昌波水電站2條平行引水隧洞施工進度仿真模擬研究

李 昆

(華電金沙江上游水電開發有限公司蘇洼龍分公司，四川 成都 610041)

1 工程概況

昌波水電站地處川藏交界的金沙江干流上，為規劃中的金沙江上游川藏段13個梯級電站中的第11級，計劃于2022年年底核準開工。其上游為蘇洼龍水電站，下游為旭龍水電站。電站采用王大龍壩址閘壩+河床式廠房+左岸引水系統+麥曲河口地下廠房的開發方案，正常蓄水位2 387 m，裝機容量826 MW(其中引水式電站裝機740 MW，河床式電站裝機86 MW)。

工程項目采用長引水開發，引水建筑物位于左岸山體中，采用“一洞兩機”供水方式。2條引水主洞，單洞平均長約11 152 m(隧洞起點至調壓室處)，軸線間距51 m，隧洞縱坡1.39～1.41‰，隧洞為內徑13 m的圓形斷面，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌。Ⅲ類圍巖約占總洞段的55.9%，Ⅳ類圍巖約占總洞段的39.7%，Ⅴ類圍巖約占總洞段的5.4%。

該工程2條長引水隧洞施工對電站建設起著決定性作用，具有規模大、工期長的特點，控制整個工程工期和主要投資。為有效控制項目施工進度，選擇技術成熟可靠、施工風險小、工期保障率較高、投資合理的開挖方案[1]。考慮到項目長大引水隧洞特點，針對2條平行引水隧洞不同開挖方式以及橫通洞布置數量等進行施工進度仿真模擬研究，探明隧洞開挖方式和橫通洞布置數量對施工強度、施工進度的影響，為項目建設提供合理的施工方案選擇和優化對策，節約項目投資。

2 仿真模擬系統

該項目采用四川大學水電學院開發的UCCSS施工仿真系統進行模擬研究。UCCSS系統包括物料子系統、交通子系統、設備子系統、仿真模擬子系統，具有循環網絡計算機模擬、可視化資源建模、動態演示等特點，其仿真流程見圖1。

圖1 仿真流程圖

2.1 物料子系統

物料子系統包括洞挖料棄渣場和襯砌混凝土生產系統，可構建、更改物料規劃方案，自動統計、更新、查詢物料存取過程強度、供需總量等。

2.2 交通子系統

交通子系統包括明線道路、洞內主線、洞內支線三個層次，可構建、更改交通運輸布置方案，自動統計、更新、查詢不同路徑上不同車型的過程車流量、運輸強度、峰值及其出現時間、持續時間等。根據水利水電工程施工組織設計要求以及礦山施工規定，本次施工仿真平洞施工的小時車流量按照不超過25輛進行控制[2]。

2.3 設備子系統

設備子系統包括地下工程開挖的鉆孔、裝載、運輸、噴混凝土、掘進機以及襯砌的模板運輸等主要工序所需的施工機械設備，可構建、更改施工機械設備配置方案，自動統計、更新、查詢過程需求量等。

2.4 仿真模擬子系統

仿真模擬子系統包括開挖仿真模擬和襯砌仿真模擬兩個系統，可構建、更改施工方案、仿真計算、更新單元工程的施工工期、施工強度、施工交通、施工設備等。

3 平行隧洞施工仿真模擬

3.1 模擬方案設置

考慮到本工程引水隧洞圍巖成洞條件一般，有較多Ⅳ、Ⅴ類圍巖(約45%)，圓形隧洞開挖斷面達到14.2～15 m，屬于特大斷面，一般施工機械設備難以滿足全斷面開挖要求[3]，因此，不宜采用全斷面開挖的方法，宜采用上下分層開挖法或先挖導洞、后進行分層分部開挖的施工方案。

為進一步控制施工工期，考慮通過在平行隧洞之間設置若干橫通洞，將2條獨立的平行隧洞構成一個施工系統，通過橫通洞將該施工段分成更小的單元，增加施工工作面，縮短施工工期。通過對比分析，本階段橫通洞斷面均布置成2 m×2 m。

