地下廠房不良地質(zhì)交叉洞段施工的研究與應(yīng)用

王依山，劉永勝，張成柏，王 鶴

（中國水電六局官地施工局，四川 西昌 615704）

1 工程概述

官地水電站位于雅礱江干流下游、四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內(nèi)，系雅礱江卡拉至江口河段水電規(guī)劃五級開發(fā)方式的第三個(gè)梯級電站。 主廠房布置在大壩軸線下游右岸山體內(nèi)，采用單機(jī)單管供水，共裝4臺(tái)單機(jī)容量600 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量2 400 MW。廠房（含安裝間、副廠房）最大開挖尺寸為 243.44 m×31.10 m×76.30 m（長×寬×高）。

2 地質(zhì)條件

地下廠房N端的副廠房、主廠房、S端的安裝間均置于P2β15-2層角礫集塊熔巖中，F(xiàn)2斷層在距副廠房、主廠房、安裝間邊墻145 m的西側(cè)通過。

主廠房區(qū)圍巖以Ⅱ類為主，基本穩(wěn)定，局部Ⅲ—Ⅴ類；副廠房、安裝間以Ⅲ類為主。但由于廠房規(guī)模大，局部錯(cuò)動(dòng)帶及裂隙發(fā)育，其組合可形成不穩(wěn)定巖塊，特別是在主廠房與副廠房頂拱部位、安裝間部位錯(cuò)動(dòng)帶的組合，形成潛在不穩(wěn)定塊體。因此，在局部的頂拱及邊墻、端墻部位有坍塌、掉塊及變形現(xiàn)象。

3 施工難點(diǎn)與對應(yīng)措施

3.1 施工重點(diǎn)及難點(diǎn)

1）地下廠房系統(tǒng)洞室多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要洞室跨度大，支護(hù)型式多樣，工藝復(fù)雜，開挖支護(hù)工期緊，特別是主廠房錨索施工強(qiáng)度高，為保證洞室群的整體穩(wěn)定，合理安排主要洞室的開挖程序。

2）頂拱圍巖穩(wěn)定和施工安全問題突出。廠房跨度大，陡傾角、緩傾角巖層、錯(cuò)動(dòng)帶和裂隙發(fā)育，存在潛在不穩(wěn)定塊體，特別是副廠房和主廠房北端錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育，走向與軸線小角度相交，對邊墻穩(wěn)定影響較大。在開挖過程中如何保證頂拱圍巖穩(wěn)定。

3）主廠房開挖高差較大（76.3 m），有4條壓力管道、母線洞和尾水管在高邊墻上開口，開挖高邊墻安全問題。

4）地下廠房洞室群中，洞與洞、洞與井交叉、相貫部位較多，洞室交叉部位洞間巖層(巖柱)厚度薄，應(yīng)力集中，這些部位的圍巖穩(wěn)定及施工安全問題突出，必須采取措施確保施工安全和圍巖的穩(wěn)定。

5）爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度控制要求高，如何優(yōu)化爆破參數(shù)，控制爆破單響藥量，控制爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度確保圍巖穩(wěn)定。

3.2 開挖過程中采取的措施

1）頂拱層開挖采取先進(jìn)行已開挖中導(dǎo)洞支護(hù)工作，支護(hù)完成后，兩側(cè)錯(cuò)距擴(kuò)挖的施工方案，根據(jù)已完成三大洞室的頂拱中導(dǎo)洞地質(zhì)探洞揭露的地質(zhì)情況，及時(shí)進(jìn)行必要的超前支護(hù)或臨時(shí)支護(hù)。

2）系統(tǒng)支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)開挖斷面，防止頂拱產(chǎn)生大的變形。

3）在圍巖地質(zhì)情況惡劣的洞段，采取“短進(jìn)尺、弱爆破、及時(shí)支護(hù)”的方案，必要時(shí)采取超前支護(hù)。

4）嚴(yán)格控制單響藥量，控制質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度在規(guī)定范圍內(nèi)。

