大型水電站地下廠房“三大洞室”頂拱層開挖施工技術(shù)

肖厚云，易曉強

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610081)

引言

水電是可再生清潔能源，開發(fā)水電既可節(jié)約煤炭、石油，又可兼收防洪、灌溉、航運、水產(chǎn)、供水、旅游、水上運動等多種綜合效益，同時隨著“碳中和”新型環(huán)保理念的提出，水電開發(fā)即將又迎來一個春天。水電站的開發(fā)與建設(shè)，由于受到特定的地形地質(zhì)條件限制，尤其壩址河谷山高坡陡，地面空間有限，工程樞紐除大壩擋水建筑物外，發(fā)電等建筑物不得不布置在岸邊山體內(nèi)，即采用地下引水發(fā)電布置方式。自上世紀50年代以來，我國水電站地下廠房建設(shè)發(fā)展迅速，設(shè)計與施工技術(shù)不斷提高，大型地下廠房在向大型化和超大型的方向發(fā)展。

1 地下廠房“三大洞室”施工概述

1.1 地下廠房“三大洞室”基本特征

主廠房開發(fā)方式通常有首部式、中部式和尾部式，主要建筑物一般有進水口、引水洞、地下廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水洞等。其中地下引水發(fā)電系統(tǒng)中地下廠房、主變洞與尾水調(diào)壓室通常稱為地下廠房洞室群的“三大洞室”。

三大洞室往往跨度大、邊墻高，表1列舉了部分國內(nèi)在建或已建的水電站地下廠房、主變室、尾水調(diào)壓室的特征參數(shù)，從表1可以看出大(巨)型水電站地下廠房開挖跨度基本為30m級，主變室開挖跨度基本為20m級，調(diào)壓室開挖跨度也基本在20m～30m。

表1 我國部分已建或在建水電站三大洞室特征參數(shù)

1.2 常用的“三大洞室”頂拱層開挖方法

大跨度地下洞室頂拱層開挖跨度大、質(zhì)量要求高、噴錨支護量大，如何確保洞室頂拱的安全穩(wěn)定是開挖施工中的關(guān)鍵。

在開挖施工中為避免因一次揭露面積過大，引起圍巖松弛變形過大甚至垮塌破壞，一般都采用分部開挖。其主要開挖方式有三種：一是中導(dǎo)洞法，先開挖中部，減小一次開挖跨度，待中導(dǎo)洞開挖支護完成后，再依次開挖兩側(cè)拱腳，以保證拱冠部位的局部穩(wěn)定，如溪洛渡、向家壩、瀑布溝、猴子巖、白鶴灘；二是側(cè)導(dǎo)洞法，先一次開挖兩側(cè)拱腳，待兩側(cè)導(dǎo)洞開挖支護完成后，開挖中間預(yù)留巖柱，如十三陵、大朝山、龍灘；三是半幅錯距開挖，將洞室分成兩幅進行開挖，即先完成一半幅的開挖支護并錯開一定距離后開挖另一側(cè)，如烏東德右岸導(dǎo)流洞、兩河口主變室和尾調(diào)室。

雖然三種施工方法在大跨度洞室頂拱開挖中均有成功案例，但是在實踐中對比發(fā)現(xiàn)，側(cè)導(dǎo)洞法，中間巖柱對兩側(cè)導(dǎo)洞施工干擾大；半幅錯距開挖存在偏壓變形破壞問題；中導(dǎo)洞法有利于發(fā)揮大型機械設(shè)備的效率，實現(xiàn)快速施工。

1.3 “先中導(dǎo)洞，后兩側(cè)擴挖”施工要點

(1)根據(jù)洞室結(jié)構(gòu)特征、水文地質(zhì)條件、連接洞室(支洞)尺寸、錨噴支護施工及設(shè)備運行條件，進行分區(qū)開挖設(shè)計，選擇合理施工工藝與方法。

(2)為利于施工布置，中導(dǎo)洞領(lǐng)先于邊墻擴挖約30m，相鄰開口錯距約30m，同時結(jié)合中導(dǎo)洞爆破對鉆爆臺車的影響，在中導(dǎo)洞開挖完成約100m時啟動邊墻開挖施工，以此時間確定邊墻擴挖施工準備的起始時間，開挖平面布置見圖1。

