水電站大型地下廠房頂拱開挖施工技術(shù)

吳卉芬

摘 要：對大型地下廠房開挖技術(shù)、開挖方法及高邊墻變形檢測技術(shù)進行研究，對提升工程建設(shè)質(zhì)量與施工技術(shù)管理效率具有重要意義。本文以某工程作為研究對象，對該項目地下廠房頂拱層開挖技術(shù)問題進行研究，分析該廠房頂拱的受力特征，并運用“新奧法”概念針對廠房頂拱層不同圍巖狀況下開挖施工程序進行合理選擇，最終確定不同圍巖地質(zhì)條件下的開挖施工方法，具有重要的理論與實踐意義。

關(guān)鍵詞：水電站;地下廠房;頂拱;施工技術(shù)

中圖分類號：TV554文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2018）31-0070-03

Analysis of Construction Technology for Top Arch Excavation of

Large Underground Powerhouse of Hydropower Station

WU Huifen

（SINOHYDRO Bureau 12 Co.， Ltd，Hangzhou Zhejiang 310000）

Abstract： Research on large underground powerhouse excavation technology， excavation method and high side wall deformation detection technology is of great significance to improve the construction quality and construction technology management efficiency. This paper took a project as the research object， studies the excavation technology of the top arch of the underground powerhouse of the project， analyzed the stress characteristics of the top arch of the plant， and uses the concept of “new Austrian law” to target different surrounding rock conditions of the top arch of the plant and finally determined the excavation construction method under different surrounding rock geological conditions， which had? important theoretical and practical significance.

Keywords： hydroelectric power station;underground plant;top arch;construction technology

1 當(dāng)前大型地下廠房施工狀況分析

我國對于隧洞開挖方法的研究起步相對較晚，但研究速度較快。自20世紀(jì)60年代以來，在隧洞開挖實踐中，我國就開始推廣應(yīng)用噴錨支護新技術(shù)[1]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，至1981年底，我國應(yīng)用噴錨支護技術(shù)的地下工程和井巷，其長度累計已達(dá)7 500km[2]。魯布革水電站引水隧洞于20世紀(jì)80年代開始動工，在施工過程中，應(yīng)用了成套的地下工程開挖支護設(shè)備，鑿巖臺車、全斷面光面爆破和非電毫秒雷管等技術(shù)也在工程中得到使用，平均月進尺達(dá)231m，甚至打破了月進尺373.5m的最高紀(jì)錄[3]。此外，二灘水電站、小浪底水電站、廣州抽水蓄能電站也都采用了鉆孔、裝載運輸設(shè)備等現(xiàn)代化技術(shù)，使得我國地下工程施工效率與質(zhì)量得到大幅提升。

廣蓄一期工程地下廠房施工項目，在施工中遵循了“平面多工序、立體多層次”的施工原則，取得了良好的施工效果。該地下廠房整體施工方案為分層開挖，頂拱部分采用鑿巖臺車進行鉆孔，先掘進中導(dǎo)洞，同時在兩邊采用擴大開挖方式進行跟進;利用潛孔鉆開挖中部2～6層，對于大孔徑梯段則選用爆破開挖方法。上部施工過程中，還進行了廠房下層開挖，從引水支洞和尾水管進入，這樣就能實現(xiàn)立體交叉施工，極大地加快了施工進度。

通過總結(jié)龍灘、小浪底等水電站的施工經(jīng)驗，并經(jīng)綜合分析，本文針對地下廠房施工技術(shù)，如分層開挖、頂拱和巖錨梁開挖等技術(shù)進一步實施創(chuàng)新，提出了一系列廠房頂拱和下部開挖建議。溪洛渡右岸地下廠房整體施工難度較大，通過結(jié)合實際情況，分析應(yīng)力波理論與開挖爆破損傷范圍，提出了“特大型地下洞室優(yōu)化開挖程序”，采用這種經(jīng)過優(yōu)化的開挖程序，效益非常顯著，開挖大跨度地下洞室時，不再設(shè)置邊墻保護層，采用直墻深孔預(yù)裂爆破技術(shù)進行輪廓控制;爆破后，在巖體與洞室邊墻之間，會產(chǎn)生一條裂縫，能夠有效降低爆破振動影響，洞室邊墻損傷也會降到最低。

2 大型地下廠房施工中頂拱層開挖施工技術(shù)

2.1 頂拱受力特征

在大型地下廠房洞室開挖施工過程中，因巖體自身存在結(jié)構(gòu)面，開挖后，洞室應(yīng)力也會重新進行分布，再加上爆破時會產(chǎn)生振動影響，所以可能會導(dǎo)致洞室頂部特定范圍內(nèi)巖石松動，形成一個破壞圈。巖石松動圈在與巖體產(chǎn)生分離后，在一定條件下會向洞室內(nèi)進行移動，而巖石內(nèi)聚力會阻止其移動，如果阻止不了，坑道頂部就可能發(fā)生塌方。因此，要對松動圈內(nèi)巖石進行加固，引導(dǎo)自然拱內(nèi)邊界進行移動，最終移向隧洞輪廓線。

