巴基斯坦SK水電站地下廠房頂拱層開挖施工技術研究

張宏山

摘 要：巴基斯坦SK水電站地下廠房位于整個工程的關鍵線路，其所處地質條件差，開挖工期緊，廠房頂拱層開挖成功與否關系到整個項目的成敗。文章通過對廠房頂拱層施工布置、施工難點、施工程序及施工方法的研究分析，確保了合同履約。相關參數可供類似工程借鑒和參考。

關鍵詞：地下廠房；頂拱層；開挖

中圖分類號：TV731 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）33-0157-03

Abstract： The underground powerhouse of SK Hydropower Station in Pakistan is located in the key line of the whole project. Its geological conditions are poor and the excavation period is short. The success or failure of the excavation of the roof of the powerhouse is related to the success or failure of the whole project. Through the research and analysis of the construction layout， construction difficulties， construction procedures and construction methods of the roof of the powerhouse， the contract performance is ensured. The related parameters can be used for reference in similar projects.

Keywords： underground powerhouse； roof arch floor； excavation

1 工程概況

巴基斯坦SK水電站項目位于巴基斯坦北部開伯爾-普赫圖赫瓦?。↘PK）的曼瑟拉地區，距離伊斯蘭堡約256km，距離尼魯姆-杰盧姆水電站107km。SK項目為長隧洞引水式發電站，引水隧洞長為22.618km，最大靜水頭922.72m，共安裝4臺單機容量為221MW的沖擊式水輪發電機組，總裝機容量約為884MW。工程主要建筑物包括：瀝青混凝土心墻堆石壩、溢洪道、取水口、引水隧洞、調壓井、壓力豎井、地下廠房、主變室、尾水洞、廠房交通洞等。

SK水電站地下廠房布置在Mangial沖溝右岸山體內，水平埋深800m，垂直埋深約400m；整體走向NE向，廠房與主變室距離約44m。廠房長134.6m，寬26m，高54.8m，高程EL.1351.6m～EL.1296.70m；其中，吊車梁以上開挖跨度27.7m，下部開挖跨度26m。

2 工程地質

SK地下廠房埋深部位巖性主要為變質玄武巖，由于埋深較大，推測廠房部位巖體的風化程度為微風化～新鮮，巖體強度屬于硬巖。廠房部位巖體片理產狀整體走向為NE向，傾向為NW向，傾角以60°～80°為主，地表局部受構造、卸荷等影響，傾角相對較緩。根據廠房附近地表裂隙統計成果，廠房部位裂隙以陡傾角為主。根據物探測試結果，可能有局部較大滲水。

3 施工重點難點及對策

（1）SK水電站地下廠房頂拱開挖跨度大。同時，根據勘探結果顯示，廠房頂拱西南角位置，巖體為強風化，軟硬巖呈互層狀，穩定性較差。對策：廠房頂拱層按照“分部開挖，分部支護”的原則施工，先開挖中導洞，再進行上下游兩側擴挖支護。同時，利用地質雷達，對掌子面15m范圍進行預報，并根據預報結果，對不良地質位置，做好超前支護。必要時，先固結灌漿再采用淺鉆孔、弱爆破、短循環的施工方法實施，最大程度上減少對周邊巖體的擾動。（2）洞室開挖過程中，地下水可能沿裂隙密集帶發生較大的流水。對策：采用紅外探水儀，進行超前勘探；對可能存在的涌水位置，采取灌漿，降低其滲透性或形成帷幕阻水；查勘地表水源，截斷補給水源，降低地下水位；采用超前鉆排水方式進行處理；另外，加強支護和系統支護均及時跟進。（3）廠房頂拱層開挖期間，對外通風口僅為主交通洞，通風散煙難度大。對策：合理安排中導洞放炮和上下游邊墻放炮時段，同時，采用2*132kV雙主機大功率軸流風機進行壓入式通風，將新鮮空氣送到工作面。（4）根據總體進度要求，SK地下廠房頂拱層開挖支護工作必須在3個月內完成，甚至更短，才能彌補前期征地和地質條件差帶來的工期延誤。對策：頂拱層采用分區分塊平行作業的方式進行。

