蒲石河抽水蓄能電站地下系統(tǒng)施工通道布置和設(shè)計(jì)

王福運(yùn)，史有富，朱 輝，鄭徳湘，于秀蓮，陳立秋

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

1 工程概況

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)，距丹東60 km，是我國(guó)東北在建的第一座大型抽水蓄能電站，總裝機(jī)容量1 200 MW。工程為一等大 （1）型工程，主要由下水庫及下水庫泄洪排沙閘壩、上水庫及上水庫鋼筋混凝土面板堆石壩、上下水庫進(jìn)出水口、地下廠房洞室系統(tǒng)、地下輸水洞室系統(tǒng)及地面開關(guān)站等建筑物組成。

地下系統(tǒng)主要由地下廠房、引水、尾水三大系統(tǒng)組成，地下廠房系統(tǒng)采用主廠房、主變及尾閘三大洞室平行布置，主副廠房為地下工程中的最大洞室， 開挖尺寸為 165.8 m×22.7 m×54.1 m （長(zhǎng)×寬×高），埋深在200 m以上；主變室開挖尺寸為130.60 m×20.40 m×24.40 m （長(zhǎng)×寬×高）； 引水系統(tǒng)采用二洞四機(jī)布置，引水主洞長(zhǎng)約770 m，內(nèi)徑為8.1 m；尾水系統(tǒng)采用一洞四機(jī)布置，壓力管道、尾水支洞內(nèi)徑為5 m，尾水隧洞主洞長(zhǎng)約1 169 m，內(nèi)徑11.5 m。地下系統(tǒng)工程主要工程量為：土石方明挖約130萬m3，石方洞挖約80萬m3，混凝土量約20萬m3。

2 施工通道的重要性及布置原則

2.1 施工通道布置的重要性

地下廠房系統(tǒng)工程是整個(gè)電站建設(shè)的控制性關(guān)鍵項(xiàng)目，其施工工期直接決定著地下工程的施工工期，影響著首臺(tái)機(jī)組的發(fā)電工期，并控制工程的總工期。同時(shí)，地下廠房系統(tǒng)是一個(gè)洞室縱橫交錯(cuò)、相互貫通、龐大復(fù)雜的大型地下洞室群，具有交叉洞室多、洞室跨度大、邊墻高等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及同時(shí)施工工作面多、開挖出渣量大、混凝土量大等施工特點(diǎn)。影響其施工進(jìn)度的因素主要有： 地下空間結(jié)構(gòu)尺寸與規(guī)模大小、圍巖穩(wěn)定與支護(hù)方式、施工交通運(yùn)輸布置、施工工藝和施工設(shè)備配置等。因此，選擇科學(xué)、合理的施工通道布置是非常必要和至關(guān)重要的，合理的施工通道布置，可以避免施工干擾，降低施工強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn)，從而確保地下系統(tǒng)的快速施工，保證工程節(jié)點(diǎn)工期目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，并有利于改善施工環(huán)境。

2.2 施工通道布置的原則

根據(jù)本工程的規(guī)模、特點(diǎn)、施工環(huán)境及施工條件，確定施工通道布置的主要原則為：

（1）根據(jù)各洞室施工順序，結(jié)合永久洞室的布置特點(diǎn)及工期要求，在充分考慮利用永久洞室的前提下，統(tǒng)籌規(guī)劃施工通道的布置，盡量減少臨時(shí)施工支洞的修建。

（2）施工通道 （施工支洞）布置與關(guān)鍵部位施工程序安排相協(xié)調(diào)，滿足 “平面多工序，立面多層次”的施工組織要求，合理規(guī)避施工干擾，以保證工程施工均衡、有序進(jìn)行。

（3）由于地下主廠房工程量相對(duì)較大，施工通道的布置應(yīng)盡量為主廠房各層開挖提供便捷的施工交通條件，以保證主廠房這一關(guān)鍵線路的快速施工。

