工效,保证了施工质量。

以上施工技术在乌东德水电站左岸地下硐室锚索施工中得到成功应用,施工进度满足现场要求,一次性验收合格率达100%;经初步估算,仅提高工效、节约材料所产生的经济效益约达500万元,且未出现任何质量、安全事故,得到了业主、监理及设计等参建单位的一致好评。

随着我国江河水电站的不断开发,在两岸山体内布置大型地下电站是首选方式,而为保证地下电站硐室群施工期及运行期的围岩稳定,往往需要布置大量预应力锚索进行加固。乌东德水电站左岸地下硐室锚索施工过程中,通过研发新型钻孔设备、锚索液压自动送索装置,实现了锚索免排架快速施工,有效提高了工效、降低了施工成本和安全风险;采用浆液自胀式止浆装置、竖向锚索高压止浆技术及对穿锚索钻孔进度控制技术等创新工艺手段,有效保证了地下硐室锚索施工工效和质量。其中,大型全液压锚索钻车、液压自动送索技术、竖向锚索高压止浆技术等多项技术属国内首创,填补了大型地下硐室锚索施工技术领域一系列空白。