XX地下电站大型洞室群开挖支护技术

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

构皮滩地下电站大型洞室群开挖支护技术
偰光恒1字继权1  辛文波2
（1中国水利水电第十四工程局有限公司   650041）
（2中国水利水电建设工程咨询中南公司 410014）
【摘 要】 结合贵州构皮滩地下电站大型洞室群施工，总结强岩溶影响下大型洞室群开挖支护技术，供类似工程设计、施工参考。
【关键词】 构皮滩   地下电站   大型洞室群   开挖支护 技术
1 前言
随着“西部大开发”及“西电东送”战略的实施，众多代表世界级的大型水电工程在中国纷纷启动，水电资源的开发与利用取得了迅猛的发展。许多大型水电工程地处深山峡谷之中，地上空间非常有限，开发利用地下空间成为水电工程发展的必然趋势，大型地下工程将越来越多，地下工程施工技术在水电工程建设中占据重要地位。
2 工程简介
构皮滩水电站作为国家“西电东送”的标志性工程，是目前国内强岩溶地区最大的地下电站，属Ⅰ等工程，电站装机5×600MW。整个枢纽布置非常紧凑，主要建筑物有双曲拱坝、泄洪消能建筑物、电站厂房、通航及导流建筑物等。
构皮滩水电站地下厂房洞室群在不到0.5Km2的区域内布置了近七十多条洞室，洞室纵横交错，平、竖相贯，总长度近15Km，总洞挖量170万m3，各类锚杆16万根，预应力锚索1444束，喷混凝土9.2万m3。
地下厂房最大开挖尺寸230.45×27×75.32m（长×宽×高）、主变室最大开挖尺寸207.1×15.8×21.34m（长×宽×高）、调压室廊道最大开挖尺寸158×19.30×22.83m（长×宽×高）、调压室竖井段高90.42m，三大洞室间岩柱最大厚度为30m。
地下电站建筑物主要包括：引水渠、进水塔、引水隧洞、主厂房、主变洞、尾水洞、调压室、尾水平台、尾水渠、开关站、交通洞及通风洞等。
受以W24岩溶系统为代表的空间展布错综复杂的岩溶系统的影响，构皮滩地下电站是一个复杂的超大型地下工程。构皮滩地下电站透视图见图1。
 
图1 构皮滩地下电站透视图
3 地质条件
构皮滩电站坝址区处于高山峡谷的岩溶地区，岩溶发育，岩溶及地下水对地下洞室围岩稳定性的影响是重要的工程地质问题之一。构皮滩电站地下厂房洞室群主要处于P～P1q灰岩地层中，岩体条件复杂：层间错动及岩石结构面穿过洞室，沿断层、分层间错动多溶蚀，发育有溶洞；建筑物范围裂隙较发育。地下厂房洞室群主要发育有规模庞大的W24岩溶系统主干管道及其旁侧沿NW、NWW向断裂发育的岩溶宽缝、P1m1-1层顺层风化溶滤带(K10)及沿NW断裂发育的溶洞K2、K11、K82等。虽然构皮滩电站岩溶系统总体上顺层发育，但受NW、NWW向断裂发育的影响，岩溶发育存在很大的不确定性，岩溶管道分布及地下水渗流条件极其复杂，施工期由于洞室开挖，改变了岩溶管道所处的外部环境条件，容易突发涌水、涌泥。上述因素不仅对施工期及运行期地下洞室群的稳定性存在不利影响，而且会影响正常的施工组织及工程的施工进度。1m
在国内外灰岩地区大型水电工程中，大型地下洞室群遭遇岩溶发育规模如此之巨大、岩溶影响洞室之多尚属首次，岩溶系统贯穿了以三大洞室为代表的整个大型地下洞室群，在国内外大型地下洞室工程中实属罕见。
4 大型地下洞室群开挖支护技术
4.1 施工总程序
