雙江口水電站地下廠房開(kāi)挖施工組織研究

彭 旭 初

(國(guó)電大渡河雙江口工程建設(shè)管理分公司，四川 馬爾康　624000)

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雙江口水電站地下廠房開(kāi)挖施工組織研究

彭 旭 初

(國(guó)電大渡河雙江口工程建設(shè)管理分公司，四川 馬爾康624000)

摘要：雙江口水電站地下廠房工程具有深覆蓋、高應(yīng)力、大規(guī)模、工期緊、質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。在對(duì)該地下廠房的結(jié)構(gòu)特征及決定其布置形式的關(guān)鍵因素進(jìn)行系統(tǒng)闡述的基礎(chǔ)上，借助三維仿真手段建立了廠房開(kāi)挖分期分區(qū)優(yōu)化模型，對(duì)開(kāi)挖分層和施工支洞布置進(jìn)行了分析，并規(guī)劃了廠房各開(kāi)挖時(shí)段的進(jìn)度形象和施工強(qiáng)度。研究結(jié)果為工程施工提供了依據(jù)，對(duì)保證工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度、減少施工干擾、降低工程造價(jià)均具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：雙江口水電站；地下廠房；開(kāi)挖；施工組織

1概述

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣、金川縣境內(nèi)，是大渡河流域水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)的上游控制性水庫(kù)。電站采用壩式開(kāi)發(fā)，裝機(jī)容量為200萬(wàn)KW，對(duì)下游補(bǔ)償出力175.8萬(wàn)KW，枯水年枯期平均出力47.4萬(wàn)KW，多年平均年發(fā)電量為77.07億KW·h，相應(yīng)枯期梯級(jí)補(bǔ)償電量66億kW·h。水庫(kù)正常蓄水位高程2 500 m，總庫(kù)容為28.97億m3，消落深度為80 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容為19.17億m3。工程區(qū)地震烈度為Ⅶ度。樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、右岸放空洞、右岸深孔泄洪洞、右岸洞式溢洪道、左岸豎井泄洪洞、左岸地下廠房等組成。堆石壩最大壩高314 m，壩頂高程2 510 m，填筑總量為4 436萬(wàn)m3。引水發(fā)電系統(tǒng)布置在河道左岸，采用首部式地下廠房布置方案，廠房?jī)?nèi)安裝4臺(tái)單機(jī)容量為500 MW的混流式發(fā)電機(jī)組。

本文結(jié)合雙江口水電站的工程特性，著重針對(duì)地下廠房的結(jié)構(gòu)形式、分層開(kāi)挖施工順序、施工通道的布置特點(diǎn)等方面進(jìn)行了介紹，并結(jié)合仿真模擬手段，建立了優(yōu)化模型，對(duì)廠房開(kāi)挖的進(jìn)度和施工強(qiáng)度進(jìn)行了規(guī)劃，為工程質(zhì)量和進(jìn)度達(dá)到預(yù)期目標(biāo)提供依據(jù)和保障。

2地下廠房工程特性

2.1布置形式

雙江口水電站地下廠房由進(jìn)水口、壓力管道、主廠房、副廠房、主變室、出線場(chǎng)、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞及尾水塔等組成，采用“單機(jī)單管供水”及“兩機(jī)一室一洞”的布置格局。進(jìn)水口相鄰孔口中心線間距為29.5 m，進(jìn)水塔塔頂高程2 508 m，塔基高程2 395 m，進(jìn)水塔底板高程2 400 m，塔體寬度31.3 m，塔高113 m。地下廠房總長(zhǎng)度為214.7 m。主廠房全長(zhǎng)為134.08 m，頂拱跨度為28.3 m，巖壁吊車梁以下跨度為25.3 m，最大開(kāi)挖高度為67.32 m。安裝間跨度與主機(jī)間相同，最大高度為29.22 m，長(zhǎng)度為54.01 m。副廠房跨度為25.3 m，最大高度為44.72 m，長(zhǎng)度為26.61 m。廠房頂拱高程2 284.02 m，發(fā) 電 機(jī) 層 高 程2 255.3 m，水輪機(jī)安裝高程2 238.5 m，尾水管底板開(kāi)挖高程2 216.7 m。

主變室和尾水調(diào)壓室與廠房平行布置，主廠房與主變室的中心距為66.15 m，主變室與尾水調(diào)壓室的中心距為61 m。主變室全長(zhǎng)為142.2 m，寬20 m，高25.69 m，頂拱高程2 280.99 m。尾水調(diào)壓室為2臺(tái)機(jī)組并接1條尾水洞，共計(jì)2條尾水洞。其中，1#尾水調(diào)壓室長(zhǎng)為55 m，2#尾水調(diào)壓室長(zhǎng)為53 m，上部寬為18 m，下部寬為13.5 m，頂拱高程2 292 m，高60.5 m，由4條尾水連接洞連接主廠房與尾調(diào)室。尾水洞出口高程2 231.5 m，交尾調(diào)室高程2 218 m，1#尾水洞長(zhǎng)為989.98 m，2#尾水洞長(zhǎng)為883.88 m。

