金橋水電站地下廠房立體開挖施工技術(shù)探討

李 輝，盛登強(qiáng)

(西藏開投金橋水電開發(fā)有限公司，西藏嘉黎852400)

1 工程概況

金橋水電站地下廠房發(fā)電系統(tǒng)主要建筑物由上游阻抗式調(diào)壓井、壓力管道、地下廠房、主變室(尾閘室)、尾水管延伸段、尾水無壓洞等部分組成。主廠房、主變室(尾閘室)平行布置，洞室間距為30 m；主廠房、副廠房和安裝間呈“一”字形布置。廠房最大開挖尺寸為83.8 m×20 m×35.4 m(長×寬×高)，是目前西藏自治區(qū)水電工程首個地下廠房。

地下廠房橫軸線方向NE13°，圍巖巖性為前奧陶系變質(zhì)石英砂巖；由于工程區(qū)構(gòu)造格局受近EW向的嘉黎斷層主干斷裂F2及次級斷裂F3控制，其均具有右旋平移逆沖性質(zhì)，因而區(qū)域構(gòu)造主應(yīng)力應(yīng)為垂直于斷裂方向的近SN，角度為近水平向，略傾伏于S。主廠房及調(diào)壓井的上覆巖體厚150～220 m，對應(yīng)的最大鉛直應(yīng)力為5.9 MPa。巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度RC均值約90 MPa，σmax以8 MPa計，RC/σmax值為11，大于7，根據(jù)GB50218—94《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》，廠房區(qū)不屬于高地應(yīng)力區(qū)，產(chǎn)生巖爆的可能性小，預(yù)測僅局部段可能產(chǎn)生弱巖爆。

2 工期影響因素

(1)地質(zhì)情況。地下廠房第Ⅰ層開挖完成后，在地下廠房內(nèi)存在5條斷層，結(jié)構(gòu)面相對發(fā)育，以Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面為主；層面裂隙較發(fā)育，巖層產(chǎn)狀為NE10°NW ∠78°。為保證圍堰穩(wěn)定，在主廠房內(nèi)部f1斷層兩側(cè)50 cm處各布置1排3Φ28 mm，L=9 m，間距3 m的錨筋樁。主廠房主要發(fā)育有f2、f3斷層，在主廠房內(nèi)部沿f2、f3斷層及塌方范圍約在廠右0+017.00～廠右0+032.00之間的頂拱區(qū)域布置4排1 000 kN無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，L=20 m，間排距5 m×5 m，并在塌方范圍內(nèi)局部增加3Φ28 mm，L=9 m的錨筋樁。在副廠房內(nèi)部f4、f5斷層兩側(cè)50 cm 處各布置1排3Φ28 mm，L=9 m，間距3 m的錨筋樁，錨筋樁沿f4、f5斷層走向布設(shè)。由于地質(zhì)原因，共增加14根錨索，63根錨筋樁。廠房3 278.7～3 294.8 m高程之間的9 m砂漿錨桿優(yōu)化為9 m預(yù)應(yīng)力錨桿。

(2)為滿足現(xiàn)場施工用電要求，工程施工供電采用永、臨結(jié)合布置，開關(guān)站要求于2017年5月投入使用。因此，地下廠房標(biāo)進(jìn)場后立即進(jìn)行開關(guān)站施工，由于開關(guān)站施工，導(dǎo)致出線洞施工道路中斷，為滿足主變室開挖，在副廠房3 288.6 m高程增加施工支洞至主變室，進(jìn)行主變室第一層開挖和出線洞開挖，影響了主副廠房開挖施工進(jìn)度。

根據(jù)設(shè)計下發(fā)的《引水及地下洞室開挖支護(hù)施工技術(shù)要求》，已開挖完成部分支護(hù)不完成，不允許下挖。由于增加預(yù)應(yīng)力錨索和預(yù)應(yīng)力錨桿，支護(hù)施工時段較長，嚴(yán)重影響地下廠房施工進(jìn)度。為加快地下廠房施工進(jìn)度，盡量減少預(yù)應(yīng)力錨索和預(yù)應(yīng)力錨桿施工對地下廠房施工進(jìn)度的影響，以及在巖錨梁混凝土施工時減小下層開挖對其爆破振動影響，地下廠房開挖采取立體開挖的措施，保證施工質(zhì)量和進(jìn)度滿足工程施工要求。

3 地下廠房立體開挖方案

3.1 立體開挖措施

根據(jù)金橋水電站地下廠房布置，與地表相通的洞室有進(jìn)場交通洞、尾水洞、通風(fēng)兼安全洞、3號施工支洞以及輔助通風(fēng)洞。其中，通風(fēng)兼安全洞與廠房開挖第Ⅰ層相連；輔助通風(fēng)洞與廠房開挖第Ⅱ?qū)酉噙B，但由于洞徑較小，無法滿足施工機(jī)械通行，無法作為廠房開挖通道；進(jìn)場交通洞與廠房開挖第Ⅳ層相連；3號施工支洞與壓力管道岔管相連，通過壓力管道岔管進(jìn)入地下廠房開挖第Ⅵ層；尾水洞與地下廠房第Ⅶ層相連。地下廠房開挖分層見圖1。

