復雜地質條件下大型地下廠房系統(tǒng)施工

邢 磊，史永方，吳書艷

(江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽213334)

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站地下廠房系統(tǒng)由主廠房、主變洞、母線洞、高壓電纜平洞及電纜豎井、進廠交通洞、施工支洞兼排風洞、排水廊道、排風豎井等洞室組成。地下廠房由主機間、安裝間和副廠房3部分組成，開挖斷面219.90 m×23.5 m×55.3 m(長×寬×高)，巖壁吊車梁以上開挖跨度25.00 m，以下為23.50 m，拱頂巖體厚240～290 m，屬大型地下廠房。主變洞開挖尺寸193.16 m×19.7 m×22.0 m(長×寬×高)，拱頂巖體厚220～270 m，主變室地面高程與安裝間相同。母線洞共6條，城門洞形斷面，開挖尺寸8.7 m×9.6 m(寬×高)，靠近主廠房10.0 m范圍母線洞的開挖尺寸7.2 m×6.0 m(寬×高)。

地下廠房系統(tǒng)埋深200～300 m，基巖巖性均為志留系茅山組下段中厚～巨厚層石英砂巖夾少量泥質粉砂巖，巖性堅硬，多數(shù)呈中厚～巨厚層狀，局部出露少量斷層或巖脈，廠房頂拱受F54、F57等較大斷層的影響。受斷層及層間錯動帶分布及節(jié)理裂隙發(fā)育程度等影響，圍巖大部分位于弱風化帶內，巖體多屬鑲嵌結構或鑲嵌碎裂結構。圍巖分類占比：Ⅲ1類約占10%、Ⅲ2類約占30%、Ⅳ1類約占35%、Ⅳ2類約占20%、Ⅴ類約占5%。廠區(qū)地下水豐富，部分結構面，尤其是斷層為強透水帶，地下洞室涌水量約4 000～5 000 m3/d。

2 施工重點及難點

(1)主廠房、主變洞開挖跨度大，圍巖相對較差，IV類圍巖占45%，頂拱開挖安全是本工程的重點，也是難點。洞室圍巖條件相對較差，系統(tǒng)支護工程量大，設計不僅布置了錨噴支護，還在主廠房、主變洞頂拱、側墻設置了對穿錨索和端頭錨，以及預應力錨桿、超前小導管、管棚等臨時支護。支護是制約工程進度的關鍵。此外，主廠房開挖高差較大，開挖高邊坡安全穩(wěn)定問題是本工程的又一個重點。

(2)巖錨梁開挖成型質量和爆破后巖體完整性直接影響到橋機運行安全。因此，如何開挖巖錨梁，確保巖錨梁開挖質量是地下廠房施工的重中之重。

(3)母線洞開挖既要確保廠房巖壁安全及巖錨梁質量要求，又要盡量減少占壓廠房開挖直線工期。如何合理安排開挖時機是本工程的重點。

(4)地下洞室群相互關系復雜，施工通道錯綜復雜，交通管理及交通安全是施工控制的難點；廠房系統(tǒng)洞室群隧洞交錯復雜，確保洞室交叉處圍巖穩(wěn)定，是施工中的重點。

(5)F54斷層是影響廠房的最大斷層，其規(guī)模和影響區(qū)域較大，在主廠房、主變洞、母線洞等地下洞室均有出露。F54斷層由斷層泥夾角礫巖組成，強滲水，破碎及影響帶寬度有一定變化，總寬度3.7～12.2 m。F54斷層及影響帶對廠房頂拱、邊墻等部位的安全穩(wěn)定影響較大，必須采取相應的處理措施，以確保圍巖穩(wěn)定。

