永泰抽水蓄能電站地下洞室群施工難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

解迎夏，李 博

(中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

永泰抽水蓄能電站地下洞室群洞室數(shù)目多、各洞室斷面差異大，其中主廠房、主變洞、尾閘洞斷面大且集中，一般稱為“三大洞室”，其中布置有母線洞、交通電纜洞等連接洞室。各洞室之間的開挖順序需作為研究重點(diǎn)，如李術(shù)才、吳波、鄧昌鐵等分別對(duì)大型地下洞室群、城市地鐵區(qū)間隧道洞群及天荒坪抽水蓄能電站地下洞室群進(jìn)行研究總結(jié)，提出相應(yīng)情況下的優(yōu)化措施[1]。

地下洞室圍巖在開挖前處于自然穩(wěn)定狀態(tài)，開挖后需應(yīng)力重分布重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不同的開挖順序下，應(yīng)力重分布狀態(tài)有所不同，洞室的穩(wěn)定性也有所差異，所以開挖方案就有優(yōu)劣之分。因此，大型地下洞室群施工時(shí)如何對(duì)施工順序及分層分區(qū)方法進(jìn)行優(yōu)選，以達(dá)到保證工程施工安全的同時(shí)兼顧質(zhì)量、進(jìn)度和職業(yè)衛(wèi)生健康。本文以福建永泰抽水蓄能電站大型地下洞室群作為研究對(duì)象，根據(jù)施工支洞的布置、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況及建設(shè)單位工期要求等因素，選擇各洞室合理的開挖順序，滿足洞室群施工的安全、質(zhì)量、進(jìn)度和職業(yè)健康要求。

1 概述

福建省永泰縣抽水蓄能電站屬于一等大(1)型工程，樞紐主要由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房及地面開關(guān)站、下水庫(kù)等建筑物組成。

輸水系統(tǒng)由引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)組成，均采用二洞四機(jī)的布置形式，總長(zhǎng)約2 039.20 m(沿4#機(jī)輸水系統(tǒng)長(zhǎng)度)，水平距高比為4.17。引水系統(tǒng)采用兩級(jí)斜井布置形式，長(zhǎng)約1 119.04 m，洞徑為7.00～3.50 m；尾水系統(tǒng)長(zhǎng)約920.16 m，洞徑為7.40～5.20 m。地下廠房系統(tǒng)主要由主副廠房洞、主變洞、尾閘洞、母線洞、500 kV出線洞、進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞、排水廊道等附屬洞室及地面開關(guān)站等建筑物組成。主副廠房洞開挖尺寸為170.00 m×24.50 m×54.70 m(長(zhǎng)×寬×高)，安裝4臺(tái)單機(jī)容量300 MW的立軸單級(jí)混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組。

輸水系統(tǒng)及地下廠房系統(tǒng)土建及金屬結(jié)構(gòu)制安工程施工標(biāo)的主要建筑物包括：引水系統(tǒng)(不含上庫(kù)進(jìn)/出水口和上庫(kù)事故閘門井)、地下廠房系統(tǒng)(不含廠房結(jié)構(gòu)混凝土工程)、尾水系統(tǒng)(不含下庫(kù)進(jìn)/出水口和下庫(kù)檢修閘門井)、輸水系統(tǒng)及廠房系統(tǒng)施工支洞、本標(biāo)段范圍環(huán)境保護(hù)及水土保持工程、壓力鋼管采購(gòu)制作安裝(不含鋼岔管瓦片、中平洞進(jìn)人孔的采購(gòu)制作)、閘門及啟閉機(jī)安裝、預(yù)埋件工程、安全監(jiān)測(cè)土建工程。

輸水系統(tǒng)及地下廠房系統(tǒng)主要建筑物如圖1所示。

2 地下洞室群的施工難點(diǎn)及措施

2.1 地下洞室群施工方法

我國(guó)在20世紀(jì)六七十年代，隧道施工方法是采用鋼釬大錘施工，80年代開始推廣“新奧法”施工，后來應(yīng)用液壓鑿巖臺(tái)車，20世紀(jì)末引進(jìn)了大型隧道掘進(jìn)機(jī)。大型地下洞室同隧道施工發(fā)展歷史相近，20世紀(jì)70年代前主要采取多洞室分層施工，以保持洞室穩(wěn)定;

