XX地下電站大型洞室群開挖支護技術

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構皮灘地下電站大型洞室群開挖支護技術
偰光恒1字繼權1  辛文波2
（1中國水利水電第十四工程局有限公司   650041）
（2中國水利水電建設工程咨詢中南公司 410014）
【摘 要】 結合貴州構皮灘地下電站大型洞室群施工，總結強巖溶影響下大型洞室群開挖支護技術，供類似工程設計、施工參考。
【關鍵詞】 構皮灘   地下電站   大型洞室群   開挖支護 技術
1 前言
隨著“西部大開發(fā)”及“西電東送”戰(zhàn)略的實施，眾多代表世界級的大型水電工程在中國紛紛啟動，水電資源的開發(fā)與利用取得了迅猛的發(fā)展。許多大型水電工程地處深山峽谷之中，地上空間非常有限，開發(fā)利用地下空間成為水電工程發(fā)展的必然趨勢，大型地下工程將越來越多，地下工程施工技術在水電工程建設中占據重要地位。
2 工程簡介
構皮灘水電站作為國家“西電東送”的標志性工程，是目前國內強巖溶地區(qū)最大的地下電站，屬Ⅰ等工程，電站裝機5×600MW。整個樞紐布置非常緊湊，主要建筑物有雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、電站廠房、通航及導流建筑物等。
構皮灘水電站地下廠房洞室群在不到0.5Km2的區(qū)域內布置了近七十多條洞室，洞室縱橫交錯，平、豎相貫，總長度近15Km，總洞挖量170萬m3，各類錨桿16萬根，預應力錨索1444束，噴混凝土9.2萬m3。
地下廠房最大開挖尺寸230.45×27×75.32m（長×寬×高）、主變室最大開挖尺寸207.1×15.8×21.34m（長×寬×高）、調壓室廊道最大開挖尺寸158×19.30×22.83m（長×寬×高）、調壓室豎井段高90.42m，三大洞室間巖柱最大厚度為30m。
地下電站建筑物主要包括：引水渠、進水塔、引水隧洞、主廠房、主變洞、尾水洞、調壓室、尾水平臺、尾水渠、開關站、交通洞及通風洞等。
受以W24巖溶系統(tǒng)為代表的空間展布錯綜復雜的巖溶系統(tǒng)的影響，構皮灘地下電站是一個復雜的超大型地下工程。構皮灘地下電站透視圖見圖1。
 
圖1 構皮灘地下電站透視圖
3 地質條件
構皮灘電站壩址區(qū)處于高山峽谷的巖溶地區(qū)，巖溶發(fā)育，巖溶及地下水對地下洞室圍巖穩(wěn)定性的影響是重要的工程地質問題之一。構皮灘電站地下廠房洞室群主要處于P～P1q灰?guī)r地層中，巖體條件復雜：層間錯動及巖石結構面穿過洞室，沿斷層、分層間錯動多溶蝕，發(fā)育有溶洞；建筑物范圍裂隙較發(fā)育。地下廠房洞室群主要發(fā)育有規(guī)模龐大的W24巖溶系統(tǒng)主干管道及其旁側沿NW、NWW向斷裂發(fā)育的巖溶寬縫、P1m1-1層順層風化溶濾帶(K10)及沿NW斷裂發(fā)育的溶洞K2、K11、K82等。雖然構皮灘電站巖溶系統(tǒng)總體上順層發(fā)育，但受NW、NWW向斷裂發(fā)育的影響，巖溶發(fā)育存在很大的不確定性，巖溶管道分布及地下水滲流條件極其復雜，施工期由于洞室開挖，改變了巖溶管道所處的外部環(huán)境條件，容易突發(fā)涌水、涌泥。上述因素不僅對施工期及運行期地下洞室群的穩(wěn)定性存在不利影響，而且會影響正常的施工組織及工程的施工進度。1m
在國內外灰?guī)r地區(qū)大型水電工程中，大型地下洞室群遭遇巖溶發(fā)育規(guī)模如此之巨大、巖溶影響洞室之多尚屬首次，巖溶系統(tǒng)貫穿了以三大洞室為代表的整個大型地下洞室群，在國內外大型地下洞室工程中實屬罕見。
4 大型地下洞室群開挖支護技術
