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        大型水電站地下廠房“三大洞室”頂拱層開挖施工技術(shù)

        2021-09-03 00:36:02肖厚云易曉強(qiáng)
        四川水利 2021年4期
        關(guān)鍵詞:中導(dǎo)洞大洞調(diào)壓室

        肖厚云,易曉強(qiáng)

        (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(fā)水電既可節(jié)約煤炭、石油,又可兼收防洪、灌溉、航運(yùn)、水產(chǎn)、供水、旅游、水上運(yùn)動等多種綜合效益,同時隨著“碳中和”新型環(huán)保理念的提出,水電開發(fā)即將又迎來一個春天。水電站的開發(fā)與建設(shè),由于受到特定的地形地質(zhì)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(fā)電等建筑物不得不布置在岸邊山體內(nèi),即采用地下引水發(fā)電布置方式。自上世紀(jì)50年代以來,我國水電站地下廠房建設(shè)發(fā)展迅速,設(shè)計與施工技術(shù)不斷提高,大型地下廠房在向大型化和超大型的方向發(fā)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(fā)方式通常有首部式、中部式和尾部式,主要建筑物一般有進(jìn)水口、引水洞、地下廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水洞等。其中地下引水發(fā)電系統(tǒng)中地下廠房、主變洞與尾水調(diào)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(nèi)在建或已建的水電站地下廠房、主變室、尾水調(diào)壓室的特征參數(shù),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(diào)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(shù)

        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(zhì)量要求高、噴錨支護(hù)量大,如何確保洞室頂拱的安全穩(wěn)定是開挖施工中的關(guān)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(dǎo)洞法,先開挖中部,減小一次開挖跨度,待中導(dǎo)洞開挖支護(hù)完成后,再依次開挖兩側(cè)拱腳,以保證拱冠部位的局部穩(wěn)定,如溪洛渡、向家壩、瀑布溝、猴子巖、白鶴灘;二是側(cè)導(dǎo)洞法,先一次開挖兩側(cè)拱腳,待兩側(cè)導(dǎo)洞開挖支護(hù)完成后,開挖中間預(yù)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(jìn)行開挖,即先完成一半幅的開挖支護(hù)并錯開一定距離后開挖另一側(cè),如烏東德右岸導(dǎo)流洞、兩河口主變室和尾調(diào)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(fā)現(xiàn),側(cè)導(dǎo)洞法,中間巖柱對兩側(cè)導(dǎo)洞施工干擾大;半幅錯距開挖存在偏壓變形破壞問題;中導(dǎo)洞法有利于發(fā)揮大型機(jī)械設(shè)備的效率,實現(xiàn)快速施工。

        1.3 “先中導(dǎo)洞,后兩側(cè)擴(kuò)挖”施工要點

        (1)根據(jù)洞室結(jié)構(gòu)特征、水文地質(zhì)條件、連接洞室(支洞)尺寸、錨噴支護(hù)施工及設(shè)備運(yùn)行條件,進(jìn)行分區(qū)開挖設(shè)計,選擇合理施工工藝與方法。

        (2)為利于施工布置,中導(dǎo)洞領(lǐng)先于邊墻擴(kuò)挖約30m,相鄰開口錯距約30m,同時結(jié)合中導(dǎo)洞爆破對鉆爆臺車的影響,在中導(dǎo)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(kuò)挖施工準(zhǔn)備的起始時間,開挖平面布置見圖1。

        圖1 “先中導(dǎo)洞,后兩側(cè)擴(kuò)挖”開挖平面布置示意

        (3)對中導(dǎo)洞揭示的圍巖進(jìn)行地質(zhì)素描,確定圍巖分類,根據(jù)中導(dǎo)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(jìn)行,將開口位置選擇在無區(qū)域斷層、破碎帶、不利組合機(jī)構(gòu)的巖層堅硬、完整段落。

        (4)為利于中導(dǎo)洞擴(kuò)挖與邊墻開挖的相互協(xié)調(diào)性,減少擴(kuò)挖對中導(dǎo)洞開挖的影響,首個邊墻開口宜距離中導(dǎo)洞20m~30m,另一側(cè)邊墻開口應(yīng)距離已擴(kuò)開口20m~30m以上,中導(dǎo)洞及兩側(cè)擴(kuò)挖呈“品”字形。

        (5)邊墻擴(kuò)挖前應(yīng)按照設(shè)計圖完成開口對應(yīng)部位的中導(dǎo)洞或者中導(dǎo)洞及對應(yīng)側(cè)已擴(kuò)挖邊墻的系統(tǒng)支護(hù)(錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土)工作,但為避免邊墻開口超挖過大及為后續(xù)鋼筋網(wǎng)連接預(yù)留接頭,在中導(dǎo)洞與邊墻擴(kuò)挖邊界線預(yù)留1.5m~2.0m范圍不做噴混凝土施工。

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

        (7)邊墻擴(kuò)挖開口采用刻槽開挖,以保證開挖成型質(zhì)量及成型速度,開口前進(jìn)行刻槽開挖設(shè)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(nèi),為雅礱江干流中游“一庫七級”開發(fā)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(fā)電系統(tǒng)等組成,電站總裝機(jī)容量150萬kW,安裝4臺375MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組,多年平均年發(fā)電量68.74億kW·h。

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

        地下發(fā)電廠房系統(tǒng)呈“一”字型排列,中間布置主廠房,左、右兩側(cè)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(cè),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(diào)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(tǒng)采用“兩機(jī)一室一洞”的布置方式,調(diào)壓室下部由一道中隔墻分隔為二室,二機(jī)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(diào)壓室頂拱高程2030.75m,尾水調(diào)壓室最大開挖尺寸176.1m×24.0×79.75m(長×寬×高)。

