閆 鋒

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211800）

0 引言

近年來，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展，能源需求量不斷增加，人們對(duì)電力的需求也不斷增長(zhǎng)[1]。抽水蓄能電站以其調(diào)峰填谷的獨(dú)特運(yùn)行特性，發(fā)揮著調(diào)節(jié)負(fù)荷、系統(tǒng)性節(jié)能和維護(hù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的功能，成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)[2]。抽水蓄能電站的地下廠房洞室群施工時(shí)，施工強(qiáng)度高、開挖量大、作業(yè)面多，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，工序復(fù)雜，目前施工方式仍主要以人工作業(yè)為主[3-4]。但隨著越來越嚴(yán)峻的安全形勢(shì)，作業(yè)人員對(duì)施工環(huán)境的要求越來越高，施工進(jìn)度、質(zhì)量等要求越來越嚴(yán)格，機(jī)械化程度較低的施工方式越來越不能滿足和適應(yīng)現(xiàn)代施工的需求[5-6]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在地下廠房施工方面的研究有了一定的成果。李璐等[7]對(duì)地下廠房施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以判定施工開挖順序、圍巖支護(hù)參數(shù)等的合理性；李輝等[8]研究了地下廠房的機(jī)械化施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“豎向多層次，平面多工序”的立體開挖；齊三紅等[9]研究了施工開挖和支護(hù)開挖過程中的圍巖變形場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)的分布及變化特征。但是，少有對(duì)地下廠房施工設(shè)備配置方案進(jìn)行研究。施工設(shè)備配置的合理性會(huì)大大影響施工的有序、高效、安全進(jìn)行，所以，對(duì)機(jī)械化施工裝備的配置優(yōu)化具有重要的工程意義。

本文對(duì)洞室群具體施工設(shè)備進(jìn)行選型，并提出設(shè)備配置方案。針對(duì)人工投入、綜合工效比以及開挖成本，對(duì)單臺(tái)車方案與雙臺(tái)車方案進(jìn)行對(duì)比分析，選出最優(yōu)方案，以完成洞室群的高效施工，為工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

安徽績(jī)溪抽水蓄能電站的地下廠房主要包括主副廠房和主變洞，如圖1所示。主副廠房洞總長(zhǎng)為210.0 m，下部開挖寬度為24.5 m，上部開挖寬度為26.0 m，最大開挖高度為53.4 m。主變洞位于主副廠房洞下游，兩洞凈距為39.7 m；主變洞開挖尺寸為213.1 m×19.0 m×22.15 m（長(zhǎng)×寬×高），與主副廠房通過交通電纜洞、主變運(yùn)輸洞及6條母線洞相連。

圖1 地下廠房洞室群示意圖

地下廠房洞室群圍巖以塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部為鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖以Ⅱ～Ⅲ類為主，局部為Ⅳ類，斷層破碎帶為Ⅳ～Ⅴ類，圍巖基本穩(wěn)定，局部穩(wěn)定性差。

2 施工方法

地下廠房洞室群規(guī)模巨大，洞群縱橫交錯(cuò)，各洞室的開挖與支護(hù)相互制約又相互干擾。根據(jù)地下洞室的具體結(jié)構(gòu)，開挖施工遵循“平面多工序、立體多層次、分層開挖、逐層支護(hù)”的原則，實(shí)現(xiàn)了多工作面施工的連續(xù)、協(xié)調(diào)。

（1）主副廠房施工

主副廠房自上而下分7層開挖支護(hù)[10]，如圖2所示。每層分左中右3 個(gè)斷面分部施工。第Ⅰ、Ⅱ?qū)娱_挖由通風(fēng)兼安全洞通道保證，頂層施工時(shí)及時(shí)挖通主廠房排煙洞，第Ⅱ?qū)娱_挖結(jié)束后進(jìn)行巖壁吊車梁錨桿及混凝土施工。第Ⅲ、Ⅳ層由進(jìn)場(chǎng)交通洞通道保證，第Ⅳ層開挖后，完成安裝間混凝土澆筑。第Ⅴ～Ⅶ層由4＃施工支洞通道保證，4＃支洞施工在廠房第Ⅰ～Ⅳ層開挖過程中組織完成，在廠房第Ⅴ～Ⅶ層開挖過程可充分利用該作業(yè)通道。