4.1 施工總程序
構皮灘電站受強巖溶影響，地下電站三大洞室之間的巖柱厚度僅為30m和23.8m，是國內同等規(guī)模地下電站三大洞室中最薄的巖柱。根據強巖溶和受其影響下大型地下洞室群的布置特性、工期要求、質量、安全及穩(wěn)定條件，制定科學合理的施工程序，以滿足復雜巖溶系統(tǒng)處理和地下洞室群的施工需要。三大洞室開挖支護總體程序如下：
1、廠房和尾水調壓室受強巖溶影響范圍大，三大洞室之間在立面上制定“先小洞后大洞”施工程序，即主變室先行、主廠房緊隨其后、尾水調壓室開挖相應滯后的順序進行。以防三大洞室塑性變形貫穿，確保三大洞室穩(wěn)定。三大洞室施工總程序見圖2。主廠房、主變室、尾水調壓室（井）均采用分層開挖及支護的方法。
2、對引水洞、進廠交通洞、副廠房至副安裝場連通洞、尾水管等與廠房高邊墻交叉的洞口，遵循“小洞穿大洞”的程序，在廠房高邊墻開挖至上述部位前先行開挖進入廠房1～2m以上，并做好鎖口噴錨強支護。
3、引水洞、母線洞、尾水管的施工按相鄰兩洞錯開間隔施工的原則進行，必須相鄰開挖時，開挖的掌子面要錯開1.5倍巖柱厚度以上，并且對超前的洞段及時支護。
4、充分利用施工支洞條件，按“平面多工序、立體多層次”要旨依次展開各主體洞室的開挖，并盡早將主要洞室的上部與永久或臨時通風洞（井）連通，以解決和改善各洞室的通風條件。
圖2 三大洞室施工總程序圖
4.2 施工通道布置
構皮灘地下電站在不到0.5km2的山體內，大小洞室達七十多條，布置高差超過250m，洞長近15 km。根據國內外已建和在建大型地下洞室群布置規(guī)律和經驗，結合構皮灘地下洞室群布置特點，兼顧巖溶系統(tǒng)空間分布，將通道分為上、中、下三部分進行規(guī)劃。圖3為構皮灘地下廠房系統(tǒng)施工通道空間規(guī)劃示意圖。
 
圖3　構皮灘地下廠房系統(tǒng)施工通道空間規(guī)劃示意圖
為滿足構皮灘地下洞室群施工需要，總共布置了20條主要施工支洞，支洞總長達5620.65m。構皮灘大型地下洞室群布置非常復雜，加之受復雜巖溶系統(tǒng)影響后，其施工通道規(guī)劃的合理性尤為重要，在工程建設中根據巖溶揭露情況和工程進度情況，及時研究通道布置，在投標方按基礎上先后增設了8條施工支洞，實踐證明通道布置滿足了工程建設需要。
4.3 三大洞室開挖支護關鍵施工技術
4.3.1 主廠房和主變室開挖技術
構皮灘水電站地下廠房開挖尺寸為：230.45×27×75.32m，開挖工程量32.4萬m3，工程規(guī)模巨大，屬于大型地下廠房。
該地下廠房開挖支護特點如下：①廠房跨度大，洞室較長，屬于特大斷面洞室開挖；②開挖、支護工程量大，施工強度高；③支護類型多，有普通砂漿錨桿、張拉錨桿、預應力錨桿、預應力錨索、鋼纖維混凝土、微纖維混凝土，工藝復雜，施工技術含量高；④與主廠房交叉洞室多，數量達22余條，交叉段洞室高邊墻穩(wěn)定問題突出；⑤工程地質條件復雜，巖溶規(guī)模龐大，主廠房和主變洞在開挖過程中均多次揭露不同規(guī)模的巖溶溶洞，對主體工程施工造成了極大的影響。
1、開挖分層方案選取
根據地下廠房的結構特點、通道條件和施工機械性能，綜合考慮主廠房、主變室各層開挖及噴錨支護的最佳高度，廠區(qū)巖溶分布特性，同時兼顧巖錨梁混凝土、母線洞和尾水管等施工需要，主廠房自上而下分九層開挖支護，主變室分三層開挖支護。開挖分層和分區(qū)如圖4所示。
圖4  主廠房及主變室開挖分層圖
2、巖溶影響區(qū)域洞室施工技術
