瀑布溝水電站大型地下廠房快速開挖施工技術研究

陳 仁 峰

(四川省能投攀枝花水電開發有限公司，四川 成都 610071)

1 概 述

瀑布溝水電站位于大渡河中游的四川省漢源縣及甘洛縣境內，工程等別為Ⅰ等，主要水工建筑物為1級，裝機容量為550×6=3 300(MW)。瀑布溝水電站地下廠房洞室群由主廠房、主變室、尾水閘門室、引水隧洞、母線洞、尾水連接洞和2條無壓尾水隧洞組成。總開挖方量達245.42×104m3，主副廠房開挖工程量為42.49×104m3，主廠房巖錨梁以上的開挖跨度為30.7 m，巖錨梁以下的開挖跨度為26.8 m，長294.1 m，在目前已開挖完工的地下廠房工程中位居第五(表1)。地下廠房洞室群縱橫交錯、空間結構復雜、規模巨大，面臨洞室圍巖穩定和高地應力巖爆災害等工程難題。招標階段首臺機組發電工期為65個月，廠房開挖工期為33個月，混凝土澆筑及機電埋件安裝階段工期為20個月，機電安裝階段工期為12個月。

2 施工技術研究

根據該工程的實際施工特點及難點，業主多次組織國內有名的水電專家親臨施工現場，共同研究地下洞室快速施工技術，合理優化施工方案，并通過施工全過程系統仿真，為施工方案的優化提供了量化的技術依據，確保了技術方案的可行性。

瀑布溝水電站地下廠房系統由于洞室交叉多，結構復雜、廠房洞室斷面大、頂拱及邊墻結構裂隙面較發育，對廠房大跨度圍巖穩定造成不利影響。開挖過程中遇到不穩定楔形體時，特別是高邊墻與洞室相貫通部位，為保證洞室群的整體穩定，必須科學、合理地安排開挖、支護施工程序，應用“新奧法”原理，遵循“預支護、短進尺、弱爆破，及時支護、早封閉、勤量測”的施工原則，開挖后適時噴錨支護，避免了因支護不及時而造成的坍塌[1]。

表1 國內外主要已開挖完大型地下廠房特性表

2.1 平面多工序，立面多層次

在瀑布溝水電站大型地下廠房洞室群施工過程中，充分利用廠房長度長的結構特點和施工通道的布置情況，采用“平面多工序、立面多層次” 的施工工藝組織施工，即在平面上將主副廠房以5#機為界劃分為左、右兩個區域，右端包括5#、6#機組、集水井及副廠房，左端為4#～1#機組及安裝間；在施工順序上右端先下臥，左端跟進，即優先進行首臺機組(6#機組)的開挖。

在同一立面上按上層開挖支護結束后開挖下一層；在平面上充分利用廠房的長度空間，實施開挖超前、支護跟進和上層支護與下層開挖錯距平行交叉作業，有效實現了上、下層工序搭接，增加了單層開挖支護的有效時段，減少了施工干擾。對于穿過廠房邊頂拱的斷層、結構面及影響帶，以及經分析可能存在的不穩定楔形體，開挖過程中采取了超前噴錨支護措施；對斷層及軟弱破碎帶，開挖后按設計要求及時支護，及時埋設觀測儀器，加密原型安全監測。

2.2 “先墻后洞”

通過武漢大學進行開挖仿真應力分析，對廠房高邊墻采用了“先墻后洞”的施工程序，三大洞室平行施工，為廠房對穿錨索的施工創造了條件，為廠房快速下臥提供了保障。

在廠房第Ⅲ層巖錨梁混凝土澆筑前，先進行了廠房第Ⅳ層邊墻預裂和中部拉槽(不出渣)，在混凝土澆筑完成后，直接組織運輸車輛出渣，從而避免了廠房第Ⅳ層開挖爆破對新澆混凝土的爆破影響，確保了巖錨梁混凝土的澆筑質量，亦加快了開挖進度，縮短了開挖工期。

另外，在廠房開挖至第Ⅶ層之前，利用尾水管及其連接洞開挖的中導洞作為施工通道，先進行廠房底部機窩下導洞的開挖，一方面為廠房后期機窩開挖創造施工通道，一方面減小了后期機窩開挖的工程量，加快了施工進度。

2.3 巖錨梁巖臺開挖施工技術

在巖壁梁層開挖中，將其劃分成兩大區開挖，即在巖壁梁部位預留一定寬度的保護層開挖區(2區)，其余為拉槽開挖區(1區)，將同一橫斷面劃分成兩區四塊。根據具體的地質構造特性，保護層開挖區選擇了小孔徑水平孔淺孔全斷面光面爆破[2]。

