坪頭水電站地下廠房上抬后的開挖施工設計

肖 紅 艷

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站廠房為內地下式，尾水位處于正在建設的溪洛渡電站庫區內。2006年3月電站主體工程正式開工建設，隨后地下廠房系統開挖施工過程中和勘探揭示的地質條件表明，廠區巖溶發育且深度大，巖溶管道和裂隙網絡復雜，巖體透水性強，地下水豐富，不僅給廠房施工帶來很大的難度，而且難以在廠區周圍形成有效的防滲帷幕，給處于在溪洛渡庫水位以下的電站在運行期帶來較大的風險。為解決地下水對廠房施工期和減小對電站永久運行的影響，確保電站施工和運行安全，對廠房布置進行了設計調整，即將廠房在原址基礎上整體上抬15m。

2 廠區樞紐建筑物布置

2.1 廠區原樞紐布置及設計

廠區樞紐主要建筑物由主副廠房、安裝間、主變及GIS室、出線洞及母線洞、通風洞、交通洞、有壓尾水洞、帷幕灌漿及排水平洞組成。

主、副廠房呈“一”字形布置,主機間長44m, 安裝3臺60MW水輪發電機組，廠房開挖寬度18.6m,廠房最大高度39.6m，頂拱開挖高程608.9m。安裝間位于主機間左側,長20.0m、高28.2m；副廠房位于主機間右側,長11.0m,寬同主廠房。主變及GIS室布置于洞內,平面尺寸(長×寬)39.2m×14.6m,高26.9m。

通風洞長224.67m，采用城門洞形，斷面尺寸3.4m×1.8m(寬×高)，洞口高程614.50m；交通洞從安裝間端頭進入廠房，長389.02m，斷面尺寸7.2m×6.7m(寬×高)，洞口高程約609.0m；母線洞3條，斷面尺寸4.6m×6.15m(寬×高)，出線洞位于主變及GIS室的右端，斷面尺寸3.4m×4.2m(寬×高)，出線洞與通風洞結合；尾水洞3條，斷面尺寸3.4m×4.2m(寬×高)，長度213.36m。

廠房上、下游布置兩層全封閉的城門洞形帷幕灌漿及排水廊道，凈斷面尺寸(寬×高)3.0m×3.5m。

2.2 廠房上抬調整后的布置及設計

上抬方案即原廠房布置基本不變，整體上抬，調整內容：

(1)將主廠房、副廠房、安裝間、主變及GIS室、母線洞和尾水洞上抬15m,已開挖完成的通風兼出線洞、交通洞、出線連接洞維持原高程不變。調整后各控制高程如下(見圖1)：

集水井底板高程：580.20m；

廠房底板高程：583.90m；

安裝高程：592.20m；

發電機層高程：602.50m；

主廠房頂拱開挖高程：623.90m；

主變室頂拱開挖高程：628.91m。

(2)原出線連接洞封堵或作為臨時施工洞用，重新布置一條出線連接洞連接主變室和原通風兼出線洞，新增出線連接洞長80m。

(3)調整后的交通洞仍利用原交通洞的進口，結合原交通洞約100m洞段，將交通洞改線增加100m洞段接近平坡連接上臺后的安裝間。

(4)由于副廠房抬高后與原通風洞形成15m高差，利用原通風兼出線洞開洞重新布置一條約160m通風洞爬坡連接到抬升后的副廠房端墻，原來通風洞作廢封堵，新增的通風洞可以兼作開挖上抬后的廠房第一層的臨時施工通道。

(5)原尾水洞出口段和尾水渠原地抬高8m(尾水出口底板高程585.40m)，三條尾水洞隨廠房抬高15m后，在尾水洞中部擴挖，布置一擋水堰抬高水位，保證機組的吸出高度，然后在堰后洞段降坡連接抬高后的尾水洞出口段。

(6)取消原設計底層、中層排水灌漿廊道以及所有的帷幕灌漿，只保留已開挖完成的頂層灌漿廊道(高程611.00m)作為排水廊道。

圖1 主廠房開挖剖面

3 廠房上抬后施工存在的問題及難點

主、副廠房及安裝間已開挖部分圍巖巖性為震旦系燈影組灰白色細晶白云巖，該段巖體風化相對較強，層理由于巖溶作用而夾泥，裂面多中等～強烈銹染，并發育有裂隙或卸荷裂隙；受結構面切割和不利結構面(層理)組合，造成在開挖過程中，沿層理產生塌落、掉塊現象。隨著建基面的抬高，廠房上抬部分受風化、卸荷影響將有所增強，頂拱圍巖條件變差，塊體穩定問題比原來更加突出，給廠房上抬部分的安全施工帶來了難度。

