向家壩電站地下廠房洞室開挖施工技術(shù)

孫開暢，姜德全，孫志禹

（1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072；3.中國長江三峽集團(tuán)公司，湖北 宜昌 443002）

1 工程概況及施工特性

1.1 概況

向家壩水電站是金沙江下游河段中規(guī)劃的最末一個梯級電站，其壩址位于川滇兩省交界的金沙江下游河段上，左岸為四川省宜賓縣，右岸為云南省水富縣。電站地下廠房洞室群的開挖施工直接關(guān)系到地下廠房的運行安全、工期和工程投資。地下廠房系統(tǒng)洞室開挖以主廠房、主變洞兩大洞室為主體，包括母線洞、電纜豎井、主廠房頂部通風(fēng)洞、主變交通洞、第四層帷幕灌漿廊道、排水廊道等洞室在內(nèi)的大規(guī)模洞室群開挖[1]。

1.2 主要開挖工程量

地下廠房系統(tǒng)洞室群各個部位的主要開挖工程量見表1。

2 開挖施工中的重點難點及相應(yīng)對策

地下廠房開挖跨度大，頂拱存在緩傾角層面，頂拱開挖安全是重點，同時也是一個難點。在開挖過程中擬采取下列措施：頂層開挖相繼貫通中部下導(dǎo)洞及中導(dǎo)洞并完成系統(tǒng)支護(hù)及初噴，然后采取前后跟進(jìn)方式進(jìn)行兩側(cè)擴(kuò)挖施工，根據(jù)中導(dǎo)洞揭露的地質(zhì)情況，及時進(jìn)行必要的超前支護(hù)或臨時支護(hù)；廠房頂拱對穿錨索孔施工在頂拱開挖前完成，系統(tǒng)噴錨支護(hù)緊跟開挖工作面，穿錨、張拉等錨索施工適當(dāng)滯后開挖面一段距離及時跟進(jìn)，防止頂拱產(chǎn)生大的變形；在不良地質(zhì)洞段，采取“分區(qū)開挖、短進(jìn)尺、弱爆破、及時支護(hù)”的方案，必要時采取超前支護(hù)；嚴(yán)格控制單響藥量，控制質(zhì)點震動速度在規(guī)定范圍內(nèi)；頂拱層拱腳以上系統(tǒng)支護(hù)（含錨索）完成后，才能開始廠房第Ⅱ?qū)娱_挖。

表1 地下廠房系統(tǒng)洞室群主要項目開挖工程量表

巖錨梁是地下廠房開挖的關(guān)鍵部位之一，因此確保巖錨梁巖臺開挖質(zhì)量，正確處理軟弱夾層帶，對確保巖錨梁安全是非常重要的。在巖錨梁開挖施工過程中擬采取下列措施：巖錨梁層開挖在上下游邊墻預(yù)留4～5 m厚保護(hù)層，中間拉槽開挖前先沿保護(hù)層邊線進(jìn)行第一道預(yù)裂；保護(hù)層開挖分兩區(qū)進(jìn)行，保護(hù)層開挖前沿巖錨梁以下邊墻進(jìn)行第二道預(yù)裂，然后采用氣腿鉆鉆爆開挖巖錨梁下拐點以外保護(hù)層；最后開挖巖錨梁保護(hù)層剩余三角體部分，采用氣腿鉆自下而上沿巖錨梁斜墻面造斜孔，手風(fēng)鉆沿巖錨梁上拐點直墻面鉆垂直孔，雙面光面爆破；巖錨梁保護(hù)層剩余三角體部分開挖前通過生產(chǎn)性爆破試驗，優(yōu)化爆破參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，盡可能減少爆破松動圈；對于有軟弱夾層穿過巖錨梁部位的開挖，嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙進(jìn)行加固處理，必要時，視地質(zhì)情況，利用置換回填、預(yù)先固結(jié)灌漿的方法加固巖錨梁基座，提高軟弱夾層的抗變形能力。

