復雜地質條件下大型地下廠房系統施工

2018-03-26 01:00:53史永方吳書艷

水力發電 2018年10期

邢磊，史永方，吳書艷

(江蘇國信溧陽抽水蓄能發電有限公司，江蘇溧陽213334)

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站地下廠房系統由主廠房、主變洞、母線洞、高壓電纜平洞及電纜豎井、進廠交通洞、施工支洞兼排風洞、排水廊道、排風豎井等洞室組成。地下廠房由主機間、安裝間和副廠房3部分組成，開挖斷面219.90 m×23.5 m×55.3 m(長×寬×高)，巖壁吊車梁以上開挖跨度25.00 m，以下為23.50 m，拱頂巖體厚240～290 m，屬大型地下廠房。主變洞開挖尺寸193.16 m×19.7 m×22.0 m(長×寬×高)，拱頂巖體厚220～270 m，主變室地面高程與安裝間相同。母線洞共6條，城門洞形斷面，開挖尺寸8.7 m×9.6 m(寬×高)，靠近主廠房10.0 m范圍母線洞的開挖尺寸7.2 m×6.0 m(寬×高)。

地下廠房系統埋深200～300 m，基巖巖性均為志留系茅山組下段中厚～巨厚層石英砂巖夾少量泥質粉砂巖，巖性堅硬，多數呈中厚～巨厚層狀，局部出露少量斷層或巖脈，廠房頂拱受F54、F57等較大斷層的影響。受斷層及層間錯動帶分布及節理裂隙發育程度等影響，圍巖大部分位于弱風化帶內，巖體多屬鑲嵌結構或鑲嵌碎裂結構。圍巖分類占比：Ⅲ1類約占10%、Ⅲ2類約占30%、Ⅳ1類約占35%、Ⅳ2類約占20%、Ⅴ類約占5%。廠區地下水豐富，部分結構面，尤其是斷層為強透水帶，地下洞室涌水量約4 000～5 000 m3/d。

2 施工重點及難點

(1)主廠房、主變洞開挖跨度大，圍巖相對較差，IV類圍巖占45%，頂拱開挖安全是本工程的重點，也是難點。洞室圍巖條件相對較差，系統支護工程量大，設計不僅布置了錨噴支護，還在主廠房、主變洞頂拱、側墻設置了對穿錨索和端頭錨，以及預應力錨桿、超前小導管、管棚等臨時支護。支護是制約工程進度的關鍵。此外，主廠房開挖高差較大，開挖高邊坡安全穩定問題是本工程的又一個重點。

(2)巖錨梁開挖成型質量和爆破后巖體完整性直接影響到橋機運行安全。因此，如何開挖巖錨梁，確保巖錨梁開挖質量是地下廠房施工的重中之重。

(3)母線洞開挖既要確保廠房巖壁安全及巖錨梁質量要求，又要盡量減少占壓廠房開挖直線工期。如何合理安排開挖時機是本工程的重點。

(4)地下洞室群相互關系復雜，施工通道錯綜復雜，交通管理及交通安全是施工控制的難點；廠房系統洞室群隧洞交錯復雜，確保洞室交叉處圍巖穩定，是施工中的重點。

(5)F54斷層是影響廠房的最大斷層，其規模和影響區域較大，在主廠房、主變洞、母線洞等地下洞室均有出露。F54斷層由斷層泥夾角礫巖組成，強滲水，破碎及影響帶寬度有一定變化，總寬度3.7～12.2 m。F54斷層及影響帶對廠房頂拱、邊墻等部位的安全穩定影響較大，必須采取相應的處理措施，以確保圍巖穩定。

