大型水電站地下廠房“三大洞室”頂拱層開挖施工技術

肖厚云，易曉強

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610081)

引言

水電是可再生清潔能源，開發水電既可節約煤炭、石油，又可兼收防洪、灌溉、航運、水產、供水、旅游、水上運動等多種綜合效益，同時隨著“碳中和”新型環保理念的提出，水電開發即將又迎來一個春天。水電站的開發與建設，由于受到特定的地形地質條件限制，尤其壩址河谷山高坡陡，地面空間有限，工程樞紐除大壩擋水建筑物外，發電等建筑物不得不布置在岸邊山體內，即采用地下引水發電布置方式。自上世紀50年代以來，我國水電站地下廠房建設發展迅速，設計與施工技術不斷提高，大型地下廠房在向大型化和超大型的方向發展。

1 地下廠房“三大洞室”施工概述

1.1 地下廠房“三大洞室”基本特征

主廠房開發方式通常有首部式、中部式和尾部式，主要建筑物一般有進水口、引水洞、地下廠房、主變室、尾水調壓室、尾水洞等。其中地下引水發電系統中地下廠房、主變洞與尾水調壓室通常稱為地下廠房洞室群的“三大洞室”。

三大洞室往往跨度大、邊墻高，表1列舉了部分國內在建或已建的水電站地下廠房、主變室、尾水調壓室的特征參數，從表1可以看出大(巨)型水電站地下廠房開挖跨度基本為30m級，主變室開挖跨度基本為20m級，調壓室開挖跨度也基本在20m～30m。

表1 我國部分已建或在建水電站三大洞室特征參數

1.2 常用的“三大洞室”頂拱層開挖方法

大跨度地下洞室頂拱層開挖跨度大、質量要求高、噴錨支護量大，如何確保洞室頂拱的安全穩定是開挖施工中的關鍵。

在開挖施工中為避免因一次揭露面積過大，引起圍巖松弛變形過大甚至垮塌破壞，一般都采用分部開挖。其主要開挖方式有三種：一是中導洞法，先開挖中部，減小一次開挖跨度，待中導洞開挖支護完成后，再依次開挖兩側拱腳，以保證拱冠部位的局部穩定，如溪洛渡、向家壩、瀑布溝、猴子巖、白鶴灘；二是側導洞法，先一次開挖兩側拱腳，待兩側導洞開挖支護完成后，開挖中間預留巖柱，如十三陵、大朝山、龍灘；三是半幅錯距開挖，將洞室分成兩幅進行開挖，即先完成一半幅的開挖支護并錯開一定距離后開挖另一側，如烏東德右岸導流洞、兩河口主變室和尾調室。

雖然三種施工方法在大跨度洞室頂拱開挖中均有成功案例，但是在實踐中對比發現，側導洞法，中間巖柱對兩側導洞施工干擾大；半幅錯距開挖存在偏壓變形破壞問題；中導洞法有利于發揮大型機械設備的效率，實現快速施工。

1.3 “先中導洞，后兩側擴挖”施工要點

(1)根據洞室結構特征、水文地質條件、連接洞室(支洞)尺寸、錨噴支護施工及設備運行條件，進行分區開挖設計，選擇合理施工工藝與方法。

(2)為利于施工布置，中導洞領先于邊墻擴挖約30m，相鄰開口錯距約30m，同時結合中導洞爆破對鉆爆臺車的影響，在中導洞開挖完成約100m時啟動邊墻開挖施工，以此時間確定邊墻擴挖施工準備的起始時間，開挖平面布置見圖1。

圖1 “先中導洞，后兩側擴挖”開挖平面布置示意

(3)對中導洞揭示的圍巖進行地質素描，確定圍巖分類，根據中導洞開挖揭露的圍巖情況，為保證邊墻開口開挖的安全、順利進行，將開口位置選擇在無區域斷層、破碎帶、不利組合機構的巖層堅硬、完整段落。

(4)為利于中導洞擴挖與邊墻開挖的相互協調性，減少擴挖對中導洞開挖的影響，首個邊墻開口宜距離中導洞20m～30m，另一側邊墻開口應距離已擴開口20m～30m以上，中導洞及兩側擴挖呈“品”字形。

(5)邊墻擴挖前應按照設計圖完成開口對應部位的中導洞或者中導洞及對應側已擴挖邊墻的系統支護(錨桿、掛網、噴混凝土)工作，但為避免邊墻開口超挖過大及為后續鋼筋網連接預留接頭，在中導洞與邊墻擴挖邊界線預留1.5m～2.0m范圍不做噴混凝土施工。