2.2地質(zhì)條件

雙江口壩區(qū)為高地應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力方向略顯雜亂，但具有一定的分帶性。左岸總體上為NNW向，靠外地應(yīng)力有構(gòu)造應(yīng)力與自重應(yīng)力的疊加，向內(nèi)以水平應(yīng)力為主，傾角靠外相對(duì)較陡，向深部變緩，地形上為一凸岸。地形上坡度呈40°～46°，局部達(dá)到50°～61°，基巖裸露。

地下廠房三大洞室水平埋深均達(dá)300 m以上，垂直埋深近500 m，巖性為似斑狀黑云鉀長(zhǎng)花崗巖，廠房平硐400 m處最大主應(yīng)力達(dá)到37.82 MPa。水平深度0～45 m為地應(yīng)力降低帶，45～400 m為地應(yīng)力增高帶，400 m以里為地應(yīng)力平穩(wěn)帶。應(yīng)力水平呈外低內(nèi)高、上游低下游高的趨勢(shì)。廠房巖性單一，多為似斑狀黑云鉀長(zhǎng)花崗巖，以Ⅲ類圍巖為主。巖體新鮮堅(jiān)硬，完整性較好，多呈塊狀～整體狀結(jié)構(gòu)，僅發(fā)育一條次級(jí)小斷層(f1斷層)。1#機(jī)與2#機(jī)間貫穿f1斷層(N79°W/SW∠48°，寬50～60 cm，巖性為糜棱巖)和一條從副廠房下游及4#機(jī)組段上游側(cè)穿過(guò)的煌斑巖脈(N35°～50°W/SW∠72°～75°，寬度80～110 cm)。f1斷層向下游延伸穿過(guò)主變室和尾調(diào)室臨河側(cè)端墻頂部。

尾水隧洞圍巖為似斑狀黑云鉀長(zhǎng)花崗巖，巖石致密堅(jiān)硬。巖體中主要發(fā)育四組裂隙，裂隙間距較大，巖體多呈塊狀～整體狀結(jié)構(gòu)，局部呈次塊狀和鑲嵌結(jié)構(gòu)，以Ⅲ類圍巖為主。局部洞段發(fā)育小斷層，巖體較破碎，為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，且部分緩傾裂隙和順洞向中陡傾角裂隙可能引起塌落和掉塊。f2斷層貫穿兩條尾水隧洞和廠房交通洞，斷層產(chǎn)狀N33°W/NE∠88°，寬度80～140 cm，巖性為糜棱巖。

尾調(diào)交通洞巖體以次塊狀～塊狀結(jié)構(gòu)為主，圍巖類別以Ⅲ類為主，洞壁整體穩(wěn)定性較好。進(jìn)口表淺巖體受風(fēng)化卸荷影響，局部穩(wěn)定性較差。

2.3主要工程量

雙江口水電站地下廠房主要工程量包括：土石方明挖28.21萬(wàn)m3，洞挖141.6萬(wàn)m3，混凝土43.55萬(wàn)m3，噴射混凝土5.14萬(wàn)m3，錨桿18.4萬(wàn)根，錨索0.25萬(wàn)束，回填灌漿8.02萬(wàn)m2，固結(jié)灌漿3.59萬(wàn)m，帷幕灌漿13.98萬(wàn)m。

3地下廠房洞室開(kāi)挖施工

3.1開(kāi)挖順序

為減少洞周位移，縮小圍巖擾動(dòng)和破壞區(qū)范圍，確定雙江口水電站廠房洞室開(kāi)挖順序?yàn)椋合乳_(kāi)挖主廠房上層(巖壁吊車梁以上)及尾調(diào)室上層(25 m)，再進(jìn)行主變室的開(kāi)挖，主變室與廠房中層(35 m)同期開(kāi)挖，尾調(diào)室下層開(kāi)挖在廠房開(kāi)挖結(jié)束后進(jìn)行。

3.2開(kāi)挖分層

雙江口水電站主廠房開(kāi)挖分9期，主變室分4期，母線洞分2期，尾水連接洞2期，尾調(diào)室分9期，尾水洞分3期。

廠房洞室開(kāi)挖分六個(gè)開(kāi)挖區(qū)，各開(kāi)挖區(qū)分上、中、下三個(gè)開(kāi)挖分層。主廠房為“1”區(qū)、尾水連接洞為“2”區(qū)、母線洞為“3”區(qū)、主變室為“4”區(qū)、尾調(diào)室為“5”區(qū)、尾水洞為“A6”區(qū)和“B6”區(qū)。