（4）施工支洞布置應(yīng)遵守下列規(guī)定：①沿洞線的地質(zhì)條件較好，不影響主體洞室的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求；②洞軸線應(yīng)選取短線，且有利于臨時(shí)設(shè)施的布置；③通向支洞口的交通運(yùn)輸線路工程量?。虎芨髦Ф闯袚?dān)的工程量大體平衡；⑤洞外有適宜的棄渣場(chǎng)地；⑥洞口高程應(yīng)滿足相應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

（5）施工支洞斷面尺寸應(yīng)滿足運(yùn)輸、支護(hù)及人行安全的要求，便于施工供風(fēng)、供水、供電、排水、通風(fēng)及照明等各類管線布置。在條件允許的情況下施工通道應(yīng)盡量拓寬，以提高通行能力。

（6）施工通道的布置要綜合考慮各洞室的交叉施工、施工安全、開挖爆破和出渣運(yùn)輸?shù)确矫娴挠绊憽?/p>

總之，施工通道 （施工支洞）的布置應(yīng)滿足地下廠房、引水和尾水三大系統(tǒng)的施工要求，能均衡施工強(qiáng)度，為各主要洞室平行作業(yè)創(chuàng)造條件，實(shí)現(xiàn)多工作面連續(xù)施工，從而加快施工進(jìn)度，同時(shí)也應(yīng)注意盡量節(jié)約工程投資。

3 施工通道的規(guī)劃布置和作用

根據(jù)地下系統(tǒng)各洞室的布置和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照施工通道 （施工支洞）的布置的原則，在滿足施工進(jìn)度要求下，考慮地下系統(tǒng)中各主要洞室的施工程序，在充分利用水工永久隧洞作為施工通道的基礎(chǔ)上，按上、中、下3個(gè)層次規(guī)劃布置施工通道，同時(shí)為滿足地下系統(tǒng)施工需要，共設(shè)置了7條施工支洞。地下施工通道布置見圖1。

3.1 上層施工通道

圖1 地下系統(tǒng)施工通道布置示意

地下系統(tǒng)上層施工部位主要包括：主副廠房上部、主變洞上部、尾閘室上部、尾水調(diào)壓井上部、引水洞上平段和斜井段 （上部）。其施工通道主要布置有廠房通風(fēng) （出渣）洞、廠房交通洞、主變通風(fēng)洞 （5號(hào)施工支洞）、尾水調(diào)壓井補(bǔ)氣洞、上水庫進(jìn)/出水口、6、7號(hào)施工支洞。

在上層施工通道規(guī)劃布置中，廠房通風(fēng)洞、廠房交通洞、上水庫進(jìn)/出水口、6號(hào)施工支洞具有地面出口。按照地面出口劃分：①以廠房通風(fēng)洞為出口的施工通道中，廠房通風(fēng)洞主要承擔(dān)主副廠房上部的施工，主變洞通風(fēng)洞 （5號(hào)施工支洞）承擔(dān)主變洞上部的施工，尾調(diào)補(bǔ)氣洞主要承擔(dān)尾水調(diào)壓井上部施工平臺(tái)的施工， 5號(hào)施工支洞、尾調(diào)補(bǔ)氣洞通過廠房通風(fēng)洞與地面相通；②以廠房交通洞為出口的施工通道主要承擔(dān)尾閘室上部的施工；③以上水庫進(jìn)/出水口、6號(hào)施工支洞為出口的施工通道中，上水庫進(jìn)/出水口主要承擔(dān)引水洞上平段的施工，引水洞斜井段 （上部）及其下部施工通道由6號(hào)施工支洞承擔(dān)，上部施工通道由引水洞上平段、上水庫進(jìn)/出水口承擔(dān)；④7號(hào)施工支洞作為兩條引水洞上平段的連通洞，主要是為了減少引水洞上平段、斜井段的施工干擾，增加引水洞上部施工的靈活性。

3.2 中層施工通道

中層施工部位主要包括主副廠房中部、主變洞中部、母線洞、引水洞下平段和引水洞斜井段 （下部）等。其施工通道主要為廠房交通洞、尾閘交通洞和2號(hào)施工支洞，其中2號(hào)施工支洞通過廠房交通洞與地面相通，且為下層施工通道中的3、4號(hào)施工支洞以及尾閘交通洞與廠房交通洞的聯(lián)系通道。

