尚義抽水蓄能電站地下廠房開挖與支護施工

摘要：尚義抽水蓄能電站地下廠房圍巖受斷層、裂隙切割及裂隙面多覆綠泥石膜影響，開挖后易形成不穩定楔形體，施工期安全問題突出。為確保施工安全，地下廠房支護以系統噴錨支護為主、錨索支護為輔；頂拱開挖采取導洞先行、先中后邊、前后錯距、跟進支護等措施；邊墻開挖采取平面上多工序、豎向多層次的立體施工方案；對施工中發現的問題及揭露的地質條件，通過采取及時更換關鍵施工設備、優化設計參數、加強工序銜接等措施，大型地下電站廠房耗時17個月開挖完成，比合同工期提前5個月。監測結果表明：地下廠房開挖完成一月后洞室圍巖穩定，證明設計支護參數、開挖方案是合適的，實現了質量、安全、進度多贏的建設目標。

關 鍵 詞：地下廠房；開挖支護；不穩定塊體；尚義抽水蓄能電站

中圖法分類號：TV554 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.037

0 引言

尚義抽水蓄能電站位于河北省張家口市尚義縣，距北京市202 km。電站總裝機容量1 400 MW，安裝4臺單機容量350 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機。主要樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房系統、地面開關站5部分組成。

地下廠房由主機間、安裝場和副廠房組成，呈“一”字形布置。最大開挖尺寸為176.5 m×25.5 m×60.2 m（長×寬×高），總開挖方量18.82萬m³。安裝場布置在主機間右端，副廠房布置在主機間右端。主機間開挖尺寸為111.55 m×25.5 m×54.4 m，安裝場開挖尺寸為32.85 m×25.5 m×35.0 m，副廠房開挖尺寸為20.1 m×24.0 m×60.2 m。廠房內設巖壁吊車梁，與地下廠房緊接的洞室主要有通風兼安全洞、進廠交通洞、上游側4條引水壓力管道、下游側4條母線洞和4條尾水支管。

1 地質條件

地下廠房布置于東洋河右岸山體內，輸水系統的中部，廠房軸向方向為NE40°。地形上為NW向山脊，地表高程1 180～1 220 m，洞室埋深為300～400 m。廠房區出露基巖為中太古代麻粒巖，局部夾中元古代變質輝綠巖脈，各巖性間呈裂隙或斷層接觸，巖體微風化—新鮮，單軸飽和抗壓強度試驗值為38.1～127.0 MPa，平均61.9 MPa，巖質堅硬，巖石抗變形能力較強。根據地應力測試結果，最大水平主應力值為11.81～19.71 MPa，最小水平主應力值為8.25～15.09 MPa，最大主應力方向NE72°，屬于中等地應力場。

廠房區地質構造較為發育，主要表現為斷層、節理裂隙等。平洞揭露廠房區共發育44條斷層，走向以NNE向較為發育，NEE向次之。破碎帶寬度0.1～0.3 m，斷層破碎帶及裂隙密集帶巖體為碎裂—散體結構，巖體較破碎—破碎。廠房區探洞探明裂隙共計2 007條，主要發育NEE向、NNE向、NNW向3組，少量NSW。間距一般10～100 cm不等，巖體結構以次塊狀—塊狀結構為主。裂隙面均較平直，貫通性好，面多覆綠泥石膜，充填巖屑。裂隙主要以陡傾角裂隙，占總裂隙比例41.15%；其次為中等傾角為主，占總裂隙比例40.91%；緩傾角裂隙發育，占總裂隙比例17.94%。巖體內裂隙發育間距0.78～3.18 m，巖體完整性差—較完整。

廠房區地下水主要為基巖裂隙水，地下水位埋深50～105 m，高出地下廠房頂拱250～300 m。廠房區地下水主要儲存在NEE向張性長大裂隙中，以涌水、線狀滴水和點狀滴水為主。鉆孔高壓壓水試驗結果表明，廠房部位巖體整體具有較好的抗滲透性，巖體裂隙不易與周邊裂隙貫通；巖體屬微—弱透水巖體。

