抽水蓄能電站地下廠房頂拱開挖技術

中國水利水電第十一工程局有限公司 陳 強 高志桂

五岳抽水蓄能電站地下廠房所處圍巖較差，工程地質條件錯綜復雜，局部斷裂帶構造發育，施工安全問題極為突出。五岳地下廠房采用此種頂拱開挖與支護的施工方法。實踐證明，該施工方法能保證在復雜地質條件下大跨度地下廠房頂拱開挖與支護的施工安全、質量和進度。

1 工程概況

五岳抽水蓄能電站位于河南省羅山縣、光山縣的銀棚鄉、定遠鄉，目前公司根據河南電網的一些需求特點，以及五岳抽水蓄能電站的一些功能特征，確定了這個項目的開發任務主要是為了滿足河南電網的任務，如峰值負載調節、河谷充填、頻率調節和規范階段應急備用等。五岳抽水蓄能電站裝機容量1000MW，水泵、水輪機4臺，裝機容量250MW。該主廠房一字排開，主要由主機間、安裝間和副廠房三部分組成，左右兩端分別是副廠房和安裝間。主副廠房為城門形狀，主廠房開挖尺寸為168.60m×24.50m×55.90m(長×寬×高)。

2 地質條件概況

五岳抽水蓄能電站地下廠房巖性主要為燕山晚期侵入的中粒二長花崗巖，而地下廠房的具體位置基本避開了規模較大的斷層、花崗巖蝕變帶等位置，廠房區一帶發育的斷層有四條，分別是f1、f6、f7、f8，其中f7、f8的走向23°～28°，斷層規模均不大，破碎帶寬度一般在0.05m～0.2m，f1走向35°，斷層帶寬度雖然不大，但兩側發育0～5m寬的節理密集帶，帶內均有蝕變現象，f6在廠房中部一帶斜穿廠房，破碎帶寬度小于0.1m，帶內充填石英脈、斷層泥，見蝕變蒙脫石，石英脈擠壓破碎。

最發育的節理主要有以下兩組構成：①走向30°～50°，②走向290°～300°。前一組的發育程度相對其他地區明顯變高，但長度一般也比較小，目前與洞軸線大角度相交，后一組與洞軸線夾角也超過了45°，發育長度甚至最大可達10m以上。此外廠房區共揭露有節理密集帶8條，以走向NNE、NWW的二組為主，均為陡傾。局部地段還發育有一組中傾角節理，產狀為340°～350°/SW∠32°～60°，其走向與廠房軸線近于一致，對廠房邊墻(尤其是下游邊墻)的局部穩定可能會造成一定的影響。

廠房區地下水主要為基巖裂隙水，總體發育程度低，巖體透水性較差。圍巖類別以Ⅱ～Ⅲ類為主，占87.7%，其中Ⅱ類24.8%，Ⅲ類62.9%。

主廠房頂拱部位存在的不穩定塊體，主要有f1、f7、f8等幾條小斷層和節理組合的半特定楔形體，以及節理與節理組合形成的隨機分布的楔形體二種主要形式，其安全系數與節理長度有關，節理長度愈小相應的安全系數愈大。根據計算，廠房區安全系數小于2.0的塊體主要集中在廠房拱頂部位，共有83處，其中安全系數在1.0～2.0的共有16處、體積2～16m3，安全系數小于1.0的墜體共有67處，其體積一般較小、多在0.02m3～2m3之間，最大27m3。

3 施工程序及施工方法

3.1 施工基本程序

第一層開挖為廠房頂部，分層高度為9.5m(主要考慮頂拱腳距底部的高度要求和頂支撐的工作空間要求)。第一層開挖采用中導洞先開挖支護，后擴大兩側開挖支護的施工程序。中導導洞與兩側擴挖工作面之間的距離應大于50m，以保證開挖面積小、支護施工及時，保證導洞圍巖穩定和施工安全。第一層中導洞及兩側擴挖采用YT28手風鉆鉆孔，周邊孔光面爆破。采用楔形掏槽、光面爆破、全斷面一次開挖成型的爆破方案。開挖渣料采用裝載機裝自卸車汽車運輸。

第二層開挖為巖壁梁層開挖，分層高度9.1m。第二層應分層、分段開挖，采用中部拉槽開挖先行，兩側預留保護層跟進開挖的程序進行施工，中部拉槽與兩側保護層作業面間距不小于50m。兩側保護層開挖采用手風鉆鉆豎向孔分層小炮撬挖，周邊采用光面爆破。開挖渣料主要采用液壓反鏟裝自卸汽車運輸。施工排水隨著開挖進度，設臨時集水坑和臨時排水溝，由水泵抽水至洞外的污水處理系統，處理合格后再循環使用。