构皮滩电站受强岩溶影响，地下电站三大洞室之间的岩柱厚度仅为30m和23.8m，是国内同等规模地下电站三大洞室中最薄的岩柱。根据强岩溶和受其影响下大型地下洞室群的布置特性、工期要求、质量、安全及稳定条件，制定科学合理的施工程序，以满足复杂岩溶系统处理和地下洞室群的施工需要。三大洞室开挖支护总体程序如下：
1、厂房和尾水调压室受强岩溶影响范围大，三大洞室之间在立面上制定“先小洞后大洞”施工程序，即主变室先行、主厂房紧随其后、尾水调压室开挖相应滞后的顺序进行。以防三大洞室塑性变形贯穿，确保三大洞室稳定。三大洞室施工总程序见图2。主厂房、主变室、尾水调压室（井）均采用分层开挖及支护的方法。
2、对引水洞、进厂交通洞、副厂房至副安装场连通洞、尾水管等与厂房高边墙交叉的洞口，遵循“小洞穿大洞”的程序，在厂房高边墙开挖至上述部位前先行开挖进入厂房1～2m以上，并做好锁口喷锚强支护。
3、引水洞、母线洞、尾水管的施工按相邻两洞错开间隔施工的原则进行，必须相邻开挖时，开挖的掌子面要错开1.5倍岩柱厚度以上，并且对超前的洞段及时支护。
4、充分利用施工支洞条件，按“平面多工序、立体多层次”要旨依次展开各主体洞室的开挖，并尽早将主要洞室的上部与永久或临时通风洞（井）连通，以解决和改善各洞室的通风条件。
图2 三大洞室施工总程序图
4.2 施工通道布置
构皮滩地下电站在不到0.5km2的山体内，大小洞室达七十多条，布置高差超过250m，洞长近15 km。根据国内外已建和在建大型地下洞室群布置规律和经验，结合构皮滩地下洞室群布置特点，兼顾岩溶系统空间分布，将通道分为上、中、下三部分进行规划。图3为构皮滩地下厂房系统施工通道空间规划示意图。
 
图3　构皮滩地下厂房系统施工通道空间规划示意图
为满足构皮滩地下洞室群施工需要，总共布置了20条主要施工支洞，支洞总长达5620.65m。构皮滩大型地下洞室群布置非常复杂，加之受复杂岩溶系统影响后，其施工通道规划的合理性尤为重要，在工程建设中根据岩溶揭露情况和工程进度情况，及时研究通道布置，在投标方按基础上先后增设了8条施工支洞，实践证明通道布置满足了工程建设需要。
4.3 三大洞室开挖支护关键施工技术
4.3.1 主厂房和主变室开挖技术
构皮滩水电站地下厂房开挖尺寸为：230.45×27×75.32m，开挖工程量32.4万m3，工程规模巨大，属于大型地下厂房。
该地下厂房开挖支护特点如下：①厂房跨度大，洞室较长，属于特大断面洞室开挖；②开挖、支护工程量大，施工强度高；③支护类型多，有普通砂浆锚杆、张拉锚杆、预应力锚杆、预应力锚索、钢纤维混凝土、微纤维混凝土，工艺复杂，施工技术含量高；④与主厂房交叉洞室多，数量达22余条，交叉段洞室高边墙稳定问题突出；⑤工程地质条件复杂，岩溶规模庞大，主厂房和主变洞在开挖过程中均多次揭露不同规模的岩溶溶洞，对主体工程施工造成了极大的影响。
1、开挖分层方案选取
根据地下厂房的结构特点、通道条件和施工机械性能，综合考虑主厂房、主变室各层开挖及喷锚支护的最佳高度，厂区岩溶分布特性，同时兼顾岩锚梁混凝土、母线洞和尾水管等施工需要，主厂房自上而下分九层开挖支护，主变室分三层开挖支护。开挖分层和分区如图4所示。
图4  主厂房及主变室开挖分层图
2、岩溶影响区域洞室施工技术
主厂房开挖过程中，先后揭露不同规模的溶洞共9条，对主厂房开挖支护施工造成了巨大的影响。针对不同的岩溶管道分别采取了“治水优先，随层处理、逐层回填”、“跨越岩溶、平行作业，分界优先、辟径处理，分段截断、分期处理，临时封堵、适时处理”等多项处理程序，对岩溶溶洞进行了有效的处理，保证了主体工程开挖支护施工。针对岩溶系统的存在和对主体工程的影响，对岩溶系统采取了“置换加固、灌浆加固、深层锚固（锚索、锚筋桩、长锚杆）、拱桥加固”等一系列加固处理措施，确保了岩溶影响区域主厂房围岩的稳定和施工工期。
