瀑布溝水電站大型地下廠房快速開挖施工技術(shù)研究

陳 仁 峰

(四川省能投攀枝花水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610071)

1 概 述

瀑布溝水電站位于大渡河中游的四川省漢源縣及甘洛縣境內(nèi)，工程等別為Ⅰ等，主要水工建筑物為1級，裝機(jī)容量為550×6=3 300(MW)。瀑布溝水電站地下廠房洞室群由主廠房、主變室、尾水閘門室、引水隧洞、母線洞、尾水連接洞和2條無壓尾水隧洞組成?？傞_挖方量達(dá)245.42×104m3，主副廠房開挖工程量為42.49×104m3，主廠房巖錨梁以上的開挖跨度為30.7 m，巖錨梁以下的開挖跨度為26.8 m，長294.1 m，在目前已開挖完工的地下廠房工程中位居第五(表1)。地下廠房洞室群縱橫交錯、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模巨大，面臨洞室圍巖穩(wěn)定和高地應(yīng)力巖爆災(zāi)害等工程難題。招標(biāo)階段首臺機(jī)組發(fā)電工期為65個月，廠房開挖工期為33個月，混凝土澆筑及機(jī)電埋件安裝階段工期為20個月，機(jī)電安裝階段工期為12個月。

2 施工技術(shù)研究

根據(jù)該工程的實(shí)際施工特點(diǎn)及難點(diǎn)，業(yè)主多次組織國內(nèi)有名的水電專家親臨施工現(xiàn)場，共同研究地下洞室快速施工技術(shù)，合理優(yōu)化施工方案，并通過施工全過程系統(tǒng)仿真，為施工方案的優(yōu)化提供了量化的技術(shù)依據(jù)，確保了技術(shù)方案的可行性。

瀑布溝水電站地下廠房系統(tǒng)由于洞室交叉多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、廠房洞室斷面大、頂拱及邊墻結(jié)構(gòu)裂隙面較發(fā)育，對廠房大跨度圍巖穩(wěn)定造成不利影響。開挖過程中遇到不穩(wěn)定楔形體時，特別是高邊墻與洞室相貫通部位，為保證洞室群的整體穩(wěn)定，必須科學(xué)、合理地安排開挖、支護(hù)施工程序，應(yīng)用“新奧法”原理，遵循“預(yù)支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破，及時支護(hù)、早封閉、勤量測”的施工原則，開挖后適時噴錨支護(hù)，避免了因支護(hù)不及時而造成的坍塌[1]。

表1 國內(nèi)外主要已開挖完大型地下廠房特性表

2.1 平面多工序，立面多層次

在瀑布溝水電站大型地下廠房洞室群施工過程中，充分利用廠房長度長的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工通道的布置情況，采用“平面多工序、立面多層次” 的施工工藝組織施工，即在平面上將主副廠房以5#機(jī)為界劃分為左、右兩個區(qū)域，右端包括5#、6#機(jī)組、集水井及副廠房，左端為4#～1#機(jī)組及安裝間；在施工順序上右端先下臥，左端跟進(jìn)，即優(yōu)先進(jìn)行首臺機(jī)組(6#機(jī)組)的開挖。

在同一立面上按上層開挖支護(hù)結(jié)束后開挖下一層；在平面上充分利用廠房的長度空間，實(shí)施開挖超前、支護(hù)跟進(jìn)和上層支護(hù)與下層開挖錯距平行交叉作業(yè)，有效實(shí)現(xiàn)了上、下層工序搭接，增加了單層開挖支護(hù)的有效時段，減少了施工干擾。對于穿過廠房邊頂拱的斷層、結(jié)構(gòu)面及影響帶，以及經(jīng)分析可能存在的不穩(wěn)定楔形體，開挖過程中采取了超前噴錨支護(hù)措施；對斷層及軟弱破碎帶，開挖后按設(shè)計要求及時支護(hù)，及時埋設(shè)觀測儀器，加密原型安全監(jiān)測。

2.2 “先墻后洞”

通過武漢大學(xué)進(jìn)行開挖仿真應(yīng)力分析，對廠房高邊墻采用了“先墻后洞”的施工程序，三大洞室平行施工，為廠房對穿錨索的施工創(chuàng)造了條件，為廠房快速下臥提供了保障。

在廠房第Ⅲ層巖錨梁混凝土澆筑前，先進(jìn)行了廠房第Ⅳ層邊墻預(yù)裂和中部拉槽(不出渣)，在混凝土澆筑完成后，直接組織運(yùn)輸車輛出渣，從而避免了廠房第Ⅳ層開挖爆破對新澆混凝土的爆破影響，確保了巖錨梁混凝土的澆筑質(zhì)量，亦加快了開挖進(jìn)度，縮短了開挖工期。