4 施工布置

根據地下廠房總體布置（見圖1），為確保頂拱層開挖施工順利推進，洞內風水電的合理布置是關鍵，具體如下：（1）供風：廠房頂拱層開挖支護供風從主交通洞，經A11支洞接入，供風采用DN150mm的鋼管，沿廠房下游側敷設，隨開挖掌子面掘進而延伸。邊墻擴挖和中導洞開挖同時施工期間，中導洞供風，由供風主管分叉一個80mm的鋼管供風。掌子面20m～40m范圍采用膠管供風。（2）供水：采用DN100mm的鋼管，經A11支洞接入供水，供水管沿廠房下游敷設，布置在供風管上面，每60m裝一個枝狀叉頭。（3）排水：在廠房下游側開挖底板低洼處布置臨時集水井，并視現場情況設臨時排水溝，將施工廢水及地下滲水通過排水溝引排至集水井，工作面積水通過1～2臺7.5kV潛水泵抽排至臨時集水井中，再通過A11支洞自流排水溝排至主交通洞主泵站，經主泵站排出。（4）動力供電和照明：動力供電和照明均從設在主交通洞的630kVA箱變接入主廠房，動力電采用電纜線，照明采用三相四線鋁芯線，均布置于廠房下游側，布置高度與A11支洞一致。洞內交通照明采用每5～8m一盞50W節能燈，掌子面采用2座1kV聚光燈投射照明。（5）通風排煙：廠房頂拱層開挖通風采用一臺2*132kV的軸流風機接φ1800mm的柔性風筒，經A11支洞供風。

5 施工程序

根據SK地下廠房結構特點和進度要求，施工程序按以下原則安排：（1）地下廠房整體分為7層，見圖2（地下廠房分層分塊圖）。其中廠房頂拱層開挖高度9.0m，高程EL.1342.6m，采用“先開挖中導洞，后擴挖兩側；常規支護跟進，加強支護略后”的原則施工。中導洞為10m×9m（寬×高）城門洞型，兩側擴挖寬度均為8.85m。

（2）廠房頂拱層中導洞開挖，初期支護采用噴鋼纖維混凝土加系統錨桿的方式跟進掌子面。待中導洞開挖及常規支護完成1/2～2/3左右時，再進行上下游兩側擴挖，擴挖分區間下圖。上下游側擴挖支護共分為6個區域，施工順序為：1區→2區→3區→4區→5區→6區，擴挖區域及相鄰中導洞區域的加強支護，隨擴挖區域開挖完成后，及時實施。兩側拱肩位置的系統錨桿和預應力錨桿待廠房第二層開挖完成后實施。

6 施工方法及工藝要求

6.1 開挖方法

廠房頂拱層中導洞開挖：廠房頂拱層開挖高度為9.0m，分為中導洞開挖和兩側擴挖。支洞開挖至廠房南端面時，沿著中導洞軸線逐漸將斷面擴大至中導洞設計斷面，中導洞繼續向廠房北端面開挖，開挖完成1/2至2/3左右時，即開始下游側邊墻擴挖。中導洞采用中部掏槽、頂拱及側墻光爆的方式一次性開挖至設計斷面。開挖采用多臂臺車或人工在鉆爆臺車上配氣腿鉆鉆孔，2.3m3側卸裝載機裝渣，20t自卸汽車出渣。

頂拱層兩側擴挖：頂拱層兩側擴挖按6個區域間隔同步施工，側拱和側墻均采用光面爆破以保證廠房設計輪廓面質量。兩側擴挖時，先進行常規支護，再和相鄰中導洞段實施加強支護（錨索或預應力錨桿）。但由于頂拱拱肩位置距離底板高度只有2.4m，不具備實施長錨桿和預應力錨桿的空間要求。因此，在第二層兩側開挖完成后再安裝兩側剩余的長錨桿和預應力錨桿。錨桿和錨索采用多臂臺車和D7造孔，移動平臺配合人工安裝錨桿和掛網，噴射混凝土采用濕噴臺車。