圖1 地下廠房開挖分層示意(單位：m)

在常規(guī)地下廠房開挖過程中，一般遵循由上至下分層順序開挖的原則，但金橋地下廠房開挖時根據(jù)本工程的工期安排和施工特點，合理優(yōu)化，采用了立體開挖措施。主廠房首先由第Ⅰ層至第Ⅲ層順序開挖，第Ⅳ層則在進(jìn)場交通洞具備運輸條件下，與第Ⅱ?qū)娱_挖同期進(jìn)行施工，為滿足支護(hù)及巖錨梁混凝土澆筑條件，第Ⅲ層開挖后暫不出渣，作為施工平臺，待第Ⅲ層巖錨梁澆筑完成和廠內(nèi)橋機(jī)安裝后，再將第Ⅲ層落在第Ⅳ層處的開挖渣通過進(jìn)場交通洞運出洞外；在巖錨梁施工時，則利用引水洞壓力管理支管進(jìn)入第Ⅵ層進(jìn)行正常開挖，然后進(jìn)行預(yù)留的第Ⅴ層開挖，最后進(jìn)行第Ⅶ層肘管和集水井開挖施工。由此地下廠房做到了“豎向多層次，平面多工序”的立體開挖方案，最大限度地節(jié)約了施工時間。

3.2 第Ⅰ層、第Ⅱ?qū)娱_挖

廠房第Ⅰ層開挖通過通風(fēng)兼安全洞進(jìn)行開挖，第Ⅰ層開挖結(jié)束后，進(jìn)行頂拱支護(hù)及預(yù)應(yīng)力錨索施工。由于第Ⅰ層開挖高度為6.2 m，廠房斷層部位布置的9.0 m錨筋樁無法安裝。為滿足錨筋樁安裝，對第Ⅱ?qū)舆M(jìn)行中間掏槽開挖，中間掏槽寬10 m，兩側(cè)各預(yù)留5.0 m寬巖臺，如此，既滿足了頂拱錨筋樁施工，也為第Ⅰ層兩側(cè)邊墻支護(hù)預(yù)留了施工平臺，還防止了廠房邊墻發(fā)生較大塑性變形。

廠房第Ⅰ層所有支護(hù)完成后，進(jìn)行第Ⅱ?qū)由舷掠芜厜︻A(yù)留的5.0 m巖臺開挖，然后進(jìn)行支護(hù)施工。

3.3 第Ⅲ層開挖

廠房第Ⅲ層為巖錨梁開挖，先進(jìn)行第Ⅲ層中槽預(yù)裂。首先對第Ⅲ層底板碎渣清除及整平，由測量人員放樣出中槽預(yù)裂孔(孔徑90 mm、孔距70 cm、孔距離邊墻3.4 m)，并用紅色油漆做標(biāo)記，布孔完成后，使用液壓履帶式潛孔造孔，從3 284.1 m高程一直鉆到巖錨臺下拐點以下2 m，即3 280.10 m高程，孔深4 m。由于現(xiàn)場炸藥為直徑42 mm的乳化炸藥，為滿足預(yù)裂孔不耦合系數(shù)，對炸藥藥卷進(jìn)行了加工，加工后的藥卷直徑為60 mm，裝藥時應(yīng)將藥卷和導(dǎo)爆索分散綁扎竹片上，分散距離≦50 cm。

中槽預(yù)裂爆破完成后，進(jìn)行中槽深孔梯段爆破(槽寬13.2 m，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層3.4 m/2 m)，使用潛孔鉆機(jī)造孔，鉆孔一次性鉆至3 280.1 m高程，梯段爆破前采用楔形掏槽挖出臨空面，再鉆深孔梯段爆破孔(炮孔間距a=100 cm、排距b=80 cm)，然后采取分梯段裝藥的方式，將乳化炸藥裝入深孔梯段爆破孔，爆破時，先邊排起爆，再后排依次起爆，將中槽巖石炸出(爆破時應(yīng)進(jìn)行爆破振動速度測試，控制傳到巖錨梁質(zhì)點振動速度≤7 cm/s)，洞渣采用LG843裝載機(jī)配合15 t自卸汽車出渣，以進(jìn)廠交通洞為通道，運至嘉忠公路里程106.2 km毛料堆存場(運距800 m)。