分析上述理論可知，隧洞頂部巖石承重拱受到四個因素影響，即巖石地質(zhì)條件、洞室上部輪廓形狀、洞室跨度及圍巖加固手段。在洞室處于完整堅硬巖石的條件下，跨度相對較小的高拱隧洞最有可能形成巖石拱;跨度大、頂拱平緩的隧洞，則不易形成承重巖石拱。

加固圍巖的主要目的是提高巖體承重能力。因此，在進行加固的時候，其范圍必須要大于爆破松動圈，并延伸到未受爆破影響的巖體中，從而使其更好地承重建筑材料與巖石質(zhì)量。在“新奧法”中，可通過錨桿支護和噴射混凝土技術(shù)，使圍巖形成一個整體，并增強某些巖塊和巖層的堅固性，最終形成“錨桿—巖石”承重拱。要達(dá)到這一目的，必須要保證錨桿長度大于塌落拱高度。因此在廠房頂拱開挖施工過程中，要采取相關(guān)措施減少爆破松動圈范圍。

2.2 地下廠房頂拱層開挖主要方式

鑒于地下廠房頂拱層通常都具有開挖跨度大的特點，且開挖質(zhì)量要求也比較高，如噴錨支護和監(jiān)測儀器埋設(shè)工程直接影響地下廠房開挖施工質(zhì)量，所以必須要結(jié)合實際情況選擇合適的開挖方式。在開挖后，地下廠房頂拱層有兩個地方比較薄弱，即拱座與拱冠部位。根據(jù)這個問題，開挖大型地下廠房頂拱層，必須要選擇分步開挖方式。分布開挖有兩種方式，即中導(dǎo)洞法和側(cè)導(dǎo)洞法。中導(dǎo)洞法就是先開挖中部，減小開挖跨度減小，完成支護施工后，再按照順序開挖兩側(cè)拱腳，從而確保拱冠部位穩(wěn)定，該方法比較適用于厚層巖體開挖;側(cè)導(dǎo)洞法則是按照順序先對兩側(cè)拱腳進行開挖，開挖后及時進行支護，然后再結(jié)合露出圍巖地質(zhì)情況，來預(yù)加固上覆圍巖，最后將中間巖柱挖出，這種方式在薄層、互層巖體中比較適用，切實用于單軸抗壓強度為30～80MPa的巖體中。部分地下廠房頂拱開挖結(jié)束時，頂拱實測最大位移如表1所示。

采用側(cè)導(dǎo)洞法施工主要存在三個問題：第一，開挖兩側(cè)導(dǎo)洞后，中間巖柱會出現(xiàn)應(yīng)力過于集中的情況，不僅對支撐圍巖起不到應(yīng)有作用，而且還會在爆破中間巖柱時，導(dǎo)致頂拱發(fā)生變形，如東風(fēng)電站試驗中出現(xiàn)此種情況，頂拱下沉達(dá)到3.52cm;第二，兩側(cè)導(dǎo)洞施工會受到中間巖柱干擾，但可通過在中間巖柱內(nèi)增加聯(lián)系洞解決;第三，開挖雙側(cè)導(dǎo)洞后并進行中部擴挖時，小三角體造孔難度比較大，容易形成頂部超欠挖情況，對光面爆破質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

經(jīng)過以上對比分析可知，當(dāng)開挖地下廠房頂拱層時，拱冠部位是最危險的部位，在施工過程中，要采取針對性措施確保拱頂部位穩(wěn)定，當(dāng)拱頂暴露后，要利用支護進行保護;當(dāng)采用中導(dǎo)洞法開挖頂拱時，頂拱相對平緩，不能在淺處形成承重巖石拱，影響了頂拱中部巖石豎向荷載，無法盡快通過拱傳于拱座，因此施工中必須提前對拱座進行加固。同時，采用側(cè)導(dǎo)洞法時巖柱發(fā)生應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致后續(xù)開挖施工中頂拱發(fā)生明顯位移變形。

本著提高施工效率的目的，中導(dǎo)洞法的效益要相對顯著，因為其能充分發(fā)揮大型機械的作用。中導(dǎo)洞開挖后，在兩側(cè)進行擴挖跟進，使兩個層面作業(yè)有機銜接起來。另外，頂拱層兩側(cè)擴挖后，應(yīng)采用支護方式對兩側(cè)拱腳進行加固，既可以保證頂拱整體穩(wěn)定，又不會影響施工質(zhì)量。