在原方案施工時主廠房上下游邊墻各出露有一條沿巖層層面發育的順層擠壓錯動帶。錯動帶多充填有巖塊、巖屑和粉細砂，裂面起伏粗糙，中等～強烈繡染，粉細砂多潮濕，錯動帶上盤巖體多呈塊狀結構，下盤巖體多為鑲嵌～次塊狀。對錯動帶采用噴混凝土充填，并沿錯動帶部位進行系統錨桿加密處理。在開挖原設計方案第三層時，原方案主廠房頂拱襯砌混凝土發生了開裂、掉塊。后設計除采取措施對原頂拱進行處理外，還采用對穿錨索對已開挖的上、下游邊墻進行了加固處理。

水電站廠房上抬后，廠房開挖及支護是廠房施工的關鍵，上抬部分的開挖及支護、原設計方案的頂拱鋼筋混凝土拆除是整個廠房開挖及支護施工的重點和難點。根據所掌握的資料，地下廠房抬高方案在國內尚無先例，無經驗積累。從原廠房的施工情況來看，上抬部分圍巖的地質條件比原方案頂拱及一、二層開挖的更差，因此上抬部分開挖及原拱頂拆除除應考慮施工本身安全外，還需考慮對整個廠房邊墻結構穩定的影響，潛在安全風險較大。

4 廠房上抬后的開挖施工方案設計

4.1 廠房上抬時施工形象面貌

主、副廠房及安裝間：已完成廠房591.00m～頂拱608.90m高程的開挖和支護，頂拱鋼筋混凝土襯砌，邊墻591m以上錨索施工。

交通洞：開挖及初期支護已完成，底板混凝土澆筑還剩下65m正在進行中；通風洞兼出線洞、出線連接洞的開挖及初期支護已完成。

尾水支洞：完成開挖及初期支護141m，1號支洞開挖到582.00m高程，2號支洞開挖到1號尾水洞邊墻位置，高程約為578.00m，由于地下涌水量較大，在采取相關措施后，施工進展非常緩慢。

頂層灌漿及排水廊道：開挖及初期支護完成541m，還剩下20m。

中層灌漿及排水廊道：開挖及初期支護完成223m，還剩下362m。

主變室未進行開挖。

4.2 施工程序

主、副廠房及安裝間開挖是地下廠房開挖施工的關鍵線路，主變室及其它附屬洞室的開挖可在其施工的同時根據實際情況穿插進行。主、副廠房及安裝間開挖施工程序如下：

新通風洞開挖(局部洞段向下擴挖)→上抬部分第一層開挖及支護→邊頂拱混凝土襯砌和固結灌漿→第二層開挖及支護(包括錨索施工)→第三層剩余巖石及保護層開挖及支護→原頂拱混凝土拆除→下部開挖及支護。

4.3 施工通道

第一層高程約為616.00～623.90m施工：利用新通風洞。

第二層及第三層高程約為600.70～616.00m施工：可利用新通風洞、原通風洞、新交通洞作為主要的施工通道。

591.00m高程以下部位的施工(581.11～591.00m)：主要利用原交通洞和新尾水洞作為施工通道。

廠房上抬后開挖主要施工通道及特性見表1。

4.4 擬采取的施工方案

根據擬定的調整方案，廠房整體上抬15m后，結合原方案廠房已施工的情況，整個廠房中部是一個長75m、寬18.3m、高約9～18m的大空腔，上部還需開挖15m，下部約需再開挖10m。

在原廠房頂拱襯砌已完成、頂拱周邊圍巖應力分布已基本平衡的情況下，進行調整方案廠房上部15m的施工及原頂拱鋼筋混凝土的拆除，是施工的難點和重點。本部分施工方法主要針對此進行，其它部位施工采用常規施工方法，不再敘述。

若從現已開挖的中部向上開挖，施工難度非常大，施工安全難以保障。結合水工建筑物通風洞的調整，考慮上抬部分三層施工：第一層巖石開挖及支護高程約為616.00～623.90m；第二層開挖及支護高程約為609.50～616.00m；第三層為剩余巖石保護層開挖和原頂拱鋼筋混凝土拆除。

第一層開挖分兩序施工，先進行中導洞開挖及支護，再進行兩側擴挖及支護，最后進行拱座預留保護層2.0～2.5m的開挖。中導洞寬約5.0m，兩個側導洞寬約6.8m。也可先進行側導洞開挖和此部分頂拱的一次支護，再進行中部巖柱的開挖和相應部分的一次支護。采取這兩種施工方式，均可進行廠房第一層施工，施工時可根據實際的巖石條件，選用合適的施工方式。

