地下廠房洞室群機械化施工裝備配置優化

閆 鋒

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，南京 211800）

0 引言

近年來，隨著中國經濟社會的持續快速發展，能源需求量不斷增加，人們對電力的需求也不斷增長[1]。抽水蓄能電站以其調峰填谷的獨特運行特性，發揮著調節負荷、系統性節能和維護電力系統安全穩定運行的功能，成為現代電力系統中至關重要的一環[2]。抽水蓄能電站的地下廠房洞室群施工時，施工強度高、開挖量大、作業面多，結構形式復雜多樣，工序復雜，目前施工方式仍主要以人工作業為主[3-4]。但隨著越來越嚴峻的安全形勢，作業人員對施工環境的要求越來越高，施工進度、質量等要求越來越嚴格，機械化程度較低的施工方式越來越不能滿足和適應現代施工的需求[5-6]。

近年來，國內外學者在地下廠房施工方面的研究有了一定的成果。李璐等[7]對地下廠房施工過程進行數值模擬，以判定施工開挖順序、圍巖支護參數等的合理性；李輝等[8]研究了地下廠房的機械化施工技術，實現了“豎向多層次，平面多工序”的立體開挖；齊三紅等[9]研究了施工開挖和支護開挖過程中的圍巖變形場、應力場及塑性區的分布及變化特征。但是，少有對地下廠房施工設備配置方案進行研究。施工設備配置的合理性會大大影響施工的有序、高效、安全進行，所以，對機械化施工裝備的配置優化具有重要的工程意義。

本文對洞室群具體施工設備進行選型，并提出設備配置方案。針對人工投入、綜合工效比以及開挖成本，對單臺車方案與雙臺車方案進行對比分析，選出最優方案，以完成洞室群的高效施工，為工程的設計與施工提供參考。

1 工程概況

安徽績溪抽水蓄能電站的地下廠房主要包括主副廠房和主變洞，如圖1所示。主副廠房洞總長為210.0 m，下部開挖寬度為24.5 m，上部開挖寬度為26.0 m，最大開挖高度為53.4 m。主變洞位于主副廠房洞下游，兩洞凈距為39.7 m；主變洞開挖尺寸為213.1 m×19.0 m×22.15 m（長×寬×高），與主副廠房通過交通電纜洞、主變運輸洞及6條母線洞相連。

圖1 地下廠房洞室群示意圖

地下廠房洞室群圍巖以塊狀～次塊狀結構為主，局部為鑲嵌結構，圍巖以Ⅱ～Ⅲ類為主，局部為Ⅳ類，斷層破碎帶為Ⅳ～Ⅴ類，圍巖基本穩定，局部穩定性差。

2 施工方法

地下廠房洞室群規模巨大，洞群縱橫交錯，各洞室的開挖與支護相互制約又相互干擾。根據地下洞室的具體結構，開挖施工遵循“平面多工序、立體多層次、分層開挖、逐層支護”的原則，實現了多工作面施工的連續、協調。

（1）主副廠房施工

主副廠房自上而下分7層開挖支護[10]，如圖2所示。每層分左中右3 個斷面分部施工。第Ⅰ、Ⅱ層開挖由通風兼安全洞通道保證，頂層施工時及時挖通主廠房排煙洞，第Ⅱ層開挖結束后進行巖壁吊車梁錨桿及混凝土施工。第Ⅲ、Ⅳ層由進場交通洞通道保證，第Ⅳ層開挖后，完成安裝間混凝土澆筑。第Ⅴ～Ⅶ層由4＃施工支洞通道保證，4＃支洞施工在廠房第Ⅰ～Ⅳ層開挖過程中組織完成，在廠房第Ⅴ～Ⅶ層開挖過程可充分利用該作業通道。

圖2 主副廠房開挖分層示意圖

主副廠房采用分層分塊開挖與支護。頂拱采用中導洞超前地質探測，兩邊擴挖逐漸擴大、避免應力集中的開挖方法。施工作業錯距進行，錯距不小于30 m。兩側擴挖推進一段距離后，利用埋設儀器時間安排噴錨支護的平行作業。Ⅱ層以下開挖均采用梯段開挖，兩側預留保護層，實現光面爆破，中間梯段爆破。對于塌方區域采用先深孔錨桿、掛網、噴20 cm砼聯合支護后，再回填結構外砼，以提高圍巖的整體性和穩定性。

