向家壩電站地下廠房洞室開挖施工技術

孫開暢，姜德全，孫志禹

（1.三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072；3.中國長江三峽集團公司，湖北 宜昌 443002）

1 工程概況及施工特性

1.1 概況

向家壩水電站是金沙江下游河段中規劃的最末一個梯級電站，其壩址位于川滇兩省交界的金沙江下游河段上，左岸為四川省宜賓縣，右岸為云南省水富縣。電站地下廠房洞室群的開挖施工直接關系到地下廠房的運行安全、工期和工程投資。地下廠房系統洞室開挖以主廠房、主變洞兩大洞室為主體，包括母線洞、電纜豎井、主廠房頂部通風洞、主變交通洞、第四層帷幕灌漿廊道、排水廊道等洞室在內的大規模洞室群開挖[1]。

1.2 主要開挖工程量

地下廠房系統洞室群各個部位的主要開挖工程量見表1。

2 開挖施工中的重點難點及相應對策

地下廠房開挖跨度大，頂拱存在緩傾角層面，頂拱開挖安全是重點，同時也是一個難點。在開挖過程中擬采取下列措施：頂層開挖相繼貫通中部下導洞及中導洞并完成系統支護及初噴，然后采取前后跟進方式進行兩側擴挖施工，根據中導洞揭露的地質情況，及時進行必要的超前支護或臨時支護；廠房頂拱對穿錨索孔施工在頂拱開挖前完成，系統噴錨支護緊跟開挖工作面，穿錨、張拉等錨索施工適當滯后開挖面一段距離及時跟進，防止頂拱產生大的變形；在不良地質洞段，采取“分區開挖、短進尺、弱爆破、及時支護”的方案，必要時采取超前支護；嚴格控制單響藥量，控制質點震動速度在規定范圍內；頂拱層拱腳以上系統支護（含錨索）完成后，才能開始廠房第Ⅱ層開挖。

表1 地下廠房系統洞室群主要項目開挖工程量表

巖錨梁是地下廠房開挖的關鍵部位之一，因此確保巖錨梁巖臺開挖質量，正確處理軟弱夾層帶，對確保巖錨梁安全是非常重要的。在巖錨梁開挖施工過程中擬采取下列措施：巖錨梁層開挖在上下游邊墻預留4～5 m厚保護層，中間拉槽開挖前先沿保護層邊線進行第一道預裂；保護層開挖分兩區進行，保護層開挖前沿巖錨梁以下邊墻進行第二道預裂，然后采用氣腿鉆鉆爆開挖巖錨梁下拐點以外保護層；最后開挖巖錨梁保護層剩余三角體部分，采用氣腿鉆自下而上沿巖錨梁斜墻面造斜孔，手風鉆沿巖錨梁上拐點直墻面鉆垂直孔，雙面光面爆破；巖錨梁保護層剩余三角體部分開挖前通過生產性爆破試驗，優化爆破參數和網絡設計，盡可能減少爆破松動圈；對于有軟弱夾層穿過巖錨梁部位的開挖，嚴格按照設計圖紙進行加固處理，必要時，視地質情況，利用置換回填、預先固結灌漿的方法加固巖錨梁基座，提高軟弱夾層的抗變形能力。

地下廠房開挖跨度達33.4 m、高度達88.2 m，是國內目前在建的最大跨度和最大高度的地下廠房，確保廠房高邊墻穩定是又一個重點[2]。主要對策如下：采取以支護為中心，以盡量減少對地下廠房圍巖擾動為原則進行施工。廠房Ⅱ-Ⅷ層主要采取中間拉槽，兩側預留保護層擴挖跟進的方式開挖，同時嚴格控制單響藥量，以防止爆破對邊墻造成震動破壞；開挖與支護施工采取“平面多工序”、“立體多層次”原則作業，噴錨支護緊跟保護層開挖工作面，錨索施工最多滯后開挖半層。加強開挖過程中的變形觀測，在邊墻位移突變或持續增大時，則停止開挖，加強支護。保護層開挖與支護作業協調進行，在支護作業滯后時，保護層開挖適時停止[3]。

