白鶴灘水電站左岸地下廠房機組混凝土快速施工技術

楊 勇，楊 帆，陳 強 坦

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

白鶴灘水電站位于四川省與云南省交界的金沙江下游河段，是我國“西電東送”能源戰略的骨干電源點，開發任務以發電為主，兼顧攔沙、防洪、航運、灌溉等。工程按期建成、“安全準點”發電對促進西部大開發，實現“西電東送”，促進西部資源和東部、中部經濟的優勢互補以及西部地區經濟發展具有深遠的意義，同時在防洪、航運、環保等方面效益巨大[1]。

該電站地下廠房在左右岸對稱布置，各安裝8臺、單機容量為100萬kW的水輪發電機組，是目前世界上在建的最大地下廠房。左岸地下廠房布置在拱壩上游山體內，洞室水平埋深800～1 050 m，垂直埋深260～330 m[2]，洞室軸線方向為N20°E。

主副廠房洞的開挖尺寸為438 m×31 m(34 m)×88.7 m(長×寬×高)，采用一字型布置，從南到北依次布置副廠房、輔助安裝場、機組段和安裝場。機組間距38 m，機組段長304 m，安裝場長79.5 m，輔助安裝場長22.5 m，副廠房長32 m。機組安裝高程為570 m，自下而上依次為肘管層、錐管層、蝸殼層、水輪機層、中間層、發電機層。尾水管底板的高程為535.9 m，水輪機層的高程為576.2 m，中間層高程為582.4 m，發電機層高程為590.4 m，拱頂高程為624.6 m。

機組混凝土澆筑從尾水管底板高程535.9 m至發電機層頂部高程590.4 m，總高度為54.5 m，單機組混凝土澆筑工程量為2.06萬m3，8臺機共計16.36萬m3，主要施工內容包括鋼筋制安、水輪機埋件安裝、機電一期埋件安裝、電氣、暖通、給排水以及消防等埋件安裝、模板安裝、混凝土澆筑等。左岸地下廠房在開挖支護階段，由于受巖爆片幫頻繁、C2層間錯動帶等不利地質構造發育、洞群效應突出等不利因素影響，施工工期較長，造成混凝土澆筑施工工期緊張。為此，該工程在施工過程中采取了尾水管大組節預拼裝、座環預拼整體一次吊裝、錐管一期澆筑、整體分層優化、中間層、發電機層框架結構混凝土快速施工等技術，實現了地下廠房機組混凝土快速施工，單機組混凝土澆筑施工工期由原計劃的23個月縮短至17個月，從而為白鶴灘水電站左岸地下廠房按期向機電安裝交面、實現“安全準點”發電創造了有利條件。筆者對左岸地下廠房實施的機組混凝土快速施工技術進行了闡述。

2 機組混凝土快速施工技術

為確保白鶴灘水電站首批機組“安全準點”發電，機組混凝土從啟動底板清基至交面機電安裝僅剩18個月工期，對比同等規模電站地下廠房：溪洛渡水電站首臺機機組混凝土澆筑施工工期為23個月，向家壩水電站右岸地下廠房首臺機機組混凝土施工工期為21個月，烏東德水電站單機組混凝土施工工期為26個月。由此可見：白鶴灘水電站地下廠房機組混凝土施工工期極為緊張，必須采取安全可靠、優質高效的快速施工技術措施，使機組混凝土在18個月內施工完成，以按期交面機電安裝，實現“安全準點”發電的目標。為此，施工局制定并優化了施工方案。

2.1 整體分層優化

該工程原施工組織設計規劃機組混凝土澆筑共分為29層，其中肘管層分兩期、10層澆筑、錐管層5層、蝸殼層7層、中間層4層、發電機層3層，分層高度為1.5～3.4 m。為縮短直線工期，適當增加分層厚度、減少分層是切實可行并行之有效的措施。

在綜合考慮機電一期埋件加固需求、大體積混凝土溫控防裂、混凝土澆筑入倉手段及入倉強度等要素并結合該工程結構布置特點以及以往類似工程的施工經驗，施工局對機組混凝土澆筑整體分層進行了優化：

