白鶴灘水電站左岸地下廠房機(jī)組混凝土快速施工技術(shù)

楊 勇，楊 帆，陳 強(qiáng) 坦

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

白鶴灘水電站位于四川省與云南省交界的金沙江下游河段，是我國“西電東送”能源戰(zhàn)略的骨干電源點(diǎn)，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧攔沙、防洪、航運(yùn)、灌溉等。工程按期建成、“安全準(zhǔn)點(diǎn)”發(fā)電對促進(jìn)西部大開發(fā)，實(shí)現(xiàn)“西電東送”，促進(jìn)西部資源和東部、中部經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢互補(bǔ)以及西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義，同時(shí)在防洪、航運(yùn)、環(huán)保等方面效益巨大[1]。

該電站地下廠房在左右岸對稱布置，各安裝8臺(tái)、單機(jī)容量為100萬kW的水輪發(fā)電機(jī)組，是目前世界上在建的最大地下廠房。左岸地下廠房布置在拱壩上游山體內(nèi)，洞室水平埋深800～1 050 m，垂直埋深260～330 m[2]，洞室軸線方向?yàn)镹20°E。

主副廠房洞的開挖尺寸為438 m×31 m(34 m)×88.7 m(長×寬×高)，采用一字型布置，從南到北依次布置副廠房、輔助安裝場、機(jī)組段和安裝場。機(jī)組間距38 m，機(jī)組段長304 m，安裝場長79.5 m，輔助安裝場長22.5 m，副廠房長32 m。機(jī)組安裝高程為570 m，自下而上依次為肘管層、錐管層、蝸殼層、水輪機(jī)層、中間層、發(fā)電機(jī)層。尾水管底板的高程為535.9 m，水輪機(jī)層的高程為576.2 m，中間層高程為582.4 m，發(fā)電機(jī)層高程為590.4 m，拱頂高程為624.6 m。

機(jī)組混凝土澆筑從尾水管底板高程535.9 m至發(fā)電機(jī)層頂部高程590.4 m，總高度為54.5 m，單機(jī)組混凝土澆筑工程量為2.06萬m3，8臺(tái)機(jī)共計(jì)16.36萬m3，主要施工內(nèi)容包括鋼筋制安、水輪機(jī)埋件安裝、機(jī)電一期埋件安裝、電氣、暖通、給排水以及消防等埋件安裝、模板安裝、混凝土澆筑等。左岸地下廠房在開挖支護(hù)階段，由于受巖爆片幫頻繁、C2層間錯(cuò)動(dòng)帶等不利地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、洞群效應(yīng)突出等不利因素影響，施工工期較長，造成混凝土澆筑施工工期緊張。為此，該工程在施工過程中采取了尾水管大組節(jié)預(yù)拼裝、座環(huán)預(yù)拼整體一次吊裝、錐管一期澆筑、整體分層優(yōu)化、中間層、發(fā)電機(jī)層框架結(jié)構(gòu)混凝土快速施工等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地下廠房機(jī)組混凝土快速施工，單機(jī)組混凝土澆筑施工工期由原計(jì)劃的23個(gè)月縮短至17個(gè)月，從而為白鶴灘水電站左岸地下廠房按期向機(jī)電安裝交面、實(shí)現(xiàn)“安全準(zhǔn)點(diǎn)”發(fā)電創(chuàng)造了有利條件。筆者對左岸地下廠房實(shí)施的機(jī)組混凝土快速施工技術(shù)進(jìn)行了闡述。

2 機(jī)組混凝土快速施工技術(shù)