圖2 主副廠房開挖分層示意圖

主副廠房采用分層分塊開挖與支護(hù)。頂拱采用中導(dǎo)洞超前地質(zhì)探測(cè)，兩邊擴(kuò)挖逐漸擴(kuò)大、避免應(yīng)力集中的開挖方法。施工作業(yè)錯(cuò)距進(jìn)行，錯(cuò)距不小于30 m。兩側(cè)擴(kuò)挖推進(jìn)一段距離后，利用埋設(shè)儀器時(shí)間安排噴錨支護(hù)的平行作業(yè)。Ⅱ?qū)右韵麻_挖均采用梯段開挖，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層，實(shí)現(xiàn)光面爆破，中間梯段爆破。對(duì)于塌方區(qū)域采用先深孔錨桿、掛網(wǎng)、噴20 cm砼聯(lián)合支護(hù)后，再回填結(jié)構(gòu)外砼，以提高圍巖的整體性和穩(wěn)定性。

（2）主變洞施工

主變洞分4層開挖支護(hù)，每層分左中右3 個(gè)斷面分部施工，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。第Ⅰ、Ⅱ?qū)娱_挖由主變排風(fēng)洞通道保證，第Ⅲ、Ⅳ層開挖由主變進(jìn)風(fēng)洞通道保證。第Ⅰ層為中導(dǎo)開挖，兩側(cè)擴(kuò)挖；第Ⅱ、Ⅲ層均為中部拉槽，兩側(cè)開挖保護(hù)層，拉槽及兩側(cè)保護(hù)層開挖錯(cuò)距進(jìn)行；第Ⅳ層為槽挖，采用手風(fēng)鉆造孔分兩層開挖、爆破，周邊光面爆破。各層排水廊道開挖根據(jù)通風(fēng)兼安全洞、進(jìn)廠交通洞、主變進(jìn)風(fēng)洞、尾閘運(yùn)輸洞等交面提供時(shí)間，盡早安排進(jìn)行，以利廠房、主變洞、尾閘洞圍巖排水。

圖3 主變洞結(jié)構(gòu)圖

主變洞進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)，對(duì)Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段進(jìn)行初噴、系統(tǒng)短錨桿施工，中部開挖支護(hù)完成后進(jìn)行兩側(cè)擴(kuò)挖及全斷面系統(tǒng)支護(hù)；針對(duì)不良地質(zhì)段，開挖后及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)噴錨支護(hù)，頂拱范圍噴混凝土，采用砂漿錨桿或自進(jìn)式中空注漿錨桿進(jìn)行超前支護(hù)。

在主副廠房與主變洞等大斷面洞室中，可進(jìn)行立體多層平行開挖。按照施工工序，可在洞室中不同位置分別布置鑿巖臺(tái)車、液壓鉆、潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，在鉆孔爆破后，由液壓反鏟、裝載機(jī)、自卸汽車配合完成渣土的運(yùn)輸工作，并由濕噴機(jī)進(jìn)行混凝土噴射作業(yè)。

系統(tǒng)錨桿及掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)與開挖平行作業(yè)；拉槽施工邊墻預(yù)裂超前于梯段開挖20 m，與Ⅰ層支護(hù)平行作業(yè)；出渣與梯段爆破鉆孔平行作業(yè)；保護(hù)層分3 層開挖，出渣與下一段鉆孔平行作業(yè)；巖壁上直邊墻鉆孔與Ⅰ層支護(hù)平行作業(yè)；邊墻預(yù)裂超前于梯段開挖20 m，與梯段開挖平行作業(yè)，僅開始階段占用直線工期。保護(hù)層開挖滯后中槽開挖20～30 m，與中槽梯段開挖平行作業(yè)；邊墻開挖后，對(duì)斷層破碎帶等進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，與開挖交替作業(yè)。各工序之間的平行作業(yè)不占用直線時(shí)間，大大加快了施工進(jìn)度。

3 機(jī)械化施工設(shè)備

3.1 施工機(jī)械設(shè)備選擇

地下廠房洞室群的施工設(shè)備主要可分為鉆孔設(shè)備、裝渣及運(yùn)輸設(shè)備、噴混凝土施工設(shè)備。

在地下廠房進(jìn)行立體多層平行開挖，在洞室中不同位置分別布置鑿巖臺(tái)車、液壓鉆、潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，在鉆孔爆破后，由液壓反鏟、裝載機(jī)、自卸汽車配合完成渣土的運(yùn)輸工作，并由濕噴機(jī)進(jìn)行混凝土噴射作業(yè)，確保工程項(xiàng)目的施工能力和質(zhì)量要求。