（2）主變洞施工

主變洞分4層開挖支護，每層分左中右3 個斷面分部施工，其結構如圖3所示。第Ⅰ、Ⅱ層開挖由主變排風洞通道保證，第Ⅲ、Ⅳ層開挖由主變進風洞通道保證。第Ⅰ層為中導開挖，兩側擴挖；第Ⅱ、Ⅲ層均為中部拉槽，兩側開挖保護層，拉槽及兩側保護層開挖錯距進行；第Ⅳ層為槽挖，采用手風鉆造孔分兩層開挖、爆破，周邊光面爆破。各層排水廊道開挖根據通風兼安全洞、進廠交通洞、主變進風洞、尾閘運輸洞等交面提供時間，盡早安排進行，以利廠房、主變洞、尾閘洞圍巖排水。

圖3 主變洞結構圖

主變洞進行支護作業時，對Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段進行初噴、系統短錨桿施工，中部開挖支護完成后進行兩側擴挖及全斷面系統支護；針對不良地質段，開挖后及時進行系統噴錨支護，頂拱范圍噴混凝土，采用砂漿錨桿或自進式中空注漿錨桿進行超前支護。

在主副廠房與主變洞等大斷面洞室中，可進行立體多層平行開挖。按照施工工序，可在洞室中不同位置分別布置鑿巖臺車、液壓鉆、潛孔鉆機進行鉆孔作業，在鉆孔爆破后，由液壓反鏟、裝載機、自卸汽車配合完成渣土的運輸工作，并由濕噴機進行混凝土噴射作業。

系統錨桿及掛網噴混凝土支護與開挖平行作業；拉槽施工邊墻預裂超前于梯段開挖20 m，與Ⅰ層支護平行作業；出渣與梯段爆破鉆孔平行作業；保護層分3 層開挖，出渣與下一段鉆孔平行作業；巖壁上直邊墻鉆孔與Ⅰ層支護平行作業；邊墻預裂超前于梯段開挖20 m，與梯段開挖平行作業，僅開始階段占用直線工期。保護層開挖滯后中槽開挖20～30 m，與中槽梯段開挖平行作業；邊墻開挖后，對斷層破碎帶等進行及時支護，與開挖交替作業。各工序之間的平行作業不占用直線時間，大大加快了施工進度。

3 機械化施工設備

3.1 施工機械設備選擇

地下廠房洞室群的施工設備主要可分為鉆孔設備、裝渣及運輸設備、噴混凝土施工設備。

在地下廠房進行立體多層平行開挖，在洞室中不同位置分別布置鑿巖臺車、液壓鉆、潛孔鉆機進行鉆孔作業，在鉆孔爆破后，由液壓反鏟、裝載機、自卸汽車配合完成渣土的運輸工作，并由濕噴機進行混凝土噴射作業，確保工程項目的施工能力和質量要求。

3.1.1 鉆孔設備

地下廠房中主副廠房Ⅰ層、主變洞、母線洞等斷面較大的洞室開挖均選用Boomer353E 三臂鑿巖臺車進行造孔工作，其工作范圍達到14.34 m×12.03 m，能較好地滿足洞室的施工要求。

廠房與主變洞Ⅱ層以下梯段爆破施工選用ROC D7 型液壓鉆造孔，液壓鉆完成最大造孔量所需時間為7.92 h，造孔能力滿足排炮循環時間。

廠房與主變洞的邊墻預裂孔不占直線工期，選用KSZ-100Y型支架式潛孔鉆機造孔，一天可造孔384 m。

3.1.2 裝渣及運輸設備

施工裝渣設備選用液壓反鏟及裝載機，自卸汽車負責將石渣運輸至渣場。

323D液壓反鏟每個月能裝渣2.5 萬m3，ZL50 裝載機每個月的裝渣能力為3.2 萬m3。液壓反鏟與裝載機配合完成各洞室的裝渣工作。

根據施工總布置規劃洞挖料運到棄渣場，NXG3310D3KE自卸汽車每車運輸量為19.04 m3，考慮廠房系統地下洞室群到棄渣場的距離，1輛自卸車每個月可運渣0.79萬m3。