電纜豎井開挖高差大，穿過含煤巖層，保證煤層采空區的井壁穩定、并確保開挖安全是難點。針對電纜豎井開挖安全問題，擬采取以下措施：電纜豎井溜碴導井采用反井鉆機進行施工，大井擴挖3～5 m高后及時進行鎖口，然后再繼續進行擴挖，同時井口預留3～5 m寬的井臺，設置圍欄和排水溝，防止井臺上雜物墜入井內。設置專門的提升設備，作為人員上、下和材料運輸交通工具，提升設備設置導向裝置和斷繩保險裝置，并控制升降速度。上下聯系采用電話、信號燈、對講機等多種通訊手段結合使用，互為備用。提升設備設置防止過卷、過電流和失電壓等保險裝置及可靠的制動系統，使用過程中加強維護檢查工作。溜碴導井開挖后，采取分兩次跟進方式擴挖，首先自上而下將導井擴挖至φ4.0 m。二次擴挖施工時，上層未支護不得進行下一層的開挖；對于存在煤層采空區的井壁洞段，在進行擴挖、支護、回填砼塞后，再進行下一層的開挖。施工作業時，作業人員佩戴安全繩，安全繩掛在井壁錨桿上，防止發生人員墜落事故。

母線洞開挖既要確保廠房巖壁安全及巖錨梁安全要求，又要盡量減少占壓廠房開挖直線工期，開挖時機合理安排是本工程的重點。母線洞開挖征循“先洞后墻”的原則，利用進廠交通洞由主變洞將母線洞提前開挖貫入主廠房高邊墻[4]。

地下廠房位于壩軸線上游庫內，且其中下部處于地下水位以下，主廠房中下部開挖施工前提前形成一道阻水帷幕，同時加強滲水區域和集中滲流通道的“堵、導”，確保地下廠房干地施工安全。

母線洞、尾水管擴散段、尾水支洞與母線洞之間的洞壁較薄，采取間隔開挖、加強支護的措施，確保巖壁穩定，并充分協調好各部位施工程序[5]。

加強圍巖安全監測，建立安全預報制度。開挖過程中根據開挖部位和地質條件，及時設置安全監測點和圍巖收斂監測斷面，對圍巖進行安全監測，以便調整開挖鉆爆程序和鉆爆參數，減輕開挖爆破對圍巖穩定的影響。

配備先進、配套、適用的洞室開挖和支護施工機械設備，保證開挖支護及時、有效，并配備具有豐富地下工程施工經驗的地質工程師，負責分析、處理施工中出現的地質問題。

3 施工方案布置

3.1 施工程序

根據向家壩右岸地下廠房系統洞室群布置特點及施工質量、進度和圍巖安全穩定等要求，地下廠房系統洞室開挖支護圍繞主廠房關鍵線路展開，統籌安排主變洞、母線洞、電纜豎井等相關洞室的施工，盡量做到均衡生產。采用分層平行流水作業，做到“平面多工序”，又在整個立面上進行多工種立體平行交叉施工，形成“立體多層次”，以實現地下洞室群的快速施工。

3.2 分層分區開挖

地下廠房分為10層開挖，各層又分區進行開挖支護。主廠房第Ⅰ層分兩區4個工作面（Ⅰ1區導洞、Ⅰ2區中導洞擴挖及Ⅰ3區兩側擴挖）進行施工；主廠房第Ⅱ-Ⅷ層分3個工作面進行施工；主廠房Ⅸ，Ⅹ層開挖使用4條尾水管作為出渣通道，分兩個工作面進行導井及擴挖施工。

4 開挖過程中的特殊情況處理

4.1 塌方處理

對一般性塌方，在塌頂暫時穩定之后，立即加固塌體四周圍巖，及時支護結構物，托住頂部，防止塌穴繼續擴大；對于較大塌方，還應妥善處理地表陷坑；有地下水活動的塌方，應先治水，再治塌方；認真制訂塌方處理中的安全措施，認真組織塌方處理專業隊伍，充分保證處理塌方的必須器材設備供應。不同類型的塌方，選擇不同的處理方案。某些塌方還需綜合處理才能達到目的。對于一般的塌方，采用錨噴法進行處理，其處理程序如下：① 排除淋水，用φ19 mm鋼管插入排水孔內30～60 cm，鋼管與巖面用棉紗封緊，再用1∶1水泥砂漿（加速凝劑）堵在棉紗外面，在鋼管出口套塑料管，沿洞側懸掛，將淋水導入排水溝內；② 噴早強混凝土，封閉補平巖面，厚2～5 cm；③ 按間距0.6 m×0.8 m梅花形埋設錨桿（φ22 mm螺紋鋼），長3.0 m，外露0.1 m；④ 掛網（網格20 cm×20 cm）與巖面密貼并與錨桿頭焊接；⑤ 噴第二次早強混凝土，厚8～10 cm。