圖1 “先中導(dǎo)洞，后兩側(cè)擴挖”開挖平面布置示意

(3)對中導(dǎo)洞揭示的圍巖進行地質(zhì)素描，確定圍巖分類，根據(jù)中導(dǎo)洞開挖揭露的圍巖情況，為保證邊墻開口開挖的安全、順利進行，將開口位置選擇在無區(qū)域斷層、破碎帶、不利組合機構(gòu)的巖層堅硬、完整段落。

(4)為利于中導(dǎo)洞擴挖與邊墻開挖的相互協(xié)調(diào)性，減少擴挖對中導(dǎo)洞開挖的影響，首個邊墻開口宜距離中導(dǎo)洞20m～30m，另一側(cè)邊墻開口應(yīng)距離已擴開口20m～30m以上，中導(dǎo)洞及兩側(cè)擴挖呈“品”字形。

(5)邊墻擴挖前應(yīng)按照設(shè)計圖完成開口對應(yīng)部位的中導(dǎo)洞或者中導(dǎo)洞及對應(yīng)側(cè)已擴挖邊墻的系統(tǒng)支護(錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土)工作，但為避免邊墻開口超挖過大及為后續(xù)鋼筋網(wǎng)連接預(yù)留接頭，在中導(dǎo)洞與邊墻擴挖邊界線預(yù)留1.5m～2.0m范圍不做噴混凝土施工。

(6)為保證開口成型質(zhì)量，在距中導(dǎo)洞與邊墻擴挖分界線50cm處設(shè)置1排φ25、L=4.5m，間距為1m的鎖口錨桿。為滿足邊墻擴挖開口后邊墻擴挖鉆爆臺車的使用，開口寬度范圍應(yīng)較擴挖臺車長度≥3m，一般為9m～12m。

(7)邊墻擴挖開口采用刻槽開挖，以保證開挖成型質(zhì)量及成型速度，開口前進行刻槽開挖設(shè)計，然后分序開挖，刻槽開挖分塊見圖2。

圖2 邊墻開口刻槽開挖分塊示意

2 楊房溝水電站“三大洞室”頂拱開挖實例

2.1 工程概況

楊房溝水電站位于涼山州木里縣境內(nèi)，為雅礱江干流中游“一庫七級”開發(fā)的第六級水電站。工程樞紐主要由最大壩高155m的混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等組成，電站總裝機容量150萬kW，安裝4臺375MW的混流式水輪發(fā)電機組，多年平均年發(fā)電量68.74億kW·h。

引水發(fā)電系統(tǒng)工程布置在河道左岸，地下廠房采用首部開發(fā)方式，主要由輸水工程、發(fā)電(地下)工程、升壓變電工程等組成。

地下發(fā)電廠房系統(tǒng)呈“一”字型排列，中間布置主廠房，左、右兩側(cè)分別為副廠房和安裝場。主副廠房洞室開挖尺寸為230.00m×30.00m×75.57m(長×寬×高)；主變洞布置在主副廠房洞室的下游側(cè)，與主副廠房洞室平行布置，與主副廠房洞的凈間距為45.00m，主變洞室最大開挖尺寸156.00m×18.00m×22.30m(長×寬×高)；尾水調(diào)壓室位于主變洞下游，與主廠房、主變洞平行布置，與主變洞之間巖柱厚42.00m。尾水系統(tǒng)采用“兩機一室一洞”的布置方式，調(diào)壓室下部由一道中隔墻分隔為二室，二機共用一室，中隔墻厚14.60m，頂高程2009.50m，中隔墻以上二室連通，調(diào)壓室頂拱高程2030.75m，尾水調(diào)壓室最大開挖尺寸176.1m×24.0×79.75m(長×寬×高)。

