長(zhǎng)河壩水電站地下廠房開挖施工技術(shù)實(shí)踐

于 兵

(中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650041)

0 前 言

近年來，我國(guó)水電站建設(shè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，地下廠房開挖技術(shù)也日趨成熟，水電工程所采用的技術(shù)也因工程而異。本文論述了長(zhǎng)河壩水電站地下廠房開挖施工技術(shù)，該電站地下廠房工程具有工程規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜、質(zhì)量要求高、施工干擾大等特點(diǎn)，通過精心組織、科學(xué)管理，采用“平面多工序、立體多層次”的施工方法，確保了工期及質(zhì)量。

長(zhǎng)河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為大渡河干流水電梯級(jí)開發(fā)的第10級(jí)電站。電站總裝機(jī)容量2 600 MW，水庫正常蓄水位1 690 m，具有季調(diào)節(jié)能力。樞紐建筑物由攔河大壩、泄水系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)組成。

地下廠房布置在大渡河左岸，主、副廠房按“一”字型布置，縱軸線方位N82°W，安裝間和副廠房分別布置在主機(jī)間的兩端。開挖尺寸(含安裝間、副廠房)為228.8 m×30.8 m×73.35 m(長(zhǎng)×寬×高)，最大高度73.35 m，頂拱跨度30.8 m。

1 施工條件

1.1 地質(zhì)條件

地下廠房系統(tǒng)布置在左岸230～430 m山體內(nèi)，地表地形坡度40°～45°，局部達(dá)55°～60°，坡面基巖裸露，植被不發(fā)育。廠區(qū)范圍內(nèi)巖性為晉寧～澄江期花崗巖(γ2(4))，巖石致密堅(jiān)硬、強(qiáng)度較高。其礦物成分主要有斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英、黑云母及少量副礦物(如細(xì)粒鐵礦、榍石、磷灰石等)組成。巖體新鮮，致密堅(jiān)硬，較完整，圍巖多呈次塊～塊狀結(jié)構(gòu)，局部鑲嵌結(jié)構(gòu)，極少量碎裂結(jié)構(gòu)，以Ⅲ～Ⅱ類為主，局部裂密帶及斷層破碎帶為Ⅳ類，總體成洞條件較好。擠壓帶、小斷層及裂隙不利組合對(duì)洞室穩(wěn)定有不利影響，廠房上部地下水不發(fā)育，以滲水～滴水為主，局部洞段由于地應(yīng)力高，易產(chǎn)生巖爆。

1.2 施工道路布置

為滿足廠房系統(tǒng)的施工，主要利用主體洞室和業(yè)主提供的廠房上層施工支洞、主廠房通風(fēng)洞、廠房中導(dǎo)洞、進(jìn)廠交通洞、壓力管道下平洞、母線洞、尾水連接洞等洞室作為施工通道。施工通道特性及承擔(dān)的施工任務(wù)見表1。

2 開挖分層分區(qū)及施工程序

2.1 開挖分層及分區(qū)

根據(jù)廠房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、通道條件、施工機(jī)械性能，并兼顧巖壁吊車梁混凝土、母線洞開挖支護(hù)施工等需要，主、副廠房自上而下分十層進(jìn)行開挖支護(hù)，層內(nèi)分區(qū)、分塊。開挖分層，分區(qū)、分塊詳見圖1。

2.2 開挖程序及方法

2.2.1 第Ⅰ層開挖

利用廠房?jī)啥松蠈邮┕ぶФ础⑼L(fēng)洞作為施工通道，從兩端進(jìn)行廠房Ⅰ層中部及兩側(cè)擴(kuò)挖支護(hù)，根據(jù)廠房特性及工期安排，為減小施工干擾，中部擴(kuò)挖結(jié)束后再進(jìn)行兩側(cè)擴(kuò)挖支護(hù)；中部開挖結(jié)束后利用通風(fēng)洞作為中部剩余支護(hù)施工通道，利用上層施工支洞進(jìn)行上下游兩側(cè)擴(kuò)挖支護(hù)施工；中部所有支護(hù)結(jié)束后再利用通風(fēng)洞相向進(jìn)行上下游側(cè)開挖支護(hù)施工；上下游兩側(cè)擴(kuò)挖錯(cuò)距進(jìn)行，錯(cuò)距不小于30 m。