圖1 施工示意

80年代后，隨著“新奧法”施工日益成熟，采用了分層梯段爆破、光面爆破等配以鑿巖臺(tái)車、挖掘機(jī)配自卸汽車的施工工藝。從此地下工程進(jìn)入了破巖速度高、控制爆破與爆刻技術(shù)應(yīng)用及適時(shí)進(jìn)行錨噴支護(hù)的現(xiàn)代地下工程開挖方法的新階段。

新奧法是“新奧地利隧道工程法”的簡(jiǎn)稱，其核心思想是“在充分考慮圍巖自身承載能力的基礎(chǔ)上，因地制宜地搞好地下洞室的開挖與支護(hù)”。作為一個(gè)完整的概念，它強(qiáng)調(diào)運(yùn)用輪廓控制爆破(如光面爆破、預(yù)裂爆破或其他破壞圍巖最小的開挖方法)、錨噴支護(hù)和施工過程中的圍巖穩(wěn)定狀況監(jiān)測(cè)，此亦稱為新奧法的三大支柱[2]。

2.2 施工的難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

1) 為最大限度減小和限制大跨度、高邊墻洞室的變形，地下廠房系統(tǒng)洞室群的施工以三大洞室為中心，合理安排主副廠房洞、主變洞、尾閘洞的開挖順序及其他相連洞室—母線洞、高壓引水支管、尾水管擴(kuò)散段(尾水管洞，后同)、尾水支管等的開挖支護(hù)程序，保證三大洞室圍巖穩(wěn)定及洞室群整體穩(wěn)定，確保施工安全。

施工措施：工程開工后，及時(shí)開挖廠房頂拱外圍的上層排水廊道，主變洞頂拱下游上層排水廊道開挖在主變排風(fēng)洞開挖結(jié)束后及時(shí)進(jìn)行，上層排水廊道開挖結(jié)束后及時(shí)施工上仰排水孔鉆孔，以進(jìn)一步降低廠房系統(tǒng)區(qū)域的地下水位，減小主副廠房洞、主變洞頂拱地下水壓力和滲透變形，減少頂拱開挖后巖體滲水，增加圍巖的自穩(wěn)能力。中、下層排水廊道的開挖及排水孔施工超前于主副廠房及安裝場(chǎng)、主變洞及尾閘洞相應(yīng)高程的開挖，減少洞室邊墻開挖后的滲水和變形，增加高邊墻的穩(wěn)定性[3]。

主副廠房洞及主變洞頂拱是地下廠房開挖中質(zhì)量要求最高的部位之一，其頂拱圍巖穩(wěn)定關(guān)系到施工和電站運(yùn)行安全[4]。主廠房、主變洞頂拱開挖支護(hù)采取中部超前，上、下游兩側(cè)頂拱部分滯后擴(kuò)挖跟進(jìn)的方式。為保證頂拱兩側(cè)拱腳開挖成型質(zhì)量，預(yù)留2 m保護(hù)層與第Ⅱ?qū)油介_挖支護(hù)，各開挖掌子面錯(cuò)開30 m以上，各部分開挖后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，開挖未支護(hù)長(zhǎng)度不超過10 m，盡量減小洞室頂拱一次性開挖跨度和未支護(hù)長(zhǎng)度，控制圍巖有害變形；頂拱各部位開挖嚴(yán)格遵守“短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤觀測(cè)”的原則，無論中部還是兩側(cè)擴(kuò)挖，每排炮開挖后及時(shí)施工隨機(jī)錨桿，并噴一層混凝土，防止局部緩傾角節(jié)理和薄餅狀卸荷片巖與高傾角節(jié)理組合可能造成的頂拱局部掉塊，以及圍巖松馳掉塊，然后再進(jìn)行系統(tǒng)永久支護(hù)結(jié)構(gòu)施工；兩側(cè)擴(kuò)挖時(shí)嚴(yán)格控制單響藥量，爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度應(yīng)滿足規(guī)范要求。