廠房圍巖類別以Ⅲ類為主，斷層、蝕變巖體發育部位為Ⅳ～Ⅴ類，Ⅲ類圍巖約占69.6%；Ⅳ～Ⅴ類圍巖約占30.4%。廠房頂拱、邊墻、母線洞圍巖受斷層、裂隙切割及裂隙面多覆綠泥石膜影響，具有“散、碎、裂”的特性，開挖后易形成不穩定的楔形體，穩定性較差，對地下洞室穩定及施工期安全不利^［1-2］。

2 問題提出

大型地下廠房洞室工程具有大跨度、高邊墻、洞室交叉口多等特點，而地下廠房作為抽水蓄能電站的核心樞紐建筑物，特別是施工期廠房頂拱的安全穩定是開挖支護的難點^［3］，直接影響電站蓄水發電的直線工期和安全穩定運行^［4］。

鑒于尚義抽水蓄能電站地下廠房頂拱層地質條件復雜，開挖跨度大，因此選擇科學合理的開挖支護方案，落實關鍵施工設備，選擇經驗豐富的施工隊伍，對解決大型地下廠房在開挖支護過程中常見的頂拱、邊墻拱塊體穩定、施工質量安全及進度等方面的問題就顯得尤為重要^［5］。

3 開挖支護設計

為充分發揮圍巖本身的自承能力，地下廠房支護設計遵循以系統噴錨支護為主，局部地質缺陷以及洞室交叉段等特殊部位以加強隨機錨桿、錨索支護為輔的設計原則。設計系統錨桿12 669根，系統錨索371根，鋼纖維混凝土277 m³，噴混凝土3 145 m³，掛網鋼筋84 t，龍骨鋼筋32 t，見表1。

4 開挖支護施工

4.1 施工原則

（1）廠房頂拱層斷面尺寸較大（寬×高：25.5 m×10.0 m），開挖支護施工期間嚴格按“橫向分塊、導洞先行、先中后邊、前后錯距、控制爆破、跟進支護、加強觀測、穩扎穩打、穩中求進”的施工原則。中下部開挖支護采用“平面多工序、立體多層次”流水作業的施工原則。

（2）洞室交叉口一般卸荷松弛現象嚴重，高邊墻上開洞口按照“先洞后墻、先小后大”的原則，進廠交通洞、引（尾）水高壓支管、母線洞等貫入廠房高邊墻的隧洞，其開挖進度均先于廠房高邊墻開挖進度1～2層貫入，并嚴格落實好鎖口、錨噴支護。

4.2 開挖分區

根據廠房結構特點、通道條件、周邊洞室布局，綜合考慮施工機械性能、巖錨梁開挖、錨桿和錨索支護等施工需要，廠房開挖自上而下共分8層開挖，頂拱層、第Ⅱ層開挖高度分別為10 m、9.4 m，其它各層開挖高度控制在7 m左右。施工分層及施工步驟見圖1。

4.3 頂拱層開挖支護

廠房頂拱層利用通風兼安全洞作為主要施工通道，開挖方量為3.82萬m³。為保證廠房巖體的穩定和周邊體型，綜合考慮選用三臂鑿巖臺車、濕噴臺車等大型支護設備，同時考慮機械設備操作空間、錨桿長度等因素，借鑒其他地下廠房頂拱開挖經驗^［5-6］，先開挖中導洞（寬×高：10 m×10 m），然后開挖兩側耳（寬×高：7.75 m×9.21 m），開挖分區見圖2。

中導洞開挖超前兩側擴挖30～50 m，兩側擴挖錯開30 m，避免頂拱一次開挖跨度過大引起頂拱圍巖變形過大。中導洞、側耳Ⅲ類圍巖開挖循環進尺為3～3.5 m，Ⅳ類圍巖進尺控制在1.5～2.0 m。開挖采用YT-28手風鉆鉆孔，人工裝藥爆破，中間采用楔形掏槽，周邊采用光面爆破，系統支護緊跟掌子面。