表1 廠房系統(tǒng)施工通道特性

圖1 主副廠房開挖分層(單位：m)

開挖采用三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔，設(shè)計(jì)輪廓光面爆破，光爆孔間距50 cm，Ⅱ、Ⅲ類圍巖排炮循環(huán)進(jìn)尺不大于3.5 m，支護(hù)滯后開挖15～30 m；Ⅳ類圍巖排炮循環(huán)進(jìn)尺1.0～1.5 m，開挖后及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)噴錨支護(hù)，頂拱范圍采用砂漿錨桿或自進(jìn)式中空注漿錨桿進(jìn)行超前支護(hù)。

左右端墻預(yù)留3 m保護(hù)層，沿平行于軸線的輪廓線及垂直于軸線的端墻面造孔，雙向光面爆破，端墻面頂拱圓弧段采用長(zhǎng)短釬造孔。

每排炮爆破后反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行安全處理，開挖渣料采用3.4 m3側(cè)卸裝載機(jī)或2.7 m3反鏟裝20 t、28 t自卸汽車運(yùn)輸至指定渣場(chǎng)，主廠房頂拱成型見圖2。

圖2 主廠房頂拱開挖成型情況

2.2.2 第Ⅲ層開挖(巖壁梁開挖)

Ⅲ層開挖前完成進(jìn)廠交通洞與廠房相交段的鎖口支護(hù)、環(huán)向預(yù)裂及洞口交叉段混凝土襯砌；廠房Ⅱ?qū)娱_挖支護(hù)結(jié)束后，進(jìn)行Ⅲ層中部拉槽的施工預(yù)裂；利用通風(fēng)洞及其斜坡道進(jìn)行Ⅲ層左半部分中部拉槽，在拉槽過程中爆通進(jìn)廠交通洞并用爆渣回填，當(dāng)左半中槽開挖結(jié)束后，從進(jìn)廠交通洞底板開挖斜坡道升坡至第Ⅲ層底板，形成第Ⅲ層左側(cè)施工通道；利用左側(cè)通道對(duì)通風(fēng)洞形成右端通道占?jí)孩?、Ⅱ?qū)有逼碌劳诔椭ёo(hù)；結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)行Ⅲ層剩余中部拉槽預(yù)裂、開挖和上下游保護(hù)層開挖；保護(hù)層開挖滯后中部拉槽距離不小于30 m，與中部拉槽形成平面多工序作業(yè)；保護(hù)層施工的同時(shí)進(jìn)行巖臺(tái)以上直邊墻光爆孔和爆破輔助孔鉆孔施工，并插入PVC管對(duì)其進(jìn)行保護(hù)；保護(hù)層開挖后，進(jìn)行Ⅳ層預(yù)裂及巖臺(tái)下拐點(diǎn)以下Ⅲ層直邊墻系統(tǒng)支護(hù)和巖臺(tái)加強(qiáng)錨桿支護(hù)，支護(hù)結(jié)束后再進(jìn)行巖臺(tái)開挖，最后進(jìn)行巖臺(tái)錨桿及混凝土施工。

