肖 紅 艷

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站廠房為內(nèi)地下式，尾水位處于正在建設(shè)的溪洛渡電站庫區(qū)內(nèi)。2006年3月電站主體工程正式開工建設(shè)，隨后地下廠房系統(tǒng)開挖施工過程中和勘探揭示的地質(zhì)條件表明，廠區(qū)巖溶發(fā)育且深度大，巖溶管道和裂隙網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，巖體透水性強(qiáng)，地下水豐富，不僅給廠房施工帶來很大的難度，而且難以在廠區(qū)周圍形成有效的防滲帷幕，給處于在溪洛渡庫水位以下的電站在運(yùn)行期帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)。為解決地下水對(duì)廠房施工期和減小對(duì)電站永久運(yùn)行的影響，確保電站施工和運(yùn)行安全，對(duì)廠房布置進(jìn)行了設(shè)計(jì)調(diào)整，即將廠房在原址基礎(chǔ)上整體上抬15m。

2 廠區(qū)樞紐建筑物布置

2.1 廠區(qū)原樞紐布置及設(shè)計(jì)

廠區(qū)樞紐主要建筑物由主副廠房、安裝間、主變及GIS室、出線洞及母線洞、通風(fēng)洞、交通洞、有壓尾水洞、帷幕灌漿及排水平洞組成。

主、副廠房呈“一”字形布置,主機(jī)間長(zhǎng)44m, 安裝3臺(tái)60MW水輪發(fā)電機(jī)組，廠房開挖寬度18.6m,廠房最大高度39.6m，頂拱開挖高程608.9m。安裝間位于主機(jī)間左側(cè),長(zhǎng)20.0m、高28.2m；副廠房位于主機(jī)間右側(cè),長(zhǎng)11.0m,寬同主廠房。主變及GIS室布置于洞內(nèi),平面尺寸(長(zhǎng)×寬)39.2m×14.6m,高26.9m。

通風(fēng)洞長(zhǎng)224.67m，采用城門洞形，斷面尺寸3.4m×1.8m(寬×高)，洞口高程614.50m；交通洞從安裝間端頭進(jìn)入廠房，長(zhǎng)389.02m，斷面尺寸7.2m×6.7m(寬×高)，洞口高程約609.0m；母線洞3條，斷面尺寸4.6m×6.15m(寬×高)，出線洞位于主變及GIS室的右端，斷面尺寸3.4m×4.2m(寬×高)，出線洞與通風(fēng)洞結(jié)合；尾水洞3條，斷面尺寸3.4m×4.2m(寬×高)，長(zhǎng)度213.36m。

廠房上、下游布置兩層全封閉的城門洞形帷幕灌漿及排水廊道，凈斷面尺寸(寬×高)3.0m×3.5m。

2.2 廠房上抬調(diào)整后的布置及設(shè)計(jì)

上抬方案即原廠房布置基本不變，整體上抬，調(diào)整內(nèi)容：

(1)將主廠房、副廠房、安裝間、主變及GIS室、母線洞和尾水洞上抬15m,已開挖完成的通風(fēng)兼出線洞、交通洞、出線連接洞維持原高程不變。調(diào)整后各控制高程如下(見圖1)：

集水井底板高程：580.20m；

廠房底板高程：583.90m；

安裝高程：592.20m；

發(fā)電機(jī)層高程：602.50m；

主廠房頂拱開挖高程：623.90m；

主變室頂拱開挖高程：628.91m。

(2)原出線連接洞封堵或作為臨時(shí)施工洞用，重新布置一條出線連接洞連接主變室和原通風(fēng)兼出線洞，新增出線連接洞長(zhǎng)80m。

(3)調(diào)整后的交通洞仍利用原交通洞的進(jìn)口，結(jié)合原交通洞約100m洞段，將交通洞改線增加100m洞段接近平坡連接上臺(tái)后的安裝間。

(4)由于副廠房抬高后與原通風(fēng)洞形成15m高差，利用原通風(fēng)兼出線洞開洞重新布置一條約160m通風(fēng)洞爬坡連接到抬升后的副廠房端墻，原來通風(fēng)洞作廢封堵，新增的通風(fēng)洞可以兼作開挖上抬后的廠房第一層的臨時(shí)施工通道。

(5)原尾水洞出口段和尾水渠原地抬高8m(尾水出口底板高程585.40m)，三條尾水洞隨廠房抬高15m后，在尾水洞中部擴(kuò)挖，布置一擋水堰抬高水位，保證機(jī)組的吸出高度，然后在堰后洞段降坡連接抬高后的尾水洞出口段。