作為中層施工通道的廠房交通洞，不僅擔(dān)負(fù)著全部中層施工部位的各洞室的開挖出渣、混凝土運(yùn)輸、臨時(shí)支護(hù)和機(jī)電設(shè)備等的運(yùn)輸任務(wù)，而且還承擔(dān)著廠房下部、壓力鋼管及岔管段、尾閘室中下部、尾水調(diào)壓井下部、尾水岔管、尾水支管、部分尾水洞等部位的施工交通運(yùn)輸任務(wù)。由此可見，廠房交通洞是地下系統(tǒng)施工中最為關(guān)鍵的施工通道，其規(guī)劃布置、統(tǒng)籌安排是否合理，直接影響地下系統(tǒng)的施工工期。

3.3 下層施工通道

下層施工部位有主副廠房下部、主變洞下部、尾閘室下部、尾水調(diào)壓井中下部和尾水主洞。在整個(gè)地下工程施工中，大部分出渣任務(wù)是由下層施工通道來完成的，為此下層設(shè)置了1、2、3、4號(hào)4條施工支洞。

1號(hào)施工支洞主要作為尾水洞的施工通道，在施工進(jìn)度允許的情況下可兼顧尾水調(diào)壓井、尾水岔管、尾水支管廠房下部出渣；3號(hào)施工支洞將廠房下部與2號(hào)施工支洞有機(jī)地連接起來，并通過2號(hào)施工支洞與廠房交通洞相連，作為廠房下部、引水洞斜井段、下平段、壓力鋼管及岔管段的開挖出渣及混凝土澆筑運(yùn)輸通道；通過4號(hào)施工支洞與2號(hào)施工支洞將尾水洞、尾水調(diào)壓井與廠房交通洞聯(lián)系起來，作為尾水支管及岔管段、尾水調(diào)壓井、尾水洞部分工程的開挖出渣及混凝土澆筑運(yùn)輸通道，并作為尾水洞后段施工通道的必要補(bǔ)充，緩解1號(hào)施工支洞的運(yùn)輸壓力。

4 施工支洞設(shè)計(jì)

本工程在充分利用永久洞室作為施工通道的前提下，為滿足地下系統(tǒng)施工需求，共布置了7條施工支洞，其中1號(hào)施工支洞和6號(hào)施工支洞由地面進(jìn)入，5號(hào)施工支洞利用主變洞的通風(fēng)洞擴(kuò)挖而成，其他4條施工支洞均在地下永久洞室之間設(shè)置。

4.1 施工支洞斷面形式及尺寸確定

施工支洞均選用城門洞形，除7號(hào)施工支洞斷面為5.0 m×5.0 m （寬×高）外，其余支洞斷面尺寸均為7.5 m×6.0 m （寬×高），施工支洞最大縱坡為8.72%，平面轉(zhuǎn)彎半徑15.0～40.0 m，可滿足雙車道運(yùn)輸、各類臨時(shí)施工設(shè)施的布置、施工排水等要求。

4.2 施工支洞支護(hù)設(shè)計(jì)

施工支洞為臨時(shí)建筑物，地下系統(tǒng)施工工期約為5年，洞室群圍巖多為Ⅱ類，穩(wěn)定性好，局部為Ⅲ類，穩(wěn)定性稍差?？紤]洞室交叉部位的圍巖穩(wěn)定及封堵施工要求，在各施工支洞進(jìn)口及與其他各洞室交叉處均采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.50 m，各施工支洞通過Ⅲ類圍巖及斷層破碎帶處均采用系統(tǒng)噴錨支護(hù)，Ⅱ類圍巖僅采用局部噴錨支護(hù)。噴錨支護(hù)錨筋直徑為18 mm，長(zhǎng)2.0 m，間、排距均為1.5 m，噴混凝土厚8 cm。

1、2、4、6、7號(hào)施工支洞在施工任務(wù)完成后需要進(jìn)行封堵。1號(hào)支洞與尾水洞相交處交處封堵長(zhǎng)度為20.0 m；2號(hào)支洞在兩條引水洞之間全洞進(jìn)行封堵，與引水洞下平段相交處外側(cè)封堵長(zhǎng)度為50.70 m；4號(hào)支洞與尾水洞相交處封堵混凝土長(zhǎng)度為20.0 m；7號(hào)施工支洞全洞封堵。