3 主要應對措施

(1)針對廠房、主變室頂拱跨度大及圍巖地質情況較復雜這一施工難點，主要采取下列措施：①在廠房、主變室開挖中，相應高程的排水廊道提前施工完成，達到降低地下水位、提高圍巖類別、減少施工中涌水量的目的。②根據籌建期在PD5探硐進行預固結灌漿試驗，初步確定廠房頂拱層預固結灌漿參數，并根據排水廊道開挖揭露的地質情況進一步優化參數，對廠房頂拱10 m范圍進行預固結灌漿。③采取超前探孔、超前探硐和地質雷達進行超前地質預報；同時，利用廠房排水廊道開挖揭露的地質情況，推測廠房頂拱的地質情況；在廠房頂拱上游導洞施工過程中，在推斷進入F54斷層影響帶前5 m，先開挖斷面2 m×3 m、長40 m的探硐，完全查明F54斷層的走向、斷層及影響帶的寬度。④頂拱層開挖采用兩側導洞開挖先行，中間預留巖柱開挖跟進的施工方案，根據導洞揭露的地質情況，及時進行必要的超前支護或臨時支護；中墩完成擴挖、系統錨桿、鋼筋拱肋、噴鋼纖維混凝土施工后，滯后掌子面10 m必須及時完成中部對穿錨索張拉，并及時跟進兩側端錨及拱腳預應力錨桿施工。⑤系統支護隨開挖斷面及時跟進，防止頂拱產生大的變形。⑥嚴格控制單響藥量，控制質點震動速度在規定范圍內。⑦頂拱層支護相應部位沒完成前，禁止開挖下層。

(2)針對廠房、主變室直立邊墻安全穩定問題，采用以下措施：①除主廠房第Ⅱ、Ⅲ層，主變洞Ⅱ、Ⅲ層開挖均采取中間拉槽，兩側預留保護層擴挖跟進的方式；中間拉槽梯段爆破開挖前，先沿預留保護層邊線進行預裂爆破施工，以減少爆破對預留巖體造成震動破壞；預留保護層開挖采用設計輪廓線光面爆破的控制爆破技術；主廠房第Ⅳ層及以下采用邊墻一次預裂到位的施工方法。②對在主廠房上下游邊墻上開孔的引水隧洞支洞、母線洞及尾水支洞等的開挖，采取“先洞后墻”的開挖順序，在主廠房邊墻開挖前先形成洞室，確保高邊墻的穩定，同時達到先期排水、降低地下水位的作用。③廠房和主變洞與-27.00 m高程灌漿排水廊道之間布置的對穿錨索孔的施工，在相應的邊墻開挖后及時進行，確保其對邊墻穩定的保護作用。④為避免母線洞開挖占用廠房直線工期，提前利用主變聯系洞在主變洞內布置臨時施工支洞進入母線洞開挖掌子面，進行母線洞開挖。⑤為確保地下廠房高邊墻的穩定，在開挖廠房第Ⅵ、Ⅶ層之前，對開挖邊墻進行預固結灌漿；對廠房下游邊墻F54斷層影響帶進行混凝土置換。⑥主廠房機坑之間巖埂保留對廠房邊墻的穩定十分有利，在廠房第Ⅶ層開挖前，先對機坑之間的巖埂進行固結灌漿。⑦地下廠房Ⅳ、Ⅴ類圍巖部位的網架吊頂牛腿和巖壁吊車梁下部，均增設附壁墻，附壁墻一直伸至發電機層高程，后期與發電機層上下游邊墻連接形成一個整體墻，附壁墻既可作為網架吊頂牛腿和巖壁吊車梁的支撐結構，又可作為約束邊墻變形的支護手段。

(3)針對巖錨梁開挖成型難的問題，主要采取以下措施：①為使在巖錨梁開挖施工前取得合理的爆破參數及優選出合理的開挖施工方法，進行了3次巖錨梁爆破試驗。②在巖錨梁層上下游邊墻預留3.5 m厚的保護層，中間梯段開挖前先沿保護層邊線進行預裂施工，保護層開挖分2序，第1序采用液壓鉆造垂直孔和三臂液壓鉆機水平造孔，邊墻預裂；第2序采用風鉆鉆孔，雙面光爆，同時嚴格控制單響藥量，確保質點震動速度在控制范圍之內。③距離巖錨梁下拐點10 cm處增設1排鎖口錨桿(φ25、1 500@1 000)，在巖臺下拐點開口位置靠下布置1道槽鋼進行加固，槽鋼與加固錨桿焊接牢固，以加強下拐點保護，防止巖臺開挖撕壞下拐點。④本工程地質條件復雜，巖石結構破碎，節理裂隙發育，為能進一步加強斜向巖臺的保護，在斜向巖臺開挖前，根據節理、裂隙發育走向，采用玻璃纖維錨桿對斜向巖臺進行預加固。

