水電站大型地下廠房頂拱開挖施工技術(shù)

吳卉芬

摘 要：對(duì)大型地下廠房開挖技術(shù)、開挖方法及高邊墻變形檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)提升工程建設(shè)質(zhì)量與施工技術(shù)管理效率具有重要意義。本文以某工程作為研究對(duì)象，對(duì)該項(xiàng)目地下廠房頂拱層開挖技術(shù)問題進(jìn)行研究，分析該廠房頂拱的受力特征，并運(yùn)用“新奧法”概念針對(duì)廠房頂拱層不同圍巖狀況下開挖施工程序進(jìn)行合理選擇，最終確定不同圍巖地質(zhì)條件下的開挖施工方法，具有重要的理論與實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：水電站;地下廠房;頂拱;施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：TV554文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）31-0070-03

Analysis of Construction Technology for Top Arch Excavation of

Large Underground Powerhouse of Hydropower Station

WU Huifen

（SINOHYDRO Bureau 12 Co.， Ltd，Hangzhou Zhejiang 310000）

Abstract： Research on large underground powerhouse excavation technology， excavation method and high side wall deformation detection technology is of great significance to improve the construction quality and construction technology management efficiency. This paper took a project as the research object， studies the excavation technology of the top arch of the underground powerhouse of the project， analyzed the stress characteristics of the top arch of the plant， and uses the concept of “new Austrian law” to target different surrounding rock conditions of the top arch of the plant and finally determined the excavation construction method under different surrounding rock geological conditions， which had? important theoretical and practical significance.

Keywords： hydroelectric power station;underground plant;top arch;construction technology

1 當(dāng)前大型地下廠房施工狀況分析

我國對(duì)于隧洞開挖方法的研究起步相對(duì)較晚，但研究速度較快。自20世紀(jì)60年代以來，在隧洞開挖實(shí)踐中，我國就開始推廣應(yīng)用噴錨支護(hù)新技術(shù)[1]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，至1981年底，我國應(yīng)用噴錨支護(hù)技術(shù)的地下工程和井巷，其長度累計(jì)已達(dá)7 500km[2]。魯布革水電站引水隧洞于20世紀(jì)80年代開始動(dòng)工，在施工過程中，應(yīng)用了成套的地下工程開挖支護(hù)設(shè)備，鑿巖臺(tái)車、全斷面光面爆破和非電毫秒雷管等技術(shù)也在工程中得到使用，平均月進(jìn)尺達(dá)231m，甚至打破了月進(jìn)尺373.5m的最高紀(jì)錄[3]。此外，二灘水電站、小浪底水電站、廣州抽水蓄能電站也都采用了鉆孔、裝載運(yùn)輸設(shè)備等現(xiàn)代化技術(shù)，使得我國地下工程施工效率與質(zhì)量得到大幅提升。

廣蓄一期工程地下廠房施工項(xiàng)目，在施工中遵循了“平面多工序、立體多層次”的施工原則，取得了良好的施工效果。該地下廠房整體施工方案為分層開挖，頂拱部分采用鑿巖臺(tái)車進(jìn)行鉆孔，先掘進(jìn)中導(dǎo)洞，同時(shí)在兩邊采用擴(kuò)大開挖方式進(jìn)行跟進(jìn);利用潛孔鉆開挖中部2～6層，對(duì)于大孔徑梯段則選用爆破開挖方法。上部施工過程中，還進(jìn)行了廠房下層開挖，從引水支洞和尾水管進(jìn)入，這樣就能實(shí)現(xiàn)立體交叉施工，極大地加快了施工進(jìn)度。