(1)肘管層分兩期澆筑，其中一期混凝土為肘管底板及支墩混凝土，分3層澆筑；二期為肘管外包混凝土，將原方案中的分8層澆筑優化為分5層澆筑，優化后的分層方案重點考慮第一層以及第三層澆筑的分層厚度，第一層分層高度既應保證有足夠的壓力使肘管底部混凝土充填密實，又不能澆筑過高使肘管受到較大的浮托力而抬動，通過浮托力計算最終選取了澆筑至覆蓋肘管底1.2 m處作為第一層澆筑的頂高程，第一層分層厚度為2.7 m。第三層覆蓋肘管頂部，須考慮肘管上覆混凝土重量不能過重而導致肘管變形，經計算，按照覆蓋厚度不大于1.5 m進行分層。

(2)蝸殼層由原方案分7層澆筑優化為分4層澆筑。其中，第一層的分層主要考慮將座環與基礎環陰角部位澆筑密實，同時，蝸殼內側與外側的高差不超過設計允許值60 cm，以防止蝸殼側移，分層高度由原來的1.5 m調整為3.5 m，其余各分層兼顧蝸殼層進人廊道等結構布置以及方便預埋管路安裝等因素。

(3)中間層及發電機層由原方案的分7層澆筑優化為分4層澆筑。中間層及發電機層中部機坑區域為機墩、風罩，外側為板梁柱框架結構，在分層方案上，按照板梁以下柱子分1層、板梁分1層進行。

通過系統性的分層優化，機組混凝土澆筑分層由原方案分的29層澆筑優化為分20層澆筑，縮短直線工期約45 d。

2.2 肘管大組節預拼裝

肘管安裝作為機組肘管層混凝土澆筑的緊前工序，占用機組混凝土澆筑直線工期。左岸廠房單臺套尾水肘管分為14節，共336 t。若逐節在機坑內進行吊裝焊接，每節管節的安裝及每條環縫的焊接都將占用直線工期。

經研究，最終采取在廠房安裝間平臺布置工位、提前將肘管兩兩預拼、與肘管一期支墩混凝土澆筑同期進行，機坑內具備肘管安裝條件后，將預拼好的大組節采用施工橋機整體吊裝至機坑就位，如此操作，將原本機坑內14節管節安裝、13條環縫焊接的工作量減少到7大節肘管在機坑內安裝、6條環縫焊接的工作量，節約了直線工期。

肘管大組節預拼須統籌考慮廠房施工橋機的吊運能力以及吊裝空間，組拼后的大組節的最大重量不能超過橋機的額定起重量，同時其高度應滿足在安裝間內的起升揚程，最后，組拼的管節在機坑內應便于定位加固。

肘管采取大組節預拼，其優點除了減少機坑內肘管焊接工程量而節約直線工期外，還具有在安裝場拼裝較在機坑內拼裝施工作業條件好、施工效率更高、質量更有保障等優勢。

2.3 錐管層混凝土一期澆筑

通常，為確保錐管加固質量，錐管層混凝土一般分兩期澆筑。一期混凝土為錐管外圍混凝土，外側澆筑至結構邊線，內側沿錐管預留足夠的施工空間形成一環形二期機坑；錐管安裝時，利用一期混凝土澆筑期間預埋的插筋作為錨固點，采用型鋼或錨筋對錐管進行加固。

錐管層分兩期澆筑對錐管加固有利，但存在增加二期混凝土占用直線工期、二期混凝土施工空間小、施工難度大、一期混凝土沿二期機坑內壁需增加防裂鋼筋和并縫鋼筋從而增加工程投資等弊端。

該工程通過錐管逐節安裝加固、混凝土隨層澆筑的方式，將錐管層混凝土優化為一期澆筑，其特點為：錐管安裝與混凝土備倉同步進行，不占用直線工期；錐管逐節安裝、混凝土隨層澆筑，將錐管懸臂高度控制在較小范圍——通常為一節錐管高度，即3 m左右，通過在混凝土內預埋地錨作為錨固點、斜拉桿拉結的方式對錐管進行加固，滿足受力要求；通過沿錐管外側對稱澆筑混凝土的方式，使錐管在混凝土澆筑過程中受力均勻，控制錐管側向位移滿足設計及規范的控制要求。

錐管層混凝土通過優化為一期澆筑，節約直線工期約30 d。

2.4 座環整體吊裝

由于機組座環整體重量較重，單套座環重達467 t，故原施工組織設計方案采用160 t橋機分瓣吊裝至機坑內進行組拼焊接。鑒于座環安裝是機組混凝土施工關鍵線路上的關鍵工作，占用直線工期，采取座環在機坑內組拼焊接的方案，座環分瓣吊裝以及焊縫焊接全部占用直線工期且工期較長。