(6)取消原設(shè)計(jì)底層、中層排水灌漿廊道以及所有的帷幕灌漿，只保留已開挖完成的頂層灌漿廊道(高程611.00m)作為排水廊道。

圖1 主廠房開挖剖面

3 廠房上抬后施工存在的問題及難點(diǎn)

主、副廠房及安裝間已開挖部分圍巖巖性為震旦系燈影組灰白色細(xì)晶白云巖，該段巖體風(fēng)化相對(duì)較強(qiáng)，層理由于巖溶作用而夾泥，裂面多中等～強(qiáng)烈銹染，并發(fā)育有裂隙或卸荷裂隙；受結(jié)構(gòu)面切割和不利結(jié)構(gòu)面(層理)組合，造成在開挖過程中，沿層理產(chǎn)生塌落、掉塊現(xiàn)象。隨著建基面的抬高，廠房上抬部分受風(fēng)化、卸荷影響將有所增強(qiáng)，頂拱圍巖條件變差，塊體穩(wěn)定問題比原來更加突出，給廠房上抬部分的安全施工帶來了難度。

在原方案施工時(shí)主廠房上下游邊墻各出露有一條沿巖層層面發(fā)育的順層擠壓錯(cuò)動(dòng)帶。錯(cuò)動(dòng)帶多充填有巖塊、巖屑和粉細(xì)砂，裂面起伏粗糙，中等～強(qiáng)烈繡染，粉細(xì)砂多潮濕，錯(cuò)動(dòng)帶上盤巖體多呈塊狀結(jié)構(gòu)，下盤巖體多為鑲嵌～次塊狀。對(duì)錯(cuò)動(dòng)帶采用噴混凝土充填，并沿錯(cuò)動(dòng)帶部位進(jìn)行系統(tǒng)錨桿加密處理。在開挖原設(shè)計(jì)方案第三層時(shí)，原方案主廠房頂拱襯砌混凝土發(fā)生了開裂、掉塊。后設(shè)計(jì)除采取措施對(duì)原頂拱進(jìn)行處理外，還采用對(duì)穿錨索對(duì)已開挖的上、下游邊墻進(jìn)行了加固處理。

水電站廠房上抬后，廠房開挖及支護(hù)是廠房施工的關(guān)鍵，上抬部分的開挖及支護(hù)、原設(shè)計(jì)方案的頂拱鋼筋混凝土拆除是整個(gè)廠房開挖及支護(hù)施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。根據(jù)所掌握的資料，地下廠房抬高方案在國內(nèi)尚無先例，無經(jīng)驗(yàn)積累。從原廠房的施工情況來看，上抬部分圍巖的地質(zhì)條件比原方案頂拱及一、二層開挖的更差，因此上抬部分開挖及原拱頂拆除除應(yīng)考慮施工本身安全外，還需考慮對(duì)整個(gè)廠房邊墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響，潛在安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

4 廠房上抬后的開挖施工方案設(shè)計(jì)

4.1 廠房上抬時(shí)施工形象面貌

主、副廠房及安裝間：已完成廠房591.00m～頂拱608.90m高程的開挖和支護(hù)，頂拱鋼筋混凝土襯砌，邊墻591m以上錨索施工。

交通洞：開挖及初期支護(hù)已完成，底板混凝土澆筑還剩下65m正在進(jìn)行中；通風(fēng)洞兼出線洞、出線連接洞的開挖及初期支護(hù)已完成。

尾水支洞：完成開挖及初期支護(hù)141m，1號(hào)支洞開挖到582.00m高程，2號(hào)支洞開挖到1號(hào)尾水洞邊墻位置，高程約為578.00m，由于地下涌水量較大，在采取相關(guān)措施后，施工進(jìn)展非常緩慢。

頂層灌漿及排水廊道：開挖及初期支護(hù)完成541m，還剩下20m。

中層灌漿及排水廊道：開挖及初期支護(hù)完成223m，還剩下362m。

主變室未進(jìn)行開挖。

4.2 施工程序

主、副廠房及安裝間開挖是地下廠房開挖施工的關(guān)鍵線路，主變室及其它附屬洞室的開挖可在其施工的同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況穿插進(jìn)行。主、副廠房及安裝間開挖施工程序如下：