為確保白鶴灘水電站首批機(jī)組“安全準(zhǔn)點(diǎn)”發(fā)電，機(jī)組混凝土從啟動(dòng)底板清基至交面機(jī)電安裝僅剩18個(gè)月工期，對比同等規(guī)模電站地下廠房：溪洛渡水電站首臺(tái)機(jī)機(jī)組混凝土澆筑施工工期為23個(gè)月，向家壩水電站右岸地下廠房首臺(tái)機(jī)機(jī)組混凝土施工工期為21個(gè)月，烏東德水電站單機(jī)組混凝土施工工期為26個(gè)月。由此可見：白鶴灘水電站地下廠房機(jī)組混凝土施工工期極為緊張，必須采取安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效的快速施工技術(shù)措施，使機(jī)組混凝土在18個(gè)月內(nèi)施工完成，以按期交面機(jī)電安裝，實(shí)現(xiàn)“安全準(zhǔn)點(diǎn)”發(fā)電的目標(biāo)。為此，施工局制定并優(yōu)化了施工方案。

2.1 整體分層優(yōu)化

該工程原施工組織設(shè)計(jì)規(guī)劃機(jī)組混凝土澆筑共分為29層，其中肘管層分兩期、10層澆筑、錐管層5層、蝸殼層7層、中間層4層、發(fā)電機(jī)層3層，分層高度為1.5～3.4 m。為縮短直線工期，適當(dāng)增加分層厚度、減少分層是切實(shí)可行并行之有效的措施。

在綜合考慮機(jī)電一期埋件加固需求、大體積混凝土溫控防裂、混凝土澆筑入倉手段及入倉強(qiáng)度等要素并結(jié)合該工程結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)以及以往類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，施工局對機(jī)組混凝土澆筑整體分層進(jìn)行了優(yōu)化：

(1)肘管層分兩期澆筑，其中一期混凝土為肘管底板及支墩混凝土，分3層澆筑；二期為肘管外包混凝土，將原方案中的分8層澆筑優(yōu)化為分5層澆筑，優(yōu)化后的分層方案重點(diǎn)考慮第一層以及第三層澆筑的分層厚度，第一層分層高度既應(yīng)保證有足夠的壓力使肘管底部混凝土充填密實(shí)，又不能澆筑過高使肘管受到較大的浮托力而抬動(dòng)，通過浮托力計(jì)算最終選取了澆筑至覆蓋肘管底1.2 m處作為第一層澆筑的頂高程，第一層分層厚度為2.7 m。第三層覆蓋肘管頂部，須考慮肘管上覆混凝土重量不能過重而導(dǎo)致肘管變形，經(jīng)計(jì)算，按照覆蓋厚度不大于1.5 m進(jìn)行分層。

(2)蝸殼層由原方案分7層澆筑優(yōu)化為分4層澆筑。其中，第一層的分層主要考慮將座環(huán)與基礎(chǔ)環(huán)陰角部位澆筑密實(shí)，同時(shí)，蝸殼內(nèi)側(cè)與外側(cè)的高差不超過設(shè)計(jì)允許值60 cm，以防止蝸殼側(cè)移，分層高度由原來的1.5 m調(diào)整為3.5 m，其余各分層兼顧蝸殼層進(jìn)人廊道等結(jié)構(gòu)布置以及方便預(yù)埋管路安裝等因素。

(3)中間層及發(fā)電機(jī)層由原方案的分7層澆筑優(yōu)化為分4層澆筑。中間層及發(fā)電機(jī)層中部機(jī)坑區(qū)域?yàn)闄C(jī)墩、風(fēng)罩，外側(cè)為板梁柱框架結(jié)構(gòu)，在分層方案上，按照板梁以下柱子分1層、板梁分1層進(jìn)行。

通過系統(tǒng)性的分層優(yōu)化，機(jī)組混凝土澆筑分層由原方案分的29層澆筑優(yōu)化為分20層澆筑，縮短直線工期約45 d。

2.2 肘管大組節(jié)預(yù)拼裝

肘管安裝作為機(jī)組肘管層混凝土澆筑的緊前工序，占用機(jī)組混凝土澆筑直線工期。左岸廠房單臺(tái)套尾水肘管分為14節(jié)，共336 t。若逐節(jié)在機(jī)坑內(nèi)進(jìn)行吊裝焊接，每節(jié)管節(jié)的安裝及每條環(huán)縫的焊接都將占用直線工期。

