楊房溝水電站地下廠房頂拱開挖施工技術

謝斌

摘要：水電工程地下廠房頂拱跨度大，開挖成型質量要求高，安全風險突出，施工效率低，工期長。本文通過楊房溝水電站地下廠房頂拱開挖施工通道布置、開挖分區分層、施工程序、施工工藝和爆破參數等方面進行總結，為同類工程地下廠房頂拱安全、高效、高質量開挖提供借鑒。

關鍵詞：水電工程 ?地下廠房 ?頂拱 ?開挖

1 概述

1.1 工程概況

楊房溝水電站是國內首個采用設計采購施工總承包模式進行建設的百萬千瓦級大型水電站，工程規模為一等大（1）型工程，電站總裝機容量1500MW。引水發電系統布置在左岸山體內，地下廠房采用首部開發方式，主副廠房洞、主變洞、尾調室三大洞室平行布置。主副廠房洞長230m，高75.57m，巖梁以下寬28m，以上寬30m。

1.2 地質條件

主副廠房洞位于左岸山體內，軸線走向N5°E，地面高程約2220m～2350m，洞頂高程2022.5m，上覆巖體厚度200m～330m，水平埋深180m～330m。廠房圍巖巖性為淺灰色花崗閃長巖（γδ52），呈微風化～新鮮狀，巖質堅硬，巖石的單軸飽和抗壓強度在80～100MPa之間。

主副廠房洞共揭露111條構造，其中包括33條小斷層和74條擠壓帶，除f1-49和f1-83為Ⅲ級結構面外，其余均為Ⅳ級結構面。構造走向以NWW、NEE為主、NNE向次之，傾角以中傾角為主，寬度以1～3cm為主。斷層寬度一般1cm～5cm，延伸長度一般30m～100m，除f1-49、f1-94為巖屑夾泥膜外，其余均為巖塊巖屑型，其中23條斷層為切洞向中陡傾角，2條為切洞向緩傾角，8條為順洞向中陡傾角。擠壓帶寬度一般1cm～3cm，延伸長度7m～45m不等。

廠區最大主應力σ1值為12.62～13.04MPa，最大主應力方向為N61°W～N79°W，與廠房軸線夾角66～84°，屬于中等地應力區[1]。

2 通道布置

主副廠房洞頂拱開挖利用頂拱左、右端頭的廠房進風洞、通風兼安全洞作為施工通道。廠房進風洞位于主副廠房洞左端，底板高程為2015.10m，斷面尺寸為7.4m×8.9m（寬×高）。通風兼安全洞位于主副廠房洞右端，底板高程為2015.10m，斷面尺寸為7.4m×8.9m（寬×高）[2]。

3 頂拱開挖分區

廠房頂拱層開挖高程為2022.5m～2010m，總高度為12.5m，分為四區進行開挖，Ⅰ-1區為中導洞（高程2022.5m～2012.5m）開挖，斷面尺寸為12m×10m（寬×高），Ⅰ-2區為中導洞底板下臥開挖，斷面尺寸為12m×2.5m（寬×高），Ⅰ-3、Ⅰ-4區為上下游側擴挖（高程2021.514m～2010m），擴挖寬度9m。

分區注意事項：

（1）分區總體上遵循“安全高效、方便施工”原則。

（2）中導洞高度需要滿足9m長錨桿施工要求，高度不低于9m。

（3）為滿足兩側3區、4區9m長錨桿施工要求，頂拱第一層開挖高度應不小于12.5m，寬度不小于9m。

（4）為便于多臂鉆進行錨桿施工，中導洞高度不宜大于10m。

4 施工程序

1）中導洞開口及漸變段施工

第一步：中導洞漸變段以廠房右端墻為起點，開挖斷面沿用通風兼安全洞斷面，水平向前推進，開挖至（廠右）0+163.5m（5個開挖循環，開挖長度15m），停止向前掘進，從掌子面反向進行兩側修邊對稱擴挖，擴挖后開挖斷面由通風兼安全洞8.8×7m（寬×高）變為12×7m（寬×高）。

