山西中部引黃工程地下主廠房開挖工藝分析

李 凱

（山西中部引黃工程建設管理有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

中部引黃工程是山西省“十二五”規劃大水網建設中一項重要的工程，工程包括水源工程和輸水工程，2016年底其水源工程被列為水利部172項節水供水重大水利工程。取水口位于天橋水電站左壩頭上游380m處，地下泵站位于取水工程的末端，泵站廠房為地下廠房，裝機容量9.9萬kW，設計取水流量23.55m3/s。水源工程地下廠房由安裝間、主廠房、副廠房組成。

廠房開挖斷面長120.8m，寬21.3～25.84m，最大高度41.6m，底板開挖高程800.4m，頂拱開挖高程842.0m。地下廠房布置了8條施工支洞，主廠房頂部施工支洞長140m，終點為廠房833.55m高程，泵站下部施工支洞長24m，終點為廠房810.3m高程；泵站中部施工支洞長22m，終點為廠房824.05m高程；泵站底部支洞通過擴挖1號進水管而成，長度26m，終點為廠房800.4m高程。

2 工程地質條件

2.1 基本地質條件

地下廠房處鉆孔巖芯揭露，該處發育的地層由老至新分別為：奧陶系中統上馬家溝中段（O2s2）厚層灰巖、豹皮狀灰巖，巖性較堅硬；廠房所處山梁兩側基巖出露，Fal正斷層從場地南側穿過，在泵站西側溝內有露頭，距離泵站邊墻110m。斷層產狀NW300°~320°/SW∠70°~80°，斷層帶寬3~5m，斷距60~70m。下盤巖層產狀為NW330°~340°/SW∠2°~6°，上盤巖層產狀為NW330°~340°/NE∠5°~10°。

2.2 水文地質條件

地下泵站地處天橋泉域排泄區，據泉域有關水文地質資料，地下水整體由東向西流動，水力坡度為5‰；地下泵站西南1km團結村水井巖溶水位為833m左右。廠房處地下硐室及其上部灰巖及泥灰巖層存在兩層地下水。上層滯水水位高程913m左右，奧陶系中統峰峰組下段泥灰巖、角礫狀泥灰巖為相對隔水層。下層巖溶水位高程834m左右，主要含水層為奧陶系中統上馬家溝組灰巖，具有一定承壓性。

3 地下廠房工程地質問題及工程措施

3.1 軟巖層工程地質問題

（1）地下廠房頂拱開挖高程為842m，泥灰巖分布高程范圍為829.5~861.8m，由于泥灰巖巖性較軟，在地下水的作用下易軟化，洞室穩定性差。同時泥灰巖層主要分布于廠房頂拱部位，厚度5.5~18.7m，對廠房頂拱的穩定不利。

工程措施：地下廠房頂拱上部分布一定厚度的泥灰巖層，且為水平構造，這對于地下廠房的開挖及運行極為不利。若將該層泥灰巖進行挖除，雖一定程度上解決該問題，但是必將增大頂拱支護難度，增加工程投資，并且不能徹底解決頂拱安全問題，仍存在安全隱患。

經多方案比選，選擇在地下廠房開挖前，利用上方的通風兼灌漿廊道，對廠房頂拱部位泥灰巖層進行固結灌漿，加強頂拱巖石的完整性，提高巖體強度和剛度。在廠房第一層開挖過程中，為確保開挖過程中頂拱的穩定性，首先沿I層開挖輪廓線噴鋼纖維混凝土20cm厚；同時在廠房頂拱與上部灌漿廊道間，梅花型布置7排共192根1000KN級、長度L為20～28m的對穿無黏結式預應力錨索，并布置直徑28mm，間距1.5m×1.5m，長大于6～9m，入巖長度5.5～8.5m的系統錨桿，保證在開挖過程中頂拱的穩定性。在廠房I層開挖完成后，對頂拱進行混凝土襯砌，拱襯砌厚度為100～169.5cm（EL841.80m~EL836.14m間沿鉛垂方向），配雙層鋼筋。

（2）地下廠房四周邊墻分布泥灰巖，受地下水作用，廠房邊墻上部穩定性較差，需釆取必要的工程措施進行處理。

工程措施：為確保開挖過程中，地下廠房邊墻的穩定，在每層邊墻開挖完成后，及時噴20cm厚鋼纖維混凝土，同時在地下廠房上、下游邊墻布設有預應力錨索（包括對穿錨索和端頭錨索），上游布設有對穿錨索與進水池對穿貫通，下游下部為對穿錨索與出水閥室對穿貫通，下游上部布設有2排端頭錨索。對穿錨索型式為1600KN，長為20~23.5m無黏結預應力錨索，端頭錨索為1000KN，長為23m無黏結預應力錨索。

3.2 地下水的影響

廠房區地下水主要是基巖裂隙水與巖溶裂隙水，主要富存于巖體中的節理裂隙中。巖體以弱~中等透水為主。該工程整個水源工程均處于天橋泉域排泄區，水源來源豐富，廠房區天然地下水位高程約為834~836m，地下水位位于廠房洞室中上部，施工時存在施工涌水問題。