主廠房開挖過程中，先后揭露不同規(guī)模的溶洞共9條，對主廠房開挖支護施工造成了巨大的影響。針對不同的巖溶管道分別采取了“治水優(yōu)先，隨層處理、逐層回填”、“跨越巖溶、平行作業(yè)，分界優(yōu)先、辟徑處理，分段截斷、分期處理，臨時封堵、適時處理”等多項處理程序，對巖溶溶洞進行了有效的處理，保證了主體工程開挖支護施工。針對巖溶系統(tǒng)的存在和對主體工程的影響，對巖溶系統(tǒng)采取了“置換加固、灌漿加固、深層錨固（錨索、錨筋樁、長錨桿）、拱橋加固”等一系列加固處理措施，確保了巖溶影響區(qū)域主廠房圍巖的穩(wěn)定和施工工期。
主變洞開挖中，先后揭露了不同規(guī)模的巖溶溶洞共3條，對主變洞開挖支護造成較大的影響，曾多次突發(fā)涌水、涌泥，其中巖溶管道沉積水最大突發(fā)量達2萬m3/h。針對突發(fā)涌水、涌泥，采取了“引、排、截、堵”等一系列行之有效的處理措施，保證了主變洞開挖支護的施工安全和施工進度。
3、巖溶影響區(qū)域施工方案優(yōu)化調整
巖溶影響區(qū)域主體工程施工方案必須結合巖溶特性進行優(yōu)化調整。主廠房、主變室最為突出的調整有以下幾個方面：
①開挖分層分區(qū)優(yōu)化調整
將主廠房原方案中的Ⅲ～Ⅵ層調整為Ⅲ～Ⅴ層，遇巖溶時進行層內分層分區(qū)，實現薄層開挖，或局部預留，進行跨層施工。
②爆破參數調整
根據開挖進程進行爆破試驗，結合巖溶情況，不斷優(yōu)化爆破參數，減小對巖溶區(qū)域圍巖的振動破壞，保證了施工安全和圍巖穩(wěn)定。
③支護參數調整
根據圍巖穩(wěn)定監(jiān)測和爆破監(jiān)測數據，對巖溶影響區(qū)域圍巖穩(wěn)定較差的部位，增設各種加強支護措施，如錨索、長錨桿、錨筋樁等。如主廠房增加了各類錨索187束。
4.3.2 調壓室開挖技術
構皮灘水電站調壓室布置于主廠房下游，由調壓室廊道、豎井組成，其頂高程503.33m，底高程390.08m，總高度113.25m，寬19.3m，長158m。在480.5m高程以上連通成為閘門廊道，開挖跨度為19.3m，巖錨梁以下開挖跨度為18.35m，長158m，廊道高度為22.83m，480.5m高程以下為調壓豎井和閘門井，開挖高度90.42m。調壓室（井）開挖方量為23.1萬m3。
根據調壓室的結構特點、通道條件和施工機械性能，綜合考慮調壓室各層開挖及噴錨支護的最佳高度、兩側巖錨梁的施工，同時兼顧調壓室豎井施工需要，調壓室廊道自上而下分三層開挖，Ⅱ層設有巖錨梁，上、下游巖錨梁澆筑完成后進行Ⅲ層開挖；調壓室豎井按“先導井后擴挖”法跳洞施工，即先開挖1#～2#機、5#機調壓室豎井， 3#～4#機調壓室豎井滯后30～40m進行開挖支護。詳見尾水調壓室（井）開挖分層剖面圖5。
為了滿足尾水調壓室下部井身的施工，布置一臺臨時橋機，作為尾水調壓室下部井身施工材料、人員的運輸工具，臨時橋機主要的技術參數如下：橋機跨度16.7m，最大吊高85.0m，最大吊重10t。橋機設兩套相對獨立的操控系統(tǒng)，橋機吊車梁上設置操作室，地面設置一套可搖控操作橋機的裝置。
臨時橋機上游側利用設計已有的巖錨吊車梁，下游側新增加一個巖錨梁，下游新增巖錨梁結構圖見圖6。
圖5  尾水調壓室（井）開挖分層剖面
 
圖6 尾水調壓室（井）新增巖錨梁結構圖
 
4.3.3 三大洞室典型開挖方法
結合本工程特點，主要分為大型洞室頂拱開挖方法、大洞室梯段開挖方法、大型豎井開挖方法、大洞室高邊墻控制爆破技術四個方面。
1、主廠房頂拱開挖方法
（1）兼顧巖溶探測和處理目的，按“中導洞超前、靠巖溶側優(yōu)先、兩次擴挖成型”施工。主廠房頂拱開挖分區(qū)參見圖7。
（2）根據巖溶處理的特殊性和頂拱穩(wěn)定要求，選用成龍配套的大型設備實施機械化快速施工。廠房頂拱選用了353E三臂鑿巖臺車、麥斯特機械手遙控噴車等國際先進設備。
（3）結合巖溶地質特性，分類進行爆破生產性試驗，選取最佳爆破參數。
圖7  主廠房頂拱開挖分區(qū)橫剖面圖
