巖灘水電站地下廠房開挖快速施工技術(shù)

萬和江，李偉

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川成都610091)

1 工程概況

巖灘水電站二期擴(kuò)建工程布置于右岸一期工程廠房右側(cè)80 m的山體內(nèi)，為地下式廠房，裝機(jī)2×300 MW。樞紐主要建筑物由進(jìn)水口、引水隧洞、主、副廠房、主變室、尾水隧洞和廠房運(yùn)輸洞等組成。地下廠房為首部式布置，引水隧洞、尾水隧洞均采用一機(jī)一洞布置。地下廠房縱軸線與一期工程壩軸線成35°交角，右端往上游偏轉(zhuǎn)。地下廠房開挖長(zhǎng)度為133.4 m，寬29.7～30.8 m，最大開挖高度為76.67 m。

2 工程地質(zhì)條件

廠區(qū)洞室?guī)r體為輝綠巖侵入體中心相暗色菊花狀粗晶輝長(zhǎng)輝綠巖(上層)和淺色條帶狀粗晶輝綠巖(下層)，厚度變化分別為40～100 m和70～80 m，總厚度變幅為110～180 m。廠區(qū)洞室圍巖以橫河向分布的F48陡立逆斷層為分界線，下盤上游側(cè)絕大部為Ⅱ類圍巖，上盤下游側(cè)為Ⅲ類圍巖。巖石具有高重度(γ≥29 kN/m3)、高力學(xué)強(qiáng)度(Rb≥100 MPa)和堅(jiān)硬性脆的特征。圍巖陡傾角小斷層較多，且有少量松軟巖分布構(gòu)成軟弱面，陡、緩傾角節(jié)理發(fā)育較密，有少量地下水影響。主廠房洞室與引水洞、尾水支洞、母線洞、運(yùn)輸洞、排風(fēng)洞的交叉地段由于水平、垂直二維臨空和爆破影響，易出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，特別是在f211分布部位易產(chǎn)生變形失穩(wěn)。

3 施工進(jìn)度

巖灘水電站二期擴(kuò)建工程于2010年10月1日開工，2012年7月1日完成首臺(tái)機(jī)組開挖，用時(shí)21個(gè)月;2012年7月19日完成第二臺(tái)機(jī)組開挖，用時(shí)21.6個(gè)月。巖灘水電站二期擴(kuò)建工程地下廠房首臺(tái)機(jī)組開挖僅用時(shí)21個(gè)月完成施工任務(wù)，在爆破振動(dòng)速度有特殊限制的條件下，達(dá)到了同類工程施工領(lǐng)先水平。

4 施工程序

4.1 開挖分層設(shè)計(jì)

巖灘水電站地下廠房洞室群包括引水隧洞、主、副廠房及安裝間、尾水洞、主變室、主變運(yùn)輸洞、母線洞、電纜廊道、廠房運(yùn)輸洞、主變排風(fēng)洞、排風(fēng)豎井、廠房交通豎井、一二期廠房交通洞、帷幕灌漿洞、排水洞以及引水隧洞、廠房、主變、尾水洞等洞室的施工支洞。

結(jié)合主要建筑物空間位置和現(xiàn)場(chǎng)通道布置條件，廠房開挖施工總體分為九層，最大層厚12.14 m。由于二期廠房開挖部位緊臨一期廠房，受一期機(jī)組運(yùn)行要求，爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度不能大于0.5 m/s。對(duì)于大于9 m以上的臺(tái)階爆破，既使采用單孔單響爆破，也容易出現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度超標(biāo)。為了保證一期廠房運(yùn)行安全，在實(shí)際開挖時(shí)，將大于9 m以上的開挖分層進(jìn)一步劃分為兩層，分兩次進(jìn)行鉆孔爆破(圖1)。

4.2 施工通道規(guī)劃

根據(jù)施工需要，統(tǒng)籌規(guī)劃了6條施工支洞做為主要施工通道:廠房運(yùn)輸洞、廠房主變頂拱施工支洞、引水隧洞施工支洞、尾水隧洞施工支洞、尾水管施工支洞，其相應(yīng)布置及功能如下所述。