(4)針對廠房系統洞室群隧洞交錯復雜，為確保洞室交叉處圍巖穩定，采用以下措施：①引水隧洞岔洞、母線洞及尾水擴散段的開挖，采取間隔開挖的措施，確保巖壁穩定。②對各洞室交叉口1.5倍洞徑范圍，開挖后及時加強支護或進行混凝土襯砌鎖口，在廠房等大洞室高邊墻上開洞口時，先采用鎖口錨桿對邊墻進行超前錨固，必要時進行超前預注漿。③針對揭露斷層、巖石結構破碎、節理裂隙發育的部位，采取預固結灌漿進行先期加固。

(5)針對廠房系統地下水豐富，降低地下水確保施工安全問題，采用以下措施：①建立工程區地下水位監測網，并對輸水發電系統的地下水三維滲流場進行分析研究，掌握了地下水的動態特征。②在廠房、主變室開挖前，相應高程的排水廊道提前施工完成，達到降低地下水位的目的。③充分利用掌子面各類鉆孔排水，包括超前勘探孔、管棚孔、小導管孔等；對掌子面的明顯出水點，則布置隨機排水孔；對已支護洞段新出現的出水點繼續布置隨機排水孔排水，以減輕掌子面的降水壓力。④當遇到較大涌水且持續時間較長時，采用深井降水方案。在掌子面底板采用D50鉆機鉆設2～4個直徑195 mm、深20～40 m深井，采用潛水泵進行抽排。

(6)在地下廠房系統開挖過程中，加強圍巖安全監測，建立安全預報制度。開挖過程中，根據開挖部位和地質條件，及時設置安全監測點和圍巖收斂監測斷面，對圍巖進行安全監測，以便調整開挖鉆爆程序和鉆爆參數，減輕開挖爆破對圍巖穩定的影響。

4 施工總結

溧陽抽水蓄能電站地下廠房系統圍巖地質條件

差，且地下水豐富，開挖后洞室自身穩定性差，確保地下洞室圍巖安全穩定是開挖支護的難點。結合現場施工取得的經驗與教訓，地下廠房系統開挖支護施工所遵循的原則為“超前地質預報、超前排水、超前支護、先邊后中、先軟后硬、先洞后墻、薄層開挖、隨層支護、加強觀測”。

(1)采取超前探孔、超前探硐和地質雷達進行超前地質預報；對埋深較淺的洞段，在地表測放出洞軸線，提前調查沿線地表覆蓋層、沖溝的性狀及水系分布，對照地勘資料分析前方圍巖的地質構造，也是地質預報的方法之一。

(2)在地下廠房系統開挖前，相應高程的排水廊道提前施工完成，達到提前降低地下水位的目的；同時，充分利用掌子面各類鉆孔排水，包括超前勘探孔、小導管孔等；在前期，施工支洞和排水廊道部位采用深井降水方案。

(3)主廠房、主變洞等大型洞室頂拱開挖嚴格遵循“上下游邊導洞先行，中墩跟進”的原則；在開挖過程中，始終堅持“先軟后硬，及時支護，開挖面領先掌子面不超過3個循環進尺” 的原則；遇到引水支管、母線洞、尾水支洞等交叉部位，先進行小洞室開挖，再進行邊墻開挖，同時做好鎖口施工；主廠房高55 m，開挖共分8層，做到開挖1層支護1層，再進行下層開挖。

(4)施工開挖期間，加強對洞室圍巖完整性和穩定性的關注，在空間和時間上合理有序地安排施工。從觀測結果來看，地下廠房系統的觀測布置較為合理，起到了險情預報、指導施工、評價與修改支護參數的作用，達到了對整個地下廠房系統全面監控的目的，保證了工程的總體安全。

5 結語