經(jīng)研究，最終采取在廠房安裝間平臺(tái)布置工位、提前將肘管兩兩預(yù)拼、與肘管一期支墩混凝土澆筑同期進(jìn)行，機(jī)坑內(nèi)具備肘管安裝條件后，將預(yù)拼好的大組節(jié)采用施工橋機(jī)整體吊裝至機(jī)坑就位，如此操作，將原本機(jī)坑內(nèi)14節(jié)管節(jié)安裝、13條環(huán)縫焊接的工作量減少到7大節(jié)肘管在機(jī)坑內(nèi)安裝、6條環(huán)縫焊接的工作量，節(jié)約了直線工期。

肘管大組節(jié)預(yù)拼須統(tǒng)籌考慮廠房施工橋機(jī)的吊運(yùn)能力以及吊裝空間，組拼后的大組節(jié)的最大重量不能超過橋機(jī)的額定起重量，同時(shí)其高度應(yīng)滿足在安裝間內(nèi)的起升揚(yáng)程，最后，組拼的管節(jié)在機(jī)坑內(nèi)應(yīng)便于定位加固。

肘管采取大組節(jié)預(yù)拼，其優(yōu)點(diǎn)除了減少機(jī)坑內(nèi)肘管焊接工程量而節(jié)約直線工期外，還具有在安裝場拼裝較在機(jī)坑內(nèi)拼裝施工作業(yè)條件好、施工效率更高、質(zhì)量更有保障等優(yōu)勢。

2.3 錐管層混凝土一期澆筑

通常，為確保錐管加固質(zhì)量，錐管層混凝土一般分兩期澆筑。一期混凝土為錐管外圍混凝土，外側(cè)澆筑至結(jié)構(gòu)邊線，內(nèi)側(cè)沿錐管預(yù)留足夠的施工空間形成一環(huán)形二期機(jī)坑；錐管安裝時(shí)，利用一期混凝土澆筑期間預(yù)埋的插筋作為錨固點(diǎn)，采用型鋼或錨筋對錐管進(jìn)行加固。

錐管層分兩期澆筑對錐管加固有利，但存在增加二期混凝土占用直線工期、二期混凝土施工空間小、施工難度大、一期混凝土沿二期機(jī)坑內(nèi)壁需增加防裂鋼筋和并縫鋼筋從而增加工程投資等弊端。

該工程通過錐管逐節(jié)安裝加固、混凝土隨層澆筑的方式，將錐管層混凝土優(yōu)化為一期澆筑，其特點(diǎn)為：錐管安裝與混凝土備倉同步進(jìn)行，不占用直線工期；錐管逐節(jié)安裝、混凝土隨層澆筑，將錐管懸臂高度控制在較小范圍——通常為一節(jié)錐管高度，即3 m左右，通過在混凝土內(nèi)預(yù)埋地錨作為錨固點(diǎn)、斜拉桿拉結(jié)的方式對錐管進(jìn)行加固，滿足受力要求；通過沿錐管外側(cè)對稱澆筑混凝土的方式，使錐管在混凝土澆筑過程中受力均勻，控制錐管側(cè)向位移滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范的控制要求。

錐管層混凝土通過優(yōu)化為一期澆筑，節(jié)約直線工期約30 d。

2.4 座環(huán)整體吊裝

由于機(jī)組座環(huán)整體重量較重，單套座環(huán)重達(dá)467 t，故原施工組織設(shè)計(jì)方案采用160 t橋機(jī)分瓣吊裝至機(jī)坑內(nèi)進(jìn)行組拼焊接。鑒于座環(huán)安裝是機(jī)組混凝土施工關(guān)鍵線路上的關(guān)鍵工作，占用直線工期，采取座環(huán)在機(jī)坑內(nèi)組拼焊接的方案，座環(huán)分瓣吊裝以及焊縫焊接全部占用直線工期且工期較長。