新通風(fēng)洞開挖(局部洞段向下擴(kuò)挖)→上抬部分第一層開挖及支護(hù)→邊頂拱混凝土襯砌和固結(jié)灌漿→第二層開挖及支護(hù)(包括錨索施工)→第三層剩余巖石及保護(hù)層開挖及支護(hù)→原頂拱混凝土拆除→下部開挖及支護(hù)。

4.3 施工通道

第一層高程約為616.00～623.90m施工：利用新通風(fēng)洞。

第二層及第三層高程約為600.70～616.00m施工：可利用新通風(fēng)洞、原通風(fēng)洞、新交通洞作為主要的施工通道。

591.00m高程以下部位的施工(581.11～591.00m)：主要利用原交通洞和新尾水洞作為施工通道。

廠房上抬后開挖主要施工通道及特性見表1。

4.4 擬采取的施工方案

根據(jù)擬定的調(diào)整方案，廠房整體上抬15m后，結(jié)合原方案廠房已施工的情況，整個(gè)廠房中部是一個(gè)長(zhǎng)75m、寬18.3m、高約9～18m的大空腔，上部還需開挖15m，下部約需再開挖10m。

在原廠房頂拱襯砌已完成、頂拱周邊圍巖應(yīng)力分布已基本平衡的情況下，進(jìn)行調(diào)整方案廠房上部15m的施工及原頂拱鋼筋混凝土的拆除，是施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)。本部分施工方法主要針對(duì)此進(jìn)行，其它部位施工采用常規(guī)施工方法，不再敘述。

若從現(xiàn)已開挖的中部向上開挖，施工難度非常大，施工安全難以保障。結(jié)合水工建筑物通風(fēng)洞的調(diào)整，考慮上抬部分三層施工：第一層巖石開挖及支護(hù)高程約為616.00～623.90m；第二層開挖及支護(hù)高程約為609.50～616.00m；第三層為剩余巖石保護(hù)層開挖和原頂拱鋼筋混凝土拆除。

第一層開挖分兩序施工，先進(jìn)行中導(dǎo)洞開挖及支護(hù)，再進(jìn)行兩側(cè)擴(kuò)挖及支護(hù)，最后進(jìn)行拱座預(yù)留保護(hù)層2.0～2.5m的開挖。中導(dǎo)洞寬約5.0m，兩個(gè)側(cè)導(dǎo)洞寬約6.8m。也可先進(jìn)行側(cè)導(dǎo)洞開挖和此部分頂拱的一次支護(hù)，再進(jìn)行中部巖柱的開挖和相應(yīng)部分的一次支護(hù)。采取這兩種施工方式，均可進(jìn)行廠房第一層施工，施工時(shí)可根據(jù)實(shí)際的巖石條件，選用合適的施工方式。

第一層開挖及一次支護(hù)完成后即進(jìn)行頂拱襯砌，混凝土襯砌完后即進(jìn)行頂拱的固結(jié)灌漿。

頂拱開挖時(shí)必須及時(shí)支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)結(jié)合一次到位。開挖時(shí)，對(duì)于圍巖較差的部位，可先進(jìn)行超前固結(jié)灌漿，必要時(shí)輔助管棚支撐。

臨時(shí)支護(hù)參數(shù)(結(jié)合永久)：噴10～15cm厚混凝土，設(shè)φ25、L=6～9m，間、排距1.5m×1.5m的錨桿；必要時(shí)掛φ10@20×20cm鋼筋網(wǎng)，錨桿φ20，L=3.0m，間、排距1.0×1.0m的錨桿;地質(zhì)條件特別差時(shí)采用超前固結(jié)灌漿和管棚，超前管φ42，壁厚4mm，L=6m。

第一層按照中導(dǎo)洞開挖及支護(hù)→頂拱兩側(cè)擴(kuò)挖及支護(hù)→拱座及保護(hù)層開挖和支護(hù)→頂拱鋼筋混凝土襯砌施工→頂拱固結(jié)灌漿程序進(jìn)行。