3.1.1 鉆孔設(shè)備

地下廠房中主副廠房Ⅰ層、主變洞、母線洞等斷面較大的洞室開挖均選用Boomer353E 三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行造孔工作，其工作范圍達(dá)到14.34 m×12.03 m，能較好地滿足洞室的施工要求。

廠房與主變洞Ⅱ?qū)右韵绿荻伪剖┕みx用ROC D7 型液壓鉆造孔，液壓鉆完成最大造孔量所需時(shí)間為7.92 h，造孔能力滿足排炮循環(huán)時(shí)間。

廠房與主變洞的邊墻預(yù)裂孔不占直線工期，選用KSZ-100Y型支架式潛孔鉆機(jī)造孔，一天可造孔384 m。

3.1.2 裝渣及運(yùn)輸設(shè)備

施工裝渣設(shè)備選用液壓反鏟及裝載機(jī)，自卸汽車負(fù)責(zé)將石渣運(yùn)輸至渣場(chǎng)。

323D液壓反鏟每個(gè)月能裝渣2.5 萬m3，ZL50 裝載機(jī)每個(gè)月的裝渣能力為3.2 萬m3。液壓反鏟與裝載機(jī)配合完成各洞室的裝渣工作。

根據(jù)施工總布置規(guī)劃洞挖料運(yùn)到棄渣場(chǎng)，NXG3310D3KE自卸汽車每車運(yùn)輸量為19.04 m3，考慮廠房系統(tǒng)地下洞室群到棄渣場(chǎng)的距離，1輛自卸車每個(gè)月可運(yùn)渣0.79萬m3。

3.1.3 噴混凝土施工設(shè)備

廠房系統(tǒng)地下洞室群噴混凝土施工主要采用濕噴機(jī)。結(jié)合工程地質(zhì)條件，通過分析比較，選擇MEYCO Potenza 濕噴機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行噴混凝土施工作業(yè)。該濕噴機(jī)的水平與垂直噴射距離達(dá)到14 m，每小時(shí)可噴射混凝土30 m3，可以承擔(dān)主副廠房以及主變洞等大斷面洞室的混凝土噴射作業(yè)。

3.2 設(shè)備配置方案比選

為了提高施工效率，減低施工成本，實(shí)現(xiàn)洞室空間與設(shè)備工作能力的合理利用，對(duì)施工設(shè)備的配置方案進(jìn)行研究。

3.2.1 施工設(shè)備配置方案

考慮時(shí)間利用系統(tǒng)、設(shè)備移動(dòng)以及各設(shè)備工作能力的配合等因素，現(xiàn)場(chǎng)研究了2種開挖設(shè)備配置方案。

（1）單臺(tái)車方案

選用三臂鑿巖臺(tái)車1 臺(tái)、液壓鉆1 臺(tái)、潛孔鉆機(jī)4 臺(tái)、液壓反鏟1臺(tái)、裝載機(jī)2 臺(tái)、自卸汽車5 輛、濕噴機(jī)1 臺(tái)的設(shè)備配置方案，進(jìn)行洞室群的施工作業(yè)。

人員配置包括：開挖工班38 人，出渣工班19 人，混凝土結(jié)構(gòu)工班45人，合計(jì)102人。

（2）雙臺(tái)車方案

選用三臂鑿巖臺(tái)車2 臺(tái)、液壓鉆2 臺(tái)、潛孔鉆機(jī)7 臺(tái)、液壓反鏟1臺(tái)、裝載機(jī)3 臺(tái)、自卸汽車6 輛、濕噴機(jī)1 臺(tái)的設(shè)備配置方案，進(jìn)行洞室群的施工作業(yè)。

人員配置包括：開挖工班65 人，出渣工班30 人，混凝土結(jié)構(gòu)工班60人，合計(jì)155人。

3.2.2 開挖工效成本對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)施工組織對(duì)單臺(tái)車方案與雙臺(tái)車方案這2 種不同的機(jī)械配置方案，從人機(jī)配置、綜合工效、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行了綜合研究、分析、比選。