地下廠房開挖跨度達(dá)33.4 m、高度達(dá)88.2 m，是國內(nèi)目前在建的最大跨度和最大高度的地下廠房，確保廠房高邊墻穩(wěn)定是又一個重點[2]。主要對策如下：采取以支護(hù)為中心，以盡量減少對地下廠房圍巖擾動為原則進(jìn)行施工。廠房Ⅱ-Ⅷ層主要采取中間拉槽，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層擴(kuò)挖跟進(jìn)的方式開挖，同時嚴(yán)格控制單響藥量，以防止爆破對邊墻造成震動破壞；開挖與支護(hù)施工采取“平面多工序”、“立體多層次”原則作業(yè)，噴錨支護(hù)緊跟保護(hù)層開挖工作面，錨索施工最多滯后開挖半層。加強(qiáng)開挖過程中的變形觀測，在邊墻位移突變或持續(xù)增大時，則停止開挖，加強(qiáng)支護(hù)。保護(hù)層開挖與支護(hù)作業(yè)協(xié)調(diào)進(jìn)行，在支護(hù)作業(yè)滯后時，保護(hù)層開挖適時停止[3]。

電纜豎井開挖高差大，穿過含煤巖層，保證煤層采空區(qū)的井壁穩(wěn)定、并確保開挖安全是難點。針對電纜豎井開挖安全問題，擬采取以下措施：電纜豎井溜碴導(dǎo)井采用反井鉆機(jī)進(jìn)行施工，大井?dāng)U挖3～5 m高后及時進(jìn)行鎖口，然后再繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)挖，同時井口預(yù)留3～5 m寬的井臺，設(shè)置圍欄和排水溝，防止井臺上雜物墜入井內(nèi)。設(shè)置專門的提升設(shè)備，作為人員上、下和材料運輸交通工具，提升設(shè)備設(shè)置導(dǎo)向裝置和斷繩保險裝置，并控制升降速度。上下聯(lián)系采用電話、信號燈、對講機(jī)等多種通訊手段結(jié)合使用，互為備用。提升設(shè)備設(shè)置防止過卷、過電流和失電壓等保險裝置及可靠的制動系統(tǒng)，使用過程中加強(qiáng)維護(hù)檢查工作。溜碴導(dǎo)井開挖后，采取分兩次跟進(jìn)方式擴(kuò)挖，首先自上而下將導(dǎo)井?dāng)U挖至φ4.0 m。二次擴(kuò)挖施工時，上層未支護(hù)不得進(jìn)行下一層的開挖；對于存在煤層采空區(qū)的井壁洞段，在進(jìn)行擴(kuò)挖、支護(hù)、回填砼塞后，再進(jìn)行下一層的開挖。施工作業(yè)時，作業(yè)人員佩戴安全繩，安全繩掛在井壁錨桿上，防止發(fā)生人員墜落事故。

母線洞開挖既要確保廠房巖壁安全及巖錨梁安全要求，又要盡量減少占壓廠房開挖直線工期，開挖時機(jī)合理安排是本工程的重點。母線洞開挖征循“先洞后墻”的原則，利用進(jìn)廠交通洞由主變洞將母線洞提前開挖貫入主廠房高邊墻[4]。

地下廠房位于壩軸線上游庫內(nèi)，且其中下部處于地下水位以下，主廠房中下部開挖施工前提前形成一道阻水帷幕，同時加強(qiáng)滲水區(qū)域和集中滲流通道的“堵、導(dǎo)”，確保地下廠房干地施工安全。

母線洞、尾水管擴(kuò)散段、尾水支洞與母線洞之間的洞壁較薄，采取間隔開挖、加強(qiáng)支護(hù)的措施，確保巖壁穩(wěn)定，并充分協(xié)調(diào)好各部位施工程序[5]。

加強(qiáng)圍巖安全監(jiān)測，建立安全預(yù)報制度。開挖過程中根據(jù)開挖部位和地質(zhì)條件，及時設(shè)置安全監(jiān)測點和圍巖收斂監(jiān)測斷面，對圍巖進(jìn)行安全監(jiān)測，以便調(diào)整開挖鉆爆程序和鉆爆參數(shù)，減輕開挖爆破對圍巖穩(wěn)定的影響。