塌方段通過錨噴處理基本穩定后，再采用管棚法施工工藝通過該洞段。施工過程中嚴格控制進尺，采用控制爆破，以保持圍巖不受過分擾動和減少因爆破造成的局部應力集中，保證巖面規整，為錨噴支護創造條件。同時利用管棚管對不良地質洞段進行固結灌漿，加固圍巖和止水，使圍巖達到穩定。

塌方非常嚴重的部位，為防止四周巖體松動后產生更大規模的塌方，應在錨噴支護完成后對塌方段進行砼澆筑，然后對洞頂孔穴進行回填和灌漿處理。

4.2 斷層、裂隙和層面發育地質洞段施工注意事項

如斷層帶地下水是由地表水補給時，在地表設置截排系統引排。對隧洞承壓水，在每個掘進循環中，向掌子面掘進方向鉆鑿不小于2個超前鉆孔，其深度在4 m以上，以探明地下水情況。隨工作面的向前推進挖好排水溝，并根據巖質情況，必要時加以鋪筑。洞壁或洞頂有水流出時，鑿孔安置套管集中引排，使其不漫流。通過斷層帶的各施工工序之間的距離宜盡量縮短，并盡快進行臨時支護封閉巖面，以減少巖層的暴露、松動和地壓增加。對于斷層、破碎帶，裂隙和層面較發育段，由于施工期間早期壓力大、圍巖變形快，自穩時間短，初期支護的早期強度不能滿足圍巖自穩要求，采用超前小導管（超前中空錨桿）注漿，快速止水加固。在開挖面沿拱墻按縱向間距3.5 m，環向間距0.4 m，孔深4.0 m，外插角10°鉆孔。采用φ42 mm(壁厚3.5 mm)無縫鋼管或φ25中空錨桿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。注漿至開挖前的時間間隔4～8 h，開挖在超前支護形成的棚架結構保護下開挖。開挖進尺之后，立即采用型鋼支撐，并與超前小導管（錨桿）焊接與噴錨支護聯合受力方式。優化爆破設計，盡量減少爆破對圍巖的震動，開挖采用導洞領先、多臺階、短進尺，弱爆破和打減震孔的開挖方式進行。

4.3 涌水處理措施

地下廠房系統洞室下部在第二層水位以下，為減少開挖施工期間的涌水量，在防滲帷幕形成后再進行開挖。對于施工中的涌水，應事先根據設計文件對洞室可能出現涌水的地段進行詳細的調查、分析，雨季滲水主要采用引、排、堵方案。施工中分別根據具體情況，采用超前鉆孔或輔助坑道排水、超前小導管預注漿、超前圍巖預注漿堵水、井點降水及深井降水等施工措施。

5 結語

向家壩水電站地下廠房地質條件復雜，開挖工程量浩大，本文對其施工過程中的重點和難點進行了分析，并提出和總結了相應的對策。對于開挖過程中突發情況提出了處理措施。在實際施工中取得了較好的成效，為類似工程提供了參考和借鑒。

[1]唐崇正，聶光利.向家壩水電站地下主廠房開挖關鍵施工技術[J].四川水力發電，2009，28(4)：68-71.

[2]李漢臣，唐孝林，王仁強.向家壩電站地下廠房進水口高邊坡開挖施工難點剖析[J].四川水力發電，2009，28(4)：62-64.

[3]穆創國，張安,夏浩軍.開挖方案對洞群圍巖穩定性的影響研究[J].西北農林科技大學學報(自然科學版)，2004，32(11)：139-142.

[4]徐成光.復雜條件下向家壩電站地下廠房開挖質量控制[J].四川水力發電，2009，28(4)∶31-33.

[5]易志，唐春滿.向家壩工程右岸地下電站尾水管擴散段開挖方案[J].水力發電，2010，36(4)∶50-53.