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        某水電站地下廠房開挖支護(hù)設(shè)計(jì)

        2018-05-19 08:20:40向賢鏡陳小東
        東北水利水電 2018年5期
        關(guān)鍵詞:邊墻洞室主變

        楊 曼,陳 琰,向賢鏡,陳小東

        (中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分院,四川 成都 610091)

        1 概述

        該水電站系水洛河干流(額斯~捷可)水電規(guī)劃“一庫(kù)十一級(jí)”的第六個(gè)梯級(jí)。該水電站采用引水式開發(fā),工程樞紐由擋泄水建筑物+右岸長(zhǎng)引水系統(tǒng)+右岸地下廠房組成,為三等中型工程。地下廠房位于右岸山體內(nèi),內(nèi)設(shè)3臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組,裝機(jī)容量138 MW,單機(jī)為46 MW。

        地下廠房洞室群主要包括:主副廠房、主變洞、母線洞、尾水洞等建筑物。該工程主副廠房與主變洞平行布置。主副廠房總長(zhǎng)79.8 m,其中主機(jī)間長(zhǎng)44.8 m,安裝間長(zhǎng)19.8 m,副廠房長(zhǎng)15.2 m。主副廠房斷面為弧拱直墻型,主廠房巖壁吊車梁以上開挖跨度19.8,以下18.4 m;主機(jī)間最大高度41.8 m。安裝間跨度與主機(jī)間相同,最大高度30.5 m;副廠房跨度13.6 m,高度30 m,集水井位置副廠房最大高度為47.3 m。

        主變洞尺寸50.1 m×13.6 m×27.8 m(長(zhǎng)×寬×高)。主副廠房與主變洞之間巖柱厚25 m,最小巖柱厚度22.8 m。

        主機(jī)間與主變洞之間設(shè)三條母線洞,母線洞寬5.3 m,高5.5 m,母線洞底高程與發(fā)電機(jī)出線層同高為2 164.80 m。相鄰母線洞之間巖柱厚6.5 m。

        尾水洞布置于母線洞下方,尾水洞按有壓洞設(shè)計(jì),每臺(tái)機(jī)組設(shè)一條尾水洞,洞斷面為城門洞型,寬5.2 m,高7 m,共三條。三條尾水隧洞平行布置,中心線距離為13.5 m,長(zhǎng)度為165.0 m。相鄰尾水洞之間巖柱平均厚7 m。尾水洞與母線洞之間巖石厚度最薄處為3.3 m。

        2 地質(zhì)條件及洞室概況

        地下廠房巖層單斜,似層面產(chǎn)狀N47°~55°W,NE∠59°~66°,巖層走向與洞軸線方向交角42°~50°。未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的斷層。另外平硐底部揭露的 4條夾層(J1~J4),產(chǎn)狀 N46°~49°W,NE∠54°~66°,一般寬2~8 cm,最大達(dá)20 cm,平直稍粗,物質(zhì)成份為灰色母巖碎塊碎片(約占55%)、白色石英脈(約占40%)及少量泥(約占5%)。按似層面推測(cè)延伸至主廠房中部、北端和主變洞的中部、南端。

        主廠房洞室頂部巖體覆蓋厚100~170 m,外側(cè)水平巖體覆蓋厚95~140 m。主變洞頂部巖體覆蓋厚60~100 m,外側(cè)水平巖體覆蓋厚65~92 m,該地下廠房洞室群布置空間交錯(cuò),巖體覆蓋較薄。主廠房與主變洞圍巖以T1l1似厚層夾少量似薄層玄武巖為主,巖石完整性較好,但夾層膠結(jié)差。影響地下廠房洞室圍巖局部穩(wěn)定的主要因素為結(jié)構(gòu)面的組合與夾層的影響。尤以有J1~J4夾層分布的副廠房洞段頂拱更為明顯。地下水活動(dòng)狀態(tài)為潮濕、滲水及局部線狀流水,據(jù)PD5號(hào)平硐揭露主要有6處沿裂隙集中出水點(diǎn),所以施工期和運(yùn)行期需采取有效的排水措施。

        3 地下廠房洞室群開挖

        3.1 開挖設(shè)計(jì)原則

        1)主廠房跨度較大,頂拱成型好壞,直接關(guān)系廠房圍巖的穩(wěn)定和運(yùn)行的安全。根據(jù)圍巖情況,應(yīng)選擇最優(yōu)循環(huán)進(jìn)尺和鉆爆方案,避免使圍巖出現(xiàn)不利的應(yīng)力狀態(tài)和承載條件。