中導洞開挖過程中，兩側臨時邊墻高達10 m，受開挖面臨空及陡傾角裂隙發育等因素影響，兩拱角、兩側臨時邊墻易形成不穩定塊體。開挖過程中，及時采取隨機、超前錨桿、拱角45°鎖口錨桿、噴混凝土支護等措施，確保了施工期安全及洞室成型。

對于廠房頂拱、邊墻部位的不穩定塊體、斷層及影響帶嚴格遵循“短進尺、少擾動、強支護、及時封閉、勤觀測”的原則。斷層兩側影響帶頂拱采用超前錨桿支護，開挖循環進尺1.5 m，且單循環開挖后及時按設計進行錨桿及噴鋼纖維混凝土支護。

斷層破碎帶視巖石破碎情況采用超前錨桿支護，開挖循環進尺1.0 m，開挖后及時進行C30鋼纖維噴混凝土封閉→系統錨桿→掛鋼筋網→安裝龍骨鋼筋→噴C25混凝土。對斷層、結構面及節理裂隙相互交切形成的穩定性差的楔形體，在開挖后及時進行隨機錨桿和系統錨噴支護。在全斷面開挖完成后，開始系統錨索施工，距離掌子面按30 m進行控制。

4.4 巖錨梁層開挖

廠房第Ⅱ層（巖錨梁層）開挖在頂拱層開挖、噴錨（含錨索）支護全部完成后進行，利用通風兼安全洞作為主要的施工通道，開挖方量3.71萬m³。開挖采用中部拉槽，槽寬14 m，單次爆破中部拉槽進尺10 m，分Ⅱ-1與Ⅱ-2兩層開挖完成，層高分別為5.62，3.78 m。采用潛孔鉆進行鉆孔，施工預裂孔間距0.8 m，孔徑Φ90 mm，主爆孔采用連續裝藥結構，施工預裂孔采用不耦合間隔裝藥結構。

因地下廠房巖石條件較差，根據地下廠房頂拱開挖情況，參建四方經分析，認為巖錨梁開挖成型施工難度大，決定將巖錨梁下拐點位置取平，保護層分兩層開挖：Ⅱ-1層層高5.62 m，上、下游邊墻保護層寬3.75 m；Ⅱ-2層層高3.78 m，上、下游邊墻保護層寬3.0 m。保護層采用手風鉆水平鉆孔的方式進行開挖，單次爆破控制進尺3 m，周邊孔間距0.4～0.5 m，孔徑Φ42 mm，主爆孔采用連續裝藥結構，周邊孔采用不偶合間隔裝藥結構。

4.5 中、下部開挖施工

根據地下廠房的結構特點、通道條件、施工機械性能并兼顧巖錨梁的開挖支護施工等需要，參考其他大型水電站地下廠房開挖設計方案^［4-5］，結合地下廠房頂拱及第Ⅱ層（巖壁吊車梁層）開挖支護施工的摸索，廠房中下部開挖采用平面上多工序、豎向多層次的立體施工方案。地下廠房第Ⅲ～Ⅳ層開挖長度164.5 m，第Ⅴ～Ⅵ層開挖長度131.65 m，最大跨度24 m。第Ⅲ、Ⅳ層主要利用進廠交通洞作為施工通道，開挖方量分別為2.37萬m³、1.90萬m³；第Ⅴ層利用母線洞作為施工通道，開挖方量1.90萬m³；第Ⅵ層主要利用廠房下部施工支洞作為施工通道，開挖方量為1.90萬m³；第Ⅶ層～Ⅷ層主要利用廠房下部施工支洞、尾水支管及尾水隧洞作為施工通道，開挖方量為1.26萬m³（圖3）。

廠房中下部開挖先中部拉槽，再兩側保護層開挖。單次拉槽進尺10 m，拉槽超過30 m后再開挖上下游邊墻保護層，上、下游邊墻保護層開挖錯距30 m。保護層寬3 m，手風鉆水平鉆孔，單次爆破控制進尺3 m，周邊孔間距0.4～0.5 m，孔徑Φ42 mm，主爆孔采用連續裝藥結構，周邊孔采用不耦合間隔裝藥結構。