主廠房開(kāi)挖分區(qū)按三個(gè)分層、十個(gè)分期開(kāi)挖，上層開(kāi)挖高度為14.35 m，分兩期開(kāi)挖，即“1-Ⅰ”、“1-Ⅱ”期；中層開(kāi)挖高度為34.36 m，分五期開(kāi)挖，即“1-Ⅲ～1-Ⅶ”；下層 開(kāi) 挖 高 度 為

14.59 m，分三期開(kāi)挖，即“1-Ⅷ～1-Ⅹ”。

主變室開(kāi)挖分區(qū)按三個(gè)分層、四個(gè)分期開(kāi)挖，上層一個(gè)分期(“4-Ⅰ”，6 m)，中層兩個(gè)分期(“4-Ⅱ”、“4-Ⅲ”，6.1 m、6.3 m)，下層一個(gè)分期(“4-Ⅳ”，7.59 m)。

尾調(diào)室開(kāi)挖分區(qū)按三個(gè)分層、九個(gè)分期開(kāi)挖，上層開(kāi)挖高度為25 m，三個(gè)分期(“5-Ⅰ～5-Ⅲ”)；中層開(kāi)挖高度為31.5 m，三個(gè)分期(“5-Ⅳ～5-Ⅵ”)；下層開(kāi)挖高度為19.5 m，三個(gè)分期(“5-Ⅶ～5-Ⅸ”)。

3.3施工通道布置

除壓力鋼管運(yùn)輸通道采用10 m×8 m(寬×高)的城門洞斷面外，其余施工通道斷面均采用7.8 m×7.1 m(寬×高)的城門洞斷面。通道坡度不大于10%，滿足4 m3裝載機(jī)配25 t汽車運(yùn)輸要求。各施工通道特性及功能說(shuō)明見(jiàn)表1、2。

3.4施工總程序

地下廠房洞室開(kāi)挖總體施工方案為：先開(kāi)挖主廠房上層(巖壁吊車梁以上)及尾調(diào)室上層，隨后開(kāi)挖主變室，主變室與廠房中層同期開(kāi)挖，尾調(diào)室下層在廠房開(kāi)挖結(jié)束后進(jìn)行；廠房尾水洞與廠房和尾調(diào)室開(kāi)挖同步進(jìn)行。

地下廠房洞室開(kāi)挖總體施工程序?yàn)椋豪弥?/p>

表1　廠房洞室開(kāi)挖施工通道特性表

表2　廠房洞室開(kāi)挖施工通道功能說(shuō)明表

廠房排風(fēng)洞施工通道進(jìn)行主廠房、主變室、尾調(diào)室上部開(kāi)挖；利用廠房交通洞施工通道進(jìn)行三大洞室中部開(kāi)挖；利用壓力鋼管下平段施工通道首先進(jìn)行廠房排水廊道、灌漿廊道開(kāi)挖，同時(shí)進(jìn)行三大洞室中下部開(kāi)挖。實(shí)施每期開(kāi)挖、錨桿、錨索、掛網(wǎng)、噴射混凝土等施工工序，進(jìn)行平行流水作業(yè)。

單個(gè)洞室施工程序?yàn)椋合裙昂髩?，先幕后洞，先洞后墻。先拱后墻，即先開(kāi)挖頂拱，在頂拱部位加固與支護(hù)、不穩(wěn)定切割體治理完成后，再進(jìn)行下一臺(tái)階開(kāi)挖；先幕后洞，即完成底層施工期防滲帷幕灌漿后再進(jìn)行下部洞室開(kāi)挖；先洞后墻，即在附屬洞室與大洞室相通部位完成洞口鎖口和系統(tǒng)支護(hù)完成后再開(kāi)挖高邊墻，并在洞與洞、洞與井等交叉部位提前做好超前支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)工作。

4工期安排

結(jié)合雙江口水電站地下廠房高地應(yīng)力特點(diǎn)，經(jīng)分析確定地下廠房開(kāi)挖工期為30個(gè)月、尾調(diào)室開(kāi)挖工期為19個(gè)月、主變室開(kāi)挖工期為14個(gè)月、尾水隧洞開(kāi)挖工期為27個(gè)月。雙江口水電站地下廠房開(kāi)挖工期與國(guó)內(nèi)其他工程開(kāi)挖施工期比較見(jiàn)表3，主廠房各開(kāi)挖分期工期安排見(jiàn)表4。

5施工強(qiáng)度

為滿足截流后第6年年底發(fā)電的要求，廠房交通洞和排風(fēng)洞開(kāi)挖應(yīng)于截流當(dāng)年3月開(kāi)始施工，廠房頂拱開(kāi)挖應(yīng)于截流后第1年的3月開(kāi)始施工。