主变洞开挖中，先后揭露了不同规模的岩溶溶洞共3条，对主变洞开挖支护造成较大的影响，曾多次突发涌水、涌泥，其中岩溶管道沉积水最大突发量达2万m3/h。针对突发涌水、涌泥，采取了“引、排、截、堵”等一系列行之有效的处理措施，保证了主变洞开挖支护的施工安全和施工进度。
3、岩溶影响区域施工方案优化调整
岩溶影响区域主体工程施工方案必须结合岩溶特性进行优化调整。主厂房、主变室最为突出的调整有以下几个方面：
①开挖分层分区优化调整
将主厂房原方案中的Ⅲ～Ⅵ层调整为Ⅲ～Ⅴ层，遇岩溶时进行层内分层分区，实现薄层开挖，或局部预留，进行跨层施工。
②爆破参数调整
根据开挖进程进行爆破试验，结合岩溶情况，不断优化爆破参数，减小对岩溶区域围岩的振动破坏，保证了施工安全和围岩稳定。
③支护参数调整
根据围岩稳定监测和爆破监测数据，对岩溶影响区域围岩稳定较差的部位，增设各种加强支护措施，如锚索、长锚杆、锚筋桩等。如主厂房增加了各类锚索187束。
4.3.2 调压室开挖技术
构皮滩水电站调压室布置于主厂房下游，由调压室廊道、竖井组成，其顶高程503.33m，底高程390.08m，总高度113.25m，宽19.3m，长158m。在480.5m高程以上连通成为闸门廊道，开挖跨度为19.3m，岩锚梁以下开挖跨度为18.35m，长158m，廊道高度为22.83m，480.5m高程以下为调压竖井和闸门井，开挖高度90.42m。调压室（井）开挖方量为23.1万m3。
根据调压室的结构特点、通道条件和施工机械性能，综合考虑调压室各层开挖及喷锚支护的最佳高度、两侧岩锚梁的施工，同时兼顾调压室竖井施工需要，调压室廊道自上而下分三层开挖，Ⅱ层设有岩锚梁，上、下游岩锚梁浇筑完成后进行Ⅲ层开挖；调压室竖井按“先导井后扩挖”法跳洞施工，即先开挖1#～2#机、5#机调压室竖井， 3#～4#机调压室竖井滞后30～40m进行开挖支护。详见尾水调压室（井）开挖分层剖面图5。
为了满足尾水调压室下部井身的施工，布置一台临时桥机，作为尾水调压室下部井身施工材料、人员的运输工具，临时桥机主要的技术参数如下：桥机跨度16.7m，最大吊高85.0m，最大吊重10t。桥机设两套相对独立的操控系统，桥机吊车梁上设置操作室，地面设置一套可摇控操作桥机的装置。
临时桥机上游侧利用设计已有的岩锚吊车梁，下游侧新增加一个岩锚梁，下游新增岩锚梁结构图见图6。
图5  尾水调压室（井）开挖分层剖面
 
图6 尾水调压室（井）新增岩锚梁结构图
 
4.3.3 三大洞室典型开挖方法
结合本工程特点，主要分为大型洞室顶拱开挖方法、大洞室梯段开挖方法、大型竖井开挖方法、大洞室高边墙控制爆破技术四个方面。
1、主厂房顶拱开挖方法
（1）兼顾岩溶探测和处理目的，按“中导洞超前、靠岩溶侧优先、两次扩挖成型”施工。主厂房顶拱开挖分区参见图7。
（2）根据岩溶处理的特殊性和顶拱稳定要求，选用成龙配套的大型设备实施机械化快速施工。厂房顶拱选用了353E三臂凿岩台车、麦斯特机械手遥控喷车等国际先进设备。
（3）结合岩溶地质特性，分类进行爆破生产性试验，选取最佳爆破参数。
图7  主厂房顶拱开挖分区横剖面图
2、大洞室梯段开挖方法
（1）为确保岩溶区域高边墙稳定，按“双道预裂减震、中间深孔拉槽、分层光爆成型”施工。主要施工程序见图8、图9。