3 主要應對措施

(1)針對廠房、主變室頂拱跨度大及圍巖地質情況較復雜這一施工難點，主要采取下列措施：①在廠房、主變室開挖中，相應高程的排水廊道提前施工完成，達到降低地下水位、提高圍巖類別、減少施工中涌水量的目的。②根據(jù)籌建期在PD5探硐進行預固結灌漿試驗，初步確定廠房頂拱層預固結灌漿參數(shù)，并根據(jù)排水廊道開挖揭露的地質情況進一步優(yōu)化參數(shù)，對廠房頂拱10 m范圍進行預固結灌漿。③采取超前探孔、超前探硐和地質雷達進行超前地質預報；同時，利用廠房排水廊道開挖揭露的地質情況，推測廠房頂拱的地質情況；在廠房頂拱上游導洞施工過程中，在推斷進入F54斷層影響帶前5 m，先開挖斷面2 m×3 m、長40 m的探硐，完全查明F54斷層的走向、斷層及影響帶的寬度。④頂拱層開挖采用兩側導洞開挖先行，中間預留巖柱開挖跟進的施工方案，根據(jù)導洞揭露的地質情況，及時進行必要的超前支護或臨時支護；中墩完成擴挖、系統(tǒng)錨桿、鋼筋拱肋、噴鋼纖維混凝土施工后，滯后掌子面10 m必須及時完成中部對穿錨索張拉，并及時跟進兩側端錨及拱腳預應力錨桿施工。⑤系統(tǒng)支護隨開挖斷面及時跟進，防止頂拱產生大的變形。⑥嚴格控制單響藥量，控制質點震動速度在規(guī)定范圍內。⑦頂拱層支護相應部位沒完成前，禁止開挖下層。

(2)針對廠房、主變室直立邊墻安全穩(wěn)定問題，采用以下措施：①除主廠房第Ⅱ、Ⅲ層，主變洞Ⅱ、Ⅲ層開挖均采取中間拉槽，兩側預留保護層擴挖跟進的方式；中間拉槽梯段爆破開挖前，先沿預留保護層邊線進行預裂爆破施工，以減少爆破對預留巖體造成震動破壞；預留保護層開挖采用設計輪廓線光面爆破的控制爆破技術；主廠房第Ⅳ層及以下采用邊墻一次預裂到位的施工方法。②對在主廠房上下游邊墻上開孔的引水隧洞支洞、母線洞及尾水支洞等的開挖，采取“先洞后墻”的開挖順序，在主廠房邊墻開挖前先形成洞室，確保高邊墻的穩(wěn)定，同時達到先期排水、降低地下水位的作用。③廠房和主變洞與-27.00 m高程灌漿排水廊道之間布置的對穿錨索孔的施工，在相應的邊墻開挖后及時進行，確保其對邊墻穩(wěn)定的保護作用。④為避免母線洞開挖占用廠房直線工期，提前利用主變聯(lián)系洞在主變洞內布置臨時施工支洞進入母線洞開挖掌子面，進行母線洞開挖。⑤為確保地下廠房高邊墻的穩(wěn)定，在開挖廠房第Ⅵ、Ⅶ層之前，對開挖邊墻進行預固結灌漿；對廠房下游邊墻F54斷層影響帶進行混凝土置換。⑥主廠房機坑之間巖埂保留對廠房邊墻的穩(wěn)定十分有利，在廠房第Ⅶ層開挖前，先對機坑之間的巖埂進行固結灌漿。⑦地下廠房Ⅳ、Ⅴ類圍巖部位的網(wǎng)架吊頂牛腿和巖壁吊車梁下部，均增設附壁墻，附壁墻一直伸至發(fā)電機層高程，后期與發(fā)電機層上下游邊墻連接形成一個整體墻，附壁墻既可作為網(wǎng)架吊頂牛腿和巖壁吊車梁的支撐結構，又可作為約束邊墻變形的支護手段。

(3)針對巖錨梁開挖成型難的問題，主要采取以下措施：①為使在巖錨梁開挖施工前取得合理的爆破參數(shù)及優(yōu)選出合理的開挖施工方法，進行了3次巖錨梁爆破試驗。②在巖錨梁層上下游邊墻預留3.5 m厚的保護層，中間梯段開挖前先沿保護層邊線進行預裂施工，保護層開挖分2序，第1序采用液壓鉆造垂直孔和三臂液壓鉆機水平造孔，邊墻預裂；第2序采用風鉆鉆孔，雙面光爆，同時嚴格控制單響藥量，確保質點震動速度在控制范圍之內。③距離巖錨梁下拐點10 cm處增設1排鎖口錨桿(φ25、1 500@1 000)，在巖臺下拐點開口位置靠下布置1道槽鋼進行加固，槽鋼與加固錨桿焊接牢固，以加強下拐點保護，防止巖臺開挖撕壞下拐點。④本工程地質條件復雜，巖石結構破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，為能進一步加強斜向巖臺的保護，在斜向巖臺開挖前，根據(jù)節(jié)理、裂隙發(fā)育走向，采用玻璃纖維錨桿對斜向巖臺進行預加固。