通過總結(jié)龍灘、小浪底等水電站的施工經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)綜合分析，本文針對(duì)地下廠房施工技術(shù)，如分層開挖、頂拱和巖錨梁開挖等技術(shù)進(jìn)一步實(shí)施創(chuàng)新，提出了一系列廠房頂拱和下部開挖建議。溪洛渡右岸地下廠房整體施工難度較大，通過結(jié)合實(shí)際情況，分析應(yīng)力波理論與開挖爆破損傷范圍，提出了“特大型地下洞室優(yōu)化開挖程序”，采用這種經(jīng)過優(yōu)化的開挖程序，效益非常顯著，開挖大跨度地下洞室時(shí)，不再設(shè)置邊墻保護(hù)層，采用直墻深孔預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行輪廓控制;爆破后，在巖體與洞室邊墻之間，會(huì)產(chǎn)生一條裂縫，能夠有效降低爆破振動(dòng)影響，洞室邊墻損傷也會(huì)降到最低。

2 大型地下廠房施工中頂拱層開挖施工技術(shù)

2.1 頂拱受力特征

在大型地下廠房洞室開挖施工過程中，因巖體自身存在結(jié)構(gòu)面，開挖后，洞室應(yīng)力也會(huì)重新進(jìn)行分布，再加上爆破時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)影響，所以可能會(huì)導(dǎo)致洞室頂部特定范圍內(nèi)巖石松動(dòng)，形成一個(gè)破壞圈。巖石松動(dòng)圈在與巖體產(chǎn)生分離后，在一定條件下會(huì)向洞室內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，而巖石內(nèi)聚力會(huì)阻止其移動(dòng)，如果阻止不了，坑道頂部就可能發(fā)生塌方。因此，要對(duì)松動(dòng)圈內(nèi)巖石進(jìn)行加固，引導(dǎo)自然拱內(nèi)邊界進(jìn)行移動(dòng)，最終移向隧洞輪廓線。

分析上述理論可知，隧洞頂部巖石承重拱受到四個(gè)因素影響，即巖石地質(zhì)條件、洞室上部輪廓形狀、洞室跨度及圍巖加固手段。在洞室處于完整堅(jiān)硬巖石的條件下，跨度相對(duì)較小的高拱隧洞最有可能形成巖石拱;跨度大、頂拱平緩的隧洞，則不易形成承重巖石拱。

加固圍巖的主要目的是提高巖體承重能力。因此，在進(jìn)行加固的時(shí)候，其范圍必須要大于爆破松動(dòng)圈，并延伸到未受爆破影響的巖體中，從而使其更好地承重建筑材料與巖石質(zhì)量。在“新奧法”中，可通過錨桿支護(hù)和噴射混凝土技術(shù)，使圍巖形成一個(gè)整體，并增強(qiáng)某些巖塊和巖層的堅(jiān)固性，最終形成“錨桿—巖石”承重拱。要達(dá)到這一目的，必須要保證錨桿長度大于塌落拱高度。因此在廠房頂拱開挖施工過程中，要采取相關(guān)措施減少爆破松動(dòng)圈范圍。

2.2 地下廠房頂拱層開挖主要方式

鑒于地下廠房頂拱層通常都具有開挖跨度大的特點(diǎn)，且開挖質(zhì)量要求也比較高，如噴錨支護(hù)和監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)工程直接影響地下廠房開挖施工質(zhì)量，所以必須要結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的開挖方式。在開挖后，地下廠房頂拱層有兩個(gè)地方比較薄弱，即拱座與拱冠部位。根據(jù)這個(gè)問題，開挖大型地下廠房頂拱層，必須要選擇分步開挖方式。分布開挖有兩種方式，即中導(dǎo)洞法和側(cè)導(dǎo)洞法。中導(dǎo)洞法就是先開挖中部，減小開挖跨度減小，完成支護(hù)施工后，再按照順序開挖兩側(cè)拱腳，從而確保拱冠部位穩(wěn)定，該方法比較適用于厚層巖體開挖;側(cè)導(dǎo)洞法則是按照順序先對(duì)兩側(cè)拱腳進(jìn)行開挖，開挖后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，然后再結(jié)合露出圍巖地質(zhì)情況，來預(yù)加固上覆圍巖，最后將中間巖柱挖出，這種方式在薄層、互層巖體中比較適用，切實(shí)用于單軸抗壓強(qiáng)度為30～80MPa的巖體中。部分地下廠房頂拱開挖結(jié)束時(shí)，頂拱實(shí)測(cè)最大位移如表1所示。