廠房運(yùn)輸洞:進(jìn)廠運(yùn)輸洞從安裝間下游墻端往下游布置，連接下游對(duì)外公路。進(jìn)廠運(yùn)輸洞總長(zhǎng)度為501.07 m，底坡7.01%。斷面為城門洞型，寬10 m，直墻高7 m，洞高9 m。

圖1 主廠房、尾水管及主變室開挖分層圖

廠房主變、頂拱施工支洞:起點(diǎn)為改建新路，高程為176 m;終點(diǎn)為廠房右端墻，高程為182 m，為廠房、主變Ⅰ、Ⅱ?qū)娱_挖出渣、混凝土襯砌運(yùn)輸施工通道;施工支洞長(zhǎng)125.87 m，城門洞型，寬7.5 m、高6.5 m。

主變室排風(fēng)洞:起點(diǎn)為廠房、主變室頂拱施工支洞，高程182.5 m;終點(diǎn)為主變洞右端墻，高程176.3 m，為主變Ⅰ、Ⅱ?qū)娱_挖出渣運(yùn)輸?shù)氖┕ねǖ?，洞長(zhǎng)79.61 m，城門洞型，寬5.5 m、高5.5 m。

引水隧洞施工支洞:起點(diǎn)為廠房運(yùn)輸洞尾部，高程165.31 m;終點(diǎn)為引水隧洞下平段，高程142.1 m，為廠房Ⅴ～Ⅵ層、引水隧洞斜井和下平段開挖出渣及混凝土運(yùn)輸?shù)氖┕ねǖ?，施工支洞長(zhǎng)361.34 m，城門洞型，寬7.5 m、高6.5 m。

尾水隧洞施工支洞:起點(diǎn)為廠房運(yùn)輸洞后部，高程160.93 m;終點(diǎn)為尾水管施工支洞和尾水主洞施工支洞起點(diǎn)，高程128.5 m，為廠房Ⅶ～Ⅸ層、尾水?dāng)U散段開挖出渣及混凝土運(yùn)輸?shù)氖┕ねǖ?，施工支洞長(zhǎng)462.11 m，城門洞型，寬7.5 m、高6.5 m。

尾水管施工支洞:起點(diǎn)為尾水隧洞施工支洞，高程128.5 m;終點(diǎn)為尾水?dāng)U散段，高程120.5 m，為廠房Ⅶ～Ⅸ層、尾水?dāng)U散段開挖出渣及混凝土運(yùn)輸?shù)氖┕ねǖ?，施工支洞長(zhǎng)134.18 m，城門洞型，寬7.5 m、高6.5 m。

4.3 施工程序優(yōu)化

按照從上至下分層、分部開挖和相鄰洞室開挖先洞后墻的原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)通道布置條件進(jìn)行施工程序優(yōu)化。在廠房、主變室排風(fēng)洞開挖支護(hù)完后進(jìn)行廠房第I層開挖;廠房第Ⅱ?qū)邮┕r(shí)進(jìn)行廠房Ⅲ、Ⅳ層導(dǎo)洞、母線洞開挖，在第Ⅱ?qū)娱_挖前結(jié)束;引水隧洞施工支洞在廠房運(yùn)輸洞開挖至與引水隧洞交叉處時(shí)開始;尾水管施工支洞在廠房Ⅴ層開挖完之前完成;廠房第Ⅴ、Ⅵ層開挖前完成尾水管開挖。為了加快施工進(jìn)度，尾水管開挖完成后立即開始Ⅷ、Ⅸ層開挖，Ⅷ、Ⅸ層開挖與第Ⅴ、Ⅵ層開挖同時(shí)進(jìn)行，最后開挖貫通第Ⅶ層。施工程序見圖2。

5 主要施工技術(shù)

5.1 廠房頂拱開挖采取的快速優(yōu)質(zhì)施工技術(shù)