3.1.3 噴混凝土施工設備

廠房系統地下洞室群噴混凝土施工主要采用濕噴機。結合工程地質條件，通過分析比較，選擇MEYCO Potenza 濕噴機對現場進行噴混凝土施工作業。該濕噴機的水平與垂直噴射距離達到14 m，每小時可噴射混凝土30 m3，可以承擔主副廠房以及主變洞等大斷面洞室的混凝土噴射作業。

3.2 設備配置方案比選

為了提高施工效率，減低施工成本，實現洞室空間與設備工作能力的合理利用，對施工設備的配置方案進行研究。

3.2.1 施工設備配置方案

考慮時間利用系統、設備移動以及各設備工作能力的配合等因素，現場研究了2種開挖設備配置方案。

（1）單臺車方案

選用三臂鑿巖臺車1 臺、液壓鉆1 臺、潛孔鉆機4 臺、液壓反鏟1臺、裝載機2 臺、自卸汽車5 輛、濕噴機1 臺的設備配置方案，進行洞室群的施工作業。

人員配置包括：開挖工班38 人，出渣工班19 人，混凝土結構工班45人，合計102人。

（2）雙臺車方案

選用三臂鑿巖臺車2 臺、液壓鉆2 臺、潛孔鉆機7 臺、液壓反鏟1臺、裝載機3 臺、自卸汽車6 輛、濕噴機1 臺的設備配置方案，進行洞室群的施工作業。

人員配置包括：開挖工班65 人，出渣工班30 人，混凝土結構工班60人，合計155人。

3.2.2 開挖工效成本對比

現場施工組織對單臺車方案與雙臺車方案這2 種不同的機械配置方案，從人機配置、綜合工效、經濟效益等方面進行了綜合研究、分析、比選。

（1）人機投入比

針對主副廠房Ⅰ層的情況，對2 種設備配置方案各作業線人員配備進行比較。

單臺車方案的人員配置達到102 人，在主副廠房Ⅰ層施工的月進度為60 m／月；雙臺車方案的人員配置達到155 人，開挖月進度為70 m／月。

單臺車方案的月進度人均占比為0.59 m／ （人·月），雙臺車方案的月進度人均占比為0.45 m／ （人·月），故相比之下，單臺車方案人工效率較優，比雙臺車方案高了31%。

（2）綜合工效比

對2種設備配置方案開挖主副廠房Ⅰ層的作業線主要工序月度指標進行對比，如表1 所示。由表可以看出，雙臺車方案月開挖進度較高，達到了76 m。但是根據工程實踐得到，地下廠房仰拱施工的月進度為70 m，不能保證雙臺車方案的步距要求，雙臺車方案的設備配置能力過剩，導致其綜合月進度與單臺車方案相比優勢并不明顯。所以，從設備性能及各條作業線生產進度匹配情況等方面考慮，單臺車方案較優。

表1 工序用時及綜合進度指標測定表

（3）經濟效率比

該工程的土石方開挖量達到了103 萬m3，通過計算得到2種配置方案的成本效益對比，如表2 所示。可以看出，相比于雙臺車方案，單臺車方案的開挖直接成本低了約9.5%。雙臺車方案的施工效率較高，開挖工期較短，使得工程施工的人工費有所減少，但是由于多購買了部分施工設備，機械費大大增加。

表2 開挖直接成本對比元／m3

從以上對比分析可以看出，單臺車方案在人工投入與開挖成本方面較優。在綜合工效比方面，雙臺車方案具有優勢，但是由于設備配置能力過剩的問題，優勢并不明顯。經過綜合考慮與實際施工對比，該工程確定采用單臺車方案進行機械化施工。

4 機械化施工的工程應用

本工程實行單臺車方案的機械化施工，合理配置，在進度、質量等方面的優勢得到很好的展示。

4.1 施工進度

主副廠房與主變洞的開挖工序分為測量放樣、鉆孔、裝藥爆破、通風散煙和出渣，各洞室的工序具體的平均用時如表3所示。可以看出，洞室開挖的工序循環時間為25.2 ～33.7 h，較多的時間花在鉆孔與圍巖支護工序上。但是，考慮到邊墻預裂與梯段開挖、圍巖支護與開挖、出渣與下一段鉆孔等之間的平行作業情況，并不占用直線工期，各工序的時間分配較為合理，滿足施工要求。