為較好地分析開挖方式和橫通洞布置對施工進度的綜合影響，根據引水隧洞布置情況、地形地質條件和施工資源投入等各種因素，采用控制變量法選擇6種模擬方案加以比較。開挖方式分為上下分層開挖法和導洞先行法，橫通洞布置數量逐一遞增，斷面均為2 m×2 m。其中，方案1采用分層開挖法，不布設橫通洞；方案2至方案5采用分層開挖，布設橫通洞，且布置數量遞增；方案6采用導洞先行法，布設橫通洞最多。

方案1：采用上下半洞分層開挖的方案進行施工，不布設橫通洞。

分別從1號施工支洞、2號施工支洞、3號施工支洞、4號施工支洞進入主洞施工。1～4號施工支洞長度分別為0.54km，1.97km，0.96km，0.41km，從而進入主洞施工開始時間分別為第一年4月、第二年4月、第三年8月、第一年4月。進入主洞后，分別從支洞位置向兩邊開挖，當上層開挖貫通后，再進行下層開挖，下層開挖貫通后，再進行襯砌、固結灌漿與回填灌漿。

方案2：在方案1的基礎上，對引水隧洞開挖進行優化。在引水隧洞控制段布置2條橫通洞，橫通洞位于4+500處，6+200處。

方案3：在方案2基礎上，在控制段處布置3條橫通洞，橫通洞位置分別位于4+500，6+200，5+500處，與方案2原理相同，借由橫通洞可提前開挖下層，縮短工期，橫通洞布置位置見圖2。

圖2 橫通洞布置圖

方案4：在方案3基礎上，在控制段處布置4條橫通洞，橫通洞位置分別位于4+280，5+280、5+700、6+300處。

方案5：在方案4基礎上，在控制段處布置5條橫通洞，橫通洞位置分別位于4+280，4+720、5+280、5+700、6+300處。

方案6：控制段處采用上導洞先行法(導洞采用8 m×7 m(寬×高)m2)，7條橫通洞位置分別布置于4+000、4+400、4+700、5+300、5+600、6+050、6+570處。

3.2 仿真參數

3.2.1 方案1～5施工仿真進尺參數

上層開挖Ⅲ類圍巖進尺100 m/月，Ⅳ類圍巖進尺70 m/月，Ⅴ類圍巖進尺40 m/月[4]。

蘇洼龍-王大龍-曾大同斷層、王大龍斷層等區域性斷層附近、羅絨西溝跨溝洞段存在涌水風險，涌水處理時間按4個月考慮。方案1～6各施工段綜合進尺參數見表1。

表1 方案1～6各施工段綜合進尺參數表

3.2.2 方案6施工仿真進尺參數

上導洞開挖Ⅲ類圍巖進尺120 m/月，Ⅳ類圍巖進尺100 m/月，Ⅴ類圍巖進尺60 m/月[4]。

3.2.3 單工作面綜合進尺計算方法

0+481-3+000段(Ⅲ85%、IV 10%、V 5%)，綜合進尺=100/(85/100+10/70+5/40)=89.46。

將1號施工支洞～2號施工支洞涌水處理時間分配到每天，經施工仿真模擬，該段綜合進尺為72 m/月。

3.3 模擬條件分析

3.3.1 橫通洞

橫通洞在隧洞施工中一方面可用來增加施工斷面，另一方面可作為2條平行隧洞之間的施工避險通道。本次施工仿真僅方案1沒有布置橫通洞，方案2、方案3、方案4、方案5、方案6在控制段分別布置2、3、4、5、7條橫通洞。

3.3.2 施工程序

方案1～5均采用先上半洞開挖，再下半洞開挖，最后進行襯砌。在方案1中，上半洞開挖、下半洞開挖、襯砌均占用直線工期。方案6為導洞先行法，上導洞開挖-上導洞擴挖-下半洞開挖-襯砌。

3.3.3 襯砌程序

方案1～6中，1號、2號引水隧洞所有洞段均采用先拱圈，再底板的襯砌方式。

3.3.4 運輸方式

本次施工仿真運輸全部為無軌運輸，4條施工支洞、2條引水隧洞和橫通洞均是運渣和運混凝土的通道。方案1～6隧洞開挖運渣采用20 t自卸汽車出渣，襯砌混凝土運輸采用6 m3泵車運輸[5]。

3.3.5 通風

在每條施工支洞口位置布置一臺88-Ⅰ型150 kW可逆式軸流通風機，每隔500 m加裝一臺88-Ⅰ型150 kW通風機，每次爆破結束后采用吸出式通風，通風散煙時間為30～40 min，其余時間采用壓入式通風處理，送風管采用直徑為60 cm的柔性風管，排風管采用直徑為100 cm的硬質風管。