瀑布溝水電站巖壁梁層拉槽區的每個開挖循環中首創采用“三步起爆一次開挖施工光面—預裂爆破”即：

第一步。 起爆拉槽區中部梯段爆破孔——創造了臨空面；

第二步 。緊接著起爆拉槽區和保護層邊界面施工光預孔——即在兩個臨空面條件進行預裂爆破；

第三步 。起爆拉槽區剩余梯段爆破孔。

在巖壁梁部位預留一定寬度的保護層，可以解決中部主爆區拉槽爆破時對巖壁梁部位的損壞。保護層開挖采用“小孔徑直孔和斜孔光面爆破一次開挖”和 “巖壁梁巖臺上拐點直墻和下拐點直墻雙層光面爆破”方法，最大限度地減少了爆破震動對巖壁造成的損傷。在巖壁梁巖臺部位鉆孔時(直孔、斜孔)，設置鉆孔樣架以提高鉆孔的定位精度，確保巖壁梁巖臺外形符合設計要求。所謂雙層光面爆破，就是緊貼設計壁面的那排孔(精確光爆孔)和其前一排孔(粗光爆孔)均作為光爆孔，其余作為崩落孔(梯段爆破孔)進行延時松動爆破。粗光爆孔和精確光爆孔在裝藥結構形式、起爆方式和鉆孔深度上相同，粗光爆孔間距、抵抗線和線裝藥密度約大于精確光爆孔。雙層光面爆破和普通光面爆破(單層光面爆破)相比其優點在于：粗光爆起爆時可提前切斷延伸到設計壁面里的地質結構面，這樣設計光面爆破，可以進一步降低爆破震動對巖壁的破壞作用，從而取得比普通光面爆破更佳的壁面質量，進而減小了對巖壁的加固修補，確保了施工進度[3]。

2.4 邊墻深孔預裂

2.4.1 深孔預裂施工方法

廠房第Ⅴ層開挖分層高度為8.5 m，邊墻預裂孔深為9 m(超深0.5 m)。由于邊墻預裂孔鉆孔深度深、精確度要求高，故采用了YQ100C潛孔鉆機進行造孔(鉆孔孔徑90 mm、孔距80 cm)。由于YQ100C鉆機的馬達邊線比鉆桿的外邊線超出5 cm的距離，造成鉆桿不能直接靠住邊墻。為了更好地控制鉆機的鉆孔質量及方便施工，在保證9 m深預裂孔底部超挖20 cm的范圍以內的情況下以88°的傾角造孔。

因鉆孔精確度要求高，因此，鉆機設備必須安裝穩固。采用Φ48鋼管搭設三菱體進行支撐。首先用兩根50 cm長的Φ48鋼管與鉆機焊接以保證水平，再用兩根長2.5 m、Φ48鋼管與50 cm長的鋼管用扣件連接形成一個整體。再在邊墻上距離底板1.9 m的高度、間隔1.6 m造20 cm深的Φ50孔，將1.2 m長的Φ48鋼管插入，然后搭設其他鋼管以保證鉆機的穩定(圖1)。

圖1 鋼管支撐示意圖

2.4.2 深孔預裂施工技術要點

(1)炮孔直徑通常為5～20 cm。淺孔爆破采用較小的孔徑。為避免孔壁破壞，采用不耦合裝藥，不耦合系數一般取2～4。

(2)炮孔孔距與巖石特性、炸藥情況、縫壁平整度和孔徑大小有關。孔距通常為8～12倍，小孔徑取較大的倍數，大孔徑取較小的倍數；巖石均勻完整取較大的倍數，巖石破碎取較小的倍數。對于十分破碎的巖石，孔距與孔徑比小于8才能夠得到滿意的預裂效果。

(3)線狀分散裝藥，預裂炮孔內間隔裝藥。其單位長度裝藥量稱裝藥密度，根據不同巖性，其值取200～400 g/m。為克服巖石對孔底的夾制作用，孔底藥包采用線裝藥密度的2～5倍。

(4)鉆孔質量是保證預裂面平整度的關鍵。應將鉆孔軸線與設計開挖線的偏離值控制在15 cm之內。

(5)預裂炮孔孔口應用直徑小于10 cm的礫石堵塞。起爆可用傳爆線，亦可用毫秒雷管起爆，將起爆時差控制在10 s以內。利用微差爆破改善爆破效果。

(6)為阻隔主爆區傳來的沖擊波，應將預裂孔的深度h1超過表1中開挖區炮孔的深度, 預裂縫的長度應比開挖區排炮孔連線兩端各長b1,同時應與排炮孔保持a1的距離，開挖區內的排炮孔宜采用小直徑藥包，遠離預裂縫的炮孔可采用大直徑藥包。前者為了減震，后者改善爆破效果[4]。

