某水電站地下廠房開挖支護(hù)設(shè)計(jì)

楊 曼，陳 琰，向賢鏡，陳小東

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分院，四川 成都 610091）

1 概述

該水電站系水洛河干流（額斯～捷可）水電規(guī)劃“一庫十一級”的第六個(gè)梯級。該水電站采用引水式開發(fā)，工程樞紐由擋泄水建筑物+右岸長引水系統(tǒng)+右岸地下廠房組成，為三等中型工程。地下廠房位于右岸山體內(nèi)，內(nèi)設(shè)3臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量138 MW，單機(jī)為46 MW。

地下廠房洞室群主要包括：主副廠房、主變洞、母線洞、尾水洞等建筑物。該工程主副廠房與主變洞平行布置。主副廠房總長79.8 m，其中主機(jī)間長44.8 m，安裝間長19.8 m，副廠房長15.2 m。主副廠房斷面為弧拱直墻型，主廠房巖壁吊車梁以上開挖跨度19.8，以下18.4 m；主機(jī)間最大高度41.8 m。安裝間跨度與主機(jī)間相同，最大高度30.5 m；副廠房跨度13.6 m，高度30 m，集水井位置副廠房最大高度為47.3 m。

主變洞尺寸50.1 m×13.6 m×27.8 m（長×寬×高）。主副廠房與主變洞之間巖柱厚25 m，最小巖柱厚度22.8 m。

主機(jī)間與主變洞之間設(shè)三條母線洞，母線洞寬5.3 m，高5.5 m，母線洞底高程與發(fā)電機(jī)出線層同高為2 164.80 m。相鄰母線洞之間巖柱厚6.5 m。

尾水洞布置于母線洞下方，尾水洞按有壓洞設(shè)計(jì)，每臺機(jī)組設(shè)一條尾水洞，洞斷面為城門洞型，寬5.2 m，高7 m，共三條。三條尾水隧洞平行布置，中心線距離為13.5 m，長度為165.0 m。相鄰尾水洞之間巖柱平均厚7 m。尾水洞與母線洞之間巖石厚度最薄處為3.3 m。

2 地質(zhì)條件及洞室概況

地下廠房巖層單斜，似層面產(chǎn)狀N47°～55°W，NE∠59°～66°，巖層走向與洞軸線方向交角42°～50°。未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的斷層。另外平硐底部揭露的 4條夾層（J1～J4），產(chǎn)狀 N46°～49°W，NE∠54°～66°，一般寬2～8 cm，最大達(dá)20 cm，平直稍粗，物質(zhì)成份為灰色母巖碎塊碎片（約占55%）、白色石英脈（約占40%）及少量泥（約占5%）。按似層面推測延伸至主廠房中部、北端和主變洞的中部、南端。

主廠房洞室頂部巖體覆蓋厚100～170 m，外側(cè)水平巖體覆蓋厚95～140 m。主變洞頂部巖體覆蓋厚60～100 m，外側(cè)水平巖體覆蓋厚65～92 m，該地下廠房洞室群布置空間交錯(cuò)，巖體覆蓋較薄。主廠房與主變洞圍巖以T1l1似厚層夾少量似薄層玄武巖為主，巖石完整性較好，但夾層膠結(jié)差。影響地下廠房洞室圍巖局部穩(wěn)定的主要因素為結(jié)構(gòu)面的組合與夾層的影響。尤以有J1～J4夾層分布的副廠房洞段頂拱更為明顯。地下水活動狀態(tài)為潮濕、滲水及局部線狀流水，據(jù)PD5號平硐揭露主要有6處沿裂隙集中出水點(diǎn)，所以施工期和運(yùn)行期需采取有效的排水措施。

3 地下廠房洞室群開挖

3.1 開挖設(shè)計(jì)原則

1）主廠房跨度較大，頂拱成型好壞，直接關(guān)系廠房圍巖的穩(wěn)定和運(yùn)行的安全。根據(jù)圍巖情況，應(yīng)選擇最優(yōu)循環(huán)進(jìn)尺和鉆爆方案，避免使圍巖出現(xiàn)不利的應(yīng)力狀態(tài)和承載條件。