6.2 開挖工藝

廠房頂拱層開挖施工工藝流程：施工準備→測量放樣→鉆孔→裝藥→爆破→通風散煙→排險→出渣→地質編錄→基面驗收→初噴混凝土→錨桿→掛網復噴（→錨索（預應力錨桿）→終噴砼）→下一循環流程。

主要工序作業措施為：（1）施工準備：洞內風水電和人機具需全部就位。（2）測量放樣：根據廠房頂拱層典型斷面和縱剖面設計，以及爆破設計參數，在每一循環鉆孔之前，對周邊輪廓線和洞頂洞底中心線進行測設，并隨著掌子面的前進，每隔10m在下游邊墻設置樁號牌。（3）鉆孔作業：采用兩臂鉆機和YTP28氣腿鉆進行鉆孔，孔徑φ42mm。鉆孔要求 “平、直、齊”，孔底在同一個鉛直斷面上；為了減少超挖，周邊孔在設計輪廓線上開孔，鉆孔外偏角控制在設備所能達到的最小角度，一般控制在10度以內。（4）裝藥爆破：裝藥之前，質檢員根據爆破設計，對孔數、孔位以及孔的角度進行檢查，對不符合設計要求的炮孔，要重新補鉆。裝藥順序為自上而下，其中掏槽孔和崩落孔連續柱狀裝藥；周邊孔間隔裝藥。聯線時，要嚴格按爆破設計中的段位連接，并理順導爆管，以防爆破網絡被炸斷，造成盲炮或者啞炮。炮孔堵塞時可利用濕潤的紙板、黃泥或炮渣進行堵塞，堵塞程度不小于孔位的最小抵抗線。（5）通風排煙：放炮后，至少確保20～30分鐘通風散煙，同時，定期對掌子面的有害氣體進行檢測，必要時，適當的延長排煙時間。另外，對爆破渣堆進行灑水除塵。（6）排險：通風排煙后，先用1.0m3反鏟對于掌子面、邊墻、頂拱上的浮石進行剝離，然后由經驗豐富的作業人員配合自制的剝落臺車進行剝離排險。（7）出渣：采用1.0m3反鏟和2.3m3裝載機配合20t自卸汽車出渣。（8）測量及地描：出渣后，由測量人員對斷面進行復測，記錄超欠挖數據，如有欠挖，則進行布孔爆破。之后，由地質人員對開挖段的圍巖特性、構造、節理層理、裂隙、地下水等地質狀況進行描繪和記錄。（9）圍巖支護：每排炮開挖結束后，初噴5～6cm的鋼纖維混凝土，及時封閉巖面。其余的系統支護視圍巖類別和現場實際而定。

6.3 爆破設計

根據以往的施工經驗，采用中間楔形掏槽，周邊光面爆破的方式。主要鉆爆參數：鉆孔孔徑φ42mm，藥卷直徑為φ25（主要用于周邊孔）和φ32mm，其中掏槽孔和崩落孔連續裝藥；周邊孔間隔裝藥。Q2和Q3類圍巖，每一循環進尺控制在3.4m左右，掏槽孔單孔藥量為2.1kg，崩落孔單孔藥量為1.7kg左右，底孔單孔藥量為2kg左右，周邊孔孔距68mm，單孔藥量為0.45kg。Q4和Q5類圍巖，每一循環進尺控制在2m左右，掏槽孔單孔藥量為1.2kg，崩落孔單孔藥量為1.0kg左右，底孔單孔藥量為1.2kg左右，周邊孔距52mm，單孔藥量為0.3kg。

6.4 錨桿施工

造孔：對于長度小于5m的錨桿，采用移動式支護臺車配氣腿鉆進行鉆孔，對于7m錨桿，采用兩臂鉆造孔，孔深、孔位和角度均按設計圖紙實施。

清孔：鉆孔后注漿前，沿鉆孔用壓力風或水徹底沖洗，將孔內的巖粉、巖泥等雜物清除干凈。

注漿：錨桿注漿采用移動式臺車作為工作平臺，麥斯特注漿機注漿，采用D25mm的PE注漿管，注漿前，先將注漿管插入孔底，開始注漿，注漿過程中，注漿管緩緩地從孔底拉出，確保孔內注滿漿。尤其，頂拱注漿必須采用止漿塞，以防止漿液損失，同時，也可以對錨桿起到固定作用。