采用側(cè)導(dǎo)洞法施工主要存在三個(gè)問題：第一，開挖兩側(cè)導(dǎo)洞后，中間巖柱會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力過于集中的情況，不僅對(duì)支撐圍巖起不到應(yīng)有作用，而且還會(huì)在爆破中間巖柱時(shí)，導(dǎo)致頂拱發(fā)生變形，如東風(fēng)電站試驗(yàn)中出現(xiàn)此種情況，頂拱下沉達(dá)到3.52cm;第二，兩側(cè)導(dǎo)洞施工會(huì)受到中間巖柱干擾，但可通過在中間巖柱內(nèi)增加聯(lián)系洞解決;第三，開挖雙側(cè)導(dǎo)洞后并進(jìn)行中部擴(kuò)挖時(shí)，小三角體造孔難度比較大，容易形成頂部超欠挖情況，對(duì)光面爆破質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

經(jīng)過以上對(duì)比分析可知，當(dāng)開挖地下廠房頂拱層時(shí)，拱冠部位是最危險(xiǎn)的部位，在施工過程中，要采取針對(duì)性措施確保拱頂部位穩(wěn)定，當(dāng)拱頂暴露后，要利用支護(hù)進(jìn)行保護(hù);當(dāng)采用中導(dǎo)洞法開挖頂拱時(shí)，頂拱相對(duì)平緩，不能在淺處形成承重巖石拱，影響了頂拱中部巖石豎向荷載，無法盡快通過拱傳于拱座，因此施工中必須提前對(duì)拱座進(jìn)行加固。同時(shí)，采用側(cè)導(dǎo)洞法時(shí)巖柱發(fā)生應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致后續(xù)開挖施工中頂拱發(fā)生明顯位移變形。

本著提高施工效率的目的，中導(dǎo)洞法的效益要相對(duì)顯著，因?yàn)槠淠艹浞职l(fā)揮大型機(jī)械的作用。中導(dǎo)洞開挖后，在兩側(cè)進(jìn)行擴(kuò)挖跟進(jìn)，使兩個(gè)層面作業(yè)有機(jī)銜接起來。另外，頂拱層兩側(cè)擴(kuò)挖后，應(yīng)采用支護(hù)方式對(duì)兩側(cè)拱腳進(jìn)行加固，既可以保證頂拱整體穩(wěn)定，又不會(huì)影響施工質(zhì)量。

3 官地水電站右岸地下廠房頂拱層開挖方法

3.1 工程概況

四川省雅礱江官地水電站地下廠房最大開挖尺寸為243.44m×31.10m×76.30m，主廠房分主機(jī)間、副廠房和安裝間三部分。主機(jī)間總高度為76.3m，長159.52m;巖壁吊車梁以上跨度為31.1m，巖壁吊車梁以下跨度為29.0m。副廠房位于主機(jī)間左端，長度為17.01m。安裝間位于主機(jī)間右端，長度為66.91m，副廠房與安裝間同主機(jī)間跨度相同。

該地下廠房具有跨度大、頂拱形態(tài)平順的特點(diǎn)，并具有典型的陡傾角、錯(cuò)動(dòng)帶、緩傾角巖層及裂隙發(fā)育特征，經(jīng)過勘測(cè)還存在不穩(wěn)定塊體。因此，在開挖施工過程中，可能會(huì)遇到巖爆和承壓水等問題。