（1）人機(jī)投入比

針對(duì)主副廠房Ⅰ層的情況，對(duì)2 種設(shè)備配置方案各作業(yè)線人員配備進(jìn)行比較。

單臺(tái)車方案的人員配置達(dá)到102 人，在主副廠房Ⅰ層施工的月進(jìn)度為60 m／月；雙臺(tái)車方案的人員配置達(dá)到155 人，開挖月進(jìn)度為70 m／月。

單臺(tái)車方案的月進(jìn)度人均占比為0.59 m／ （人·月），雙臺(tái)車方案的月進(jìn)度人均占比為0.45 m／ （人·月），故相比之下，單臺(tái)車方案人工效率較優(yōu)，比雙臺(tái)車方案高了31%。

（2）綜合工效比

對(duì)2種設(shè)備配置方案開挖主副廠房Ⅰ層的作業(yè)線主要工序月度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如表1 所示。由表可以看出，雙臺(tái)車方案月開挖進(jìn)度較高，達(dá)到了76 m。但是根據(jù)工程實(shí)踐得到，地下廠房仰拱施工的月進(jìn)度為70 m，不能保證雙臺(tái)車方案的步距要求，雙臺(tái)車方案的設(shè)備配置能力過剩，導(dǎo)致其綜合月進(jìn)度與單臺(tái)車方案相比優(yōu)勢(shì)并不明顯。所以，從設(shè)備性能及各條作業(yè)線生產(chǎn)進(jìn)度匹配情況等方面考慮，單臺(tái)車方案較優(yōu)。

表1 工序用時(shí)及綜合進(jìn)度指標(biāo)測(cè)定表

（3）經(jīng)濟(jì)效率比

該工程的土石方開挖量達(dá)到了103 萬m3，通過計(jì)算得到2種配置方案的成本效益對(duì)比，如表2 所示?？梢钥闯?，相比于雙臺(tái)車方案，單臺(tái)車方案的開挖直接成本低了約9.5%。雙臺(tái)車方案的施工效率較高，開挖工期較短，使得工程施工的人工費(fèi)有所減少，但是由于多購(gòu)買了部分施工設(shè)備，機(jī)械費(fèi)大大增加。

表2 開挖直接成本對(duì)比元／m3

從以上對(duì)比分析可以看出，單臺(tái)車方案在人工投入與開挖成本方面較優(yōu)。在綜合工效比方面，雙臺(tái)車方案具有優(yōu)勢(shì)，但是由于設(shè)備配置能力過剩的問題，優(yōu)勢(shì)并不明顯。經(jīng)過綜合考慮與實(shí)際施工對(duì)比，該工程確定采用單臺(tái)車方案進(jìn)行機(jī)械化施工。

4 機(jī)械化施工的工程應(yīng)用

本工程實(shí)行單臺(tái)車方案的機(jī)械化施工，合理配置，在進(jìn)度、質(zhì)量等方面的優(yōu)勢(shì)得到很好的展示。

4.1 施工進(jìn)度

主副廠房與主變洞的開挖工序分為測(cè)量放樣、鉆孔、裝藥爆破、通風(fēng)散煙和出渣，各洞室的工序具體的平均用時(shí)如表3所示?？梢钥闯?，洞室開挖的工序循環(huán)時(shí)間為25.2 ～33.7 h，較多的時(shí)間花在鉆孔與圍巖支護(hù)工序上。但是，考慮到邊墻預(yù)裂與梯段開挖、圍巖支護(hù)與開挖、出渣與下一段鉆孔等之間的平行作業(yè)情況，并不占用直線工期，各工序的時(shí)間分配較為合理，滿足施工要求。

表3 各洞室開挖工序平均時(shí)間h

機(jī)械化施工使得地下廠房洞室群的工程進(jìn)度大大加快，主副廠房與主變洞的具體施工情況如表4 所示。從表中統(tǒng)計(jì)來看，地下廠房的機(jī)械化施工相比于工程計(jì)劃工期要求，完成施工時(shí)間提前了半個(gè)多月，符合方案要求，說明單臺(tái)車方案施工能夠大大加快施工進(jìn)程。

表4 地下廠房的施工情況

4.2 開挖作業(yè)