3.3.6 排水

1～4號引水施工支洞開挖時，每掘進200 m布置一個集水坑0.6 m×0.6 m×0.4 m(長×寬×高)并采用WQ65-15-5.5型潛水泵抽水排出。當施工支洞進入主洞工作面后，向上游方向掘進為順坡，采用自流排水，向下游方向掘進為倒坡，每隔200～300 m布置一集水坑，采用水泵逐級抽出。經洞外污水處理池處理后再排放到指定位置。

4 仿真結果對比分析及建議

4.1 仿真結果

通過對2條引水隧洞施工進度仿真模擬研究，顯示方案1中1號引水隧洞需要77.5個月才能具備通水發電條件。方案2是在方案1的基礎上，增加2條施工橫通洞，優化下層開挖工期，需要70個月1號引水隧洞才具備發電條件。方案3在方案2的基礎上，布置3條橫通洞，1號引水隧洞需要68個月具備通水發電條件。方案4在方案3的基礎上布置4條橫通洞，僅需要67.5個月就能具備通水發電條件。方案5是在方案4的基礎上布置5條橫通洞，1號引水隧洞需要66個月具備通水發電條件。方案6是在方案1的基礎上對控制段開挖部分進行優化，采用上導洞先行法，布置7條橫通洞，1號引水隧洞需要63.5個月具備通水發電條件。方案1～6進度仿真結果見表2。

表2 方案1～6進度仿真結果

在施工強度仿真結果中，方案1的1號引水隧洞開挖強度在第4年1月達到最大值69 630.53 m3，其中平均開挖強度為3.8萬m3；方案2開挖強度在第3年10月達到最大值84 107.72 m3，平均開挖強度為45 155.1 m3；方案3開挖強度在第4年1月最大值84 907 m3，其中平均開挖強度為4.7萬m3；方案4開挖強度在第5年3月達到98 424.87 m3，平均開挖強度為48 098.59 m3；方案5在第3年4月出現開挖強度最大值98 534.24 m3，開挖強度平均值為49 798.57 m3；方案6開挖強度在第4年5月出現117 317.02 m3,平均開挖強度為52 796.31 m3。方案1～5施工強度見表3。

表3 方案1～5施工強度

在車輛強度仿真結果中，方案1的20 t自卸汽車峰值為92輛/月，方案2為106輛/月，方案3為114輛/月，方案4為112輛/月，方案5為110輛/月，方案6為144輛/月；方案1的6 m3泵車峰值為26輛/月，方案2為34輛/月，方案3為34輛/月，方案4為34輛/月，方案5為34輛/月，其中方案6峰值為39輛/月。方案6施工洞內車流量超過限制。

4.2 方案選擇

根據施工進度、施工強度、資源投入綜合分析，方案5通過橫勇洞優化施工工期，滿足了施工工期目標。建議方案5作為推薦方案。方案5投入了5條橫通洞，相對于方案1、2、3、4，1號引水隧洞工期分別提前了12、4、2、1.5個月，且2號引水隧洞工期也有相應縮短。方案6采用導洞先行法，雖然施工工期較方案5提前2.5個月，但對導洞施工進度要求比較高，施工強度大，且額外增加支護成本，施工洞內車流量超過限制，因此建議方案5為推薦方案。

5 結 語

昌波水電站采用長引水式開發，2條平行引水隧洞平均長約11km，隧洞開挖工程具有規模大、地質條件復雜的特點，且為本工程施工的關鍵線路項目，對昌波水電站建設起著控制性的作用。通過對項目引水隧洞不同開挖方式及橫通洞布置數量下的施工進度仿真模擬研究，表明合理布置橫通洞數量可有效控制隧洞施工工期。采用導洞先行法雖然施工工期最優，但是對導洞施工進度要求較高、施工資源投入增加明顯，經濟性較差。采用分層開挖法資源投入相差較小，且能滿足施工進度、施工強度控制要求。通過本次研究，探明了開挖方式和橫通洞布置數量對項目施工強度、施工進度的影響，給出了進度控制管理的優化方案和改進對策,提高了工程進度管理水平及項目經濟性,對類似工程項目具有一定的借鑒意義。