另外，在廠房開挖至第Ⅶ層之前，利用尾水管及其連接洞開挖的中導(dǎo)洞作為施工通道，先進(jìn)行廠房底部機(jī)窩下導(dǎo)洞的開挖，一方面為廠房后期機(jī)窩開挖創(chuàng)造施工通道，一方面減小了后期機(jī)窩開挖的工程量，加快了施工進(jìn)度。

2.3 巖錨梁巖臺開挖施工技術(shù)

在巖壁梁層開挖中，將其劃分成兩大區(qū)開挖，即在巖壁梁部位預(yù)留一定寬度的保護(hù)層開挖區(qū)(2區(qū))，其余為拉槽開挖區(qū)(1區(qū))，將同一橫斷面劃分成兩區(qū)四塊。根據(jù)具體的地質(zhì)構(gòu)造特性，保護(hù)層開挖區(qū)選擇了小孔徑水平孔淺孔全斷面光面爆破[2]。

瀑布溝水電站巖壁梁層拉槽區(qū)的每個開挖循環(huán)中首創(chuàng)采用“三步起爆一次開挖施工光面—預(yù)裂爆破”即：

第一步。 起爆拉槽區(qū)中部梯段爆破孔——創(chuàng)造了臨空面；

第二步 。緊接著起爆拉槽區(qū)和保護(hù)層邊界面施工光預(yù)孔——即在兩個臨空面條件進(jìn)行預(yù)裂爆破；

第三步 。起爆拉槽區(qū)剩余梯段爆破孔。

在巖壁梁部位預(yù)留一定寬度的保護(hù)層，可以解決中部主爆區(qū)拉槽爆破時對巖壁梁部位的損壞。保護(hù)層開挖采用“小孔徑直孔和斜孔光面爆破一次開挖”和 “巖壁梁巖臺上拐點(diǎn)直墻和下拐點(diǎn)直墻雙層光面爆破”方法，最大限度地減少了爆破震動對巖壁造成的損傷。在巖壁梁巖臺部位鉆孔時(直孔、斜孔)，設(shè)置鉆孔樣架以提高鉆孔的定位精度，確保巖壁梁巖臺外形符合設(shè)計要求。所謂雙層光面爆破，就是緊貼設(shè)計壁面的那排孔(精確光爆孔)和其前一排孔(粗光爆孔)均作為光爆孔，其余作為崩落孔(梯段爆破孔)進(jìn)行延時松動爆破。粗光爆孔和精確光爆孔在裝藥結(jié)構(gòu)形式、起爆方式和鉆孔深度上相同，粗光爆孔間距、抵抗線和線裝藥密度約大于精確光爆孔。雙層光面爆破和普通光面爆破(單層光面爆破)相比其優(yōu)點(diǎn)在于：粗光爆起爆時可提前切斷延伸到設(shè)計壁面里的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，這樣設(shè)計光面爆破，可以進(jìn)一步降低爆破震動對巖壁的破壞作用，從而取得比普通光面爆破更佳的壁面質(zhì)量，進(jìn)而減小了對巖壁的加固修補(bǔ)，確保了施工進(jìn)度[3]。

2.4 邊墻深孔預(yù)裂

2.4.1 深孔預(yù)裂施工方法

廠房第Ⅴ層開挖分層高度為8.5 m，邊墻預(yù)裂孔深為9 m(超深0.5 m)。由于邊墻預(yù)裂孔鉆孔深度深、精確度要求高，故采用了YQ100C潛孔鉆機(jī)進(jìn)行造孔(鉆孔孔徑90 mm、孔距80 cm)。由于YQ100C鉆機(jī)的馬達(dá)邊線比鉆桿的外邊線超出5 cm的距離，造成鉆桿不能直接靠住邊墻。為了更好地控制鉆機(jī)的鉆孔質(zhì)量及方便施工，在保證9 m深預(yù)裂孔底部超挖20 cm的范圍以內(nèi)的情況下以88°的傾角造孔。

因鉆孔精確度要求高，因此，鉆機(jī)設(shè)備必須安裝穩(wěn)固。采用Φ48鋼管搭設(shè)三菱體進(jìn)行支撐。首先用兩根50 cm長的Φ48鋼管與鉆機(jī)焊接以保證水平，再用兩根長2.5 m、Φ48鋼管與50 cm長的鋼管用扣件連接形成一個整體。再在邊墻上距離底板1.9 m的高度、間隔1.6 m造20 cm深的Φ50孔，將1.2 m長的Φ48鋼管插入，然后搭設(shè)其他鋼管以保證鉆機(jī)的穩(wěn)定(圖1)。