洞室開挖過程中，巖壁開挖排炮循環(huán)水平進(jìn)尺約為3.5 m，中部梯段爆破排炮循環(huán)水平進(jìn)尺約為10 m，保護(hù)層開挖排炮循環(huán)水平進(jìn)尺約為10 m。各洞室每層分中導(dǎo)和側(cè)壁3 塊開挖、支護(hù)，月平均開挖進(jìn)度如表5 所示。可以看出，洞室Ⅰ層開挖進(jìn)度較慢，其余部分的開挖進(jìn)度都達(dá)到140 m／月以上。主副廠房與主變洞的Ⅰ層為頂拱開挖，輪廓開挖質(zhì)量要求高，開挖難度較大，導(dǎo)致其開挖進(jìn)度較慢。主副廠房Ⅱ?qū)訛閹r錨梁重要工程部位，施工質(zhì)量要求極為嚴(yán)格，月平均施工進(jìn)度達(dá)到142 m。主變洞Ⅱ?qū)右韵屡c主副廠房Ⅲ層以下的施工進(jìn)度較快，達(dá)到了160 m／月以上。單臺(tái)車施工方案滿足了快速施工的要求。

表5 洞室開挖平均進(jìn)度

4.3 出渣作業(yè)

由液壓反鏟、裝載機(jī)和自卸汽車共同配合完成洞室渣土的運(yùn)輸作業(yè)，當(dāng)開挖掌子面位置距離棄渣場(chǎng)0.5 km 以內(nèi)時(shí)，安排自卸汽車3輛，之后開挖距離每增加0.5 km，就多配置1輛自卸汽車，以保證出渣效率，工程上出一車渣平均用時(shí)為25 min，滿足施工要求。

在對(duì)洞室各個(gè)部分的施工過程中，不同階段對(duì)應(yīng)的出渣時(shí)間如表6所示?？梢钥闯觯鞲睆S房Ⅱ?qū)蛹耙韵碌闹胁刻荻伪坪椭髯兌撮_挖過程，出渣時(shí)間較長(zhǎng)，其中主變洞Ⅱ、Ⅲ層出渣時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)到10 h。整體上看，出渣時(shí)間占循環(huán)時(shí)間的比率較為合理。

表6 各洞室平均出渣時(shí)間統(tǒng)計(jì)

4.4 混凝土施工作業(yè)

整個(gè)抽水蓄能電站工程的混凝土總工程量為11.9 萬m3，包括地下廠房、尾水系統(tǒng)工程、各交通洞、通風(fēng)洞等，歷時(shí)48個(gè)月完成，平均月澆筑強(qiáng)度達(dá)到2487 m3，最高月澆筑方量5102 m3。主副廠房洞與主變洞的混凝土工程量分別為6008 m3和1552 m3，噴混凝土平均厚度約為10 cm，噴混凝土施工過程中，月高峰強(qiáng)度達(dá)到862 m3／月，滿足施工工期要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了確保工程項(xiàng)目的施工能力和質(zhì)量要求，提出立體多層平行開挖的機(jī)械化配套施工方法，實(shí)現(xiàn)了多工作面施工的連續(xù)、協(xié)調(diào)。并根據(jù)施工強(qiáng)度要求與機(jī)械設(shè)備工作能力，對(duì)主要施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行選，重點(diǎn)考慮能夠適應(yīng)隧洞開挖、支護(hù)、裝渣、運(yùn)輸?shù)仁┕ひ蟮膶ｍ?xiàng)設(shè)備。

針對(duì)人工投入、綜合工效比以及開挖成本，提出了單臺(tái)車方案與雙臺(tái)車方案2 種設(shè)備配置方案，分別對(duì)其進(jìn)行分析研究。經(jīng)過分析得到，相比于雙臺(tái)車方案，單臺(tái)車方案在人工效率與開挖成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，人工效率方面高了31%，開挖成本低了9.5%；在綜合工效比方面，雙臺(tái)車方案由于仰拱月進(jìn)度的限制，存在設(shè)備配置能力過剩的問題，優(yōu)勢(shì)并不明顯。經(jīng)過綜合考慮，單臺(tái)車方案為本工程最佳、最合理施工機(jī)械配置方案，單臺(tái)車方案包括了三臂鑿巖臺(tái)車1臺(tái)、液壓鉆1臺(tái)、潛孔鉆機(jī)4臺(tái)、液壓反鏟1 臺(tái)、裝載機(jī)2臺(tái)、自卸汽車5輛、濕噴機(jī)1臺(tái)。

工程通過實(shí)行單臺(tái)車配置方案施工，施工完成時(shí)間相比于工程計(jì)劃工期要求提前了半個(gè)多月，各工序作業(yè)情況也滿足施工要求，證明該方案的可行性，為類似工程積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。