圖2 廠房開挖施工程序圖

主廠房頂拱跨度為30.7 m，施工的首要任務(wù)是保證頂拱的穩(wěn)定。要求開挖面平整光滑，確保開挖面應(yīng)力均勻釋放，不產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。采取多臂鉆開挖保方量，手風(fēng)鉆施工保質(zhì)量的策略。采用中導(dǎo)洞(8 m×8 m)領(lǐng)先20～30 m，頂拱2 m保護(hù)層手風(fēng)鉆擴(kuò)挖跟進(jìn)，及時(shí)支護(hù);兩側(cè)呈階梯推進(jìn)，開挖工作面之間距離30～50 m，大方量開挖由多臂鉆承擔(dān)，2 m保護(hù)層開挖由手風(fēng)鉆進(jìn)行，光面爆破，孔距不得超過40 cm，鉆孔采用加密放樣、放后視點(diǎn)、插導(dǎo)向管等措施，以提高鉆孔精度。

5.2 巖錨梁精準(zhǔn)開挖施工技術(shù)

為減少中部梯段爆破對(duì)巖壁梁巖臺(tái)開挖的影響甚至梯段爆破施工時(shí)造成巖壁梁巖臺(tái)被拉裂，在主廠房上、下游各預(yù)留4 m的保護(hù)層，保護(hù)層和中部拉槽之間提前進(jìn)行預(yù)裂爆破施工，一次深孔預(yù)裂到位。在巖臺(tái)下部50 cm處增加鎖腳錨桿，并提前對(duì)下拐點(diǎn)以下部位進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨支護(hù)施工，防止巖臺(tái)下拐點(diǎn)拉裂而造成超挖。進(jìn)行巖壁梁巖臺(tái)正式開挖之前，在上下游各選擇1～2段具有代表性圍巖進(jìn)行爆破試驗(yàn)，每種試驗(yàn)長(zhǎng)度各5 m，選擇不同孔距，通過其檢驗(yàn)開挖后爆破質(zhì)量對(duì)比，選擇最佳參數(shù)。邊墻施打豎向光爆孔，在斜面上施打傾斜光爆孔。豎向光爆孔孔深2.68 m，斜面光爆孔孔深1.7 m，孔距為40 cm，線裝藥密度100 g/m。采用YT－26型手風(fēng)鉆鉆孔，排架鋼管搭設(shè)樣架定位，垂直孔和傾斜孔錯(cuò)開布置。

5.3 洞室群交叉口安全開挖施工技術(shù)

對(duì)于隧洞平交口的開挖，在掌子面超過岔洞口30 m且完成平交口段主洞支護(hù)和岔洞口超前鎖口錨桿后方可開岔洞口，岔洞進(jìn)口段2倍洞徑(跨度)范圍內(nèi)按“短進(jìn)尺、弱爆破、及時(shí)支護(hù)”的開挖支護(hù)原則施工并加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)，必要時(shí)增加鋼筋格柵支撐或鋼筋混凝土鎖口，以保證隧洞平交口段的圍巖穩(wěn)定。對(duì)于廠房機(jī)窩、豎井井口開挖，在廠房機(jī)窩、豎井井口開始擴(kuò)挖前，先對(duì)井口周邊規(guī)格線進(jìn)行預(yù)裂，再沿井口周邊外圍鉆孔安裝一排鋼筋樁用以加強(qiáng)錨固井口圍巖;豎井全斷面擴(kuò)挖下降約6 m后在井口澆筑一圈鋼筋混凝土鎖口，裝安全護(hù)欄后再繼續(xù)開挖。鎖口混凝土同時(shí)起到保證井口安全、防滲水及防墜石的功能。對(duì)于平洞與豎井交叉口開挖，首先開挖下平洞形成豎井開挖的下通道，豎井開挖前，平洞頂必須先進(jìn)行鎖口及系統(tǒng)錨噴支護(hù)。

5.4 高精度控制爆破技術(shù)