2）與主廠房、副廠房交叉的各施工支洞、進(jìn)廠交通洞、壓力管道和通風(fēng)洞等所有交叉口，應(yīng)在主、副廠房開挖前開挖完并做好錨噴支護(hù)，并對叉洞口周圍的巖體采取必要的加固處理措施。

3）巖錨吊車梁巖臺開挖是地下廠房開挖施工中難度最大、質(zhì)量要求最高的項(xiàng)目，且?guī)r臺成型好壞直接影響到廠房吊車的安全運(yùn)行。為保證巖錨吊車梁巖臺的開挖質(zhì)量，必須通過現(xiàn)場爆破試驗(yàn)確定有關(guān)爆破參數(shù)和具體實(shí)施方案。

4）錨噴支護(hù)必須緊跟開挖工作面。

3.2 開挖設(shè)計(jì)方案

主、副廠房洞室開挖可利用的施工線路有：廠區(qū)3號施工支洞、進(jìn)廠交通洞、壓力管道及尾水隧洞。通過建立分步開挖的有限元模型來模擬現(xiàn)場實(shí)際施工情況，以洞室各層開挖過程中圍巖產(chǎn)生的增量位移、噴層的應(yīng)力及錨桿應(yīng)力等資料，正確指導(dǎo)地下洞室的掘進(jìn)和噴錨支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工。根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，按施工組織設(shè)計(jì)要求，擬定了地下廠房洞室群開挖分層方案。

該地下廠房洞室群開挖分層見圖1。開挖順序示意圖見表1。

圖1 地下廠房洞室群施工開挖分層示意

主副廠房分6步開挖。

第一步：主副廠房從高程2 193.8 m頂拱開挖至高程2 188 m處。

第二步：主副廠房從高程2 188 m開挖至高程2 179.5 m處，高程2 193.8 m至高程2 188 m高程以上已完成錨噴支護(hù)。主變洞從高程2 198.60 m開挖至2 190.6 m處。

第三步：主副廠房從高程2 179.5 m開挖至高程2 171.5 m處，2 179.5 m高程以上已完成錨噴支護(hù)，且高程2 183.8 m處巖壁吊車梁混凝土已澆筑完畢。主變洞從高程2 190.6 m開挖至2 182.6 m處，并已完成2 190.6 m高程以上的錨噴支護(hù)。

第四步：主副廠房從高程2 171.5 m開挖至高程2 163.5 m處，2 171.5 m高程以上已完成錨噴支護(hù)。同期主變洞開挖已全部完成（至底板2 171.6 m處），主變洞2 182.6 m高程以上已完成錨噴支護(hù)。2號、1號、3號（或1號、3號、2號）母線洞已陸續(xù)全部開挖、支護(hù)完成。

第五步：主副廠房從高程2 163.5 m開挖至高程2 157.3 m處（2 157.3 m高程以下部分已通過尾水洞開挖完成），高程2 163.5 m以上已完成錨噴支護(hù)。同期主變洞錨噴支護(hù)全部完成。

表1 地下廠房洞群開挖方案

4 地下廠房洞室群支護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 支護(hù)設(shè)計(jì)原則

1）該工程主要采用數(shù)值模擬方法及已建工程經(jīng)驗(yàn)類比法。

2）開挖施工過程中，充分發(fā)揮圍巖本身的自承能力，以系統(tǒng)噴錨支護(hù)為主，局部加強(qiáng)支護(hù)為輔，并與隨機(jī)支護(hù)相結(jié)合。

3）支護(hù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露的實(shí)際地質(zhì)情況和圍巖監(jiān)測及反饋成果，進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)。

4.2 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)工程類比法和塊體理論得出的圍巖系統(tǒng)支護(hù)措施，該水電站地下廠房和主變洞的系統(tǒng)錨桿長度為6.0 m/9.0 m間隔布置，系統(tǒng)錨桿間排距為1.5 m×1.5 m。頂拱和斷層破碎帶需采用掛網(wǎng)噴混凝土，其余部位可噴鋼纖維混凝土或素混凝土。錨桿桿材取直徑28 mm的HRB400鋼筋。