桿體安裝：在移動式平臺上人工安裝錨桿，必要時采用機械輔助安裝。有錨定板的錨桿，錨桿端部伸出螺母外的長度不應超過50mm，但也不能過短，不利于后續無損檢測。灌漿巖石錨桿的螺母應擰緊；根據試驗水泥漿的硬化情況，確定錨桿旋緊時間。

6.5 錨索施工

廠房頂拱層設有4排長20m錨索，和4排長12m的預應力錨桿，上下游邊墻分別布置有長20m的錨索。擬采用錨索鉆機、多臂鉆及D7液壓鉆機造孔；錨索灌漿使用ZJ-800高速制漿機拌制，3SNS注漿泵注漿；張拉設備使用YCW250，YCW150和YKD18千斤頂配合ZB4-500電動油泵張拉。其中，鉆孔時，若若出現不回風（水）、不返碴、塌孔、卡鉆現象或因地質復雜節理裂隙發育，滲水量較大及巖石破碎等情況，應先進行灌漿處理。然后，再復鉆，鉆孔結束后，清孔，并做好孔口保護。廠房錨索在交通洞洞口平臺編制后，采用人工肩扛或定制小推車的方式，運至工作面，并按預先做好的編號，對號穿入孔道內。穿索完成后，安裝好工作錨板、夾片和限位板。之后，進行錨索灌漿。錨索灌漿采用一次性灌漿法。即采用高速攪拌機拌制水泥漿，從進漿管連續緩慢灌注漿液，待排氣管（回漿管）返漿，返漿比重和進漿比重相當時，認為孔道已經充填密實。注漿過程中做好有關記錄，必要時按要求做好試塊。另外，當錨墩達到設計強度后即可進行張拉，張拉需先進行整體預緊，確保錨索各個部件受力均勻，不出現應力集中現象。張拉加載速率宜控制在設計預應力值0.1Nt/min左右，卸荷載速率宜控制在設計預應力的0.2Nt/min；張拉完成后，進行封錨，錨索外錨頭安裝保護罩，保護罩內錨索部件涂防腐油脂。

6.6 掛網施工

地下廠房鋼筋網片采用人工配支護臺車實施。利用電錘進行鉆孔，φ10插筋條固定鋼筋網。安設時要求鋼筋網緊貼巖面、橫平豎直。

6.7 噴混凝土施工

廠房邊頂拱噴射混凝土為鋼纖維砼，噴射厚度20mm，分三層實施。采用濕噴臺車或機械臂濕噴機進行噴射施工，噴射料由尾部HZS60拌和站集中拌制，采用6m3混凝土攪拌車運送至施工現場。噴護前，采用高壓風或者高壓水，對巖面進行清理，噴射混凝土自下而上分段分片依次進行，初噴厚度為50～60mm，復噴及終噴最大厚度控制在70mm左右；在先前層養護最小達到2小時之前，不能實施隨后層。另外，為確保噴護厚度，可預先采用鋼筋短樁做厚度標尺。噴護混凝土應連續灑水至少保持濕潤7天，在養護期結束時，應避免迅速干燥。所有回彈噴漿混凝土及所有超范圍的噴漿混凝土應被清除。

7 施工進度

通過上述合理的分區分塊和工序銜接，廠房頂拱層開挖支護預計將在3個月內完成，其中中導洞計劃35天完成，廠房上下游擴挖支護計劃55天完成。

8 結束語

巴基斯坦SK水電站地下廠房工期緊，結構復雜，本文通過詳細分析和研究，細化了施工分區，優化了工序銜接，同時，對開挖爆破等相關參數和工藝進行研究分析，確保了地下廠房開挖施工進度，為合同最終履約奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

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