        2.2 地質(zhì)條件

        2.2.1 地下廠房

        對應(yīng)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(wěn)定性較好。分布的斷層f47-17、f47-18、f47-22、f47-23、f47-25和優(yōu)勢節(jié)理①N17°E,NW∠75°②N89°E,SE∠45°③N72°W,SW∠30°可能構(gòu)成不利組合或楔形體,對頂拱、邊墻和端墻局部穩(wěn)定不利。

        廠房區(qū)上覆巖體較厚,從廠房區(qū)勘探硐揭示的情況看,局部有輕微巖爆導(dǎo)致的崩落和片幫現(xiàn)象,廠房區(qū)洞室施工過程中可能出現(xiàn)輕微巖爆現(xiàn)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?guī)r體內(nèi)無規(guī)模較大的斷層破碎帶發(fā)育,分布的斷層有f47-23、f47-29,與洞軸線的夾角為50°、40°,優(yōu)勢節(jié)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(wěn)定性較好。分布的斷層f47-23、f47-29和優(yōu)勢節(jié)理①N17°E,NW∠75°②N89°E,SE∠45°③N72°W,SW∠30°可能構(gòu)成不利組合或楔形體,對頂拱、邊墻和端墻局部穩(wěn)定不利。

        2.2.3 尾水調(diào)壓室

        尾水調(diào)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(diào)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(wěn)定性較好。分布的斷層f47-27、f47-28、f47-29和優(yōu)勢節(jié)理①N17°E,NW∠75°②N89°E,SE∠45°③N72°W,SW∠30°可能構(gòu)成不利組合或楔形體,對頂拱、邊墻和端墻局部穩(wěn)定不利。

        2.3 開挖施工分區(qū)

        頂拱層開挖分區(qū)主要結(jié)合洞室地質(zhì)條件、洞室跨度、連接洞室(支洞)尺寸、錨噴支護(hù)施工及設(shè)備運(yùn)行,從保證洞室錨噴支護(hù)施工便利、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行靈活及洞室安全穩(wěn)定綜合考慮,楊房溝水電站“三大洞室”頂拱層施工分區(qū)如表2。

        表2 楊房溝水電站“三大洞室”頂拱層開挖分區(qū)參數(shù)

        圖3 主副廠房洞頂拱層開挖分區(qū)示意

        圖4 主變洞頂拱層開挖分區(qū)示意

        圖5 尾調(diào)室頂拱層開挖分區(qū)示意

        2.4 施工程序

        “三大洞室”頂拱層開挖支護(hù)均采用“先中導(dǎo)洞超前開挖完成,后完成中部巖臺擴(kuò)挖,再進(jìn)行兩側(cè)擴(kuò)挖施工”的方式施工,在此僅以主副廠房為例進(jìn)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(fēng)兼安全洞及與右端墻相連接的廠房進(jìn)風(fēng)洞,由于廠房進(jìn)風(fēng)洞洞線較長,廠房頂拱開挖時無法貫通至廠房,故此通風(fēng)兼安全洞為頂拱層開挖支護(hù)的唯一通道,頂拱層開挖程序主要如下:

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

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

        (3)中導(dǎo)洞底板巖臺開挖完成后,進(jìn)行上下游側(cè)擴(kuò)挖施工。上游側(cè)從3#機(jī)組中心線處開始向兩側(cè)擴(kuò)挖,下游側(cè)從2#機(jī)組中心線處開始向兩側(cè)擴(kuò)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(fēng)鉆鉆孔,多臂鉆輔助開挖鉆孔,分別制作中導(dǎo)洞和邊墻擴(kuò)挖鉆爆臺車作為施工平臺,開挖設(shè)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(jìn)行危石清理,開挖石渣采用側(cè)卸裝載機(jī)配合25t自卸汽車出渣。

        2.5.2 開挖進(jìn)尺要求

        中導(dǎo)洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺2.5m~3.2m,Ⅳ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺控制在2.0m左右,中導(dǎo)洞底板巖臺開挖循環(huán)進(jìn)尺為4m。上下游側(cè)擴(kuò)挖Ⅱ、Ⅲ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺3.0m~3.5m,Ⅳ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺控制在2.5m左右。

        2.5.3 支護(hù)進(jìn)度要求

        表3 支護(hù)進(jìn)度要求

        2.6 開挖進(jìn)度與質(zhì)量效果評價

        2.6.1 進(jìn)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(hù)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(hù)完成,用時約4個月;尾水調(diào)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(hù)完成,用時約5個月;均較合同工期提前,在同類規(guī)模水電站“三大洞室”頂拱層開挖中位列前茅。

        2.6.2 質(zhì)量評價

        楊房溝水電站“三大洞室”頂拱層開挖過程中結(jié)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(tài)設(shè)計與施工,及時調(diào)整爆破開挖參數(shù),科學(xué)規(guī)劃支護(hù)時機(jī),取得了良好的開挖質(zhì)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(jiān)測斷面,頂拱層開挖支護(hù)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(shù)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(nèi),半孔率達(dá)到91.4%。

        3 結(jié)語

        大型水電站地下廠房“三大洞室”頂拱層開挖支護(hù)是地下廠房洞室群開挖支護(hù)的重難點,開挖過程中結(jié)合洞室特征、圍巖條件、施工通道(連接洞室)、支護(hù)參數(shù)、施工機(jī)械設(shè)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(tài)設(shè)計與施工,及時調(diào)整爆破開挖參數(shù),科學(xué)規(guī)劃支護(hù)時機(jī),控制圍巖塑性區(qū)范圍,保證圍巖穩(wěn)定,以實現(xiàn)大跨度洞室頂拱層的快速、高效、優(yōu)質(zhì)施工。

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