開挖出渣及混凝土施工利用新的通風(fēng)洞。

原廠房開挖后形成了一個(gè)體積約75m×18.3m×(9～18m)(長(zhǎng)×寬×高)的大空腔。在上抬第二層開挖及原頂拱鋼筋混凝土拆除時(shí)，不可避免地會(huì)對(duì)已開挖邊墻穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，施工人員和機(jī)械設(shè)備同時(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。為盡量減少對(duì)邊墻穩(wěn)定的不利影響和保證施工人員、機(jī)械設(shè)備的安全，最初考慮了兩個(gè)方案對(duì)空腔進(jìn)行加固：一是在空腔內(nèi)搭滿堂腳手架。此方案優(yōu)點(diǎn)是在上抬部分第一層和第二層開挖時(shí)，對(duì)已開挖邊墻保護(hù)有利；缺點(diǎn)是鋼筋混凝土拆除時(shí)腳手架需先進(jìn)行分段拆除，實(shí)施較困難。二是在空腔內(nèi)回填棄渣料。此方案較易實(shí)施，對(duì)后續(xù)施工影響較小，從經(jīng)濟(jì)上比滿堂腳手架方案要優(yōu)，缺點(diǎn)是渣料不能完全將空腔填滿，在上抬部分開挖及鋼筋混凝土拆除時(shí)對(duì)邊墻影響和第一個(gè)方案相比要大一些。綜合考慮了施工可行、經(jīng)濟(jì)及邊墻穩(wěn)定等因素后，選擇了在已開挖的空腔內(nèi)回填渣料方案。因此，在第二層開挖施工前，在已開挖的廠房?jī)?nèi)部進(jìn)行渣料回填，渣料可將新通風(fēng)洞及第一層開挖的渣料直接填入，不足部分從渣場(chǎng)回采，回填渣料高度根據(jù)實(shí)際施工情況盡可能接近原頂拱襯砌面。

表1 廠房上抬設(shè)計(jì)調(diào)整后主要施工通道特性

第二層巖石開挖擬在中部拉槽，槽寬約6～7m，然后再進(jìn)行兩側(cè)擴(kuò)挖，預(yù)留1～1.5m邊墻保護(hù)層，最后再進(jìn)行保護(hù)層的開挖。開挖方向從安裝間到副廠房，分段進(jìn)行施工。第二層巖石開挖主要利用新通風(fēng)洞下臥進(jìn)行，出渣擬在安裝間端部和廠房中部設(shè)兩個(gè)直徑約2～3m的溜渣井，第二層巖石渣料主要由這兩個(gè)溜井落在下部未填滿的區(qū)域內(nèi)，開挖時(shí)可根據(jù)溜井的溜渣情況，對(duì)底部的渣料進(jìn)行清運(yùn)。第二層開挖完成后，及時(shí)對(duì)邊墻進(jìn)行噴錨支護(hù)及錨索施工，噴錨支護(hù)參數(shù)結(jié)合永久支護(hù)參數(shù)選取。

為保證邊墻穩(wěn)定，在原頂拱混凝土拆除前先進(jìn)行已開挖第二層部位邊墻錨索的施工，錨索施工結(jié)束后再進(jìn)行剩余巖石保護(hù)層的開挖和原頂拱鋼筋混凝土的拆除。

鋼筋混凝土頂拱拆除方向同第二層巖石開挖方向(從安裝間到副廠房),分段逐步控制爆破,采用專用工具將其切開。分段拆除寬度初擬5～8m，其中第一段寬3～5m，為試驗(yàn)段。擬拆除段底部可預(yù)留一定空間，不填渣料，使爆破渣料直接落下。第一段拆除完成后，通過新頂拱和邊墻相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)整爆破參數(shù)和分段拆除寬度，再逐段分步進(jìn)行。

為加快施工進(jìn)度，渣料可根據(jù)實(shí)際情況墊在底部或部分出渣，在原頂拱混凝土拆除完成后集中出渣，出渣通道主要可利用原通風(fēng)洞、新交通洞。邊墻永久支護(hù)結(jié)合臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行。

上抬部分開挖采用預(yù)裂爆破和控制爆破，每一層大面積開挖前應(yīng)進(jìn)行爆破試驗(yàn)，同時(shí)在開挖中應(yīng)加強(qiáng)新、老頂拱混凝土及邊墻的安全監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，采取合理有效的安全手段和措施，保障整個(gè)廠房的安全施工。

廠房上抬調(diào)整方案開挖示意見圖2～4。

圖2 廠房上抬調(diào)整后開挖通道平面示意

圖3 廠房上抬調(diào)整后開挖橫剖面示意

5 結(jié)束語

坪頭水電站在地下廠房設(shè)計(jì)方案上抬調(diào)整后，上抬15m的開挖和原設(shè)計(jì)方案廠房頂拱鋼筋混凝土的拆除基本按上述的施工方案施工。從成功完成地下廠房上抬部分的施工及過程中的地下廠房監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，證明了當(dāng)初擬定的施工方案是安全可行的。

圖4 廠房上抬調(diào)整后開挖縱剖面示意