為縮短直線工期，工程技術(shù)人員進(jìn)行了座環(huán)在安裝間組拼再整體吊裝至機(jī)坑內(nèi)就位的可行性研究，該方案的關(guān)鍵點(diǎn)在于座環(huán)組拼后重量較重，已安裝的160 t施工橋機(jī)無法承擔(dān)吊裝任務(wù)，需要將1 300 t永久橋機(jī)提前安裝并投入使用，以滿足座環(huán)整體吊裝要求。

通過建設(shè)方積極協(xié)調(diào)，橋機(jī)制造廠家精心籌備，在座環(huán)安裝前完成了1 300 t永久橋機(jī)的制造及安裝工作，具備了座環(huán)整體吊裝條件。

座環(huán)在安裝間整體組拼，一方面焊接作業(yè)施工環(huán)境好、質(zhì)量更可靠，與在機(jī)坑內(nèi)組拼相比，機(jī)坑內(nèi)施工空間狹小，施工人員作業(yè)效率低，而安裝間組拼工位平臺(tái)布置更便于施工，效率明顯提高；另一方面，座環(huán)分瓣吊裝以及焊縫焊接提前進(jìn)行、機(jī)坑具備座環(huán)安裝條件后將其整體吊運(yùn)至機(jī)坑就位，座環(huán)分瓣吊裝以及焊縫焊接不占用直線工期。

現(xiàn)場實(shí)踐表明：采取座環(huán)提前組拼、整體吊裝方案較原方案在機(jī)坑內(nèi)組拼焊接施工工期節(jié)約45 d。

2.5 框架結(jié)構(gòu)快速施工

機(jī)組中間層及發(fā)電機(jī)層為板梁柱框架結(jié)構(gòu)混凝土。由于水工結(jié)構(gòu)的需要，板梁形成的框格通常大小不一、不成模數(shù)，在采用常規(guī)平面鋼模板拼裝時(shí)，需要采用木模板進(jìn)行較大面積的補(bǔ)模，施工效率低。

為加快框架結(jié)構(gòu)施工，采用預(yù)制清水模板進(jìn)行拼模，即按照清水模板成品規(guī)格進(jìn)行梁、板、柱模板規(guī)劃，對每一層框架的每一個(gè)框格的模板進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照盡可能少切割模板、少產(chǎn)生余料、拼縫縱橫銜接、對縫一致的原則，提前將模板拼裝制作圖繪制完成，在加工廠內(nèi)按照圖紙將模板制作成需要的尺寸，并按照圖紙對加工好的模板進(jìn)行編號(hào)。模板安裝時(shí)，按照模板拼裝圖將對應(yīng)編號(hào)的模板安裝在相應(yīng)的位置即可，極大地提高了施工效率。此外，采用預(yù)制清水模板拼縫嚴(yán)密、對縫規(guī)整，比采用平面鋼模板拼裝、木模板補(bǔ)缺外觀更加美觀。

該工程框架結(jié)構(gòu)的原施工組織設(shè)計(jì)方案采用扣件式鋼管腳手架作為板梁底模支架，其搭設(shè)工程量大，施工效率不高。實(shí)際施工時(shí)，采用了盤扣式腳手架作支撐架。盤扣式腳手架具有搭拆方便、快速、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，配套的定尺桿件安裝后不會(huì)產(chǎn)生因間排距不滿足要求而返工等問題，同時(shí)亦規(guī)避了扣件式鋼管腳手架扣件擰力矩檢查難度大等通病，是一種高效、安全的支撐方式[3]。

通過采用盤扣式支架配預(yù)制清水模板，有效提高了板梁柱框架結(jié)構(gòu)混凝土施工效率，中間層及發(fā)電機(jī)層兩層框架結(jié)構(gòu)(含機(jī)墩、風(fēng)罩)由原設(shè)計(jì)方案計(jì)劃的4.5個(gè)月工期縮短至3個(gè)月左右。

2.6 混凝土快速施工的配套規(guī)劃與布置

為加快廠房機(jī)組混凝土澆筑施工進(jìn)度，除了采取所優(yōu)化的方案措施外，在施工配套方面，也需要采取相應(yīng)的措施給混凝土澆筑提供更為便捷、高效的施工手段。