第二步：漸變段開挖斷面變為12×7m（寬×高）斷面后，開始水平循環向前推進45m（16個開挖循環），開挖至（廠右）0+118.5m，退出鉆爆臺車，停止向前掘進。

第三步：開始底板第一次開挖降底，將整體斷面擴挖成12×10m（寬×高）斷面，其中（廠右）0+178.5m～（廠右）0+148.5m段中部預留8m寬，坡度為10%的斜坡施工通道。

第四步：推臺車至（廠右）0+148.5m，完成12×10m斷面臺車改造，同時完成已開挖部位頂拱Φ32，L=9m長錨桿施工。

2）標準段及兩側擴挖施工

第一步：完成漸變段開挖后，開始中導洞12m×10m（寬×高）全斷面開挖掘進，控制支護進度滯后開挖工作面小于20m，當圍巖破碎時，支護緊跟開挖面實施。

第二步：中導洞貫通后進行中導洞底板第二次下臥開挖降底，從安裝間側向副廠房側單向開挖。

第三步：中導洞底板降底開挖完成后，進行上下游側擴挖施工，擴挖開口采用刻槽工藝。上游側從3#機組中心線處開始向兩端擴挖，下游側從2#機組中心線處開始向兩端擴挖。前期利用通風兼安全洞作為施工通道，廠房進風洞開挖完成后，同時利用通風兼安全洞、廠房進風洞雙通道進行施工。最后進行臨時施工通道的挖除。

3）左右端墻施工

為確保左右端墻開挖質量，在兩側擴挖至左右端墻位置時，端墻面預留2～4m保護層，保護層開挖采用分層造孔鉆爆，雙向光面爆破，爆破孔間距50cm，確保端墻開挖面平整。

5 生產性爆破開挖試驗

為選取適宜的爆破參數，于2016年4月20日至2016年4月30日在廠房頂拱層中導洞（廠右）0+160m～（廠右）0+134m，分別按不同的周邊孔間距、不同的最小抵抗線、不同的周邊孔線裝藥量進行組合，共進行了8次爆破試驗，爆破參數詳見表1。

廠房第Ⅰ層中導洞通過爆破試驗的幾次爆破振動監測共采集到16個有效數據，對每點的3分量速度進行矢量合成，可得到每點的振動最大合速度，相比于采用單分量速度進行擬合計算，采用合速度可減小巖石局部各向異性造成的偶然誤差，進行回歸計算所得到的K、α值更趨合理，各點爆破振動最大合速度見表2。

擬合計算結果為：K=103.3，α=1.46。建議采用公式 預測爆破最大質點振動速度。

通過爆破試驗，廠房頂拱中導洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖進尺為3.0m～3.2m，周邊孔間距為50cm，周邊孔最小抵抗線75cm，周邊孔線裝藥量為154g/m效果最佳，施工參數現場實施時需結合揭示圍巖情況，爆破設計進尺、裝藥量及布孔形式動態調整及個性化裝藥。

6 特殊部位爆破開挖

（1）邊墻擴挖開口刻槽開挖

1）結構線預留保護層厚度1.2～1.8m。

2）中下部掏槽進尺根據開挖總厚度，宜控制在2.5m～3.5m。

3）保護層刻槽深度根據頂拱弧線半徑、鉆機構造，按照最大超挖15cm進行設計。

（2）端墻雙向光面爆破開挖

1）邊墻擴挖端墻（最后一次爆破）開挖長度控制在3m左右。

2）掌子面（順軸線方向）周邊孔控制深度為相應端墻樁號加20cm。

3）掌子面（順軸線方向）主炮孔控制深度為相應端墻樁號減70cm。

4）臨時邊墻向上下游的（垂直軸線）周邊孔控制樁號為端墻樁號加20cm。

5）臨時邊墻端墻處周邊孔根據不同孔深進行φ25藥卷間隔裝藥，線裝藥密度80g/m。

6）相應孔深以測量實測巖石面為準。

（3）炮孔布置要點

1）測量放樣

每一排炮要求準確放出中心十字線和周邊線。測量放樣必須逐孔放點，后視點必須間隔放樣，采用“+”、“-”標示超欠挖情況，洞軸線中心線標識清楚，孔位中心線與前一排炮殘孔對齊，誤差應在±5cm以內。