巖灘水電站二期地下廠房開挖距一期工程廠房最近距離僅80 m，受保護(hù)的水電站及發(fā)電廠中心控制設(shè)備室對(duì)爆破振動(dòng)控制要求非常嚴(yán)格，爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)為0.5 cm/s。

為了減小地下廠房開挖對(duì)一期電廠運(yùn)行的影響，采用先周邊預(yù)裂、后梯段爆破的方法進(jìn)行施工。預(yù)裂孔孔徑90 mm，鉆孔深度10～12 m，孔距80 cm，使用QZJ－100B鉆機(jī)鉆孔，線裝藥密度為450～500 g/m，孔口裝藥密度適當(dāng)減少，孔底加強(qiáng)藥量800～1 200 g。爆破孔孔徑100 mm，鉆孔深度6～8 m，孔排距1.5 m×1.5 m，使用液壓鉆機(jī)為主輔助ZJ－100B鉆機(jī)鉆孔，炸藥單耗為0.55 kg/m3。

5.5 不良地質(zhì)洞段采用的施工技術(shù)

施工過程中，當(dāng)接近斷層破碎帶及節(jié)理發(fā)育洞段時(shí)，開挖之前進(jìn)行超前鉆探孔，以準(zhǔn)確了解地下洞室中尚未開挖巖體的地質(zhì)情況，及時(shí)研究選定掌子面開挖后的支護(hù)形式，對(duì)前方可能出現(xiàn)的涌水、有害氣體、崩塌等及時(shí)采取防范措施，改進(jìn)施工方法，避免工程事故，確保人身安全。當(dāng)斷層破碎帶內(nèi)充填軟塑狀斷層泥或特別松散的顆粒時(shí)，采取超前錨桿或超前小導(dǎo)管以及超前管棚法超前支護(hù)，在超前支護(hù)的保護(hù)下進(jìn)行分層開挖。若斷層地段出現(xiàn)大量涌水，則采取引、排、堵、截相結(jié)合的治理措施。采取分部開挖、分部支護(hù);采用淺鉆孔、弱爆破、多循環(huán)的施工方法，嚴(yán)格控制炮眼數(shù)量、深度及裝藥量，盡量減少爆破對(duì)圍巖的震動(dòng)。

6 結(jié)語

巖灘水電站二期工程地下廠房開挖是整個(gè)項(xiàng)目施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是確保工程按期發(fā)電的關(guān)鍵線路，雖然在開挖施工過程中也遇到了各種各樣的困難和問題，最終仍然以21個(gè)月的較短工期完成了首臺(tái)機(jī)組開挖，取得了以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，可供業(yè)內(nèi)人員參考:

(1)合理優(yōu)化施工程序，在廠房第Ⅴ、Ⅵ層開挖時(shí)同步開挖第Ⅷ、Ⅸ層，最后貫通開挖第Ⅷ層，有效節(jié)省了時(shí)間。

(2)重點(diǎn)抓好廠房頂拱、巖錨梁、洞室群交叉口施工工藝，在確保關(guān)鍵部位的施工質(zhì)量、安全達(dá)標(biāo)創(chuàng)優(yōu)的同時(shí)確保了施工進(jìn)度。

(3)重點(diǎn)抓好支護(hù)工作，投入3臺(tái)多臂鑿巖臺(tái)車和2臺(tái)濕噴臺(tái)車進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，確保支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)，在確保施工安全的同時(shí)，盡量少的占用直線工期。

(4)控制爆破采用精確非電毫秒雷管接力起爆網(wǎng)絡(luò)，在控制最大單響起爆藥量的前提下提高一次爆破方量;在確保一期電廠運(yùn)行安全的情況下，減少爆破次數(shù)，以加快施工進(jìn)度。

(5)超前預(yù)報(bào)不良地質(zhì)構(gòu)造，提前制訂可行的應(yīng)對(duì)措施，快速施工一次到位，盡可能地減少不良地質(zhì)構(gòu)造處理對(duì)施工進(jìn)度的影響。