廠房中下部錨桿、掛網、噴混凝土、錨索施工交叉干擾較大，施工過程中監理、施工單位組織加強工序銜接，形成流水作業。在完成上一層噴混凝土、錨桿支護后再進行對應部位下一層爆破開挖，在完成上一層錨索張拉后再出對應部位石渣。立體施工方案的實施，使地下廠房中下部開挖與支護在時間與空間上的矛盾及相互干擾在很大程度上得到緩解，為噴錨支護、錨索施工贏得了時間和空間^［7］。

4.6 松弛圈檢測情況

為及時了解圍巖爆破影響深度情況，地下廠房頂拱、邊墻開挖過程中進行巖石松弛圈測試，在副廠房段、2號機組段、3號機組段、4號機組段、安裝間段共布置5個斷面。每個斷面頂拱段分別在頂拱、上游起拱、下游起拱各布置1個檢測孔。檢測深度分別為0.40～1.20 m、0.40～1.00 m、0.80～1.20 m、1.00～1.40 m、0.40～0.80 m。上、下游邊墻在每層開挖完成后各布置一個檢測孔，檢測深度分別為0.40～2.60 m、0.40～1.40 m、0.60～2.20 m、0.40～2.20 m、0.80～1.20 m。檢測數據見表2。

從檢測數據分析來看，得到以下結論：

（1）爆破后廠房頂拱表層巖體松弛深度較邊墻普遍較小，邊墻以副廠房段、3號機組、4號機組段邊墻數據最大，分析認為與其附近出露有fc1、fc2斷層有關。邊墻巖體松弛深度普遍比拱頂大，分析與爆破開挖方法、質量有關。

（2）頂拱、邊墻松弛圈最大1.4，2.6 m，在6 m及9 m系統錨桿的有效加固范圍內，廠頂系統支護均能提供有效加固力^［8］。

（3）頂拱、邊墻松弛圈平均值和最大值均較原數值模擬計算值偏小。說明開挖方法和支護參數基本合適，有效地保護了頂拱圍巖，減小了其松弛范圍，有利于廠頂長期穩定。

4.7 施工進度情況

地下廠房于2023年3月1日開始，由廠左向廠右進行地下廠房首層中導洞開挖，2023年10月18日頂拱開挖支護完成，2024年7月28日廠房開挖完成，7月30日向機電安裝標移交工作面，歷時17個月，比合同工期22個月縮短5個月。

4.8 安全監測情況

地下廠房沿廠房縱軸線、副廠房段、機組段、安裝間段共布設了7個監測斷面，安裝了40套四點式位移計、35套錨桿應力計（三點式）、6支孔隙水應力計、28臺錨索測力計。巖壁吊車梁安裝12套錨桿應力計（三點式）、6套錨桿應力計（兩點式）、12支單向測縫計。為充分發揮監測儀器的“耳、目”作用，施工過程中及時按設計參數安裝頂拱、邊墻監測儀器，并取得初始值。至廠房開挖結束，儀器均全部完好。

地下廠房開挖過程中，受廠房下挖和周邊洞室開挖影響，圍巖應力不斷調整，圍巖向臨空面位移。至地下廠房開挖結束后一個月，地下廠房除下游邊墻1號機組母線洞下部測點未見明顯收斂，其他測點變形基本收斂。整體上廠房頂拱上游（最大值分別為30.34 mm）、邊墻中上部變形上游邊墻（最大值49.09 mm）大于下游頂拱、邊墻（最大值分別為24.55 mm、21.01 mm），廠房邊墻下部變形下游邊墻（最大值48.21 mm）大于上游邊墻（最大值17.46 mm）。巖壁吊車梁與圍巖接縫和錨桿應力總體正常。頂拱、邊墻變形主要受爆破影響，變形主要發生在距臨空面1.4，2.6 m深度以內。

5 經驗總結

通過參建各方精心組織、科學管理，尚義抽水蓄能電站地下廠房開挖及支護創造了大型地下電站廠房17個月開挖完成的記錄，充分說明了地下廠房的設計、開挖支護方案的選擇是科學合理的，項目建設實現了質量、安全、進度多贏的建設目標，概括起來主要有以下經驗。