(6)為保證開口成型質量，在距中導洞與邊墻擴挖分界線50cm處設置1排φ25、L=4.5m，間距為1m的鎖口錨桿。為滿足邊墻擴挖開口后邊墻擴挖鉆爆臺車的使用，開口寬度范圍應較擴挖臺車長度≥3m，一般為9m～12m。

(7)邊墻擴挖開口采用刻槽開挖，以保證開挖成型質量及成型速度，開口前進行刻槽開挖設計，然后分序開挖，刻槽開挖分塊見圖2。

圖2 邊墻開口刻槽開挖分塊示意

2 楊房溝水電站“三大洞室”頂拱開挖實例

2.1 工程概況

楊房溝水電站位于涼山州木里縣境內，為雅礱江干流中游“一庫七級”開發的第六級水電站。工程樞紐主要由最大壩高155m的混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發電系統等組成，電站總裝機容量150萬kW，安裝4臺375MW的混流式水輪發電機組，多年平均年發電量68.74億kW·h。

引水發電系統工程布置在河道左岸，地下廠房采用首部開發方式，主要由輸水工程、發電(地下)工程、升壓變電工程等組成。

地下發電廠房系統呈“一”字型排列，中間布置主廠房，左、右兩側分別為副廠房和安裝場。主副廠房洞室開挖尺寸為230.00m×30.00m×75.57m(長×寬×高)；主變洞布置在主副廠房洞室的下游側，與主副廠房洞室平行布置，與主副廠房洞的凈間距為45.00m，主變洞室最大開挖尺寸156.00m×18.00m×22.30m(長×寬×高)；尾水調壓室位于主變洞下游，與主廠房、主變洞平行布置，與主變洞之間巖柱厚42.00m。尾水系統采用“兩機一室一洞”的布置方式，調壓室下部由一道中隔墻分隔為二室，二機共用一室，中隔墻厚14.60m，頂高程2009.50m，中隔墻以上二室連通，調壓室頂拱高程2030.75m，尾水調壓室最大開挖尺寸176.1m×24.0×79.75m(長×寬×高)。

2.2 地質條件

2.2.1 地下廠房

對應地面高程2220m～2350m，廠房軸向N5°E，廠房頂高程2022.50m，上覆巖體厚度197m～328m，廠房距地表最近距離約120m。

廠房圍巖為新鮮花崗閃長巖，圍巖以Ⅱ類、Ⅲ類為主，Ⅱ類約占45%，Ⅲ類約占46%，其余少量為Ⅳ類巖體，圍巖穩定性較好。分布的斷層f47-17、f47-18、f47-22、f47-23、f47-25和優勢節理①N17°E，NW∠75°②N89°E，SE∠45°③N72°W，SW∠30°可能構成不利組合或楔形體，對頂拱、邊墻和端墻局部穩定不利。

廠房區上覆巖體較厚，從廠房區勘探硐揭示的情況看，局部有輕微巖爆導致的崩落和片幫現象，廠房區洞室施工過程中可能出現輕微巖爆現象。

2.2.2 主變洞

主變洞軸線走向N5°E，地面高程約2350m～2390m，洞頂高程2027.7m，上覆巖體厚約337m～377m。

洞室巖體內無規模較大的斷層破碎帶發育，分布的斷層有f47-23、f47-29，與洞軸線的夾角為50°、40°，優勢節理有N17°E，NW∠75°和N89°E，SE∠45°及N72°W，SW∠30°三組，與洞軸線的夾角分別為12°、84°、77°。

洞室主要為新鮮花崗閃長巖，圍巖以Ⅱ類為主，約占55%，Ⅲ類約占39%，其余少量為Ⅳ類巖體，圍巖穩定性較好。分布的斷層f47-23、f47-29和優勢節理①N17°E，NW∠75°②N89°E，SE∠45°③N72°W，SW∠30°可能構成不利組合或楔形體，對頂拱、邊墻和端墻局部穩定不利。

2.2.3 尾水調壓室

尾水調壓室洞軸線走向N5°E，地面高程2370m～2470m，洞頂高程2030.75m，上覆巖體厚約339m～439m。

尾水調壓室主要為新鮮花崗閃長巖，圍巖以Ⅱ類、Ⅲ類為主，Ⅱ類約占49%，Ⅲ類約占38%，其余為Ⅳ類巖體，洞室圍巖穩定性較好。分布的斷層f47-27、f47-28、f47-29和優勢節理①N17°E，NW∠75°②N89°E，SE∠45°③N72°W，SW∠30°可能構成不利組合或楔形體，對頂拱、邊墻和端墻局部穩定不利。