（2）采用孔间微差梯段爆破技术，装药参数结合岩溶情况进行优化。
（3）根据岩溶处理通道需要，灵活调整保护层厚度。
图8  中部掏槽开挖程序平面图
图9 中部拉槽开挖程序剖面图
3、大型竖井开挖方法
调压竖井开挖断面为：大井17.9×46m，小井17.9×24m，深90.42m，属大型竖井，从上到下均受岩溶影响，底部为尾水管、洞，施工干扰极大，其主要开挖方法如下：
（1）针对调压竖井上部岩溶处理跨时长、交叉干扰大的特点，采取“分段截断、长井短挖”的施工程序，即通过在中部设置施工支洞将竖井截断为两段施工。
（2）针对调压竖井断面大、岩溶发育、井间岩柱单薄、稳定问题突出的特点，采用“分区导井、沿井扩大、分层下卧、逐层加固”的施工方法。
1#～2#机、3#～4#机调压室竖井开挖断面较大，每个竖井内设置两个导井，负责不同区域施工。优先采用反井钻机钻φ140cm孔贯通，岩溶区域人工正井贯通。
采用手风钻分层钻爆扩挖，第一次将导井扩大，第二次扩挖至竖井设计轮廓线，随开挖下降逐层进行锚喷支护及井壁岩溶加固处理。
（3）针对尾调井开挖支护工程量大、井壁岩溶发育、安全问题突出，采用“石渣封闭导井、下部控制出渣、井内机械扒渣”施工，即利用开挖石渣填满导井，下部控制出渣，保证井内平面作业，充分利用机械设备进行扒渣。
竖井开挖程序见图10、图11。
图10 调压井开挖程序剖面图
图11 调压井开挖程序平面图
4、大洞室高边墙控制爆破开挖技术
构皮滩水电站地下引水发电系统洞室群跨度大，边墙高，结构复杂，开挖规模大，受岩溶系统影响，工程地质复杂，厂房区内P1q层岩体一般中等～较完整，呈次块状～层状结构，局部溶洞附近及Fb54与Fb93之间岩体完整性较差。岩层倾向上游，选定的厂房轴线方向为N75°W，与岩层走向夹角40°～45°交角较小，虽产状对顶拱稳定有利，但由于跨度大、局部层间错动发育、稳定性并不好，而且对高边墙稳定不利，因此大洞室高边墙控制爆破成为开挖过程中的关键环节。
（1）合理设置开挖层高，保证更好的确定高边墙爆破控制。分层原则层高不超过10m，以8～10m为宜，充分考虑钻孔设备及减少爆破振动，在大的分层前提下做到层间再分层，控制分层高度在3.5～6m之间，做到“薄层开挖，变形减速，适时支护”。
（2）厂房Ⅱ～Ⅵ层为大体积槽挖，Ⅶ～Ⅸ层为机坑槽挖。Ⅱ～Ⅵ层开挖采用中间抽槽两侧保护层跟进的开挖方法，上下游保护层预留厚度为2.5m，一侧保护层先挖除，支护结束后再进行另一侧保护层开挖支护，做到两侧保护层错距开挖，防止两侧同时卸荷引起高边墙应力突变，而导致边墙突然失稳产生较大位移。
(3)采用2道预裂缝（双保险）减小中间拉槽梯段爆破对高边墙的爆破影响。在中间拉槽前先对边墙轮廓线进行预裂，深度为3～4.5m，孔间距为50cm，线装药密度为180～200g/m，中间潜孔钻拉槽时对预留保护层同样进行预裂，预裂深度与梯段爆破深度相同。孔距80～100cm，线装药密度为400～450g/m。
(4)梯段爆破严格控制单响药量，为满足设计高边墙质点振动速度VS≤7cm/s要求，采用单孔单响，孔间微差挤压爆破的施工方法。
(5)预留保护层开挖采用手风钻开挖，开挖高度4m/层，周边预裂，采用小药量弱爆破的开挖方法，最大单响小于10kg，尽量减小爆破对边墙围岩的影响。
(6)针对地下厂房比较长的特点，在分层施工中采用层间搭接施工。