第一層開挖及一次支護完成后即進行頂拱襯砌，混凝土襯砌完后即進行頂拱的固結灌漿。

頂拱開挖時必須及時支護，臨時支護和永久支護結合一次到位。開挖時，對于圍巖較差的部位，可先進行超前固結灌漿，必要時輔助管棚支撐。

臨時支護參數(結合永久)：噴10～15cm厚混凝土，設φ25、L=6～9m，間、排距1.5m×1.5m的錨桿；必要時掛φ10@20×20cm鋼筋網，錨桿φ20，L=3.0m，間、排距1.0×1.0m的錨桿;地質條件特別差時采用超前固結灌漿和管棚，超前管φ42，壁厚4mm，L=6m。

第一層按照中導洞開挖及支護→頂拱兩側擴挖及支護→拱座及保護層開挖和支護→頂拱鋼筋混凝土襯砌施工→頂拱固結灌漿程序進行。

開挖出渣及混凝土施工利用新的通風洞。

原廠房開挖后形成了一個體積約75m×18.3m×(9～18m)(長×寬×高)的大空腔。在上抬第二層開挖及原頂拱鋼筋混凝土拆除時，不可避免地會對已開挖邊墻穩定產生不利影響，施工人員和機械設備同時存在安全風險。為盡量減少對邊墻穩定的不利影響和保證施工人員、機械設備的安全，最初考慮了兩個方案對空腔進行加固：一是在空腔內搭滿堂腳手架。此方案優點是在上抬部分第一層和第二層開挖時，對已開挖邊墻保護有利；缺點是鋼筋混凝土拆除時腳手架需先進行分段拆除，實施較困難。二是在空腔內回填棄渣料。此方案較易實施，對后續施工影響較小，從經濟上比滿堂腳手架方案要優，缺點是渣料不能完全將空腔填滿，在上抬部分開挖及鋼筋混凝土拆除時對邊墻影響和第一個方案相比要大一些。綜合考慮了施工可行、經濟及邊墻穩定等因素后，選擇了在已開挖的空腔內回填渣料方案。因此，在第二層開挖施工前，在已開挖的廠房內部進行渣料回填，渣料可將新通風洞及第一層開挖的渣料直接填入，不足部分從渣場回采，回填渣料高度根據實際施工情況盡可能接近原頂拱襯砌面。

表1 廠房上抬設計調整后主要施工通道特性

第二層巖石開挖擬在中部拉槽，槽寬約6～7m，然后再進行兩側擴挖，預留1～1.5m邊墻保護層，最后再進行保護層的開挖。開挖方向從安裝間到副廠房，分段進行施工。第二層巖石開挖主要利用新通風洞下臥進行，出渣擬在安裝間端部和廠房中部設兩個直徑約2～3m的溜渣井，第二層巖石渣料主要由這兩個溜井落在下部未填滿的區域內，開挖時可根據溜井的溜渣情況，對底部的渣料進行清運。第二層開挖完成后，及時對邊墻進行噴錨支護及錨索施工，噴錨支護參數結合永久支護參數選取。

為保證邊墻穩定，在原頂拱混凝土拆除前先進行已開挖第二層部位邊墻錨索的施工，錨索施工結束后再進行剩余巖石保護層的開挖和原頂拱鋼筋混凝土的拆除。

鋼筋混凝土頂拱拆除方向同第二層巖石開挖方向(從安裝間到副廠房),分段逐步控制爆破,采用專用工具將其切開。分段拆除寬度初擬5～8m，其中第一段寬3～5m，為試驗段。擬拆除段底部可預留一定空間，不填渣料，使爆破渣料直接落下。第一段拆除完成后，通過新頂拱和邊墻相關監測數據，調整爆破參數和分段拆除寬度，再逐段分步進行。

為加快施工進度，渣料可根據實際情況墊在底部或部分出渣，在原頂拱混凝土拆除完成后集中出渣，出渣通道主要可利用原通風洞、新交通洞。邊墻永久支護結合臨時支護進行。

上抬部分開挖采用預裂爆破和控制爆破，每一層大面積開挖前應進行爆破試驗，同時在開挖中應加強新、老頂拱混凝土及邊墻的安全監測，及時發現問題及時處理，采取合理有效的安全手段和措施，保障整個廠房的安全施工。

廠房上抬調整方案開挖示意見圖2～4。

圖2 廠房上抬調整后開挖通道平面示意

圖3 廠房上抬調整后開挖橫剖面示意

5 結束語

坪頭水電站在地下廠房設計方案上抬調整后，上抬15m的開挖和原設計方案廠房頂拱鋼筋混凝土的拆除基本按上述的施工方案施工。從成功完成地下廠房上抬部分的施工及過程中的地下廠房監測數據來看，證明了當初擬定的施工方案是安全可行的。

圖4 廠房上抬調整后開挖縱剖面示意