工程措施：為盡可能創造地下廠房施工的干地條件，避免廠房開挖對天橋泉域水資源的破壞，同時也防止意外施工涌水造成生命財產損失，對地下廠房的地下水進行系統的處理。本工程在地下廠房開挖之前，利用廠房頂部灌漿廊道，對廠房周邊進行帷幕灌漿，灌漿深度到廠房底板高程以下3m，完成廠房四周邊墻范圍內封水。由于廠房底部泥灰巖層下部出現承壓水，壓力較大，廠房開挖底板附近，為防止泵站底部軟弱層被擊穿而出現大范圍涌水，對硐室下部承壓水帶進行固結灌漿封堵處理，使泥灰巖層下部和硐室兩側，形成6m厚的帷幕帶，起到加固硐室及阻水的作用。通過灌漿對地下廠房四周形成封水帷幕，既創造了施工的干地條件，又為今后泵站運行節省排水成本。

4 廠房開挖及趕工措施

由于工作面交接滯后、增加頂拱襯砌等原因，水源工程地下廠房進度較原計劃推遲，為加快施工進度，根據廠房的總高度及施工通道布置情況、投入的施工設備、施工方便等綜合考慮，將廠房開挖分層方案由7層調整為5層開挖完成。

4.1 廠房開挖程序

第I層：根據施工總體規劃，廠房I層開挖洞內通道，為1號交通洞、2號通風機室施工支洞、2號通風機室、廠房I層工作面。考慮到頂拱層獨洞開挖及支護工作量大等特點，確定開挖高度9.5m（高程842.0~832.75m），分左右兩半幅進行開挖。

第II層開挖通道分兩條。施工通道一為2號通風機室、2號通風機室支洞、1號交通洞，該通道進行該層大部分開挖。施工通道二直接利用1號交通洞。該層開挖實施范圍為EL832.75m-EL825.30m，開挖高度7.45m。廠房II及巖壁梁開挖，主要包括中槽預裂施工、臨時便道開挖、中槽開挖、保護層開挖、巖壁梁開挖。

第III層開挖實施范圍為EL825.30m—EL820.20m，開挖高度5.1m，開挖通道直接利用1號交通洞。廠房III層開挖主要包括：邊墻及端墻預裂施工；1號交通洞與安裝間交岔段開挖支護；安裝間端墻開護；上游半幅開挖支護；下游半幅開挖支護；副廠房端墻開挖支護。

第IV層開挖實施范圍為EL820.20m—EL811m序開挖，廠房IV-I層開挖高度4.5m，廠房IV-II層開挖高度4.7m，每序按左右半幅進行開挖支護。廠房IV層開挖有兩條施工通道：一是安裝間處施工通道,為施工工作面、安裝間、1號交通洞；二是泵站下部支洞處施工通道，為施工工作面、泵站下部支洞、進水洞施工支洞、2號交通洞、1號交通洞。

第V層開挖施工范圍為EL811.00m—EL800.40m，開挖高度10.6m；分兩序開挖，廠房V-I層開挖高度6.7m，廠房V-II層開挖高度3.9m。端墻進行預裂爆破施工，I序及II序均釆用中部拉槽，預留3.0m保護層開挖支護施工。V層開挖通道有3條：一是下部施工支洞處施工通道，為施工工作面、臨時施工便道、地下泵站下部施工支洞、進水洞施工支洞、2號交通洞、1號交通洞；二是地下泵站底部施工支洞處施工通道，為施工工作面、地下泵站底部施工支洞、進水洞施工支洞、2號交通洞、1號交通洞；三是4號進水支洞處施工通道，為施工工作面、4號進水支洞、進水洞施工支洞、2號交通洞、1號交通洞。

4.2 趕工措施

為達到預定的通水目標，在廠房開挖之前，制定了多項措施進行趕工。

（1）擴大2號通風機室支洞斷面。2號通風機室支洞室，支護后斷面尺寸為4.5m×5.0m（寬×高），是廠房Ⅰ層開挖及頂拱混凝土襯砌的唯一通道，而廠房Ⅰ層及頂拱襯砌進度直接制約整個廠房開挖進度，由于該支洞斷面尺寸制約了大型鑿巖臺車進場、同時不利于通風散煙及出渣設備的通行。因此將該支洞斷面尺寸調整為7.5m×8.0m。

（2）調整開挖跨度，釆用左右半幅錯距開挖。對于大斷面洞室，釆用先中導洞再兩側擴挖的方法，進行廠房I層開挖，即廠房I層分3次開挖。為盡量滿足廠房工期需要，同時考慮實際施工條件，將廠房I層分左右兩半幅進行開挖。同時安排在2號通風室開挖支護期間同時進行中導洞超前開挖，在2號通風機室擴挖支護完成后，將中導洞兩側擴挖完成，隨后即釆用左右半幅錯距開挖的方法進行I層開挖。

（3）廠房I層開挖支護和混凝土襯砌交叉進行。考慮廠房頂拱I層圍巖較差，開挖支護時間將較長，且頂拱混凝土襯砌范圍及施工難度較大，釆取開挖和襯砌交叉進行，在廠房全斷面開挖支護60m左右后開始啟動頂拱混凝土施工。

5 結論

中部引黃地下泵站地處天橋泉域下泄區，工程地質條件差、水文條件不利，通過釆取合適的工程措施，確保了工程施工及今后運行安全，也避免了對當地水資源環境的破壞；通過對部分設計斷面進行優化、調整施工順序、合理進行開挖分層，極大地加快了廠房開挖進度，從而為首臺機組上水奠定了堅實的基礎。