地下廠房不良地質交叉洞段施工的研究與應用

王依山，劉永勝，張成柏，王 鶴

（中國水電六局官地施工局，四川 西昌 615704）

1 工程概述

官地水電站位于雅礱江干流下游、四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內，系雅礱江卡拉至江口河段水電規(guī)劃五級開發(fā)方式的第三個梯級電站。 主廠房布置在大壩軸線下游右岸山體內，采用單機單管供水，共裝4臺單機容量600 MW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量2 400 MW。廠房（含安裝間、副廠房）最大開挖尺寸為 243.44 m×31.10 m×76.30 m（長×寬×高）。

2 地質條件

地下廠房N端的副廠房、主廠房、S端的安裝間均置于P2β15-2層角礫集塊熔巖中，F(xiàn)2斷層在距副廠房、主廠房、安裝間邊墻145 m的西側通過。

主廠房區(qū)圍巖以Ⅱ類為主，基本穩(wěn)定，局部Ⅲ—Ⅴ類；副廠房、安裝間以Ⅲ類為主。但由于廠房規(guī)模大，局部錯動帶及裂隙發(fā)育，其組合可形成不穩(wěn)定巖塊，特別是在主廠房與副廠房頂拱部位、安裝間部位錯動帶的組合，形成潛在不穩(wěn)定塊體。因此，在局部的頂拱及邊墻、端墻部位有坍塌、掉塊及變形現(xiàn)象。

3 施工難點與對應措施

3.1 施工重點及難點

1）地下廠房系統(tǒng)洞室多、結構復雜，主要洞室跨度大，支護型式多樣，工藝復雜，開挖支護工期緊，特別是主廠房錨索施工強度高，為保證洞室群的整體穩(wěn)定，合理安排主要洞室的開挖程序。

2）頂拱圍巖穩(wěn)定和施工安全問題突出。廠房跨度大，陡傾角、緩傾角巖層、錯動帶和裂隙發(fā)育，存在潛在不穩(wěn)定塊體，特別是副廠房和主廠房北端錯動帶發(fā)育，走向與軸線小角度相交，對邊墻穩(wěn)定影響較大。在開挖過程中如何保證頂拱圍巖穩(wěn)定。

3）主廠房開挖高差較大（76.3 m），有4條壓力管道、母線洞和尾水管在高邊墻上開口，開挖高邊墻安全問題。

4）地下廠房洞室群中，洞與洞、洞與井交叉、相貫部位較多，洞室交叉部位洞間巖層(巖柱)厚度薄，應力集中，這些部位的圍巖穩(wěn)定及施工安全問題突出，必須采取措施確保施工安全和圍巖的穩(wěn)定。

5）爆破質點振動速度控制要求高，如何優(yōu)化爆破參數(shù)，控制爆破單響藥量，控制爆破質點振動速度確保圍巖穩(wěn)定。

3.2 開挖過程中采取的措施

1）頂拱層開挖采取先進行已開挖中導洞支護工作，支護完成后，兩側錯距擴挖的施工方案，根據(jù)已完成三大洞室的頂拱中導洞地質探洞揭露的地質情況，及時進行必要的超前支護或臨時支護。

2）系統(tǒng)支護及時跟進開挖斷面，防止頂拱產生大的變形。

3）在圍巖地質情況惡劣的洞段，采取“短進尺、弱爆破、及時支護”的方案，必要時采取超前支護。

4）嚴格控制單響藥量，控制質點震動速度在規(guī)定范圍內。

5）頂拱層支護相應部位沒完成前，禁止開挖下層。

4 地下廠房開挖施工方法

地下廠房開挖主要采用鉆爆法施工，由上至下分11層開挖。地下廠房頂拱層采取水平掘進，先進行中導洞開挖，待中導洞永久支護完成后，進行兩側擴挖（滯后中導洞永久支護30 m），周邊采用光面爆破的方法開挖。第Ⅱ層、第Ⅲ層采取中部梯段微差爆破，第Ⅲ層中部梯段開挖邊線采取預裂爆破，兩側保護層采取光面爆破開挖。第Ⅳ～Ⅶ層以下采取中部梯段微差爆破，設計周兩側預留保護層進行二次開挖。第Ⅷ，Ⅸ層采取先開挖溜渣井，再進行擴挖。第Ⅹ，Ⅺ層先從尾水管方向采用水平掘進，先開挖中導洞（中部）進入廠房，待第Ⅷ、Ⅸ層開挖完成后再進行擴挖施工，擴挖采用水平掘進，周邊保護層光面爆破開挖。最后進行集水井施工。開挖一層支護一層，上一層支護完成后，再進行下一層開挖施工。

4.1 高邊墻安全穩(wěn)定問題的分析及應對

為確保廠房高邊墻的穩(wěn)定，在開挖程序安排上，遵循在平交口施工應盡量減小對主洞運行的影響原則，在洞口開挖之前，先進行洞口周邊鎖口支護。廠房Ⅱ，Ⅲ層開挖采取中間拉槽，兩側預留保護層擴挖跟進的方式開挖，中間拉槽梯段爆破開挖前，先沿保護層與深孔梯段邊線進行施工預裂，以減少爆破對邊墻造成震動破壞。上一層支護未完成，不得進行相應部位下一層開挖。對各洞室交叉口1.5倍洞徑范圍，在開挖后及時進行強支護，或視情況進行混凝土襯砌鎖口，在廠房等大洞室高邊墻上開洞口時，先采用鎖口錨桿對邊墻進行超前錨固，必要時進行超前預注漿等措施。廠房梯段開挖采用小孔徑鉆頭造孔（孔徑90 mm），藥卷直徑不大于φ70 mm，并嚴格控制單響藥量和一次爆破方量，以此控制爆破振動速度，減少因爆破振動對巖壁造成質量影響。