配備先進(jìn)、配套、適用的洞室開挖和支護(hù)施工機(jī)械設(shè)備，保證開挖支護(hù)及時、有效，并配備具有豐富地下工程施工經(jīng)驗的地質(zhì)工程師，負(fù)責(zé)分析、處理施工中出現(xiàn)的地質(zhì)問題。

3 施工方案布置

3.1 施工程序

根據(jù)向家壩右岸地下廠房系統(tǒng)洞室群布置特點及施工質(zhì)量、進(jìn)度和圍巖安全穩(wěn)定等要求，地下廠房系統(tǒng)洞室開挖支護(hù)圍繞主廠房關(guān)鍵線路展開，統(tǒng)籌安排主變洞、母線洞、電纜豎井等相關(guān)洞室的施工，盡量做到均衡生產(chǎn)。采用分層平行流水作業(yè)，做到“平面多工序”，又在整個立面上進(jìn)行多工種立體平行交叉施工，形成“立體多層次”，以實現(xiàn)地下洞室群的快速施工。

3.2 分層分區(qū)開挖

地下廠房分為10層開挖，各層又分區(qū)進(jìn)行開挖支護(hù)。主廠房第Ⅰ層分兩區(qū)4個工作面（Ⅰ1區(qū)導(dǎo)洞、Ⅰ2區(qū)中導(dǎo)洞擴(kuò)挖及Ⅰ3區(qū)兩側(cè)擴(kuò)挖）進(jìn)行施工；主廠房第Ⅱ-Ⅷ層分3個工作面進(jìn)行施工；主廠房Ⅸ，Ⅹ層開挖使用4條尾水管作為出渣通道，分兩個工作面進(jìn)行導(dǎo)井及擴(kuò)挖施工。

4 開挖過程中的特殊情況處理

4.1 塌方處理

對一般性塌方，在塌頂暫時穩(wěn)定之后，立即加固塌體四周圍巖，及時支護(hù)結(jié)構(gòu)物，托住頂部，防止塌穴繼續(xù)擴(kuò)大；對于較大塌方，還應(yīng)妥善處理地表陷坑；有地下水活動的塌方，應(yīng)先治水，再治塌方；認(rèn)真制訂塌方處理中的安全措施，認(rèn)真組織塌方處理專業(yè)隊伍，充分保證處理塌方的必須器材設(shè)備供應(yīng)。不同類型的塌方，選擇不同的處理方案。某些塌方還需綜合處理才能達(dá)到目的。對于一般的塌方，采用錨噴法進(jìn)行處理，其處理程序如下：① 排除淋水，用φ19 mm鋼管插入排水孔內(nèi)30～60 cm，鋼管與巖面用棉紗封緊，再用1∶1水泥砂漿（加速凝劑）堵在棉紗外面，在鋼管出口套塑料管，沿洞側(cè)懸掛，將淋水導(dǎo)入排水溝內(nèi)；② 噴早強(qiáng)混凝土，封閉補(bǔ)平巖面，厚2～5 cm；③ 按間距0.6 m×0.8 m梅花形埋設(shè)錨桿（φ22 mm螺紋鋼），長3.0 m，外露0.1 m；④ 掛網(wǎng)（網(wǎng)格20 cm×20 cm）與巖面密貼并與錨桿頭焊接；⑤ 噴第二次早強(qiáng)混凝土，厚8～10 cm。

塌方段通過錨噴處理基本穩(wěn)定后，再采用管棚法施工工藝通過該洞段。施工過程中嚴(yán)格控制進(jìn)尺，采用控制爆破，以保持圍巖不受過分?jǐn)_動和減少因爆破造成的局部應(yīng)力集中，保證巖面規(guī)整，為錨噴支護(hù)創(chuàng)造條件。同時利用管棚管對不良地質(zhì)洞段進(jìn)行固結(jié)灌漿，加固圍巖和止水，使圍巖達(dá)到穩(wěn)定。