圖1 鋼管支撐示意圖

2.4.2 深孔預(yù)裂施工技術(shù)要點(diǎn)

(1)炮孔直徑通常為5～20 cm。淺孔爆破采用較小的孔徑。為避免孔壁破壞，采用不耦合裝藥，不耦合系數(shù)一般取2～4。

(2)炮孔孔距與巖石特性、炸藥情況、縫壁平整度和孔徑大小有關(guān)?？拙嗤ǔ?～12倍，小孔徑取較大的倍數(shù)，大孔徑取較小的倍數(shù)；巖石均勻完整取較大的倍數(shù)，巖石破碎取較小的倍數(shù)。對于十分破碎的巖石，孔距與孔徑比小于8才能夠得到滿意的預(yù)裂效果。

(3)線狀分散裝藥，預(yù)裂炮孔內(nèi)間隔裝藥。其單位長度裝藥量稱裝藥密度，根據(jù)不同巖性，其值取200～400 g/m。為克服巖石對孔底的夾制作用，孔底藥包采用線裝藥密度的2～5倍。

(4)鉆孔質(zhì)量是保證預(yù)裂面平整度的關(guān)鍵。應(yīng)將鉆孔軸線與設(shè)計開挖線的偏離值控制在15 cm之內(nèi)。

(5)預(yù)裂炮孔孔口應(yīng)用直徑小于10 cm的礫石堵塞。起爆可用傳爆線，亦可用毫秒雷管起爆，將起爆時差控制在10 s以內(nèi)。利用微差爆破改善爆破效果。

(6)為阻隔主爆區(qū)傳來的沖擊波，應(yīng)將預(yù)裂孔的深度h1超過表1中開挖區(qū)炮孔的深度, 預(yù)裂縫的長度應(yīng)比開挖區(qū)排炮孔連線兩端各長b1,同時應(yīng)與排炮孔保持a1的距離，開挖區(qū)內(nèi)的排炮孔宜采用小直徑藥包，遠(yuǎn)離預(yù)裂縫的炮孔可采用大直徑藥包。前者為了減震，后者改善爆破效果[4]。

表 預(yù)裂孔設(shè)計參數(shù)表

2.4.3 深孔預(yù)裂質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

(1)預(yù)裂縫面的最小張開寬度為0.5～1 cm, 堅硬巖石取小值，軟弱巖石取大值。

(2)預(yù)裂面的殘留半孔率：對于堅硬巖石應(yīng)不小于85%；中等堅硬巖石不小于70%；軟弱巖石不小于50%。

(3)鉆孔偏斜度小于10° ，預(yù)裂面的不平整度不大于15 cm。

2.5 解決錨索施工對開挖施工的制約關(guān)系

由于廠房跨度大且其上下游直立邊墻高達(dá)48.3 m，需在上下游直墻上布置錨索進(jìn)行深層錨固，錨索分端頭錨和對穿錨索兩種形式，錨索主要采用2 000 kN級，長度為15～44 m。設(shè)計工程量為417束，其中L=15 m的錨索177束，L=20 m的錨索186束，L=23.1 m的錨索44束，L=44 m的錨索10束；地下廠房預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)主要在直立邊墻進(jìn)行，因其工程量大、線直面廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工序干擾大、技術(shù)難題多，已成為地下廠房施工的難題之一。同時，錨索施工又必須跟進(jìn)開挖適時進(jìn)行，分層支護(hù)結(jié)束才能進(jìn)行下層開挖，故預(yù)應(yīng)力錨索的施工速度、強(qiáng)度制約著地下廠房施工的總進(jìn)度，亦為地下廠房施工的重點(diǎn)之一。為了加快開挖支護(hù)施工進(jìn)度，同時兼顧高邊墻的變形穩(wěn)定和施工安全，項(xiàng)目部對錨索施工采取了以下施工措施：

(1)為了確保高邊墻的安全穩(wěn)定，首先對錨索進(jìn)行有選擇性的施工，即先進(jìn)行對穿錨索以及巖體破碎帶的端錨施工，之后在施工其他剩余非關(guān)鍵性的錨索時即可穿插進(jìn)行下層的邊墻預(yù)裂或局部的中部拉槽開挖以加快施工進(jìn)度；