2.2 地質(zhì)條件

2.2.1 地下廠房

對應(yīng)地面高程2220m～2350m，廠房軸向N5°E，廠房頂高程2022.50m，上覆巖體厚度197m～328m，廠房距地表最近距離約120m。

廠房圍巖為新鮮花崗閃長巖，圍巖以Ⅱ類、Ⅲ類為主，Ⅱ類約占45%，Ⅲ類約占46%，其余少量為Ⅳ類巖體，圍巖穩(wěn)定性較好。分布的斷層f47-17、f47-18、f47-22、f47-23、f47-25和優(yōu)勢節(jié)理①N17°E，NW∠75°②N89°E，SE∠45°③N72°W，SW∠30°可能構(gòu)成不利組合或楔形體，對頂拱、邊墻和端墻局部穩(wěn)定不利。

廠房區(qū)上覆巖體較厚，從廠房區(qū)勘探硐揭示的情況看，局部有輕微巖爆導(dǎo)致的崩落和片幫現(xiàn)象，廠房區(qū)洞室施工過程中可能出現(xiàn)輕微巖爆現(xiàn)象。

2.2.2 主變洞

主變洞軸線走向N5°E，地面高程約2350m～2390m，洞頂高程2027.7m，上覆巖體厚約337m～377m。

洞室?guī)r體內(nèi)無規(guī)模較大的斷層破碎帶發(fā)育，分布的斷層有f47-23、f47-29，與洞軸線的夾角為50°、40°，優(yōu)勢節(jié)理有N17°E，NW∠75°和N89°E，SE∠45°及N72°W，SW∠30°三組，與洞軸線的夾角分別為12°、84°、77°。

洞室主要為新鮮花崗閃長巖，圍巖以Ⅱ類為主，約占55%，Ⅲ類約占39%，其余少量為Ⅳ類巖體，圍巖穩(wěn)定性較好。分布的斷層f47-23、f47-29和優(yōu)勢節(jié)理①N17°E，NW∠75°②N89°E，SE∠45°③N72°W，SW∠30°可能構(gòu)成不利組合或楔形體，對頂拱、邊墻和端墻局部穩(wěn)定不利。

2.2.3 尾水調(diào)壓室

尾水調(diào)壓室洞軸線走向N5°E，地面高程2370m～2470m，洞頂高程2030.75m，上覆巖體厚約339m～439m。

尾水調(diào)壓室主要為新鮮花崗閃長巖，圍巖以Ⅱ類、Ⅲ類為主，Ⅱ類約占49%，Ⅲ類約占38%，其余為Ⅳ類巖體，洞室圍巖穩(wěn)定性較好。分布的斷層f47-27、f47-28、f47-29和優(yōu)勢節(jié)理①N17°E，NW∠75°②N89°E，SE∠45°③N72°W，SW∠30°可能構(gòu)成不利組合或楔形體，對頂拱、邊墻和端墻局部穩(wěn)定不利。

2.3 開挖施工分區(qū)

頂拱層開挖分區(qū)主要結(jié)合洞室地質(zhì)條件、洞室跨度、連接洞室(支洞)尺寸、錨噴支護施工及設(shè)備運行，從保證洞室錨噴支護施工便利、機械設(shè)備運行靈活及洞室安全穩(wěn)定綜合考慮，楊房溝水電站“三大洞室”頂拱層施工分區(qū)如表2。

表2 楊房溝水電站“三大洞室”頂拱層開挖分區(qū)參數(shù)

圖3 主副廠房洞頂拱層開挖分區(qū)示意

圖4 主變洞頂拱層開挖分區(qū)示意

圖5 尾調(diào)室頂拱層開挖分區(qū)示意

2.4 施工程序

“三大洞室”頂拱層開挖支護均采用“先中導(dǎo)洞超前開挖完成，后完成中部巖臺擴挖，再進行兩側(cè)擴挖施工”的方式施工，在此僅以主副廠房為例進行簡要闡述。

與主副廠房洞連接的洞室有兩條分別為與左端墻相連接的通風(fēng)兼安全洞及與右端墻相連接的廠房進風(fēng)洞，由于廠房進風(fēng)洞洞線較長，廠房頂拱開挖時無法貫通至廠房，故此通風(fēng)兼安全洞為頂拱層開挖支護的唯一通道，頂拱層開挖程序主要如下：