Ⅲ層開挖采用中部拉槽、預(yù)留保護(hù)層的方法進(jìn)行。中部拉槽采用履帶液壓鉆機(jī)垂直鉆孔、梯段爆破開挖，中部拉槽預(yù)裂孔距1.0 m，超深0.5 m，中部拉槽排炮循環(huán)進(jìn)尺6.0～10.0 m；邊墻下直墻外預(yù)留4.0 m保護(hù)層，保護(hù)層采用手風(fēng)鉆分三層鉆垂直孔小臺(tái)階光面爆破開挖，第二層光爆孔間距0.35 m，第一、三層光爆孔間距0.50 m，保護(hù)層一次爆破長(zhǎng)度不大于15 m；巖臺(tái)斜墻面及上直墻面采用手風(fēng)鉆打斜孔和垂直孔雙向光爆，鉆孔均采用1.5″鋼管搭設(shè)樣架及導(dǎo)向管進(jìn)行鉆孔精度控制，巖臺(tái)雙面光爆孔孔距0.30～0.35 m，采用特制小直/徑藥卷間隔裝藥，高精度非電雷管，電雷管起爆。提前做好相應(yīng)的爆破試驗(yàn)工作，設(shè)計(jì)輪廓線的造孔設(shè)備結(jié)合其他工程施工經(jīng)驗(yàn)，采用特制的定型樣架進(jìn)行固定，確保造孔精度及成型質(zhì)量；爆破參數(shù)根據(jù)不同地質(zhì)條件通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，主廠房巖壁梁開挖成型情況見圖3。

圖3 主廠房巖壁梁開挖成型情況

2.2.3 第Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ層開挖(基坑開挖)

基坑分三大層五小層開挖，層高分別為：4.0 m、8.5 m、7.5 m、1.9 m。

Ⅷ層開挖采用手風(fēng)鉆水平開挖，底板采用光面爆破，開挖排炮循環(huán)進(jìn)尺不大于3.5 m，光爆孔間距0.5 m。

Ⅸ層采用導(dǎo)井法、周邊預(yù)留保護(hù)層方式進(jìn)行開挖；尾水?dāng)U散段上層開挖支護(hù)結(jié)束后，向前開挖基坑中導(dǎo)洞(斷面7.0 m×6.0 m)到Ⅸ層下部，從Ⅷ層機(jī)坑中部先開挖導(dǎo)井(Φ3.0 m)作為溜碴井，然后對(duì)其四周進(jìn)行擴(kuò)挖，周邊預(yù)留3.0 m保護(hù)層，最后分兩層進(jìn)行保護(hù)層開挖及Ⅸ層支護(hù)。導(dǎo)井采用履帶液壓鉆機(jī)或輕型潛孔鉆自上而下1次造孔到位，采取一次裝藥分段爆破成型；導(dǎo)井四周擴(kuò)挖及中槽開挖也采用履帶液壓鉆機(jī)或輕型潛孔鉆垂直鉆孔，梯段爆破；四周邊墻保護(hù)層采用手風(fēng)鉆垂直鉆孔光面爆破逐層擴(kuò)挖，光爆孔間距0.5 m。

Ⅹ層分為兩層周邊預(yù)留3.0 m保護(hù)層開挖；Ⅸ層支護(hù)結(jié)束后再進(jìn)行Ⅹ層開挖，上層中部在開挖中導(dǎo)洞時(shí)已開挖，因此先進(jìn)行上層保護(hù)層開挖，再進(jìn)行下層中部開挖，最后進(jìn)行下層周邊保護(hù)層開挖；基坑Ⅹ層總體開挖程序與Ⅸ層一致按4號(hào)機(jī)→1號(hào)機(jī)的順序開挖支護(hù)。Ⅹ層上下層均采用三臂臺(tái)車鉆孔，周邊保護(hù)層則采用手風(fēng)鉆開挖，中部開挖采用水平開挖方法，底板光面爆破，周邊保護(hù)層采用垂直開挖，采用光面爆破，光爆孔間距0.5 m。

2.2.4 其他各層開挖

其他各層開挖采用邊墻先預(yù)裂，中部拉槽后兩側(cè)開挖的方式。預(yù)裂孔采用輕型潛孔鉆造孔，預(yù)裂孔間距0.8 m，孔徑76 mm，線裝藥密度350～400 g/m。中部拉槽采用潛孔鉆造孔，孔內(nèi)非電雷管微差擠壓梯段爆破。裝載機(jī)、反鏟配合自卸車出渣，主廠房邊墻開挖成型見圖4。