2、大洞室梯段開挖方法
（1）為確保巖溶區(qū)域高邊墻穩(wěn)定，按“雙道預裂減震、中間深孔拉槽、分層光爆成型”施工。主要施工程序見圖8、圖9。
（2）采用孔間微差梯段爆破技術，裝藥參數結合巖溶情況進行優(yōu)化。
（3）根據巖溶處理通道需要，靈活調整保護層厚度。
圖8  中部掏槽開挖程序平面圖
圖9 中部拉槽開挖程序剖面圖
3、大型豎井開挖方法
調壓豎井開挖斷面為：大井17.9×46m，小井17.9×24m，深90.42m，屬大型豎井，從上到下均受巖溶影響，底部為尾水管、洞，施工干擾極大，其主要開挖方法如下：
（1）針對調壓豎井上部巖溶處理跨時長、交叉干擾大的特點，采取“分段截斷、長井短挖”的施工程序，即通過在中部設置施工支洞將豎井截斷為兩段施工。
（2）針對調壓豎井斷面大、巖溶發(fā)育、井間巖柱單薄、穩(wěn)定問題突出的特點，采用“分區(qū)導井、沿井擴大、分層下臥、逐層加固”的施工方法。
1#～2#機、3#～4#機調壓室豎井開挖斷面較大，每個豎井內設置兩個導井，負責不同區(qū)域施工。優(yōu)先采用反井鉆機鉆φ140cm孔貫通，巖溶區(qū)域人工正井貫通。
采用手風鉆分層鉆爆擴挖，第一次將導井擴大，第二次擴挖至豎井設計輪廓線，隨開挖下降逐層進行錨噴支護及井壁巖溶加固處理。
（3）針對尾調井開挖支護工程量大、井壁巖溶發(fā)育、安全問題突出，采用“石渣封閉導井、下部控制出渣、井內機械扒渣”施工，即利用開挖石渣填滿導井，下部控制出渣，保證井內平面作業(yè)，充分利用機械設備進行扒渣。
豎井開挖程序見圖10、圖11。
圖10 調壓井開挖程序剖面圖
圖11 調壓井開挖程序平面圖
4、大洞室高邊墻控制爆破開挖技術
構皮灘水電站地下引水發(fā)電系統(tǒng)洞室群跨度大，邊墻高，結構復雜，開挖規(guī)模大，受巖溶系統(tǒng)影響，工程地質復雜，廠房區(qū)內P1q層巖體一般中等～較完整，呈次塊狀～層狀結構，局部溶洞附近及Fb54與Fb93之間巖體完整性較差。巖層傾向上游，選定的廠房軸線方向為N75°W，與巖層走向夾角40°～45°交角較小，雖產狀對頂拱穩(wěn)定有利，但由于跨度大、局部層間錯動發(fā)育、穩(wěn)定性并不好，而且對高邊墻穩(wěn)定不利，因此大洞室高邊墻控制爆破成為開挖過程中的關鍵環(huán)節(jié)。
（1）合理設置開挖層高，保證更好的確定高邊墻爆破控制。分層原則層高不超過10m，以8～10m為宜，充分考慮鉆孔設備及減少爆破振動，在大的分層前提下做到層間再分層，控制分層高度在3.5～6m之間，做到“薄層開挖，變形減速，適時支護”。
（2）廠房Ⅱ～Ⅵ層為大體積槽挖，Ⅶ～Ⅸ層為機坑槽挖。Ⅱ～Ⅵ層開挖采用中間抽槽兩側保護層跟進的開挖方法，上下游保護層預留厚度為2.5m，一側保護層先挖除，支護結束后再進行另一側保護層開挖支護，做到兩側保護層錯距開挖，防止兩側同時卸荷引起高邊墻應力突變，而導致邊墻突然失穩(wěn)產生較大位移。
(3)采用2道預裂縫（雙保險）減小中間拉槽梯段爆破對高邊墻的爆破影響。在中間拉槽前先對邊墻輪廓線進行預裂，深度為3～4.5m，孔間距為50cm，線裝藥密度為180～200g/m，中間潛孔鉆拉槽時對預留保護層同樣進行預裂，預裂深度與梯段爆破深度相同?？拙?0～100cm，線裝藥密度為400～450g/m。
(4)梯段爆破嚴格控制單響藥量，為滿足設計高邊墻質點振動速度VS≤7cm/s要求，采用單孔單響，孔間微差擠壓爆破的施工方法。
(5)預留保護層開挖采用手風鉆開挖，開挖高度4m/層，周邊預裂，采用小藥量弱爆破的開挖方法，最大單響小于10kg，盡量減小爆破對邊墻圍巖的影響。
(6)針對地下廠房比較長的特點，在分層施工中采用層間搭接施工。