為縮短直線工期，工程技術人員進行了座環在安裝間組拼再整體吊裝至機坑內就位的可行性研究，該方案的關鍵點在于座環組拼后重量較重，已安裝的160 t施工橋機無法承擔吊裝任務，需要將1 300 t永久橋機提前安裝并投入使用，以滿足座環整體吊裝要求。

通過建設方積極協調，橋機制造廠家精心籌備，在座環安裝前完成了1 300 t永久橋機的制造及安裝工作，具備了座環整體吊裝條件。

座環在安裝間整體組拼，一方面焊接作業施工環境好、質量更可靠，與在機坑內組拼相比，機坑內施工空間狹小，施工人員作業效率低，而安裝間組拼工位平臺布置更便于施工，效率明顯提高；另一方面，座環分瓣吊裝以及焊縫焊接提前進行、機坑具備座環安裝條件后將其整體吊運至機坑就位，座環分瓣吊裝以及焊縫焊接不占用直線工期。

現場實踐表明：采取座環提前組拼、整體吊裝方案較原方案在機坑內組拼焊接施工工期節約45 d。

2.5 框架結構快速施工

機組中間層及發電機層為板梁柱框架結構混凝土。由于水工結構的需要，板梁形成的框格通常大小不一、不成模數，在采用常規平面鋼模板拼裝時，需要采用木模板進行較大面積的補模，施工效率低。

為加快框架結構施工，采用預制清水模板進行拼模，即按照清水模板成品規格進行梁、板、柱模板規劃，對每一層框架的每一個框格的模板進行設計，按照盡可能少切割模板、少產生余料、拼縫縱橫銜接、對縫一致的原則，提前將模板拼裝制作圖繪制完成，在加工廠內按照圖紙將模板制作成需要的尺寸，并按照圖紙對加工好的模板進行編號。模板安裝時，按照模板拼裝圖將對應編號的模板安裝在相應的位置即可，極大地提高了施工效率。此外，采用預制清水模板拼縫嚴密、對縫規整，比采用平面鋼模板拼裝、木模板補缺外觀更加美觀。

該工程框架結構的原施工組織設計方案采用扣件式鋼管腳手架作為板梁底模支架，其搭設工程量大，施工效率不高。實際施工時，采用了盤扣式腳手架作支撐架。盤扣式腳手架具有搭拆方便、快速、結構穩定等優點，配套的定尺桿件安裝后不會產生因間排距不滿足要求而返工等問題，同時亦規避了扣件式鋼管腳手架扣件擰力矩檢查難度大等通病，是一種高效、安全的支撐方式[3]。

通過采用盤扣式支架配預制清水模板，有效提高了板梁柱框架結構混凝土施工效率，中間層及發電機層兩層框架結構(含機墩、風罩)由原設計方案計劃的4.5個月工期縮短至3個月左右。

2.6 混凝土快速施工的配套規劃與布置

為加快廠房機組混凝土澆筑施工進度，除了采取所優化的方案措施外，在施工配套方面，也需要采取相應的措施給混凝土澆筑提供更為便捷、高效的施工手段。

該工程首臺發電機組為1#機，布置在廠房南側，與南側的廠內集水井(上部為輔助安裝間)以及副廠房相鄰，鑒于集水井以及副廠房的施工勢必會對1#機造成干擾，為確保首臺發電機組的施工進度，應加快集水井及副廠房澆筑施工進度，將其先澆筑至發電機層以形成1#機南側施工場地及混凝土入倉通道。為此，在廠房南側頂拱增設了1臺10 t高揚程電動葫蘆，覆蓋了1#機、輔助安裝場以及副廠房，解決了廠房多機組同步施工情況下橋機使用緊張的問題，為首臺機關鍵線路施工增加了材料垂直運輸手段。

在混凝土澆筑施工通道布置方面，利用尾水管及尾水擴散段形成機組混凝土澆筑下部運輸通道，在引水下平洞與機坑巖隔墩之間增設型鋼棧橋形成肘管層至蝸殼層混凝土澆筑的中部運輸通道，在廠房上游第6層排水廊道與廠房上游墻之間新增設了3條支洞作為機組混凝土上部運輸通道，利用母線洞布置固定皮帶機配合廠房內布置的立柱式梭式布料機[4]形成混凝土垂直運輸系統，如此，廠房各層混凝土澆筑形成了自下而上全高程覆蓋、平面上南北雙向均可通行的施工通道，為主廠房各機組全面同步施工創造了良好的通道條件，確保了機組混凝土快速施工。