表 預裂孔設計參數表

2.4.3 深孔預裂質量控制標準

(1)預裂縫面的最小張開寬度為0.5～1 cm, 堅硬巖石取小值，軟弱巖石取大值。

(2)預裂面的殘留半孔率：對于堅硬巖石應不小于85%；中等堅硬巖石不小于70%；軟弱巖石不小于50%。

(3)鉆孔偏斜度小于10° ，預裂面的不平整度不大于15 cm。

2.5 解決錨索施工對開挖施工的制約關系

由于廠房跨度大且其上下游直立邊墻高達48.3 m，需在上下游直墻上布置錨索進行深層錨固，錨索分端頭錨和對穿錨索兩種形式，錨索主要采用2 000 kN級，長度為15～44 m。設計工程量為417束，其中L=15 m的錨索177束，L=20 m的錨索186束，L=23.1 m的錨索44束，L=44 m的錨索10束；地下廠房預應力錨索支護主要在直立邊墻進行，因其工程量大、線直面廣、結構復雜、工序干擾大、技術難題多，已成為地下廠房施工的難題之一。同時，錨索施工又必須跟進開挖適時進行，分層支護結束才能進行下層開挖，故預應力錨索的施工速度、強度制約著地下廠房施工的總進度，亦為地下廠房施工的重點之一。為了加快開挖支護施工進度，同時兼顧高邊墻的變形穩定和施工安全，項目部對錨索施工采取了以下施工措施：

(1)為了確保高邊墻的安全穩定，首先對錨索進行有選擇性的施工，即先進行對穿錨索以及巖體破碎帶的端錨施工，之后在施工其他剩余非關鍵性的錨索時即可穿插進行下層的邊墻預裂或局部的中部拉槽開挖以加快施工進度；

(2)為了加快廠房施工進度，縮短施工工期，錨索錨墩采用鋼錨墩。分別用一塊35 cm×35 cm×5 cm、50 cm×50 cm×5 cm鋼板疊在一起作為錨具的基座，鋼板與巖面的空隙用M35鋼纖維砂漿填充。外錨頭的保護采用Φ200鋼管做罩子，里面回填灌漿充實。整個鋼墊墩表面用鋼纖維混凝土封閉(邊墻噴混凝土時一并完成)。由混凝土錨墩改為鋼墊墩，大大簡化了施工難度，錨索施工速度隨之加快，使廠房邊墻得到了及時有效的深層錨固。垂直邊墻巖體的完整性得到了控制，開挖質量亦大大提高[5]。

(3)為了能提前進行錨索張拉，在進行灌漿時加入了早強劑，以縮短等強時間，加快施工進度。

2.6 增設施工通道

廠房集水井緊靠首臺發電機組(6#機組)，為了避免集水井的開挖對6#機造成施工干擾和影響，在副廠房底部布置了一條14#施工支洞至集水井部位，該支洞全長39.82 m，支洞開挖斷面為4.5 m×5 m(寬×高)，主要作為廠房右端集水井開挖與支護的施工通道。

為減小主廠房第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ層開挖對六條引水隧洞下平段鋼管安裝造成的影響，從廠房安裝間上游側底部水平貫通至1#機組左側邊墻而布置了一條4#施工支洞，全長90.004 m，支洞斷面為4.5 m×5 m。該施工支洞主要承擔主廠房第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ層的開挖與支護。

為解決主廠房在機電安裝開始后安裝間的使用與大橋機運行對該標廠房內混凝土施工的干擾很大、材料運輸難的問題，對布置在廠房上游側的2#排水廊道進行擴挖，兼作3#施工支洞，以供廠房開挖和后期混凝土澆筑通道使用。

另外，增設10#施工支洞與1#、5#、8#施工支洞及副廠房右端墻對接，形成地下洞室循環通道，在很大程度上提高了地下施工通道的通車能力，解決了材料運輸、設備行走難等困難，為地下廠房快速開挖提供了保障。

2.7 周邊增加防護，減小施工干擾

在右端副廠房頂部與6#機鄰近處有一條電纜豎井直通地面，按正常施工程序，該豎井應在主廠房Ⅱ層開挖后即完成開挖支護，但由于交面滯后，迫使豎井與主廠房6#機開挖同時施工。

豎井頂部地面高程為910 m，底部高程為706.375 m，豎井深203.625 m。豎井最大開挖直徑為9.6 m，混凝土襯砌后的成井直徑為8 m。1#電梯電纜豎井下部與副廠房頂拱相接，緊鄰副廠房與集水井交界處，距首臺發電機組(6#機組)的水平距離只有15.3 m，豎井底部與6#機肘管高差達70 m，豎井的開挖出渣正好散落在6#機、集水井和副廠房的工作面上，嚴重影響到6#機及集水井的施工安全。為避免干擾，突進6#機，對電纜電梯豎井采取了鋼結構隔離防護措施，使6#機組相對獨立施工。