2.3 開挖施工分區

頂拱層開挖分區主要結合洞室地質條件、洞室跨度、連接洞室(支洞)尺寸、錨噴支護施工及設備運行，從保證洞室錨噴支護施工便利、機械設備運行靈活及洞室安全穩定綜合考慮，楊房溝水電站“三大洞室”頂拱層施工分區如表2。

表2 楊房溝水電站“三大洞室”頂拱層開挖分區參數

圖3 主副廠房洞頂拱層開挖分區示意

圖4 主變洞頂拱層開挖分區示意

圖5 尾調室頂拱層開挖分區示意

2.4 施工程序

“三大洞室”頂拱層開挖支護均采用“先中導洞超前開挖完成，后完成中部巖臺擴挖，再進行兩側擴挖施工”的方式施工，在此僅以主副廠房為例進行簡要闡述。

與主副廠房洞連接的洞室有兩條分別為與左端墻相連接的通風兼安全洞及與右端墻相連接的廠房進風洞，由于廠房進風洞洞線較長，廠房頂拱開挖時無法貫通至廠房，故此通風兼安全洞為頂拱層開挖支護的唯一通道，頂拱層開挖程序主要如下：

(1)利用通風兼安全洞作為施工通道，從通風兼安全洞按12%坡比降坡開挖進入廠房，開挖斷面由通風兼安全洞斷面過渡至中導洞斷面。中導洞采用獨頭掘進的方式進行開挖施工，支護及時跟進。

(2)中導洞貫通后進行中導洞底板巖臺的開挖施工，從安裝場側向副廠房側單向開挖。

(3)中導洞底板巖臺開挖完成后，進行上下游側擴挖施工。上游側從3#機組中心線處開始向兩側擴挖，下游側從2#機組中心線處開始向兩側擴挖。

圖6 主副廠房洞頂拱層開挖程序示意

2.5 主要施工方法

2.5.1 一般開挖工藝

開挖主要采用YT28手風鉆鉆孔，多臂鉆輔助開挖鉆孔，分別制作中導洞和邊墻擴挖鉆爆臺車作為施工平臺，開挖設計輪廓線采用光面爆破，開挖爆破后利用液壓反鏟及多臂鉆進行危石清理，開挖石渣采用側卸裝載機配合25t自卸汽車出渣。

2.5.2 開挖進尺要求

中導洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖循環進尺2.5m～3.2m，Ⅳ類圍巖循環進尺控制在2.0m左右，中導洞底板巖臺開挖循環進尺為4m。上下游側擴挖Ⅱ、Ⅲ類圍巖循環進尺3.0m～3.5m，Ⅳ類圍巖循環進尺控制在2.5m左右。

2.5.3 支護進度要求

表3 支護進度要求

2.6 開挖進度與質量效果評價

2.6.1 進度評價

主副廠房洞頂拱層2016年4月6日啟動施工，2016年11月12日開挖支護完成，用時約7個月；主變洞頂拱層2016年6月3日啟動施工，2016年10月5日開挖支護完成，用時約4個月；尾水調壓室頂拱層2016年6月22日啟動施工，2016年11月14日開挖支護完成，用時約5個月；均較合同工期提前，在同類規模水電站“三大洞室”頂拱層開挖中位列前茅。

2.6.2 質量評價

楊房溝水電站“三大洞室”頂拱層開挖過程中結合洞室特征、圍巖條件，確定了合理的施工程序與方法，并在施工過程中采用動態設計與施工，及時調整爆破開挖參數，科學規劃支護時機，取得了良好的開挖質量效果，以主副廠房洞為例。

(1)位移變化情況

主副廠房洞共布置5個監測斷面，頂拱層開挖支護完成后，由多點位移計測得的最大變形量為7.46mm。

(2)平整度檢測

主副廠房洞頂拱層共測85條斷面，1071個點，超挖點數1071個，最大超挖65cm，最小超挖0cm，平均超挖11cm，開挖面平均不平整控制在8.5cm以內，半孔率達到91.4%。

3 結語

大型水電站地下廠房“三大洞室”頂拱層開挖支護是地下廠房洞室群開挖支護的重難點，開挖過程中結合洞室特征、圍巖條件、施工通道(連接洞室)、支護參數、施工機械設備特性確定合理的施工程序與方法，并在施工過程中采用動態設計與施工，及時調整爆破開挖參數，科學規劃支護時機，控制圍巖塑性區范圍，保證圍巖穩定，以實現大跨度洞室頂拱層的快速、高效、優質施工。