5）頂拱層支護(hù)相應(yīng)部位沒完成前，禁止開挖下層。

4 地下廠房開挖施工方法

地下廠房開挖主要采用鉆爆法施工，由上至下分11層開挖。地下廠房頂拱層采取水平掘進(jìn)，先進(jìn)行中導(dǎo)洞開挖，待中導(dǎo)洞永久支護(hù)完成后，進(jìn)行兩側(cè)擴(kuò)挖（滯后中導(dǎo)洞永久支護(hù)30 m），周邊采用光面爆破的方法開挖。第Ⅱ?qū)?、第Ⅲ層采取中部梯段微差爆破，第Ⅲ層中部梯段開挖邊線采取預(yù)裂爆破，兩側(cè)保護(hù)層采取光面爆破開挖。第Ⅳ～Ⅶ層以下采取中部梯段微差爆破，設(shè)計(jì)周兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層進(jìn)行二次開挖。第Ⅷ，Ⅸ層采取先開挖溜渣井，再進(jìn)行擴(kuò)挖。第Ⅹ，Ⅺ層先從尾水管方向采用水平掘進(jìn)，先開挖中導(dǎo)洞（中部）進(jìn)入廠房，待第Ⅷ、Ⅸ層開挖完成后再進(jìn)行擴(kuò)挖施工，擴(kuò)挖采用水平掘進(jìn)，周邊保護(hù)層光面爆破開挖。最后進(jìn)行集水井施工。開挖一層支護(hù)一層，上一層支護(hù)完成后，再進(jìn)行下一層開挖施工。

4.1 高邊墻安全穩(wěn)定問題的分析及應(yīng)對

為確保廠房高邊墻的穩(wěn)定，在開挖程序安排上，遵循在平交口施工應(yīng)盡量減小對主洞運(yùn)行的影響原則，在洞口開挖之前，先進(jìn)行洞口周邊鎖口支護(hù)。廠房Ⅱ，Ⅲ層開挖采取中間拉槽，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層擴(kuò)挖跟進(jìn)的方式開挖，中間拉槽梯段爆破開挖前，先沿保護(hù)層與深孔梯段邊線進(jìn)行施工預(yù)裂，以減少爆破對邊墻造成震動(dòng)破壞。上一層支護(hù)未完成，不得進(jìn)行相應(yīng)部位下一層開挖。對各洞室交叉口1.5倍洞徑范圍，在開挖后及時(shí)進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，或視情況進(jìn)行混凝土襯砌鎖口，在廠房等大洞室高邊墻上開洞口時(shí)，先采用鎖口錨桿對邊墻進(jìn)行超前錨固，必要時(shí)進(jìn)行超前預(yù)注漿等措施。廠房梯段開挖采用小孔徑鉆頭造孔（孔徑90 mm），藥卷直徑不大于φ70 mm，并嚴(yán)格控制單響藥量和一次爆破方量，以此控制爆破振動(dòng)速度，減少因爆破振動(dòng)對巖壁造成質(zhì)量影響。

4.2 開挖產(chǎn)生巖爆和地下涌水處理方法

由于地下廠房為高埋深，而且相對地應(yīng)力集中，而巖爆現(xiàn)象則是其最具體的體現(xiàn)，因此針對本地區(qū)特有的高地應(yīng)力以及開挖容易產(chǎn)生巖爆的現(xiàn)象，采取相應(yīng)的針對措施進(jìn)行施工。巖爆控制的主要方法可以分為兩類，一類以釋放圍巖應(yīng)力為途經(jīng)，另一類則以降低開挖擾動(dòng)為途徑。以防為主方案主要目的是防止巖爆發(fā)生或者降低巖爆發(fā)生的等級，以使損失降低到最小。根據(jù)不同的巖爆機(jī)制及巖爆烈度級別，以防為主方案重點(diǎn)包括：改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力釋放法、調(diào)整作業(yè)、待避政策。以治為主的加固圍巖具體包括：噴、錨、格柵鋼架等加固措施。開挖主要考慮分上下兩層開挖，上層開挖采取全斷面的開挖方法，采取“超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和勘探、超前支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)、早封閉”等措施。