(2)為了加快廠房施工進(jìn)度，縮短施工工期，錨索錨墩采用鋼錨墩。分別用一塊35 cm×35 cm×5 cm、50 cm×50 cm×5 cm鋼板疊在一起作為錨具的基座，鋼板與巖面的空隙用M35鋼纖維砂漿填充。外錨頭的保護(hù)采用Φ200鋼管做罩子，里面回填灌漿充實(shí)。整個鋼墊墩表面用鋼纖維混凝土封閉(邊墻噴混凝土?xí)r一并完成)。由混凝土錨墩改為鋼墊墩，大大簡化了施工難度，錨索施工速度隨之加快，使廠房邊墻得到了及時有效的深層錨固。垂直邊墻巖體的完整性得到了控制，開挖質(zhì)量亦大大提高[5]。

(3)為了能提前進(jìn)行錨索張拉，在進(jìn)行灌漿時加入了早強(qiáng)劑，以縮短等強(qiáng)時間，加快施工進(jìn)度。

2.6 增設(shè)施工通道

廠房集水井緊靠首臺發(fā)電機(jī)組(6#機(jī)組)，為了避免集水井的開挖對6#機(jī)造成施工干擾和影響，在副廠房底部布置了一條14#施工支洞至集水井部位，該支洞全長39.82 m，支洞開挖斷面為4.5 m×5 m(寬×高)，主要作為廠房右端集水井開挖與支護(hù)的施工通道。

為減小主廠房第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ層開挖對六條引水隧洞下平段鋼管安裝造成的影響，從廠房安裝間上游側(cè)底部水平貫通至1#機(jī)組左側(cè)邊墻而布置了一條4#施工支洞，全長90.004 m，支洞斷面為4.5 m×5 m。該施工支洞主要承擔(dān)主廠房第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ層的開挖與支護(hù)。

為解決主廠房在機(jī)電安裝開始后安裝間的使用與大橋機(jī)運(yùn)行對該標(biāo)廠房內(nèi)混凝土施工的干擾很大、材料運(yùn)輸難的問題，對布置在廠房上游側(cè)的2#排水廊道進(jìn)行擴(kuò)挖，兼作3#施工支洞，以供廠房開挖和后期混凝土澆筑通道使用。

另外，增設(shè)10#施工支洞與1#、5#、8#施工支洞及副廠房右端墻對接，形成地下洞室循環(huán)通道，在很大程度上提高了地下施工通道的通車能力，解決了材料運(yùn)輸、設(shè)備行走難等困難，為地下廠房快速開挖提供了保障。

2.7 周邊增加防護(hù)，減小施工干擾

在右端副廠房頂部與6#機(jī)鄰近處有一條電纜豎井直通地面，按正常施工程序，該豎井應(yīng)在主廠房Ⅱ?qū)娱_挖后即完成開挖支護(hù)，但由于交面滯后，迫使豎井與主廠房6#機(jī)開挖同時施工。

豎井頂部地面高程為910 m，底部高程為706.375 m，豎井深203.625 m。豎井最大開挖直徑為9.6 m，混凝土襯砌后的成井直徑為8 m。1#電梯電纜豎井下部與副廠房頂拱相接，緊鄰副廠房與集水井交界處，距首臺發(fā)電機(jī)組(6#機(jī)組)的水平距離只有15.3 m，豎井底部與6#機(jī)肘管高差達(dá)70 m，豎井的開挖出渣正好散落在6#機(jī)、集水井和副廠房的工作面上，嚴(yán)重影響到6#機(jī)及集水井的施工安全。為避免干擾，突進(jìn)6#機(jī)，對電纜電梯豎井采取了鋼結(jié)構(gòu)隔離防護(hù)措施，使6#機(jī)組相對獨(dú)立施工。