        2)與主廠房、副廠房交叉的各施工支洞、進(jìn)廠交通洞、壓力管道和通風(fēng)洞等所有交叉口,應(yīng)在主、副廠房開挖前開挖完并做好錨噴支護(hù),并對(duì)叉洞口周圍的巖體采取必要的加固處理措施。

        3)巖錨吊車梁巖臺(tái)開挖是地下廠房開挖施工中難度最大、質(zhì)量要求最高的項(xiàng)目,且?guī)r臺(tái)成型好壞直接影響到廠房吊車的安全運(yùn)行。為保證巖錨吊車梁巖臺(tái)的開挖質(zhì)量,必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)確定有關(guān)爆破參數(shù)和具體實(shí)施方案。

        4)錨噴支護(hù)必須緊跟開挖工作面。

        3.2 開挖設(shè)計(jì)方案

        主、副廠房洞室開挖可利用的施工線路有:廠區(qū)3號(hào)施工支洞、進(jìn)廠交通洞、壓力管道及尾水隧洞。通過(guò)建立分步開挖的有限元模型來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況,以洞室各層開挖過(guò)程中圍巖產(chǎn)生的增量位移、噴層的應(yīng)力及錨桿應(yīng)力等資料,正確指導(dǎo)地下洞室的掘進(jìn)和噴錨支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工。根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn),按施工組織設(shè)計(jì)要求,擬定了地下廠房洞室群開挖分層方案。

        該地下廠房洞室群開挖分層見(jiàn)圖1。開挖順序示意圖見(jiàn)表1。

        圖1 地下廠房洞室群施工開挖分層示意

        主副廠房分6步開挖。

        第一步:主副廠房從高程2 193.8 m頂拱開挖至高程2 188 m處。

        第二步:主副廠房從高程2 188 m開挖至高程2 179.5 m處,高程2 193.8 m至高程2 188 m高程以上已完成錨噴支護(hù)。主變洞從高程2 198.60 m開挖至2 190.6 m處。

        第三步:主副廠房從高程2 179.5 m開挖至高程2 171.5 m處,2 179.5 m高程以上已完成錨噴支護(hù),且高程2 183.8 m處巖壁吊車梁混凝土已澆筑完畢。主變洞從高程2 190.6 m開挖至2 182.6 m處,并已完成2 190.6 m高程以上的錨噴支護(hù)。

        第四步:主副廠房從高程2 171.5 m開挖至高程2 163.5 m處,2 171.5 m高程以上已完成錨噴支護(hù)。同期主變洞開挖已全部完成(至底板2 171.6 m處),主變洞2 182.6 m高程以上已完成錨噴支護(hù)。2號(hào)、1號(hào)、3號(hào)(或1號(hào)、3號(hào)、2號(hào))母線洞已陸續(xù)全部開挖、支護(hù)完成。

        第五步:主副廠房從高程2 163.5 m開挖至高程2 157.3 m處(2 157.3 m高程以下部分已通過(guò)尾水洞開挖完成),高程2 163.5 m以上已完成錨噴支護(hù)。同期主變洞錨噴支護(hù)全部完成。

        表1 地下廠房洞群開挖方案

        4 地下廠房洞室群支護(hù)設(shè)計(jì)

        4.1 支護(hù)設(shè)計(jì)原則

        1)該工程主要采用數(shù)值模擬方法及已建工程經(jīng)驗(yàn)類比法。

        2)開挖施工過(guò)程中,充分發(fā)揮圍巖本身的自承能力,以系統(tǒng)噴錨支護(hù)為主,局部加強(qiáng)支護(hù)為輔,并與隨機(jī)支護(hù)相結(jié)合。

        3)支護(hù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖揭露的實(shí)際地質(zhì)情況和圍巖監(jiān)測(cè)及反饋成果,進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

        4.2 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

        根據(jù)工程類比法和塊體理論得出的圍巖系統(tǒng)支護(hù)措施,該水電站地下廠房和主變洞的系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度為6.0 m/9.0 m間隔布置,系統(tǒng)錨桿間排距為1.5 m×1.5 m。頂拱和斷層破碎帶需采用掛網(wǎng)噴混凝土,其余部位可噴鋼纖維混凝土或素混凝土。錨桿桿材取直徑28 mm的HRB400鋼筋。