3 思考與建議

地下廠房機組混凝土施工一般為引水式水電站工程建設的關鍵線路或次關鍵線路，其施工進度直接制約著電站能否按期發電，因此，采取適當的工程措施保障混凝土施工進度大有裨益。筆者根據白鶴灘水電站左岸地下廠房以及其他類似工程經驗，在工程措施上提出了以下幾點建議：

(1)白鶴灘水電站在廠房上游布置了3條混凝土運輸廊道。該廊道是利用與發電機層高程相近的第6層排水廊道作為主洞室開挖至廠房上游邊墻的支洞。考慮到廠房高邊墻的圍巖穩定，廊道凈斷面尺寸設計為5 m×5 m，滿足罐車通行，并將第6層排水廊道至新增混凝土運輸廊道之間的洞段進行了擴挖，形成了從進廠交通洞經第6層排水廊道至廠房上游邊墻發電機層的混凝土水平運輸通道。由于第6層排水廊道只對從進廠交通洞右側進口至最遠端運輸廊道之間的洞段進行了擴挖，其余洞段未擴挖，不滿足混凝土運輸設備通行的要求，因此，該運輸通道只能單向通行，澆筑時罐車錯車、調頭等較為困難，易發生堵車。而向家壩水電站在發電機層高程布置的混凝土運輸通道是利用灌漿廊道作為主通道，由于灌漿廊道考慮到灌漿設備的布置需要其斷面尺寸相對較大，滿足混凝土罐車的通行要求，形成了繞廠房一周的環形通道，較好地解決了交通擁堵問題。從灌漿廊道增設施工支洞至廠房端墻，解決了副廠房下部混凝土運輸通道問題，一舉多得。因此，筆者建議：今后的地下廠房工程設計在滿足洞室整體穩定的前提下，可考慮將與發電機層高程接近的一層灌漿排水廊道斷面較常規設計得偏大一些，以形成廠房上部混凝土運輸環形通道。

(2)在地下廠房設計中，有一些電站的機坑隔墩之間下游側沒有留巖橋，有一些電站設計有巖橋。例如，向家壩水電站機坑隔墩之間下游側沒有設巖橋而烏東德水電站以及白鶴灘水電站留有巖橋。對于是否設置巖橋是設計綜合考慮廠房整體布置以及開挖跨度等因素決定的，是最終考慮各種因素的最優方案。筆者表達的是：在滿足廠房結構布置需要以及盡量減小廠房開挖跨度并在地質條件允許的前提下，應優先考慮設計巖橋，其優點為：一方面可以減少機坑開挖以及回填的工程量，節約工程投資；另一方面，在廠房錐管層可形成在廠房內的全范圍施工通道，有效解決廠房錐管層以下混凝土澆筑各類材料的運輸、入倉問題，對地下廠房施工組織非常有利，對施工進度的保障更加可靠。

(3)白鶴灘水電站右岸地下廠房因受C4層間錯動帶影響[5]，靠近輔助安裝間及廠房側上部的圍巖變形較大，為控制圍巖變形降低了該范圍廠房邊墻的開挖高度，設計將廠內集水井外移至廠房外，通過延長檢修排水廊道的方式滿足了廠區檢修滲漏排水需求。該方案在解決因不良地質條件帶來的廠房小樁號段圍巖變形問題的同時，使集水井開挖支護以及后續混凝土澆筑與廠房主機間脫離開，規避了二者之間的相互干擾，對廠房首批發電機組施工進度極為有利。因此，筆者認為：在今后的水電站地下廠房設計時，該設計思路值得推廣。以往工程設計的集水井設在廠房內與廠房洞室共用空間，較單獨在廠外布置集水井可在一定程度上節約工程投資；但將集水井布置到廠外具有以下優點：其一，可減小集水井段廠房的開挖高度，對廠房高邊墻圍巖穩定非常有利；其二，在無需布置輔助安裝場的情況下甚至可以取消集水井段廠房洞室的開挖，可大量減少開挖支護以及混凝土澆筑的工程量；其三，集水井布置到廠外，可以避免與廠房主機間的施工干擾，對廠房首發機組的進度控制更為有利。

4 結 語

在白鶴灘水電站左岸地下廠房機組混凝土施工過程中，通過采取一系列提高施工效率、優化施工程序的快速施工技術措施，有效縮短了機組混凝土澆筑直線工期，創造了世界上在建最大地下廠房單機組混凝土澆筑17個月施工工期的記錄，為按期向機電安裝交面、實現“安全準點”發電提供了可靠保障，所取得的經驗可供類似工程混凝土施工參考。