隔離防護結構采用多邊形(7邊形)鋼結構棱柱體加鋼結構滿堂腳手架，棱柱體為框式結構，整體結構在平面上呈井筒七邊方型布置，靠副廠房端墻一側的邊長為3.83 m，其它六邊邊長為2.07 m(六邊的內切圓直徑為5 m)，防護高程從底板的664.8 m一直到豎井井口，高41.575 m。內側采用δ8鋼板做面板，背面用[14b型槽鋼加固，橫向槽鋼間距為100 cm，槽鋼間用∠70×8 mm角鋼作斜撐，并在靠副廠房右側邊長為3.83 m的井筒上預留尺寸為8 m×3 m(高×寬，由于底部需墊渣2 m厚，故出渣口的凈高為6 m)的出渣口，并在出渣口兩側各布置一根100 cm×100 cm(長×寬)斷面的型鋼組合柱，以及在其他各邊交匯處布置5根80 cm×80 cm(長×寬)斷面的型鋼組合柱，7根型鋼組合柱之間用40 cm×40cm的組合鋼聯系橫梁組成框架，框架內側與面板后的槽鋼焊接、外側與60 cm×60 cm間排距、層高1.5 m布置的Φ48鋼架管連接形成一個整體，靠出渣口一側的鋼管架須搭設成龍門型，以供出渣通道使用。立柱采用∠125×12 mm角鋼焊接，中部采用∠70×8 mm角鋼連接，立柱與立柱之間的聯系橫梁采用∠75×5 mm角鋼焊接，立柱底部基礎尺寸為120(或140)cm×120(或140)cm(長×寬)，基礎混凝土為C20，鋼板每2 m為一節，每節鋼板之間采用螺栓連接，在安裝時逐節上升。為增強棱柱體的整體穩定性，采取在柱體的三個方向拉纜繩并在副廠房下游墻處使棱柱體與其連接。

為解決豎井底部最后5 m開挖破壞的防護結構，在防護結構頂部增加了一層喇叭結構，喇叭邊與直邊夾角為30°，喇叭口頂部與廠房頂拱的系統錨桿和插筋焊接牢固，喇叭口底部與直筒段的面板焊接牢固，同時，在喇叭口外面板用[14b槽鋼斜撐于立拄上，外面再與鋼管架連接成整體，以確保結構的穩定性。前期的開挖防護主要還是利用喇叭口內側的直段防護結構進行防護。當開挖豎井最后5 m時，先將頂部喇叭口內的垂直段防護結構拆除，借用外側喇叭口進行防護，同時要求嚴格控制最后5 m豎井開挖的單響藥量和排炮進尺，將每排炮進尺控制在0.5～0.8 m范圍內，以確保安全。

另外，為保證豎井在開挖過程中的灰塵不擴散至主廠房，在主廠房和副廠房交界面拉了一道帆布，帆布布置從副廠房上游面邊墻至下游面邊墻，其防護高度從巖錨梁至副廠房底板高程，即664.8 m。

2.8 采用 “先插桿后注漿”錨桿施工工藝

在地質破碎帶或者巖脈帶采用“先插桿后注漿”的錨桿施工工藝，避免了破碎帶或巖脈帶造孔時反復出現錨桿塌孔而影響到施工進度。

2.9 廠房下部體型結構的優化

廠房6#機坑與集水井之間的隔墻和5#機坑與尾水管及連接洞相交部位由于受f18斷層切割，在開挖過程中該巖臺很難保留，于是在該部位進行了控制性爆破對其予以整體挖除，對于底部排水廊道也由不規則的形狀調整為4 m×4.5 m規則的城門洞型，整體加快了開挖施工進度。

3 實際開挖工期

瀑布溝水電站地下工程主廠房首臺機組(6#機)開挖于2007年2月28日完成，實際開挖凈工期不足24個月，對比招標開挖工期33個月整整節約了9個月，對比國內同類型同規模地下廠房工程，該工程首臺機組創造了開挖時間最短的全國之最。

在創造開挖時間最短的同時，施工過程中的各種施工質量均滿足設計要求，亦符合國家相關規范，監測數據顯示：整個廠房的洞室變形在允許范圍內，處于可控狀態；施工期間，也未因快速施工發生重大安全事故。總之，依托該工程，安全、優質、快速、經濟地完成了開挖任務，為同類工程工期設計標準的制定提供了重要技術依據，亦為類似大型、特大型地下廠房工程施工提供了很好的借鑒。