2) 斜井施工包括導(dǎo)井開挖、擴(kuò)挖及支護(hù)、裸巖灌漿、壓力鋼管安裝、混凝土回填，其施工難度大，運(yùn)輸、提升系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)高，是本工程施工重點(diǎn)和難點(diǎn)。

應(yīng)對(duì)措施：斜井開挖選用BMC400型反井鉆機(jī)鉆Φ2 m導(dǎo)井，導(dǎo)井施工貫通后，1次擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面。

斜井施工的難點(diǎn)在于擴(kuò)挖支護(hù)、灌漿、鋼管安裝及混凝土澆筑施工各環(huán)節(jié)提升系統(tǒng)的布置。為保證施工安全，斜井?dāng)U挖、灌漿施工期間，采用2臺(tái)單筒絞車牽引擴(kuò)挖平臺(tái)(或灌漿平臺(tái))到達(dá)工作面，另采用1臺(tái)雙筒絞車牽引運(yùn)輸小車運(yùn)送施工材料及人員到工作面；鋼管安裝及混凝土澆筑期間采用2臺(tái)單筒絞車牽引運(yùn)輸臺(tái)車下放鋼管至工作面安裝，另1臺(tái)雙筒絞車牽引運(yùn)輸小車運(yùn)送混凝土等材料及人員到工作面。運(yùn)輸小車底盤設(shè)置防墜落的抱軌裝置。

3) 永泰抽蓄工程地下洞室群規(guī)模較大，承擔(dān)地下廠房系統(tǒng)施工的通風(fēng)兼安全洞、進(jìn)廠交通洞及引水中平洞施工支洞(2#支洞)長(zhǎng)度均超過1 km，尾水洞、引水下平洞施工支洞均從進(jìn)廠交通洞開口引入，線路曲折且比較長(zhǎng)，前期通風(fēng)出口少、洞室不能形成循環(huán)通風(fēng)路徑，施工通風(fēng)散煙困難，是影響職業(yè)健康安全，制約施工進(jìn)度的重要因素。通風(fēng)散煙是本工程施工的一個(gè)難點(diǎn)，經(jīng)研究，采取以下應(yīng)對(duì)措施：

① 根據(jù)本工程地下洞室群的布置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，做好施工通風(fēng)規(guī)劃及布置，優(yōu)選通風(fēng)路徑、通風(fēng)設(shè)備，在施工程序和進(jìn)度安排上優(yōu)先安排主要通風(fēng)洞、井的施工[5]；

② 前期施工通道開挖、大洞室上部開挖、平洞開挖以正、負(fù)壓通風(fēng)為主，配置“柯迪發(fā)”品牌高風(fēng)壓、長(zhǎng)距離軸流通風(fēng)機(jī)，滿足洞室獨(dú)頭工作面開挖通風(fēng)、排煙需要；

③ 主廠房、主變洞開挖與左、右兩側(cè)通道貫通后，采用進(jìn)廠交通洞進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)兼安全洞出風(fēng)，形成循環(huán)通風(fēng)；

④ 引水系統(tǒng)斜井導(dǎo)井開挖貫通后，采取低進(jìn)、高出的通風(fēng)方式，以進(jìn)廠交通洞和3#施工支洞進(jìn)風(fēng)，2#施工支洞、1#施工支洞出風(fēng)；

⑤ 尾水隧洞、尾水岔洞及尾水支洞前期采用正、負(fù)壓通風(fēng)，尾水隧洞與下庫(kù)進(jìn)/出水口貫通后，采用正壓送通風(fēng)；尾調(diào)通氣洞及尾調(diào)上室開挖結(jié)束后，盡快打通尾調(diào)室豎井導(dǎo)井，以5#施工支洞及其上游尾水洞段進(jìn)風(fēng)，尾水調(diào)壓室及其通氣洞出風(fēng)；