(7)充分利用新奧法原理適時進行支護，為使圍巖及時得到支護抗力，防止圍巖卸荷位移，在工程施工中針對巖體特點，Ⅱ類圍巖支護滯后30～50m，Ⅲ類圍巖滯后15～30m，Ⅳ類圍巖開挖支護緊跟掌子面。
(8)巖錨梁采用預留保護層手風鉆開挖，用垂直孔+斜孔雙向同時光爆的方法進行開挖，采用該方法在受巖溶影響的灰?guī)r中取得了良好的開挖效果，巖錨梁成型較好；
(9)采用先進的施工設備加快施工進度，針對地下廠房開挖強度高（最高達9萬m3/月）支護工程量大，且均為長錨桿、噴射鋼纖維混凝土、預應力錨索，技術指標要求高的特點，在施工中采用了先進的353E阿特拉斯三臂鑿巖臺車和麥斯特噴車，采用先進的設備保證了工程進度、支護及時性和工程質量，確保了工程安全。
(10)與主廠房交叉的洞室較多，交叉段應力集中，松動圈范圍大，容易失穩(wěn)，要做好與主廠房交叉洞室岔口處的開挖與支護，在2倍洞徑范圍內，開挖采用“短進尺、弱爆破、加強支護”等施工工藝，在主廠房下臥之前，與之相交的小洞室須先完成開挖與支護，并貫入主廠房不少于2m，使其應力在小洞開挖時先釋放一部分，做到“先洞后墻”。為避免主廠房開挖時破壞小洞室洞口，對貫入主廠房的洞室，沿主廠房邊墻進行環(huán)向預裂，預裂深度不小于3m，并在母線洞、引水洞與廠房相交叉段10m范圍內加強支護，讓交叉洞室交叉處的應力重分配過程逐步、緩慢進行，保證洞室穩(wěn)定。
4.3.4 三大洞室支護施工技術
本工程涉及各類噴混凝土、各類砂漿錨桿、預應力張拉錨桿、預應力端頭錨索和對穿錨索。種類繁多、一次支護的工程量大、工藝復雜、施工技術含量高，支護工程是影響開挖進度的關健項目。按不同技術指標分，本項目中噴混凝土達3.1萬m3、類型達13種；錨桿13.6萬根、類型達30種；錨索1520束，類型達12種。所以，做到開挖和支護工序的合理搭接,選擇合理的工藝措施，及時進行一次支護施工是支護施工技術的關鍵。
結合本工程中地質條件復雜、受巖溶影響范圍廣的特點，三大洞室系統(tǒng)支護技術難度大、“適時支護”要求特別高，為確保工程安全、優(yōu)質、高效順利實施，科學合理的施工組織是必不可少的，采用的施工程序如下：
（1）支護施工與開挖跟進平行交叉作業(yè)，各工序間交替流水作業(yè)，噴錨支護視圍巖情況采取滯后開挖工作面1～3循環(huán)或緊跟,錨索支護滯后開挖面約30～80m跟進。
（2）對巖溶影響區(qū)域，根據具體揭露情況，及時增加鎖口和加強支護、采取優(yōu)先重點處理。
（3）各開挖層面上支護施工一般程序確定為：
施工準備→初噴5cm厚混凝土→錨桿施工→掛網（鋼支撐）→噴混凝土施工至設計厚度→預應力錨索施工→下一循環(huán)開挖。
5結語
構皮灘地下電站大型地下洞室群開挖支護有其特珠的一面，即受到強巖溶的影響，巖溶發(fā)育規(guī)模龐大、錯綜復雜，遍布于整個地下洞室群，施工過程中必須結合巖溶的影響，采取科學、合理的施工方法，并通過現場不斷調整、優(yōu)化方案，最終達到快速、安全、優(yōu)質、高效的完成工程建設目標。
通過施工過程中的總結，主要體會有以下幾點：
①首先從地質條件、工程特性著手，充分掌握洞室群施工的難點和關鍵點，以此為主線，展開總體布署；
②大型地下洞室群是一個復雜的系統(tǒng)工程，各洞室之間的開挖支護相互制約且存在一定的干擾，必須遵循“平面多工序、立體多層次”的要旨，以施工總程序為綱，確定總體思路，選擇合適的程序尤為關鍵；
③結合投標階段施工通道布置，根據施工總程序、施工總進度計劃、節(jié)點工期目標，通過合理增設施工支洞，緩解工期、資源等矛盾，滿足工程建設目標；
④通過采用先進的開挖支護設備，不斷優(yōu)化、調整施工方案，選取技術可行、經濟合理的最優(yōu)方案，達到快速、安全、優(yōu)質、高效的建設目標。