5.1 頂拱噴錨支護緊跟掌子面

針對頂拱圍巖“散、碎、裂”的特點，設計方案采用加密錨桿間距，設龍骨鋼筋、系統錨索的支護方式。施工過程中根據“一炮一支護”原則，即開挖后及時機械排險，嚴格落實掛網噴混凝土、錨桿支護緊跟掌子面，再進行下一循環開挖，穩扎穩打，穩中求進。頂拱開挖期間，未發生掉塊傷人事故和對機械的損害，最終7.5個月完成廠房頂拱開挖支護，比計劃工期縮短約半個月。

5.2 嚴格落實“先洞后墻、先小后大”開挖原則

洞室交叉口是應力相對集中，也是圍巖受爆破影響及地應力釋放擾動最嚴重的部位^［3］，進廠交通洞、廠房下部施工支洞等貫入廠房高邊墻的隧洞，按照“先洞后墻、先小后大”的開挖原則，其開挖提前廠房高邊墻開挖1～2層貫入，并做好鎖口錨桿、洞口鋼拱架、噴混凝土支護，尤其是滿足母線洞及交通電纜洞在廠房巖錨梁保護層開挖前必須貫入廠房。在地下廠房開挖過程中未出現洞口掉塊等情況，洞口成型均較好。

5.3 根據實際圍巖條件動態調整設計方案

（1）巖錨梁改附壁式巖錨梁。廠房巖錨梁區域圍巖斷層、節理裂隙較為發育，巖體結構以塊裂狀結構為主，局部為碎裂—散體結構，巖體完整性差。根據頂拱層開挖情況，若按原設計巖錨梁方案開挖，即使搭設樣架、導向鉆孔等，爆破后清除表層松動巖塊后巖臺成型質量也極難保證。對巖錨梁區域不良地質段較為普遍情況的開挖處理方式有：宜興和豐寧抽水蓄能電站、烏東德水電站采用的預固結、預錨固方式^［9-11］；清原抽水蓄能電站開挖過程中采用的精細化分區、巖臺技術超挖、巖錨梁下拐點預加固、巖臺臨時支護方式^［12］；溧陽抽水蓄能電站Ⅳ、Ⅴ類圍巖區域采用的附壁墻方式^［13］。考慮該項目圍巖“散、碎、裂”及巖體裂隙不易與周邊裂隙貫通的特性和預加固處理時間、效果，經分析研究后最終采用附壁式巖錨梁，不再追求巖臺的成型質量，即減少了開挖難度，又節省了開挖時間。和原方案相比，投資雖有所增加，但比原方案節省工期2個月。280 t橋機110%動荷載試驗監測數據表明，錨桿應力增加較小，普遍在10 MPa以內。

（2）廠房下部錨索優化。根據地下廠房區圍巖巖質堅硬，巖石抗變形能力較強的特點和監測數據顯示僅3號機組上游邊墻巖錨梁以上局部區域變形較大，其它區域變形除下一層爆破時監測數據略有變化外，其他時段測值均較穩定。經研究后對廠房第Ⅴ層二排錨索、廠房兩側端墻剩余共81束錨索全部優化，縮短直線工期約半個月。

（3）油污水處理池開挖面高程調整。廠房油污水處理池布置在1號機組與副廠房之間，原方案井底開挖高程比1號機組底板低5.8 m。為避免地下廠房油污水處理池開挖占廠房直線工期，將油污水處理池開挖面高程調整至與副廠房底板開挖面高程相同，節省直線工期約半個月。