(4)針對廠房系統(tǒng)洞室群隧洞交錯復雜，為確保洞室交叉處圍巖穩(wěn)定，采用以下措施：①引水隧洞岔洞、母線洞及尾水擴散段的開挖，采取間隔開挖的措施，確保巖壁穩(wěn)定。②對各洞室交叉口1.5倍洞徑范圍，開挖后及時加強支護或進行混凝土襯砌鎖口，在廠房等大洞室高邊墻上開洞口時，先采用鎖口錨桿對邊墻進行超前錨固，必要時進行超前預注漿。③針對揭露斷層、巖石結構破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育的部位，采取預固結灌漿進行先期加固。

(5)針對廠房系統(tǒng)地下水豐富，降低地下水確保施工安全問題，采用以下措施：①建立工程區(qū)地下水位監(jiān)測網(wǎng)，并對輸水發(fā)電系統(tǒng)的地下水三維滲流場進行分析研究，掌握了地下水的動態(tài)特征。②在廠房、主變室開挖前，相應高程的排水廊道提前施工完成，達到降低地下水位的目的。③充分利用掌子面各類鉆孔排水，包括超前勘探孔、管棚孔、小導管孔等；對掌子面的明顯出水點，則布置隨機排水孔；對已支護洞段新出現(xiàn)的出水點繼續(xù)布置隨機排水孔排水，以減輕掌子面的降水壓力。④當遇到較大涌水且持續(xù)時間較長時，采用深井降水方案。在掌子面底板采用D50鉆機鉆設2～4個直徑195 mm、深20～40 m深井，采用潛水泵進行抽排。

(6)在地下廠房系統(tǒng)開挖過程中，加強圍巖安全監(jiān)測，建立安全預報制度。開挖過程中，根據(jù)開挖部位和地質條件，及時設置安全監(jiān)測點和圍巖收斂監(jiān)測斷面，對圍巖進行安全監(jiān)測，以便調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。

4 施工總結

溧陽抽水蓄能電站地下廠房系統(tǒng)圍巖地質條件

差，且地下水豐富，開挖后洞室自身穩(wěn)定性差，確保地下洞室圍巖安全穩(wěn)定是開挖支護的難點。結合現(xiàn)場施工取得的經驗與教訓，地下廠房系統(tǒng)開挖支護施工所遵循的原則為“超前地質預報、超前排水、超前支護、先邊后中、先軟后硬、先洞后墻、薄層開挖、隨層支護、加強觀測”。

(1)采取超前探孔、超前探硐和地質雷達進行超前地質預報；對埋深較淺的洞段，在地表測放出洞軸線，提前調查沿線地表覆蓋層、沖溝的性狀及水系分布，對照地勘資料分析前方圍巖的地質構造，也是地質預報的方法之一。

(2)在地下廠房系統(tǒng)開挖前，相應高程的排水廊道提前施工完成，達到提前降低地下水位的目的；同時，充分利用掌子面各類鉆孔排水，包括超前勘探孔、小導管孔等；在前期，施工支洞和排水廊道部位采用深井降水方案。

(3)主廠房、主變洞等大型洞室頂拱開挖嚴格遵循“上下游邊導洞先行，中墩跟進”的原則；在開挖過程中，始終堅持“先軟后硬，及時支護，開挖面領先掌子面不超過3個循環(huán)進尺” 的原則；遇到引水支管、母線洞、尾水支洞等交叉部位，先進行小洞室開挖，再進行邊墻開挖，同時做好鎖口施工；主廠房高55 m，開挖共分8層，做到開挖1層支護1層，再進行下層開挖。

(4)施工開挖期間，加強對洞室圍巖完整性和穩(wěn)定性的關注，在空間和時間上合理有序地安排施工。從觀測結果來看， 地下廠房系統(tǒng)的觀測布置較為合理，起到了險情預報、指導施工、評價與修改支護參數(shù)的作用，達到了對整個地下廠房系統(tǒng)全面監(jiān)控的目的，保證了工程的總體安全。

5 結 語

在溧陽抽水蓄能電站地下廠房系統(tǒng)施工中，遇到了許多復雜的施工難題，參建各方集思廣益，同心協(xié)力，攻克了一個又一個難關，整個地下系統(tǒng)施工中未發(fā)生一起較大規(guī)模的塌方事故，從而有效地保證了施工安全、質量、進度。