隔離防護(hù)結(jié)構(gòu)采用多邊形(7邊形)鋼結(jié)構(gòu)棱柱體加鋼結(jié)構(gòu)滿堂腳手架，棱柱體為框式結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)在平面上呈井筒七邊方型布置，靠副廠房端墻一側(cè)的邊長為3.83 m，其它六邊邊長為2.07 m(六邊的內(nèi)切圓直徑為5 m)，防護(hù)高程從底板的664.8 m一直到豎井井口，高41.575 m。內(nèi)側(cè)采用δ8鋼板做面板，背面用[14b型槽鋼加固，橫向槽鋼間距為100 cm，槽鋼間用∠70×8 mm角鋼作斜撐，并在靠副廠房右側(cè)邊長為3.83 m的井筒上預(yù)留尺寸為8 m×3 m(高×寬，由于底部需墊渣2 m厚，故出渣口的凈高為6 m)的出渣口，并在出渣口兩側(cè)各布置一根100 cm×100 cm(長×寬)斷面的型鋼組合柱，以及在其他各邊交匯處布置5根80 cm×80 cm(長×寬)斷面的型鋼組合柱，7根型鋼組合柱之間用40 cm×40cm的組合鋼聯(lián)系橫梁組成框架，框架內(nèi)側(cè)與面板后的槽鋼焊接、外側(cè)與60 cm×60 cm間排距、層高1.5 m布置的Φ48鋼架管連接形成一個整體，靠出渣口一側(cè)的鋼管架須搭設(shè)成龍門型，以供出渣通道使用。立柱采用∠125×12 mm角鋼焊接，中部采用∠70×8 mm角鋼連接，立柱與立柱之間的聯(lián)系橫梁采用∠75×5 mm角鋼焊接，立柱底部基礎(chǔ)尺寸為120(或140)cm×120(或140)cm(長×寬)，基礎(chǔ)混凝土為C20，鋼板每2 m為一節(jié)，每節(jié)鋼板之間采用螺栓連接，在安裝時逐節(jié)上升。為增強(qiáng)棱柱體的整體穩(wěn)定性，采取在柱體的三個方向拉纜繩并在副廠房下游墻處使棱柱體與其連接。

為解決豎井底部最后5 m開挖破壞的防護(hù)結(jié)構(gòu)，在防護(hù)結(jié)構(gòu)頂部增加了一層喇叭結(jié)構(gòu)，喇叭邊與直邊夾角為30°，喇叭口頂部與廠房頂拱的系統(tǒng)錨桿和插筋焊接牢固，喇叭口底部與直筒段的面板焊接牢固，同時，在喇叭口外面板用[14b槽鋼斜撐于立拄上，外面再與鋼管架連接成整體，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。前期的開挖防護(hù)主要還是利用喇叭口內(nèi)側(cè)的直段防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。當(dāng)開挖豎井最后5 m時，先將頂部喇叭口內(nèi)的垂直段防護(hù)結(jié)構(gòu)拆除，借用外側(cè)喇叭口進(jìn)行防護(hù)，同時要求嚴(yán)格控制最后5 m豎井開挖的單響藥量和排炮進(jìn)尺，將每排炮進(jìn)尺控制在0.5～0.8 m范圍內(nèi)，以確保安全。

另外，為保證豎井在開挖過程中的灰塵不擴(kuò)散至主廠房，在主廠房和副廠房交界面拉了一道帆布，帆布布置從副廠房上游面邊墻至下游面邊墻，其防護(hù)高度從巖錨梁至副廠房底板高程，即664.8 m。

2.8 采用 “先插桿后注漿”錨桿施工工藝

在地質(zhì)破碎帶或者巖脈帶采用“先插桿后注漿”的錨桿施工工藝，避免了破碎帶或巖脈帶造孔時反復(fù)出現(xiàn)錨桿塌孔而影響到施工進(jìn)度。

2.9 廠房下部體型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

廠房6#機(jī)坑與集水井之間的隔墻和5#機(jī)坑與尾水管及連接洞相交部位由于受f18斷層切割，在開挖過程中該巖臺很難保留，于是在該部位進(jìn)行了控制性爆破對其予以整體挖除，對于底部排水廊道也由不規(guī)則的形狀調(diào)整為4 m×4.5 m規(guī)則的城門洞型，整體加快了開挖施工進(jìn)度。

3 實(shí)際開挖工期

瀑布溝水電站地下工程主廠房首臺機(jī)組(6#機(jī))開挖于2007年2月28日完成，實(shí)際開挖凈工期不足24個月，對比招標(biāo)開挖工期33個月整整節(jié)約了9個月，對比國內(nèi)同類型同規(guī)模地下廠房工程，該工程首臺機(jī)組創(chuàng)造了開挖時間最短的全國之最。

在創(chuàng)造開挖時間最短的同時，施工過程中的各種施工質(zhì)量均滿足設(shè)計要求，亦符合國家相關(guān)規(guī)范，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：整個廠房的洞室變形在允許范圍內(nèi)，處于可控狀態(tài)；施工期間，也未因快速施工發(fā)生重大安全事故?？傊?，依托該工程，安全、優(yōu)質(zhì)、快速、經(jīng)濟(jì)地完成了開挖任務(wù)，為同類工程工期設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了重要技術(shù)依據(jù)，亦為類似大型、特大型地下廠房工程施工提供了很好的借鑒。