3 官地水電站右岸地下廠房頂拱層開挖方法

3.1 工程概況

四川省雅礱江官地水電站地下廠房最大開挖尺寸為243.44m×31.10m×76.30m，主廠房分主機間、副廠房和安裝間三部分。主機間總高度為76.3m，長159.52m;巖壁吊車梁以上跨度為31.1m，巖壁吊車梁以下跨度為29.0m。副廠房位于主機間左端，長度為17.01m。安裝間位于主機間右端，長度為66.91m，副廠房與安裝間同主機間跨度相同。

該地下廠房具有跨度大、頂拱形態(tài)平順的特點，并具有典型的陡傾角、錯動帶、緩傾角巖層及裂隙發(fā)育特征，經(jīng)過勘測還存在不穩(wěn)定塊體。因此，在開挖施工過程中，可能會遇到巖爆和承壓水等問題。

3.2 頂拱層開挖

該電站廠房頂拱層采用先中導(dǎo)洞、后兩側(cè)擴挖的方式進行施工，且將第1層中導(dǎo)洞頂拱系統(tǒng)支護全部完成后再進行兩側(cè)擴挖。中導(dǎo)洞開挖尺寸為8m×10m，兩側(cè)邊頂拱擴挖寬度均為11.55m，擴挖工作面錯距不小于20m。

先期開挖的中導(dǎo)洞采用三臂鑿巖臺車鉆孔、全斷面非電毫秒微差爆破。為了保證圍巖穩(wěn)定、減小爆破錯臺，兩側(cè)邊頂拱開挖采用手風(fēng)鉆鉆孔、毫秒微差爆破以及開挖邊線光面爆破，巖體殘渣采用3m3側(cè)翻裝載機和1.6m3反鏟配合20t自卸汽車出渣。

3.3 側(cè)向錨桿施工技術(shù)

根據(jù)官方數(shù)據(jù)，官地地下廠房頂拱廠橫（0+172）～（0+152）m、（0+115）～（0+065）m、（0+060）～（0+030）m、（0+050）～（0+080）m段為角礫集塊熔巖。該段存在錯動帶，且節(jié)理發(fā)育非常多，這使得頂拱至拱肩部位存在不利組合因素，如果不加以處理，將會危及廠房頂拱穩(wěn)定性，而且會給開挖施工帶來安全隱患，在工期有限、施工難度大的情況下，需要選擇合適施工技術(shù)。鑒于廠橫0m+190m～0m+160m上游側(cè)已存在裂縫，垮塌的可能性比較大，因而要進行超前支護，同時還要對圍巖采取預(yù)約束力進行保護，以避免發(fā)生巖爆。

本工程選擇的施工方法為側(cè)向超前錨桿支護方式，這樣可以保證圍巖穩(wěn)定及施工安全。根據(jù)地下廠房中導(dǎo)洞開挖后的情況，對揭露的巖石進行分析，不良地質(zhì)段頂拱選擇兩側(cè)擴挖，在施工前要在靠中導(dǎo)洞一側(cè)設(shè)置超前錨桿，使其垂直于節(jié)理和裂隙。錨固完成后，再進行開挖施工。超前錨桿設(shè)置如圖1、圖2所示。

側(cè)向超前錨桿采用早強砂漿錨桿，長度為9.0m，采用三臂臺車鉆孔，可有效約束不良地質(zhì)段頂拱圍巖，提高其穩(wěn)定性，順利完成擴挖目標(biāo)。

3.4 頂拱成型后監(jiān)測數(shù)據(jù)成果

該工程地下廠房在1 228m高程以上頂拱與拱座共布置8個監(jiān)測斷面，共42套監(jiān)測儀器主廠房頂拱層開挖過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，擴挖期間各監(jiān)測儀器中孔口累計位移最大為7.37mm。在實際開挖支護中，不良地質(zhì)段圍巖穩(wěn)定性較好，說明側(cè)向超前錨桿作用顯著。

4 結(jié)語

在水利水電工程建設(shè)過程中，提升大型地下廠房頂拱層開挖質(zhì)量具有重要意義，并直接影響整個工程施工質(zhì)量和安全。在具體施工實踐中，要采用合適的技術(shù)，保證圍巖穩(wěn)定。同時，還要采取有效措施，對圍巖塑性區(qū)范圍進行有效控制，因地制宜選取合理的開挖方式和開挖程序，通過動態(tài)管理方法對施工過程實施監(jiān)督，最終快速、高效地實現(xiàn)施工目標(biāo)。

參考文獻：

[1]劉金安.云貴橋水電站地下廠房勘察及施工地質(zhì)分析[J].低碳世界，2018（10）：40-41.

[2]黃榮干.水電站特大型地下廠房洞室群開挖質(zhì)量控制研究[J].居舍，2018（25）：217-218.

[3]李輝，盛登強.金橋水電站地下廠房立體開挖施工技術(shù)探討[J].水力發(fā)電，2018（8）：50-52.