4.2 開挖產生巖爆和地下涌水處理方法

由于地下廠房為高埋深，而且相對地應力集中，而巖爆現(xiàn)象則是其最具體的體現(xiàn)，因此針對本地區(qū)特有的高地應力以及開挖容易產生巖爆的現(xiàn)象，采取相應的針對措施進行施工。巖爆控制的主要方法可以分為兩類，一類以釋放圍巖應力為途經，另一類則以降低開挖擾動為途徑。以防為主方案主要目的是防止巖爆發(fā)生或者降低巖爆發(fā)生的等級，以使損失降低到最小。根據(jù)不同的巖爆機制及巖爆烈度級別，以防為主方案重點包括：改善圍巖物理力學性質、應力釋放法、調整作業(yè)、待避政策。以治為主的加固圍巖具體包括：噴、錨、格柵鋼架等加固措施。開挖主要考慮分上下兩層開挖，上層開挖采取全斷面的開挖方法，采取“超前地質預報和勘探、超前支護、短進尺、弱爆破、少擾動、早封閉”等措施。

針對地下系統(tǒng)洞室部分在地下水位以下，而且地下水相對豐富的問題，主要針對開挖作業(yè)面的涌水和滲水的大小，采取相應的措施。對滲水部位采取鉆設排水孔，集中引排的方式進行處理。

4.3 交叉洞段開挖施工的研究與應用

地下廠房洞室群開挖難點之一，就是相鄰洞室及交叉洞室的爆破。地下廠房洞室群分布復雜，主廠房、主變室、尾水調壓室三大洞室平行布置，距離較近，主廠房上下游邊墻及端部有大小不同的洞室相交，對洞室開挖后穩(wěn)定性有很大影響。因此，廠房洞室群施工必須謹慎進行，尤其在爆破方面要嚴格控制爆破規(guī)模和采取必要的防震措施，做好施工程序設計，對不同的部位采取不同的爆破方法。在附屬洞室與大洞室相通時，采用先洞后墻的施工工藝，在洞口鎖口和系統(tǒng)支護施工結束后再開挖高邊墻，反向鎖口后使應力調整在小洞室內進行，減少廠房大跨度洞室應力集中及小洞室爆破的二次應力調整帶來的危害，在開挖過程中，對廠房交叉洞口段部位進行反向鎖口約束，采取分層擴挖，分層鎖口，及時對廠房邊墻進行反向鎖口支護釋放應力。通過控制爆破及采取反向鎖口及時的進行支護，有效的控制了應力的二次分布，保證了洞室群之間圍巖的穩(wěn)定。

4.4 重要部位爆破參數(shù)設計

1）地下廠房Ⅰ層開挖施工鉆爆參數(shù)。根據(jù)本工程的地質條件和工程特點，結合以往類似工程的施工經驗進行選定。地下廠房Ⅰ層開挖施工采用手風鉆鉆孔，利用中間的臨空面進行微差爆破。周邊孔間距50 cm，崩落孔間距約100 cm，底孔間距約100 cm，爆破孔孔徑42 mm，選用乳化炸藥、非電毫秒雷管起爆、微差爆破。在Ⅱ類圍巖區(qū)鉆孔深度為3.0 m，Ⅳ類圍巖區(qū)鉆孔深度為2.5 m。Ⅰ層爆破設計參數(shù)見表1。

表1 主副廠房及安裝間Ⅰ層兩側擴挖施工爆破設計參數(shù)

2）地下廠房Ⅱ，Ⅲ層開挖施工鉆爆參數(shù)。Ⅱ，Ⅲ層中部采用D7液壓鉆機鉆孔，為減小爆破震動對巖壁吊車梁部位圍巖的影響，在梯段爆破與保護層開挖的分界線采用深孔預裂爆破，預裂爆破設計參數(shù)見表2。

表2 預裂爆破參數(shù)設計

3）巖壁吊車梁開挖施工鉆爆參數(shù)。巖壁吊車梁開挖采用YT-28型手風鉆鉆孔，其爆破設計參數(shù)見表3，炮孔布置及裝藥結構見圖1。

表3 巖臺開挖施工爆破設計參數(shù)表

5 結語

圖1 廠房巖壁吊車梁開挖施工示意

官地水電站地下發(fā)電廠房的特點是：高地應力、高邊墻、存在不良地質，并處于縱橫交錯的洞室群中，這些特點包含了一般大型水電站地下發(fā)電洞室的共同特點。官地水電站地下廠房開挖施工時嚴格控制爆破對邊墻的振動影響，對設計進行優(yōu)化，選擇合理的爆破參數(shù)，爆破后及時進行支護，并應充分利用巖石彈性抗力。使地下廠房開挖的各項控制指標均在設計圖紙、施工規(guī)范和合同技術條款要求范圍內。