3.2 施工基本方法

洞口施工。洞口鎖口施工，在開始進行中導洞開挖前，先對主廠房頂部采取單排直徑Φ28@1.0m、外傾10°、L=9m的錨桿鎖口，兩邊墻采取兩排同規格錨桿進行鎖口，錨桿采用多臂鉆造孔，注漿機注漿，人工插桿方式進行灌注。

表1 主副廠房洞一層中導洞開挖爆破參數表

表2 主副廠房洞一層擴挖炮孔布置爆破參數表

主副廠房施工。第一層開挖高度為9.50m、開挖標高為50.50m～41.00m。挖掘分三個區域進行。第一個區域為中導洞，第二個和第三個區域為兩側擴挖。通風散煙后，用1.6m3反鏟、3m3側卸式裝載機配20t自卸汽車經通風兼安全洞出渣。在開挖前進行爆破試驗，隨著開挖不斷進行優化。開挖方法詳見附圖：《地下洞室主副廠房第一層開挖方法示意圖》。

導洞及兩側開挖均采用YT28手風鉆配手風鉆水平鉆孔，對于設計開挖邊線的光面爆破，Ⅱ、Ⅲ類圍巖一般需要的正常循環進尺2.5～3.0m之間，而其他局部Ⅳ類的圍巖進尺寸需要控制在1.5～2.0m之間。為了能夠保證洞室的穩定，在中導洞開挖以及兩側在擴挖后，都要對圍巖條件較差洞段及時施做臨時支護和系統支護，當真正做到支護安全完成以后再進行下一步的開挖，系統噴錨支護也需要視圍巖情況滯后開挖面10～20m之間。爆破后再進行安全清理，石渣經通風兼安全洞、3#道路運至毛料場。

4 施工措施

4.1 具體開挖措施

具體開挖措施：測量放線→鉆孔→裝藥爆破→通風散煙→安全處理→出渣→隨機支護→進入下一循環；斷層破碎帶等不良地質段開挖施工工藝流程：超前支護→測量放線→鉆孔→裝藥爆破→通風散煙→安全處理→出渣→加強支護→系統網噴支護→進入下一循環。

4.1.1 施工準備

施工用風、水、電就緒，安全防護措施落實到位，施工人員、機具及作業平臺準備就位，并對管理人員、作業人員進行技術交底。

4.1.2 測量和放樣

在每個測量放樣過程中采用全站儀進行，并且安排專業人員進行實施，在放樣的過程中，要求放出各周邊的孔位、隔孔放出方向點。在洞內開挖放線過程中，首先對上排炮超欠挖情況進行檢查，對于出現欠挖的部位，要標出所欠挖的具體位置，并將測量放線成果向所在的現場管理人員進行交底匯報。隨著洞室開挖掌子面的推進，每隔10m左右在進洞方向的同側洞壁進行標示樁號、高程標志，以便現場人員能夠方便的進行檢查。在開挖實施的過程中，定期對所使用的控制點全面檢查、復測，從而確保測量的控制質量。

4.1.3 爆破設計

在進行洞室開挖前，需要先根據圍巖地質的詳細情況進行安全的爆破設計，同時設計周邊孔光面爆破，中孔掏槽，在非電毫秒微差爆破時，主要爆破參數見具體設計圖，在現場施工期間，可以根據實施效果進一步對爆破參數進行相應的調整。

4.1.4 鉆孔作業

在鉆孔作業前，需要安排準備必需的孔向控制工具，以及能夠保證鉆工處于最佳作業位置的材料和工具，造孔前由當班技術員對造孔孔位、方向進行檢查，無誤后方能開鉆。鉆孔由技術優秀的鉆手負責在周邊進行鉆孔，其余的其他鉆手需要負責中部的一些主要爆破孔，鉆孔作業需要嚴格的按照批準的爆破設計圖紙進行布孔和鉆孔作業，需要合理調配各個鉆工的分區、分部位定人的定位施鉆位置，嚴格的實行鉆手作業質量之間的經濟責任制，對于鉆孔的要求是“平、直、齊”三字標準，周圍其他孔的偏差一定不能大于5cm，爆破孔的偏差一定不能大于10cm。

根據廠房頂拱工程地質條件，開口鉆孔中心沿測量放線點中心進行（在孔口5cm以內時），對孔口由于前排炮爆破形成斜面的點，采用人工鑿孔窩的方法，確保開孔點孔位準確。對孔口部位超挖大于5cm的，孔點外移超出值的1/2（圖1），減小兩排炮間的錯臺高度，提高縱向平整度（減少了對圍巖破壞深度），對巖體的安全與穩定起到了積極作用。