針對地下系統(tǒng)洞室部分在地下水位以下，而且地下水相對豐富的問題，主要針對開挖作業(yè)面的涌水和滲水的大小，采取相應(yīng)的措施。對滲水部位采取鉆設(shè)排水孔，集中引排的方式進(jìn)行處理。

4.3 交叉洞段開挖施工的研究與應(yīng)用

地下廠房洞室群開挖難點(diǎn)之一，就是相鄰洞室及交叉洞室的爆破。地下廠房洞室群分布復(fù)雜，主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大洞室平行布置，距離較近，主廠房上下游邊墻及端部有大小不同的洞室相交，對洞室開挖后穩(wěn)定性有很大影響。因此，廠房洞室群施工必須謹(jǐn)慎進(jìn)行，尤其在爆破方面要嚴(yán)格控制爆破規(guī)模和采取必要的防震措施，做好施工程序設(shè)計(jì)，對不同的部位采取不同的爆破方法。在附屬洞室與大洞室相通時(shí)，采用先洞后墻的施工工藝，在洞口鎖口和系統(tǒng)支護(hù)施工結(jié)束后再開挖高邊墻，反向鎖口后使應(yīng)力調(diào)整在小洞室內(nèi)進(jìn)行，減少廠房大跨度洞室應(yīng)力集中及小洞室爆破的二次應(yīng)力調(diào)整帶來的危害，在開挖過程中，對廠房交叉洞口段部位進(jìn)行反向鎖口約束，采取分層擴(kuò)挖，分層鎖口，及時(shí)對廠房邊墻進(jìn)行反向鎖口支護(hù)釋放應(yīng)力。通過控制爆破及采取反向鎖口及時(shí)的進(jìn)行支護(hù)，有效的控制了應(yīng)力的二次分布，保證了洞室群之間圍巖的穩(wěn)定。

4.4 重要部位爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

1）地下廠房Ⅰ層開挖施工鉆爆參數(shù)。根據(jù)本工程的地質(zhì)條件和工程特點(diǎn)，結(jié)合以往類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選定。地下廠房Ⅰ層開挖施工采用手風(fēng)鉆鉆孔，利用中間的臨空面進(jìn)行微差爆破。周邊孔間距50 cm，崩落孔間距約100 cm，底孔間距約100 cm，爆破孔孔徑42 mm，選用乳化炸藥、非電毫秒雷管起爆、微差爆破。在Ⅱ類圍巖區(qū)鉆孔深度為3.0 m，Ⅳ類圍巖區(qū)鉆孔深度為2.5 m。Ⅰ層爆破設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 主副廠房及安裝間Ⅰ層兩側(cè)擴(kuò)挖施工爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

2）地下廠房Ⅱ，Ⅲ層開挖施工鉆爆參數(shù)。Ⅱ，Ⅲ層中部采用D7液壓鉆機(jī)鉆孔，為減小爆破震動(dòng)對巖壁吊車梁部位圍巖的影響，在梯段爆破與保護(hù)層開挖的分界線采用深孔預(yù)裂爆破，預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3）巖壁吊車梁開挖施工鉆爆參數(shù)。巖壁吊車梁開挖采用YT-28型手風(fēng)鉆鉆孔，其爆破設(shè)計(jì)參數(shù)見表3，炮孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)見圖1。

表3 巖臺(tái)開挖施工爆破設(shè)計(jì)參數(shù)表

5 結(jié)語

圖1 廠房巖壁吊車梁開挖施工示意

官地水電站地下發(fā)電廠房的特點(diǎn)是：高地應(yīng)力、高邊墻、存在不良地質(zhì)，并處于縱橫交錯(cuò)的洞室群中，這些特點(diǎn)包含了一般大型水電站地下發(fā)電洞室的共同特點(diǎn)。官地水電站地下廠房開挖施工時(shí)嚴(yán)格控制爆破對邊墻的振動(dòng)影響，對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，選擇合理的爆破參數(shù)，爆破后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，并應(yīng)充分利用巖石彈性抗力。使地下廠房開挖的各項(xiàng)控制指標(biāo)均在設(shè)計(jì)圖紙、施工規(guī)范和合同技術(shù)條款要求范圍內(nèi)。