(7)充分利用新奥法原理适时进行支护，为使围岩及时得到支护抗力，防止围岩卸荷位移，在工程施工中针对岩体特点，Ⅱ类围岩支护滞后30～50m，Ⅲ类围岩滞后15～30m，Ⅳ类围岩开挖支护紧跟掌子面。
(8)岩锚梁采用预留保护层手风钻开挖，用垂直孔+斜孔双向同时光爆的方法进行开挖，采用该方法在受岩溶影响的灰岩中取得了良好的开挖效果，岩锚梁成型较好；
(9)采用先进的施工设备加快施工进度，针对地下厂房开挖强度高（最高达9万m3/月）支护工程量大，且均为长锚杆、喷射钢纤维混凝土、预应力锚索，技术指标要求高的特点，在施工中采用了先进的353E阿特拉斯三臂凿岩台车和麦斯特喷车，采用先进的设备保证了工程进度、支护及时性和工程质量，确保了工程安全。
(10)与主厂房交叉的洞室较多，交叉段应力集中，松动圈范围大，容易失稳，要做好与主厂房交叉洞室岔口处的开挖与支护，在2倍洞径范围内，开挖采用“短进尺、弱爆破、加强支护”等施工工艺，在主厂房下卧之前，与之相交的小洞室须先完成开挖与支护，并贯入主厂房不少于2m，使其应力在小洞开挖时先释放一部分，做到“先洞后墙”。为避免主厂房开挖时破坏小洞室洞口，对贯入主厂房的洞室，沿主厂房边墙进行环向预裂，预裂深度不小于3m，并在母线洞、引水洞与厂房相交叉段10m范围内加强支护，让交叉洞室交叉处的应力重分配过程逐步、缓慢进行，保证洞室稳定。
4.3.4 三大洞室支护施工技术
本工程涉及各类喷混凝土、各类砂浆锚杆、预应力张拉锚杆、预应力端头锚索和对穿锚索。种类繁多、一次支护的工程量大、工艺复杂、施工技术含量高，支护工程是影响开挖进度的关健项目。按不同技术指标分，本项目中喷混凝土达3.1万m3、类型达13种；锚杆13.6万根、类型达30种；锚索1520束，类型达12种。所以，做到开挖和支护工序的合理搭接,选择合理的工艺措施，及时进行一次支护施工是支护施工技术的关键。
结合本工程中地质条件复杂、受岩溶影响范围广的特点，三大洞室系统支护技术难度大、“适时支护”要求特别高，为确保工程安全、优质、高效顺利实施，科学合理的施工组织是必不可少的，采用的施工程序如下：
（1）支护施工与开挖跟进平行交叉作业，各工序间交替流水作业，喷锚支护视围岩情况采取滞后开挖工作面1～3循环或紧跟,锚索支护滞后开挖面约30～80m跟进。
（2）对岩溶影响区域，根据具体揭露情况，及时增加锁口和加强支护、采取优先重点处理。
（3）各开挖层面上支护施工一般程序确定为：
施工准备→初喷5cm厚混凝土→锚杆施工→挂网（钢支撑）→喷混凝土施工至设计厚度→预应力锚索施工→下一循环开挖。
5结语
构皮滩地下电站大型地下洞室群开挖支护有其特珠的一面，即受到强岩溶的影响，岩溶发育规模庞大、错综复杂，遍布于整个地下洞室群，施工过程中必须结合岩溶的影响，采取科学、合理的施工方法，并通过现场不断调整、优化方案，最终达到快速、安全、优质、高效的完成工程建设目标。
通过施工过程中的总结，主要体会有以下几点：
①首先从地质条件、工程特性着手，充分掌握洞室群施工的难点和关键点，以此为主线，展开总体布署；
②大型地下洞室群是一个复杂的系统工程，各洞室之间的开挖支护相互制约且存在一定的干扰，必须遵循“平面多工序、立体多层次”的要旨，以施工总程序为纲，确定总体思路，选择合适的程序尤为关键；
③结合投标阶段施工通道布置，根据施工总程序、施工总进度计划、节点工期目标，通过合理增设施工支洞，缓解工期、资源等矛盾，满足工程建设目标；
④通过采用先进的开挖支护设备，不断优化、调整施工方案，选取技术可行、经济合理的最优方案，达到快速、安全、优质、高效的建设目标。