5 地下廠房開挖程序

5.1 主副廠房開挖程序

主副廠房為地下工程中的最大洞室，開挖尺寸為 165.8 m×22.7 m×54.1 m （長(zhǎng)×寬×高）， 巖石洞挖量17.90萬m3。主副廠房開挖分上、中、下3個(gè)部分，共7層，由上至下逐層開挖。

廠房上部頂拱開挖 （即Ⅰ層）高程38.60～30.60 m、層高8.00 m，由通風(fēng)洞出渣；中部開挖高程30.60～13.20 m，層高17.40 m，分為Ⅱ、Ⅲ兩層施工，利用通風(fēng)洞、交通洞出渣； 廠房下部高程13.20～-15.00 m，層高28.20 m，分為Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ4層施工，利用廠房交通洞、2、3、4號(hào)施工支洞出渣。

5.2 主變洞開挖程序

主變洞開挖尺寸 130.60 m×20.40 m×24.40 m（長(zhǎng)×寬×高）。分上 （頂拱）、下兩部分開挖。上部開挖高程37.00～28.70 m，層高8.30 m，利用通風(fēng)洞出渣；下部開挖高程28.70～12.80 m，分為兩層，28.70～21.50 m高程為第Ⅱ?qū)?，層?.20 m，21.50～12.80 m高程為第Ⅲ層，利用交通洞出渣。

6 工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)

在蒲石河抽水蓄能電站的地下系統(tǒng)開挖施工中，積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)主要有：

（1）引水洞斜井段長(zhǎng)376.51 m，與水平線夾角52°，鑒于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)水電工程中尚無利用反井鉆開挖如此規(guī)模斜井的先例 （國(guó)內(nèi)采用反井鉆機(jī)進(jìn)行斜井施工的最大深度為236 m），經(jīng)對(duì)引水系統(tǒng)斜井段導(dǎo)井開挖的施工方法分析論證，在斜井段中部增設(shè)了6號(hào)施工支洞作為斜井段的施工通道，保證了引水斜井的順利施工。

（2）6號(hào)施工支洞采用兩條單獨(dú)的支洞與兩條引水斜井相接，避免了兩引水斜井的直接串聯(lián)，有利于封堵堵頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，加快了封堵施工進(jìn)度，有利于施工封堵質(zhì)量控制。

（3）4號(hào)支洞與尾水洞的交接點(diǎn)放在尾水岔管與尾水調(diào)壓井之間，增加了尾水調(diào)壓井、尾水岔管、尾閘室下部、廠房下部的施工通道，使得尾水調(diào)壓井的施工不制約尾水洞的施工；同時(shí)廠房底部開挖、尾水岔管鋼襯、尾閘室底部襯砌施工可以與尾水主洞襯砌同時(shí)具備施工條件。實(shí)踐證明，4號(hào)支洞的設(shè)置使得上述部位的施工變得更靈活、便捷，減少了施工干擾。

（4）增設(shè)了7號(hào)施工支洞作為引水洞上平段的連通洞，充分利用現(xiàn)有的兩條引水洞作為斜井段的施工通道，避免了引水洞上平段單獨(dú)設(shè)置施工支洞，減少了引水洞上平段、斜井段的施工干擾，增加了上述部位施工的靈活性、機(jī)動(dòng)性。

7 結(jié)語

蒲石河抽水蓄能電站地下系統(tǒng)的施工通道 （施工支洞）布置和設(shè)計(jì)，充分利用了永久洞室，做到了 “永臨結(jié)合”，在工程實(shí)施過程中，優(yōu)化了施工支洞的布置，加快了地下工程的施工進(jìn)度，方便了工程施工。在工程實(shí)施中積累的地下系統(tǒng)施工通道布置經(jīng)驗(yàn)，可以為其他抽水蓄能電站地下系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒，尤其是為今后東北寒冷地區(qū)抽水蓄能電站的建設(shè)提供了寶貴的工程實(shí)例。