該工程首臺(tái)發(fā)電機(jī)組為1#機(jī)，布置在廠房南側(cè)，與南側(cè)的廠內(nèi)集水井(上部為輔助安裝間)以及副廠房相鄰，鑒于集水井以及副廠房的施工勢必會(huì)對1#機(jī)造成干擾，為確保首臺(tái)發(fā)電機(jī)組的施工進(jìn)度，應(yīng)加快集水井及副廠房澆筑施工進(jìn)度，將其先澆筑至發(fā)電機(jī)層以形成1#機(jī)南側(cè)施工場地及混凝土入倉通道。為此，在廠房南側(cè)頂拱增設(shè)了1臺(tái)10 t高揚(yáng)程電動(dòng)葫蘆，覆蓋了1#機(jī)、輔助安裝場以及副廠房，解決了廠房多機(jī)組同步施工情況下橋機(jī)使用緊張的問題，為首臺(tái)機(jī)關(guān)鍵線路施工增加了材料垂直運(yùn)輸手段。

在混凝土澆筑施工通道布置方面，利用尾水管及尾水?dāng)U散段形成機(jī)組混凝土澆筑下部運(yùn)輸通道，在引水下平洞與機(jī)坑巖隔墩之間增設(shè)型鋼棧橋形成肘管層至蝸殼層混凝土澆筑的中部運(yùn)輸通道，在廠房上游第6層排水廊道與廠房上游墻之間新增設(shè)了3條支洞作為機(jī)組混凝土上部運(yùn)輸通道，利用母線洞布置固定皮帶機(jī)配合廠房內(nèi)布置的立柱式梭式布料機(jī)[4]形成混凝土垂直運(yùn)輸系統(tǒng)，如此，廠房各層混凝土澆筑形成了自下而上全高程覆蓋、平面上南北雙向均可通行的施工通道，為主廠房各機(jī)組全面同步施工創(chuàng)造了良好的通道條件，確保了機(jī)組混凝土快速施工。

3 思考與建議

地下廠房機(jī)組混凝土施工一般為引水式水電站工程建設(shè)的關(guān)鍵線路或次關(guān)鍵線路，其施工進(jìn)度直接制約著電站能否按期發(fā)電，因此，采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┍Ｕ匣炷潦┕みM(jìn)度大有裨益。筆者根據(jù)白鶴灘水電站左岸地下廠房以及其他類似工程經(jīng)驗(yàn)，在工程措施上提出了以下幾點(diǎn)建議：

(1)白鶴灘水電站在廠房上游布置了3條混凝土運(yùn)輸廊道。該廊道是利用與發(fā)電機(jī)層高程相近的第6層排水廊道作為主洞室開挖至廠房上游邊墻的支洞?？紤]到廠房高邊墻的圍巖穩(wěn)定，廊道凈斷面尺寸設(shè)計(jì)為5 m×5 m，滿足罐車通行，并將第6層排水廊道至新增混凝土運(yùn)輸廊道之間的洞段進(jìn)行了擴(kuò)挖，形成了從進(jìn)廠交通洞經(jīng)第6層排水廊道至廠房上游邊墻發(fā)電機(jī)層的混凝土水平運(yùn)輸通道。由于第6層排水廊道只對從進(jìn)廠交通洞右側(cè)進(jìn)口至最遠(yuǎn)端運(yùn)輸廊道之間的洞段進(jìn)行了擴(kuò)挖，其余洞段未擴(kuò)挖，不滿足混凝土運(yùn)輸設(shè)備通行的要求，因此，該運(yùn)輸通道只能單向通行，澆筑時(shí)罐車錯(cuò)車、調(diào)頭等較為困難，易發(fā)生堵車。而向家壩水電站在發(fā)電機(jī)層高程布置的混凝土運(yùn)輸通道是利用灌漿廊道作為主通道，由于灌漿廊道考慮到灌漿設(shè)備的布置需要其斷面尺寸相對較大，滿足混凝土罐車的通行要求，形成了繞廠房一周的環(huán)形通道，較好地解決了交通擁堵問題。從灌漿廊道增設(shè)施工支洞至廠房端墻，解決了副廠房下部混凝土運(yùn)輸通道問題，一舉多得。因此，筆者建議：今后的地下廠房工程設(shè)計(jì)在滿足洞室整體穩(wěn)定的前提下，可考慮將與發(fā)電機(jī)層高程接近的一層灌漿排水廊道斷面較常規(guī)設(shè)計(jì)得偏大一些，以形成廠房上部混凝土運(yùn)輸環(huán)形通道。