圖1 開孔示意圖

4.1.5 裝藥、聯線、起爆

在裝藥前要用高壓風沖掃炮孔，保證裝藥量及起爆順序按批準的爆破設計進行裝藥聯網。炸藥所采用的是乳化炸藥，雷管采用非電雷管。崩落孔采用Φ32mm藥卷，連續裝藥，周邊孔采用Φ32mm藥卷綁扎在竹片上間隔裝藥。炮孔堵塞嚴實。裝藥結束后，由炮工和值班的技術員進行復核檢查，在確認無誤以及所有撤離人員和設備安全地帶以后，由炮工負責引爆。

4.2.支護選擇

主副廠房主要是第一層以Ⅲ類圍巖為主，支護其他主要部分分為隨機支護和系統錨噴支護方面。在Ⅳ類圍巖、斷層、巖脈及軟弱破碎帶部分，根據需要作錨筋束、管棚、固結灌漿等超前的支護，而具體的參數需要在現場或試驗后再確定。

對開挖掌子面的Ⅲ類圍巖不穩定塊體、不利的結構面以及局部其他破碎的地方應該及時進行隨機噴錨支護，在隨機支護的基礎上，系統噴錨滯后掌子面10～20m。對于IV類圍巖，隨機支護和系統支護緊跟掌子面，并根據開挖揭露的地質情況，按設計要求進行加強支護，如超前錨桿、超前管棚、鋼拱架、固結灌漿等。

廠房系統錨桿為直徑Φ28、9m/12m普通砂漿錨桿。錨桿采用多臂鉆鉆孔，鉆孔直徑φ76mm，注漿采用M30水泥砂漿。錨桿在鋼筋加工廠制作，自卸汽車運至現場，人工在自制平臺車上安裝錨桿，錨桿注漿機注漿，采用“先插桿后注漿”的施工工藝。

5 不良地質段施工

5.1 不良地質段預判

施工方根據設計藍圖結合招標地質的相關資料，需要按照主廠房洞的實際情況繪制出各個洞室內的斷層以及發現的裂隙等可能會引發的各種不良地質因素圖。

安排責任記錄員實時記錄當班鉆孔的進度以及施工作業的時間段，依此來推算實際的施工效率，如果一旦開挖的進度超出推算結果，就需要及時的向上級匯報情況，同時也要結合地質的具體詳細資料，能夠預測周邊隨時可能發生的各種意外情況。

當鉆孔的進度不斷提升時，需要采用液壓鉆機施工超前勘探孔簡易探測前方圍巖情況，同時應該及時安排人員通知監理、設計以及業主，并現場聯合其他專業人員進行進一步判斷，如果最終還是無法判斷，可安排施工2.0×2.0m超前勘探洞予以準確研判，避免意外的發生。

5.2 施工方法

不良地質段施工遵循“預支護、短進尺、弱爆破、強支護、勤量測”原則，根據開挖揭露巖石情況結合地質資料，制定行之有效的施工方案，如采用超前錨桿、超前小導管、超前固結灌漿進行事前控制，采用控制進尺1.5～2.0m（局部較破碎區域控制進尺1.0m）進行事中控制，采用鋼拱架、加強網噴支護、錨筋樁等進行事后控制。

綜上，五岳抽水蓄能電站地下廠房第一層頂拱開挖歷時137天，比原計劃提前39天，嚴格按照隧道開挖隧洞開挖18字方針施工，施工中不斷優化施工參數，有效抑制了圍巖變形，工程安全始終處于受控狀態，未發生一起安全事故。取得良好的經濟效益。綜上所述，對于建筑的開挖以及施工支護，我們做出了探究：

做好地質預報工作。特別是當開挖接近已探明的斷層破碎帶時，要認真、及時地分析和觀察開挖工作面巖性變化。遇有滲水增多、完整性差等情況時，應及時更改施工方案；加強各圍巖的測量。專業人員通過對實測數據的實地分析和處理，根據時間-位移曲線的一些可循規律，及時迅速對初期支護和混凝土襯砌進行全方位的加固；盡量減小對軟破碎圍巖的擾動。

可以保證施工的質量，提前注漿固結止水。鋼架的制作、初期支護及襯砌混凝土質量必須及時滿足設計要求；施工中嚴格控制開挖的過程，尤其是每次開挖的長度，一定要保持間距，避免違規施工；在施工期間，在洞口儲備一些救援物資，比如像鋼架或者方木安全繩等，在危險發生時可隨時使用。

一旦發現有以下情況時，要立馬撤離人員到安全地帶，再安排人員搬離設備：通過圍巖測量反映的圍巖變形速度在不斷的加快；圍巖周圍表面不斷有脫落出現；初始支承鋼架發生嚴重變形。

在這些細節的完善下，我們的施工技術會越來越完善，我們的施工效率會穩步提升。