        4.3 加強(qiáng)支護(hù)區(qū)域

        除了系統(tǒng)支護(hù)外,還需對(duì)特殊部位進(jìn)行加強(qiáng)處理,對(duì)洞室交岔部位,除增加鎖口錨桿外,在交岔處采用鋼筋混凝土鎖口襯砌;為改善母線洞運(yùn)行條件,采用全斷面鋼筋混凝土襯砌;對(duì)斷層和節(jié)理密集帶,除將系統(tǒng)錨桿加長(zhǎng)外,另設(shè)加強(qiáng)錨桿和錨筋樁;對(duì)不穩(wěn)定塊體采用隨機(jī)加強(qiáng)錨桿、錨索予以加固。

        從圍巖塑性區(qū)分布結(jié)果看,洞室第1層開挖,頂拱局部出現(xiàn)塑性區(qū),隨著洞室向下部開挖,頂拱的塑性區(qū)擴(kuò)展的范圍和向圍巖深部延伸的深度很?。欢词腋哌厜鷰r塑性區(qū)隨著洞室下部開挖,擴(kuò)展的范圍和向圍巖深部延伸的深度也逐步增加,到開挖結(jié)束即第5期開挖結(jié)束后,地下廠房上游邊墻塑性區(qū)在圍巖中最大延伸深度8.4 m,頂拱為3.5 m;主變洞下游邊墻局部(上部)出現(xiàn)塑性區(qū),塑性區(qū)在圍巖中最大延伸深度8.0 m,頂拱為3.4 m,地下廠房與主變洞之間的隔墻被塑性區(qū)貫穿。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要原因是隔墻兩側(cè)上下游臨空的直邊墻較高。

        除地下廠房與主變洞之間的隔墻外,系統(tǒng)錨桿的長(zhǎng)度基本超過(guò)70%的塑性區(qū)深度,頂拱的系統(tǒng)錨桿均超過(guò)塑性區(qū)深度,并且有較大的富裕度。從這點(diǎn)看,在地下廠房與主變洞之間的巖墻上,適當(dāng)增強(qiáng)支護(hù)措施是有必要的,該工程分別在2 184.5 m和2 176.00 m高程,增加了兩排1 500 kN的預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索。

        5 地下洞室群開挖支護(hù)過(guò)程圍巖穩(wěn)定分析

        從圍巖變形結(jié)果看,地下廠房洞室第1層開挖,頂拱圍巖向洞內(nèi)最大豎向變形為11.0 mm,隨著洞室向下部開挖,頂拱圍巖向洞內(nèi)變形逐漸增加;主變洞第1層開挖,頂拱圍巖向洞內(nèi)最大豎向變形為8.0 mm。隨著洞室向下部開挖,邊墻和頂拱圍巖向洞內(nèi)的變形也隨之逐漸增大,其中第4期開挖,圍巖變形幅度最大,約為全部變形的30%~55%;兩大洞室開挖結(jié)束后,地下廠房洞室的上游邊墻、頂拱、下游邊墻向洞內(nèi)水平變形(或垂直變形)分別為27.0 mm、24.0 mm、36.0 mm;主變洞的上游邊墻、頂拱、下游邊墻向洞內(nèi)水平變形(或垂直變形)分別為20.0 mm、16.2 mm、24.0 mm。分期開挖洞周最大水平變形(或垂直變形)統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表2。

        表2 圍巖變形與分期開挖統(tǒng)計(jì)表

        6 結(jié)語(yǔ)

        為了降低巖墻在洞室開挖過(guò)程中的卸荷損傷程度,提高安全富裕度,主廠洞與主變洞之間巖墻增加1 500 kN的預(yù)應(yīng)力錨索是很有必要的,對(duì)穿錨索施工后,主廠洞與主變洞之間巖體變形監(jiān)測(cè)值,趨于穩(wěn)定并在圍巖變形限制范圍內(nèi)。其余部位設(shè)置多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿測(cè)力計(jì)及錨索測(cè)力計(jì)等監(jiān)測(cè)設(shè)備,從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出,該水電站地下廠房洞室群開挖施工方式及圍巖系統(tǒng)支護(hù)措施是合理的,在系統(tǒng)支護(hù)及加強(qiáng)支護(hù)聯(lián)合作用下,地下廠房洞室群圍巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        [參 考 文 獻(xiàn)]

        [1]嚴(yán)軍,肖培偉,孫繼林瀑布溝水電站地下廠房開挖施工綜述[J].水力發(fā)電,2010,36(6).

        [2]劉一,魏映瑜.大崗山水電站地下廠房洞室群開挖支護(hù)設(shè)計(jì)[J].人民長(zhǎng)江,2012,43(22).

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