⑥ 尾閘室Ⅰ、Ⅱ?qū)娱_挖期間，從尾閘交通洞主變洞側(cè)洞口布置風(fēng)機(jī)正壓通風(fēng)，Ⅱ?qū)娱_挖與尾閘運(yùn)輸洞貫通后，從尾閘運(yùn)輸洞進(jìn)風(fēng)，尾閘交通洞出風(fēng)，解決尾閘洞的通風(fēng)問題；

⑦ 排水廊道、排煙緊井及平洞的通風(fēng)采用在相連的大洞室布置通風(fēng)機(jī)向洞內(nèi)正壓送風(fēng)，廢氣排至大洞室內(nèi)，與大洞室的廢氣一起統(tǒng)一排出洞外；

⑧ 洞室開挖全部完成后，主要以自然通風(fēng)為主，保留部分前期布置的正壓通風(fēng)機(jī)輔助進(jìn)風(fēng)；

⑨ 施工過程中，由項(xiàng)目部安全監(jiān)測(cè)室進(jìn)行有害氣體(CO、NO、氡氣)濃度監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)有害氣體超標(biāo)時(shí)，及時(shí)加強(qiáng)通風(fēng)，使有害氣體濃度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于通風(fēng)死角或斷面較小的洞室，采用供風(fēng)管高壓風(fēng)輔助通風(fēng)降低空氣中有害氣體的濃度。

2.3 基本經(jīng)驗(yàn)

1) 規(guī)劃和優(yōu)化總體施工方案，認(rèn)真布置施工支洞，使引水系統(tǒng)、三大洞室和尾水系統(tǒng)形成既互不干擾又有機(jī)聯(lián)系的整體，實(shí)現(xiàn)多工作面連續(xù)施工。

2) 充分利用關(guān)鍵線路上地下廠房尺寸大、工序多的特點(diǎn)，規(guī)劃合理的分層分塊，采用“平面多工序、立體多層次”的施工方法，實(shí)現(xiàn)快速施工。

3) 抓住地下廠房施工的四大難點(diǎn)，即頂拱的開挖、支護(hù);巖壁吊車梁的施工;廠房高邊墻快速支護(hù);大挖空率的母線洞、尾水管與廠房高邊墻交叉口施工程序，合理安排施工程序，科學(xué)選擇施工方案。

4) 廣泛采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，尤其是高效的成配套的施工設(shè)備，如多臂液壓鉆孔臺(tái)車、錨桿三聯(lián)機(jī)、噴混凝土機(jī)械手、反井鉆機(jī)等。

5) 利用現(xiàn)代信息化技術(shù)，進(jìn)行三維有限元分析、施工期地質(zhì)評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)成果反饋分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。

3 結(jié)語

從現(xiàn)今的工程實(shí)際出發(fā)，在今后的很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，鉆孔爆破法仍然是修建地下洞室工程的主流方法，是其他方法不可能代替的。大型地下洞室斷面大，縱向長(zhǎng)度相對(duì)較短，更適用于鉆爆法[6]。因此，完善和發(fā)展鉆孔爆破法及其相關(guān)施工技術(shù)是地下工程的主攻方向。在進(jìn)行廠房上部幾層開挖時(shí)，在確保安全的情況下按照“平面多工序、立體多層次”的方法可提前開始上下游、底部一些層次、相連洞口段的開挖，如尾水支洞一般會(huì)在廠房中部開挖時(shí)形成，之后可提前進(jìn)入廠房底部進(jìn)行機(jī)窩開挖，在保證安全的前提下可以省去隔墩以下開挖工期。

對(duì)于抽水蓄能電站地下洞室施工而言，施工布置時(shí)應(yīng)合理規(guī)劃，堅(jiān)持以人為本，保護(hù)環(huán)境;在施工中，要確定正確的施工順序，編制合理的施工組織設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格管理，結(jié)合先進(jìn)的施工技術(shù)，使施工盡可能節(jié)約成本，增加利潤(rùn)。