表3　雙江口水電站主廠房開(kāi)挖工期與國(guó)內(nèi)其他工程比較表

表4　主廠房各開(kāi)挖分期工期安排與國(guó)內(nèi)其他工程比較表

注：表中項(xiàng)目順序?yàn)椤捌俨紲?向家壩/雙江口”。

地下廠房系統(tǒng)三大洞室的上、中、下層均設(shè)置了施工通道，三大洞室各層施工主通道在時(shí)間上基本錯(cuò)開(kāi)使用。根據(jù)廠房洞室群結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用單工作面進(jìn)行地下廠房開(kāi)挖，主廠房開(kāi)挖工期為30個(gè)月。根據(jù)工程施工總進(jìn)度，按廠房各洞室群開(kāi)挖工期安排和開(kāi)挖施工程序要求，經(jīng)三維施工仿真分析，逐層編排進(jìn)度，截流當(dāng)年至截流后第4年，各年度開(kāi)挖量分別為4.66萬(wàn)m3、10.01萬(wàn)m3、41.23萬(wàn)m3、36.38萬(wàn)方、6.18萬(wàn)m3，最高年開(kāi)挖強(qiáng)度出現(xiàn)在截流后第二年，達(dá)41.2萬(wàn)m3；最高月強(qiáng)度出現(xiàn)在截流后第二年7、8月份，分別達(dá)到4.1萬(wàn)m3、4.3萬(wàn)m3。截流當(dāng)年，平均月開(kāi)挖強(qiáng)度4 600 m3；截流后第1年平均月開(kāi)挖強(qiáng)度位8 400 m3，截流后第2年月平均開(kāi)挖強(qiáng)度為3.43萬(wàn)m3，截流后第3年月平均開(kāi)挖強(qiáng)度為3.03萬(wàn)m3，截流后第4年月平均開(kāi)挖強(qiáng)度為5 200 m3。主廠房最高月開(kāi)挖強(qiáng)度為1.78萬(wàn)m3，出現(xiàn)在截流后第2年上半年；尾水洞最高月開(kāi)挖強(qiáng)度為2.77萬(wàn)m3，出現(xiàn)在截流后第3年；主變室最高月開(kāi)挖強(qiáng)度為1.1萬(wàn)m3。

6結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)雙江口水電站地下廠房開(kāi)挖進(jìn)行三維施工仿真分析，以較為緊湊的方式進(jìn)行施工布置，安排廠房開(kāi)挖施工進(jìn)度與強(qiáng)度，該研究成果對(duì)雙江口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)施工組織方案設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。通過(guò)分析，筆者認(rèn)為以下三方面需重點(diǎn)關(guān)注：

(1) 雖然引水發(fā)電系統(tǒng)施工不制約雙江口水電站首臺(tái)機(jī)發(fā)電工期，但其施工工期與大壩關(guān)鍵線路工期相差僅6個(gè)月，考慮到該地下廠房地應(yīng)力高、不確定因素多且可研階段考慮的首臺(tái)機(jī)安裝調(diào)試工期為12個(gè)月(同瀑布溝、三峽水電站最短機(jī)組安裝工期)，機(jī)組安裝工期較短等因素，對(duì)雙江口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)的施工進(jìn)度應(yīng)引起足夠重視。

(2) 鑒于雙江口水電站地下廠房巖體地應(yīng)力高達(dá)37.82 MPa，應(yīng)深入開(kāi)展高地應(yīng)力廠房圍巖穩(wěn)定與支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究，科學(xué)合理地確定地下廠房開(kāi)挖與支護(hù)參數(shù)，確保圍巖穩(wěn)定和工程安全。為此，經(jīng)主廠房排風(fēng)洞開(kāi)鑿廠房上導(dǎo)洞，提前埋設(shè)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，開(kāi)展主廠房洞室原位地應(yīng)力測(cè)試和相關(guān)試驗(yàn)研究工作具有非常重要的意義。

(3) 廠房排風(fēng)洞及交通洞應(yīng)在工程截流當(dāng)年年初開(kāi)工，且廠房上導(dǎo)洞宜緊隨排風(fēng)洞之后一次貫通并采用反井鉆機(jī)造孔，與廠房交通洞貫通，形成直徑1.4 m的通風(fēng)井，為廠房后續(xù)開(kāi)挖創(chuàng)造良好的通風(fēng)環(huán)境。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

彭旭初(1984-)，男，湖北麻城人，處長(zhǎng)助理，工程師，碩士，從事水電工程建設(shè)技術(shù)和管理工作.

作者簡(jiǎn)介:

文章編號(hào):1001-2184(2016)02-0076-05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7;TV22;TV554;TV52;TV51

收稿日期:2015-07-07