隨著中槽深孔梯段爆破，立即對保護(hù)層進(jìn)行開挖，保護(hù)層開挖使用YT28-A手風(fēng)鉆鉆孔直墻光面爆破法(邊墻炮孔間距30～35 cm)，嚴(yán)格控制鉆孔精度，確保直墻成型質(zhì)量。保護(hù)層厚2 m，分兩次爆破，在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)保護(hù)層開挖前，預(yù)先在Ⅲ區(qū)保護(hù)層上鉆直墻光爆孔并預(yù)埋PV管且堵住孔口防止孔被堵塞，再將Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)保護(hù)層爆除，然后在3 280.1 m高程處，搭設(shè)鋼管樣架，采用幾何法控制鉆桿孔向上傾40°(角度偏差≦1°)，再向巖錨臺鉆斜面光爆孔，鉆孔完成后，將Ⅲ區(qū)PV管拔出，給直墻光爆孔和斜面光爆孔裝藥連線，組成“雙向光爆網(wǎng)”將巖錨臺三角體爆除，控制超挖值≤15 cm。

3.4 第Ⅳ層開挖

廠房第Ⅰ層開挖完成后，增加了預(yù)應(yīng)力錨索，并將9.0 m砂漿錨桿修改為9.0 m預(yù)應(yīng)力錨桿，支護(hù)施工時段較長，對整個廠房施工進(jìn)度影響較大。在廠房第Ⅱ?qū)宇A(yù)留巖臺開始時，進(jìn)場交通洞已開挖完成，達(dá)到了第Ⅱ?qū)优c第Ⅳ層同時開挖的條件，故通過進(jìn)場交通洞進(jìn)行了廠房第Ⅳ層開挖。第Ⅳ層開挖與支護(hù)同步進(jìn)行，第Ⅱ?qū)娱_挖、支護(hù)施工結(jié)束時，第Ⅳ層開挖已結(jié)束，支護(hù)除3 278.7 m高程處9.0 m預(yù)應(yīng)力錨桿外，其余砂漿錨桿和掛網(wǎng)支護(hù)已完成。

廠房第Ⅳ層開挖完成后，巖錨梁施工高度較高，為滿足第Ⅲ層支護(hù)及巖錨梁混凝土澆筑，第Ⅲ層開挖時先不出渣，作為第Ⅲ層支護(hù)和巖錨梁施工平臺，等巖錨梁澆筑完成，并完成廠內(nèi)橋機(jī)安裝后，再將第Ⅲ層開挖石渣通過進(jìn)場交通洞運出洞外。

3.5 第Ⅵ層開挖

引水隧洞下平段布置有3號施工支洞與地表相連，引水隧洞下平段及岔管開挖完成后，可通過3號施工支洞、引水下平段、岔管到達(dá)廠房第Ⅵ層。由于引水岔管斷面尺寸為3.4 m×3.5 m(寬×高)，反鏟、裝載機(jī)等施工設(shè)備通行困難，將3號岔管進(jìn)行了擴(kuò)挖，以滿足施工設(shè)備通行要求，保證了第Ⅵ層開挖出渣和支護(hù)施工。

廠房第Ⅵ層開挖、支護(hù)完成后，對第Ⅶ層下挖2.0 m，開挖至蝶閥層基礎(chǔ)面，使第Ⅶ層僅剩余肘管基礎(chǔ)開挖，減少廠房開挖對尾水洞施工的影響。

3.6 第Ⅶ層開挖

尾水洞開挖完成后，通過尾水洞進(jìn)行廠房第Ⅶ層肘管基礎(chǔ)和集水井開挖，在廠房第Ⅴ層開挖前，已完成第Ⅵ層、第Ⅶ層以及集水井開挖。由于尾水洞及尾水渠施工是廠房2018年度汛重點項目，汛前需完成尾水閘門安裝，為保證廠房安全度汛，廠房第Ⅶ層和集水井開挖完成后，立即進(jìn)行尾水渠和尾水洞混凝土施工。

3.7 第Ⅴ層開挖

廠房第Ⅶ層蝶閥層開挖完成后，進(jìn)行第Ⅴ層巖板開挖，施工順序是從副廠房側(cè)挖開，形成下料漏斗到第Ⅶ層，開挖料利用進(jìn)場交通洞出一部分渣，剩余部分通過3號施工支洞、引水下平段、3號岔管到達(dá)蝶閥層出渣。

4 結(jié) 語

金橋水電站地下廠房開挖在項目初期策劃的基礎(chǔ)上，重新調(diào)整了開挖分層、施工程序、開挖方案，地下廠房立體、多層、同時開挖施工技術(shù)的實施，打開了多條施工通道，減少了施工干擾，將預(yù)應(yīng)力錨索和預(yù)應(yīng)力錨桿影響的工期搶回，并提前開始尾水渠、尾水洞混凝土施工，保證了地下廠房2018年安全度汛，為按期發(fā)電打下了堅實的基礎(chǔ)。

并且由于立體開挖施工技術(shù)的全面實施，使得進(jìn)場交通洞、引水岔管、尾水洞等地下洞室提前與主副廠房貫通，各洞室與廠房交叉口部位柔性支護(hù)提前完成，確保了地下廠房施工安全和工程永久安全，為類似工程積累了豐富的經(jīng)驗。