3.2 頂拱層開挖

該電站廠房頂拱層采用先中導(dǎo)洞、后兩側(cè)擴(kuò)挖的方式進(jìn)行施工，且將第1層中導(dǎo)洞頂拱系統(tǒng)支護(hù)全部完成后再進(jìn)行兩側(cè)擴(kuò)挖。中導(dǎo)洞開挖尺寸為8m×10m，兩側(cè)邊頂拱擴(kuò)挖寬度均為11.55m，擴(kuò)挖工作面錯(cuò)距不小于20m。

先期開挖的中導(dǎo)洞采用三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔、全斷面非電毫秒微差爆破。為了保證圍巖穩(wěn)定、減小爆破錯(cuò)臺(tái)，兩側(cè)邊頂拱開挖采用手風(fēng)鉆鉆孔、毫秒微差爆破以及開挖邊線光面爆破，巖體殘?jiān)捎?m3側(cè)翻裝載機(jī)和1.6m3反鏟配合20t自卸汽車出渣。

3.3 側(cè)向錨桿施工技術(shù)

根據(jù)官方數(shù)據(jù)，官地地下廠房頂拱廠橫（0+172）～（0+152）m、（0+115）～（0+065）m、（0+060）～（0+030）m、（0+050）～（0+080）m段為角礫集塊熔巖。該段存在錯(cuò)動(dòng)帶，且節(jié)理發(fā)育非常多，這使得頂拱至拱肩部位存在不利組合因素，如果不加以處理，將會(huì)危及廠房頂拱穩(wěn)定性，而且會(huì)給開挖施工帶來安全隱患，在工期有限、施工難度大的情況下，需要選擇合適施工技術(shù)。鑒于廠橫0m+190m～0m+160m上游側(cè)已存在裂縫，垮塌的可能性比較大，因而要進(jìn)行超前支護(hù)，同時(shí)還要對(duì)圍巖采取預(yù)約束力進(jìn)行保護(hù)，以避免發(fā)生巖爆。

本工程選擇的施工方法為側(cè)向超前錨桿支護(hù)方式，這樣可以保證圍巖穩(wěn)定及施工安全。根據(jù)地下廠房中導(dǎo)洞開挖后的情況，對(duì)揭露的巖石進(jìn)行分析，不良地質(zhì)段頂拱選擇兩側(cè)擴(kuò)挖，在施工前要在靠中導(dǎo)洞一側(cè)設(shè)置超前錨桿，使其垂直于節(jié)理和裂隙。錨固完成后，再進(jìn)行開挖施工。超前錨桿設(shè)置如圖1、圖2所示。

側(cè)向超前錨桿采用早強(qiáng)砂漿錨桿，長度為9.0m，采用三臂臺(tái)車鉆孔，可有效約束不良地質(zhì)段頂拱圍巖，提高其穩(wěn)定性，順利完成擴(kuò)挖目標(biāo)。

3.4 頂拱成型后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果

該工程地下廠房在1 228m高程以上頂拱與拱座共布置8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共42套監(jiān)測(cè)儀器主廠房頂拱層開挖過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，擴(kuò)挖期間各監(jiān)測(cè)儀器中孔口累計(jì)位移最大為7.37mm。在實(shí)際開挖支護(hù)中，不良地質(zhì)段圍巖穩(wěn)定性較好，說明側(cè)向超前錨桿作用顯著。

4 結(jié)語

在水利水電工程建設(shè)過程中，提升大型地下廠房頂拱層開挖質(zhì)量具有重要意義，并直接影響整個(gè)工程施工質(zhì)量和安全。在具體施工實(shí)踐中，要采用合適的技術(shù)，保證圍巖穩(wěn)定。同時(shí)，還要采取有效措施，對(duì)圍巖塑性區(qū)范圍進(jìn)行有效控制，因地制宜選取合理的開挖方式和開挖程序，通過動(dòng)態(tài)管理方法對(duì)施工過程實(shí)施監(jiān)督，最終快速、高效地實(shí)現(xiàn)施工目標(biāo)。

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