圖4 主廠房邊墻開挖成型情況

3 特殊部位及不良地質(zhì)段開挖

3.1 廠房頂拱開挖

頂拱開挖時(shí)，均宜先開挖導(dǎo)洞，再進(jìn)行擴(kuò)挖。開挖時(shí)尤其應(yīng)重視頂拱的穩(wěn)定，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)反饋，及時(shí)支護(hù)，確保圍巖穩(wěn)定。開挖時(shí)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度按投標(biāo)技術(shù)條款規(guī)定執(zhí)行。

3.2 地下廠房巖壁吊車梁部位的開挖

(1)梁巖臺(tái)開挖之前，做好爆破振動(dòng)試驗(yàn)，以指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)。

(2)巖壁吊車梁層開挖時(shí)，吊車梁附近應(yīng)預(yù)留3～4 m厚的巖石保護(hù)層。

(3)巖壁吊車梁的巖壁開挖應(yīng)采取光面爆破，爆破參數(shù)需經(jīng)試驗(yàn)確定；嚴(yán)格控制一次起爆藥量，確保巖壁成型，保證巖壁的完整和穩(wěn)定，盡量減小由于爆破而產(chǎn)生的巖石松動(dòng)范圍。實(shí)測(cè)松動(dòng)范圍須小于0.2 m。

(4)巖壁不允許欠挖，超挖不大于0.1 m。巖壁開挖后，應(yīng)清除爆破產(chǎn)生的裂隙及松動(dòng)巖石，清潔巖壁面，及時(shí)進(jìn)行巖壁斜面修整，斜面與水平面的夾角與設(shè)計(jì)值相比應(yīng)偏小，但不小于3°。

3.3 地下廠房高邊墻的開挖

(1)地下廠房邊(端)墻開挖應(yīng)遵循“先洞后墻”原則，邊墻在開挖挖至相應(yīng)洞口(母線洞、壓力管道、尾水管洞、進(jìn)廠交通洞等)高程之前，應(yīng)先完成相應(yīng)岔口開挖及鎖口支護(hù)，再下降邊墻。

(2)采用預(yù)裂爆破，薄層開挖、適時(shí)支護(hù)的開挖方法。

(3)預(yù)裂爆破參數(shù)需經(jīng)試驗(yàn)確定，嚴(yán)格控制梯段爆破一次起爆藥量。

3.4 不良地質(zhì)段處理措施

(1)不良地質(zhì)洞段開挖支護(hù)，首先探明斷層的準(zhǔn)確位置、產(chǎn)狀及影響范圍，應(yīng)根據(jù)圍巖特性對(duì)局部不穩(wěn)定部位增設(shè)隨機(jī)錨桿；對(duì)控制穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面，采取預(yù)應(yīng)力錨束加固并伸到完整巖體中維護(hù)圍巖穩(wěn)定。

(2)在松散、軟弱破碎的巖體中開挖洞室，應(yīng)盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，宜采用先護(hù)后挖，邊挖邊擴(kuò)，或先對(duì)巖體進(jìn)行加固后再開挖等方法。必要時(shí)安設(shè)鋼支架(格柵支架)增加支護(hù)能力。有地下水部位時(shí)打設(shè)排水孔，降低地下水壓力，避免地下水對(duì)噴混凝土的滲透破壞。

4 結(jié) 語

長(zhǎng)河壩水電站地下廠房工程具有工程規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜、質(zhì)量要求高、施工干擾大等特點(diǎn)，通過運(yùn)用科學(xué)的施工組織管理，采用“平面多工序、立體多層次”的施工方法，于2010年12月1日開工，2013年4月30日開挖結(jié)束，歷時(shí)29個(gè)月，比合同工期提前7個(gè)月完成，施工中安全、質(zhì)量等各項(xiàng)指標(biāo)得到了有效保障。