(1)利用通風(fēng)兼安全洞作為施工通道，從通風(fēng)兼安全洞按12%坡比降坡開挖進入廠房，開挖斷面由通風(fēng)兼安全洞斷面過渡至中導(dǎo)洞斷面。中導(dǎo)洞采用獨頭掘進的方式進行開挖施工，支護及時跟進。

(2)中導(dǎo)洞貫通后進行中導(dǎo)洞底板巖臺的開挖施工，從安裝場側(cè)向副廠房側(cè)單向開挖。

(3)中導(dǎo)洞底板巖臺開挖完成后，進行上下游側(cè)擴挖施工。上游側(cè)從3#機組中心線處開始向兩側(cè)擴挖，下游側(cè)從2#機組中心線處開始向兩側(cè)擴挖。

圖6 主副廠房洞頂拱層開挖程序示意

2.5 主要施工方法

2.5.1 一般開挖工藝

開挖主要采用YT28手風(fēng)鉆鉆孔，多臂鉆輔助開挖鉆孔，分別制作中導(dǎo)洞和邊墻擴挖鉆爆臺車作為施工平臺，開挖設(shè)計輪廓線采用光面爆破，開挖爆破后利用液壓反鏟及多臂鉆進行危石清理，開挖石渣采用側(cè)卸裝載機配合25t自卸汽車出渣。

2.5.2 開挖進尺要求

中導(dǎo)洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖循環(huán)進尺2.5m～3.2m，Ⅳ類圍巖循環(huán)進尺控制在2.0m左右，中導(dǎo)洞底板巖臺開挖循環(huán)進尺為4m。上下游側(cè)擴挖Ⅱ、Ⅲ類圍巖循環(huán)進尺3.0m～3.5m，Ⅳ類圍巖循環(huán)進尺控制在2.5m左右。

2.5.3 支護進度要求

表3 支護進度要求

2.6 開挖進度與質(zhì)量效果評價

2.6.1 進度評價

主副廠房洞頂拱層2016年4月6日啟動施工，2016年11月12日開挖支護完成，用時約7個月；主變洞頂拱層2016年6月3日啟動施工，2016年10月5日開挖支護完成，用時約4個月；尾水調(diào)壓室頂拱層2016年6月22日啟動施工，2016年11月14日開挖支護完成，用時約5個月；均較合同工期提前，在同類規(guī)模水電站“三大洞室”頂拱層開挖中位列前茅。

2.6.2 質(zhì)量評價

楊房溝水電站“三大洞室”頂拱層開挖過程中結(jié)合洞室特征、圍巖條件，確定了合理的施工程序與方法，并在施工過程中采用動態(tài)設(shè)計與施工，及時調(diào)整爆破開挖參數(shù)，科學(xué)規(guī)劃支護時機，取得了良好的開挖質(zhì)量效果，以主副廠房洞為例。

(1)位移變化情況

主副廠房洞共布置5個監(jiān)測斷面，頂拱層開挖支護完成后，由多點位移計測得的最大變形量為7.46mm。

(2)平整度檢測

主副廠房洞頂拱層共測85條斷面，1071個點，超挖點數(shù)1071個，最大超挖65cm，最小超挖0cm，平均超挖11cm，開挖面平均不平整控制在8.5cm以內(nèi)，半孔率達到91.4%。

3 結(jié)語

大型水電站地下廠房“三大洞室”頂拱層開挖支護是地下廠房洞室群開挖支護的重難點，開挖過程中結(jié)合洞室特征、圍巖條件、施工通道(連接洞室)、支護參數(shù)、施工機械設(shè)備特性確定合理的施工程序與方法，并在施工過程中采用動態(tài)設(shè)計與施工，及時調(diào)整爆破開挖參數(shù)，科學(xué)規(guī)劃支護時機，控制圍巖塑性區(qū)范圍，保證圍巖穩(wěn)定，以實現(xiàn)大跨度洞室頂拱層的快速、高效、優(yōu)質(zhì)施工。