(2)在地下廠房設(shè)計(jì)中，有一些電站的機(jī)坑隔墩之間下游側(cè)沒有留巖橋，有一些電站設(shè)計(jì)有巖橋。例如，向家壩水電站機(jī)坑隔墩之間下游側(cè)沒有設(shè)巖橋而烏東德水電站以及白鶴灘水電站留有巖橋。對于是否設(shè)置巖橋是設(shè)計(jì)綜合考慮廠房整體布置以及開挖跨度等因素決定的，是最終考慮各種因素的最優(yōu)方案。筆者表達(dá)的是：在滿足廠房結(jié)構(gòu)布置需要以及盡量減小廠房開挖跨度并在地質(zhì)條件允許的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)巖橋，其優(yōu)點(diǎn)為：一方面可以減少機(jī)坑開挖以及回填的工程量，節(jié)約工程投資；另一方面，在廠房錐管層可形成在廠房內(nèi)的全范圍施工通道，有效解決廠房錐管層以下混凝土澆筑各類材料的運(yùn)輸、入倉問題，對地下廠房施工組織非常有利，對施工進(jìn)度的保障更加可靠。

(3)白鶴灘水電站右岸地下廠房因受C4層間錯(cuò)動(dòng)帶影響[5]，靠近輔助安裝間及廠房側(cè)上部的圍巖變形較大，為控制圍巖變形降低了該范圍廠房邊墻的開挖高度，設(shè)計(jì)將廠內(nèi)集水井外移至廠房外，通過延長檢修排水廊道的方式滿足了廠區(qū)檢修滲漏排水需求。該方案在解決因不良地質(zhì)條件帶來的廠房小樁號(hào)段圍巖變形問題的同時(shí)，使集水井開挖支護(hù)以及后續(xù)混凝土澆筑與廠房主機(jī)間脫離開，規(guī)避了二者之間的相互干擾，對廠房首批發(fā)電機(jī)組施工進(jìn)度極為有利。因此，筆者認(rèn)為：在今后的水電站地下廠房設(shè)計(jì)時(shí)，該設(shè)計(jì)思路值得推廣。以往工程設(shè)計(jì)的集水井設(shè)在廠房內(nèi)與廠房洞室共用空間，較單獨(dú)在廠外布置集水井可在一定程度上節(jié)約工程投資；但將集水井布置到廠外具有以下優(yōu)點(diǎn)：其一，可減小集水井段廠房的開挖高度，對廠房高邊墻圍巖穩(wěn)定非常有利；其二，在無需布置輔助安裝場的情況下甚至可以取消集水井段廠房洞室的開挖，可大量減少開挖支護(hù)以及混凝土澆筑的工程量；其三，集水井布置到廠外，可以避免與廠房主機(jī)間的施工干擾，對廠房首發(fā)機(jī)組的進(jìn)度控制更為有利。

4 結(jié) 語

在白鶴灘水電站左岸地下廠房機(jī)組混凝土施工過程中，通過采取一系列提高施工效率、優(yōu)化施工程序的快速施工技術(shù)措施，有效縮短了機(jī)組混凝土澆筑直線工期，創(chuàng)造了世界上在建最大地下廠房單機(jī)組混凝土澆筑17個(gè)月施工工期的記錄，為按期向機(jī)電安裝交面、實(shí)現(xiàn)“安全準(zhǔn)點(diǎn)”發(fā)電提供了可靠保障，所取得的經(jīng)驗(yàn)可供類似工程混凝土施工參考。