表3 各洞室開挖工序平均時間h

機械化施工使得地下廠房洞室群的工程進度大大加快，主副廠房與主變洞的具體施工情況如表4 所示。從表中統計來看，地下廠房的機械化施工相比于工程計劃工期要求，完成施工時間提前了半個多月，符合方案要求，說明單臺車方案施工能夠大大加快施工進程。

表4 地下廠房的施工情況

4.2 開挖作業

洞室開挖過程中，巖壁開挖排炮循環水平進尺約為3.5 m，中部梯段爆破排炮循環水平進尺約為10 m，保護層開挖排炮循環水平進尺約為10 m。各洞室每層分中導和側壁3 塊開挖、支護，月平均開挖進度如表5 所示。可以看出，洞室Ⅰ層開挖進度較慢，其余部分的開挖進度都達到140 m／月以上。主副廠房與主變洞的Ⅰ層為頂拱開挖，輪廓開挖質量要求高，開挖難度較大，導致其開挖進度較慢。主副廠房Ⅱ層為巖錨梁重要工程部位，施工質量要求極為嚴格，月平均施工進度達到142 m。主變洞Ⅱ層以下與主副廠房Ⅲ層以下的施工進度較快，達到了160 m／月以上。單臺車施工方案滿足了快速施工的要求。

表5 洞室開挖平均進度

4.3 出渣作業

由液壓反鏟、裝載機和自卸汽車共同配合完成洞室渣土的運輸作業，當開挖掌子面位置距離棄渣場0.5 km 以內時，安排自卸汽車3輛，之后開挖距離每增加0.5 km，就多配置1輛自卸汽車，以保證出渣效率，工程上出一車渣平均用時為25 min，滿足施工要求。

在對洞室各個部分的施工過程中，不同階段對應的出渣時間如表6所示。可以看出，主副廠房Ⅱ層及以下的中部梯段爆破和主變洞開挖過程，出渣時間較長，其中主變洞Ⅱ、Ⅲ層出渣時間最長，達到10 h。整體上看，出渣時間占循環時間的比率較為合理。

表6 各洞室平均出渣時間統計

4.4 混凝土施工作業

整個抽水蓄能電站工程的混凝土總工程量為11.9 萬m3，包括地下廠房、尾水系統工程、各交通洞、通風洞等，歷時48個月完成，平均月澆筑強度達到2487 m3，最高月澆筑方量5102 m3。主副廠房洞與主變洞的混凝土工程量分別為6008 m3和1552 m3，噴混凝土平均厚度約為10 cm，噴混凝土施工過程中，月高峰強度達到862 m3／月，滿足施工工期要求。

5 結束語

為了確保工程項目的施工能力和質量要求，提出立體多層平行開挖的機械化配套施工方法，實現了多工作面施工的連續、協調。并根據施工強度要求與機械設備工作能力，對主要施工機械設備進行選，重點考慮能夠適應隧洞開挖、支護、裝渣、運輸等施工要求的專項設備。

針對人工投入、綜合工效比以及開挖成本，提出了單臺車方案與雙臺車方案2 種設備配置方案，分別對其進行分析研究。經過分析得到，相比于雙臺車方案，單臺車方案在人工效率與開挖成本方面具有明顯優勢，人工效率方面高了31%，開挖成本低了9.5%；在綜合工效比方面，雙臺車方案由于仰拱月進度的限制，存在設備配置能力過剩的問題，優勢并不明顯。經過綜合考慮，單臺車方案為本工程最佳、最合理施工機械配置方案，單臺車方案包括了三臂鑿巖臺車1臺、液壓鉆1臺、潛孔鉆機4臺、液壓反鏟1 臺、裝載機2臺、自卸汽車5輛、濕噴機1臺。

工程通過實行單臺車配置方案施工，施工完成時間相比于工程計劃工期要求提前了半個多月，各工序作業情況也滿足施工要求，證明該方案的可行性，為類似工程積累了豐富的經驗。