2）鉆孔

鉆孔作業實行定人、定機、定崗“三定”制度，周邊孔開孔前，放點點位不利于開鉆時，使用榔頭清撬處理，方便開鉆，并做好鉆桿標識，便于控制鉆進深度，保證孔底深度在一個輪廓線上;開孔采用短鉆桿，開孔必須2人以上，專人觀察孔向（后視點超挖值調整3cm/m的外插角）;鉆孔過程中隨時檢查孔距、鉆孔方向，每個孔鉆孔完成后安裝標桿，便于參照方向。

3）裝藥連線

嚴格按照審批后的爆破設計裝藥連線，嚴格控制線裝藥密度、裝藥結構等。

4）爆后評價

每排炮出渣及排險后，由質量部門組織“爆破開挖技術質量攻關小組”成員對爆破效果進行現場檢查評價，并會商提出下一排炮的改進措施。

7 開挖效果總體評價

從工期上，主副廠房洞第Ⅰ層采用先中導洞開挖，后兩側擴挖的方式。主副廠房洞中導洞于2016年4月6日開始開挖，2016年8月3日開挖完成;擴挖于2016年7月16日開始，于2016年11月12日完成，第一層開挖總工期7個月，在同類工程中屬于中上水平。

從爆破松弛上，主副廠房洞共布置了5個聲波測試斷面，第Ⅰ層開挖完成后（2016年11月）進行了頂拱松動圈測試，聲波測試結果顯示，廠房頂拱松弛深度0.7～2m，平均松弛深度為1.4m，上游拱肩平均松弛深度最大，下游拱肩次之，頂拱最小;松弛區巖體平均波速4165m/s，非松弛區巖體平均波速為5150m/s，爆破振動控制效果較好[5]。

從變形控制上，地下廠房頂拱圍巖變形主要發生在頂拱層（一般為洞室第I層）開挖期間，之后隨著洞室開挖高程下降，拱效應顯現，頂拱變形問題將逐步趨緩。洞室第I層開挖時，正頂拱部位的變形一般約占洞室開挖完成后總變形量的80%以上。中（高）地應力硬巖條件下，廠房正頂拱部位的變形一般在4～10mm，通常不超過12mm;廠房拱肩部位的變形一般在10～20mm，通常不超過35mm。在一般情況下，應力水平越高，整體變形量也將越大，并且這種與應力相關的變形具有時間效應。楊房溝水電站主副廠房洞多點位移計累計變形在-3.41～69.12mm之間，89%以上測點圍巖變形都小于40mm，大于50mm的僅占6.25%。頂拱及上下游拱肩變形一般在10mm以內，最大累計變形為37.54mm，位于廠左（右）0+00m斷面上游拱肩。邊墻變形一般在40mm以內，下游邊墻變形整體高于上游側，實測最大變形69.12mm，位于廠左（右）0+00 m斷面下游2006m高程。

8 結語

地下廠房占地面積少，與地面建筑物之間干擾小、抗震性能良好、造價經濟，我國已建水利水電工程中，大型地下廠房數量超過100座，隨著水利水電工程的不斷發展，地下廠房建設已積累了豐富的經驗，但由于地下廠房頂拱開挖程序復雜、施工質量要求高、安全問題突出，要求承包商必須進行精細化管理，以節省工期、減小爆破擾動、嚴格控制開挖變形。楊房溝水電站地下廠房頂拱開挖通過精心策劃、加強現場管理、精細化施工取得了安全、優質、高效的開挖效果。

參考文獻

[1]沈雨魁等.楊房溝水電站地下主廠房施工期安全監測成果分析[J].四川水利，2019，（4）：22-25

[2]楊凱中等.淺談首部式地下廠房洞室群施工支洞規劃設計[J].四川水利，2019，（4）：57-59

[3]袁平順等.EPC模式下引水發電系統開挖支護快速施工技術[J].四川水利，2019，（4）：73-76

[4]焦凱等.楊房溝水電站地下廠房開挖支護設計施工實踐[J].四川水力發電，2019（038）002

[5]張帥等.楊房溝水電站地下廠房頂層圍巖松弛圈分析與預測[J].水電與新能源，2018， 32（10）

作者簡介：謝 斌（1979-），男，漢族，四川省南部縣人，高級工程師，從事水利水電施工技術管理工作;