5.4 落實關鍵施工設備

地下廠房洞室群規模大，是控制施工工期的關鍵項目，應選擇先進的施工方法和配置成套施工機械設備組織施工，以便提高施工強度，縮短施工總工期。

（1）開挖支護設備。地下廠房洞挖工程量大，頂拱、邊墻開挖面大量采用噴錨支護，開挖、支護設備數量、配套及完好率直接影響工程的質量和進度。尚義地下廠房頂拱及第Ⅱ層開挖期間，現場除一臺三臂鉆為全新外，其他鉆孔設備、噴錨設備均使用了一定年限，設備故障率高，維修時間長，造成施工不連續，嚴重影響了第Ⅱ層施工進度。為扭轉設備出勤率不高導致進度緩慢的被動局面，經各方努力，施工單位采購二臺濕噴機分別于2023年10月14日、11月3日進場，兩臂鉆11月25日進場，新設備進場后錨噴支護未再影響廠房開挖進度。第Ⅲ～Ⅳ層開挖時，原鉆孔設備故障頻發，嚴重影響開挖進度，單層開挖支護時間長達2個多月。經協調，施工單位引進3臺（兩用一備）液壓鉆替換后，Ⅴ～Ⅶ層單層開挖、支護時間均控制在25 d。關鍵設備完好、出勤率高是保證廠房開挖、支護進度的關鍵。

（2）兩臂鉆與三臂鉆比較。廠房開挖支護期間，挖機、裝載機、鉆機、自卸車、吊車等各種大型施工設備較多，但廠房工作面狹窄，各工序間大型施工設備干擾較大。三臂鉆三臂同時作業時車身需垂直于支護面，占用施工通道，易造成交通中斷。為不影響其他工序施工，一般只能平行于廠房兩臂作業，實際兩臂鉆更適用。

（3）巖錨梁混凝土澆筑入倉設備、施工材料投入。巖錨梁混凝土澆筑原方案采用吊罐入倉，效率低，作業安全風險大。后調整采用布料機掛料斗入倉，料斗根據倉面澆筑情況隨時移動，靈活、方便、安全，澆筑效率高。澆筑巖錨梁用盤扣式腳手架、模板均按巖錨梁長度一次性投入。原計劃巖錨梁、吊頂支座梁混凝土46 d完成澆筑，實際用時31 d，其中巖錨梁27 d完成，提前半個月完成。

參考文獻：

［1］ 中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司.河北尚義抽水蓄能電站可行性研究報告［R］.北京：中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，2019.

［2］ 王露，張曉宇，周文斌.復雜地質條件下大跨度地下廠房頂拱開挖施工技術［J］.葛洲壩集團科技，2023（3）：5-8.

［3］ 陳洪來.復雜地質條件下大型地下廠房頂拱施工技術研究［J］.水力發電，2013，39（3）：53-56.

［4］ 劉蕊，余健.大型抽水蓄能電站地下廠房開挖爆破技術研究與實踐［C］∥中國水力發電工程學會電網調峰與抽水蓄能專業委員會2021年學術交流年會論文集，2021：96-101.

［5］ 張晨.四川白鶴灘水電站地下廠房開挖施工組織設計［J］.陜西水利，2018（4）：148-149.

［6］ 樊啟樣，劉益勇，王毅.向家壩水電站大型地下廠房洞室群開挖工程實踐［J］.水力發電，2011，37（2）：11-14.

［7］ 高雄，韓俊萍，魏勇.江蘇溧陽抽水蓄能電站地下廠房頂拱開挖與支護［J］.西北水電，2014（3）：36-39.

［8］ 胡曉林.大朝山水電站地下廠房開挖與支護施工［J］.人民長江，2001，32（2）：15-17.

［9］ 徐愛兵，李彬.水電站地下廠房巖壁吊車梁開挖施工技術探討［J］.中國水能及電氣化，2012（1）：60-63.

［10］孔張宇，王蘭普，劉雙華，等.河北豐寧抽水蓄能電站地下廠房巖壁吊車梁開挖施工技術探索與研究［C］∥中國水力發電工程學會電網調峰與抽水蓄能專業委員會抽水蓄能電站工程建設文集，中國水利水電出版社，2020：474-480.

［11］王鶴，地下廠房巖壁吊車梁開挖技術研究［J］.東北水利水電，2020（3）：12-15.

［12］劉蕊，白威，余健.清原抽水蓄能電站地下廠房巖錨梁開挖施工技術研究［J］.水電自動化與大壩監測，2021，7（2）：74-77，98.

［13］邢磊，史永方，吳書艷.復雜地質條件下大型地下廠房系統施工［J］.水力發電，2018，44（10）：27-29.

（編輯：黃文晉）