4.3 加強(qiáng)支護(hù)區(qū)域

除了系統(tǒng)支護(hù)外，還需對特殊部位進(jìn)行加強(qiáng)處理，對洞室交岔部位，除增加鎖口錨桿外，在交岔處采用鋼筋混凝土鎖口襯砌；為改善母線洞運(yùn)行條件，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌；對斷層和節(jié)理密集帶，除將系統(tǒng)錨桿加長外，另設(shè)加強(qiáng)錨桿和錨筋樁；對不穩(wěn)定塊體采用隨機(jī)加強(qiáng)錨桿、錨索予以加固。

從圍巖塑性區(qū)分布結(jié)果看，洞室第1層開挖，頂拱局部出現(xiàn)塑性區(qū)，隨著洞室向下部開挖，頂拱的塑性區(qū)擴(kuò)展的范圍和向圍巖深部延伸的深度很小；洞室高邊墻圍巖塑性區(qū)隨著洞室下部開挖，擴(kuò)展的范圍和向圍巖深部延伸的深度也逐步增加，到開挖結(jié)束即第5期開挖結(jié)束后，地下廠房上游邊墻塑性區(qū)在圍巖中最大延伸深度8.4 m，頂拱為3.5 m；主變洞下游邊墻局部（上部）出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性區(qū)在圍巖中最大延伸深度8.0 m，頂拱為3.4 m，地下廠房與主變洞之間的隔墻被塑性區(qū)貫穿。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要原因是隔墻兩側(cè)上下游臨空的直邊墻較高。

除地下廠房與主變洞之間的隔墻外，系統(tǒng)錨桿的長度基本超過70%的塑性區(qū)深度，頂拱的系統(tǒng)錨桿均超過塑性區(qū)深度，并且有較大的富裕度。從這點(diǎn)看，在地下廠房與主變洞之間的巖墻上，適當(dāng)增強(qiáng)支護(hù)措施是有必要的，該工程分別在2 184.5 m和2 176.00 m高程，增加了兩排1 500 kN的預(yù)應(yīng)力對穿錨索。

5 地下洞室群開挖支護(hù)過程圍巖穩(wěn)定分析

從圍巖變形結(jié)果看，地下廠房洞室第1層開挖，頂拱圍巖向洞內(nèi)最大豎向變形為11.0 mm，隨著洞室向下部開挖，頂拱圍巖向洞內(nèi)變形逐漸增加；主變洞第1層開挖，頂拱圍巖向洞內(nèi)最大豎向變形為8.0 mm。隨著洞室向下部開挖，邊墻和頂拱圍巖向洞內(nèi)的變形也隨之逐漸增大，其中第4期開挖，圍巖變形幅度最大，約為全部變形的30%～55%；兩大洞室開挖結(jié)束后，地下廠房洞室的上游邊墻、頂拱、下游邊墻向洞內(nèi)水平變形（或垂直變形）分別為27.0 mm、24.0 mm、36.0 mm；主變洞的上游邊墻、頂拱、下游邊墻向洞內(nèi)水平變形（或垂直變形）分別為20.0 mm、16.2 mm、24.0 mm。分期開挖洞周最大水平變形（或垂直變形）統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 圍巖變形與分期開挖統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)語

為了降低巖墻在洞室開挖過程中的卸荷損傷程度，提高安全富裕度，主廠洞與主變洞之間巖墻增加1 500 kN的預(yù)應(yīng)力錨索是很有必要的，對穿錨索施工后，主廠洞與主變洞之間巖體變形監(jiān)測值，趨于穩(wěn)定并在圍巖變形限制范圍內(nèi)。其余部位設(shè)置多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿測力計(jì)及錨索測力計(jì)等監(jiān)測設(shè)備，從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，該水電站地下廠房洞室群開挖施工方式及圍巖系統(tǒng)支護(hù)措施是合理的，在系統(tǒng)支護(hù)及加強(qiáng)支護(hù)聯(lián)合作用下，地下廠房洞室群圍巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］嚴(yán)軍，肖培偉，孫繼林瀑布溝水電站地下廠房開挖施工綜述［J］.水力發(fā)電，2010，36（6）.

［2］劉一，魏映瑜.大崗山水電站地下廠房洞室群開挖支護(hù)設(shè)計(jì)［J］.人民長江，2012，43（22）.