塌方非常嚴(yán)重的部位，為防止四周巖體松動后產(chǎn)生更大規(guī)模的塌方，應(yīng)在錨噴支護(hù)完成后對塌方段進(jìn)行砼澆筑，然后對洞頂孔穴進(jìn)行回填和灌漿處理。

4.2 斷層、裂隙和層面發(fā)育地質(zhì)洞段施工注意事項

如斷層帶地下水是由地表水補(bǔ)給時，在地表設(shè)置截排系統(tǒng)引排。對隧洞承壓水，在每個掘進(jìn)循環(huán)中，向掌子面掘進(jìn)方向鉆鑿不小于2個超前鉆孔，其深度在4 m以上，以探明地下水情況。隨工作面的向前推進(jìn)挖好排水溝，并根據(jù)巖質(zhì)情況，必要時加以鋪筑。洞壁或洞頂有水流出時，鑿孔安置套管集中引排，使其不漫流。通過斷層帶的各施工工序之間的距離宜盡量縮短，并盡快進(jìn)行臨時支護(hù)封閉巖面，以減少巖層的暴露、松動和地壓增加。對于斷層、破碎帶，裂隙和層面較發(fā)育段，由于施工期間早期壓力大、圍巖變形快，自穩(wěn)時間短，初期支護(hù)的早期強(qiáng)度不能滿足圍巖自穩(wěn)要求，采用超前小導(dǎo)管（超前中空錨桿）注漿，快速止水加固。在開挖面沿拱墻按縱向間距3.5 m，環(huán)向間距0.4 m，孔深4.0 m，外插角10°鉆孔。采用φ42 mm(壁厚3.5 mm)無縫鋼管或φ25中空錨桿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。注漿至開挖前的時間間隔4～8 h，開挖在超前支護(hù)形成的棚架結(jié)構(gòu)保護(hù)下開挖。開挖進(jìn)尺之后，立即采用型鋼支撐，并與超前小導(dǎo)管（錨桿）焊接與噴錨支護(hù)聯(lián)合受力方式。優(yōu)化爆破設(shè)計，盡量減少爆破對圍巖的震動，開挖采用導(dǎo)洞領(lǐng)先、多臺階、短進(jìn)尺，弱爆破和打減震孔的開挖方式進(jìn)行。

4.3 涌水處理措施

地下廠房系統(tǒng)洞室下部在第二層水位以下，為減少開挖施工期間的涌水量，在防滲帷幕形成后再進(jìn)行開挖。對于施工中的涌水，應(yīng)事先根據(jù)設(shè)計文件對洞室可能出現(xiàn)涌水的地段進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查、分析，雨季滲水主要采用引、排、堵方案。施工中分別根據(jù)具體情況，采用超前鉆孔或輔助坑道排水、超前小導(dǎo)管預(yù)注漿、超前圍巖預(yù)注漿堵水、井點降水及深井降水等施工措施。

5 結(jié)語

向家壩水電站地下廠房地質(zhì)條件復(fù)雜，開挖工程量浩大，本文對其施工過程中的重點和難點進(jìn)行了分析，并提出和總結(jié)了相應(yīng)的對策。對于開挖過程中突發(fā)情況提出了處理措施。在實際施工中取得了較好的成效，為類似工程提供了參考和借鑒。

[1]唐崇正，聶光利.向家壩水電站地下主廠房開挖關(guān)鍵施工技術(shù)[J].四川水力發(fā)電，2009，28(4)：68-71.

[2]李漢臣，唐孝林，王仁強(qiáng).向家壩電站地下廠房進(jìn)水口高邊坡開挖施工難點剖析[J].四川水力發(fā)電，2009，28(4)：62-64.

[3]穆創(chuàng)國，張安,夏浩軍.開挖方案對洞群圍巖穩(wěn)定性的影響研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，32(11)：139-142.

[4]徐成光.復(fù)雜條件下向家壩電站地下廠房開挖質(zhì)量控制[J].四川水力發(fā)電，2009，28(4)∶31-33.

[5]易志，唐春滿.向家壩工程右岸地下電站尾水管擴(kuò)散段開挖方案[J].水力發(fā)電，2010，36(4)∶50-53.