謝斌

摘要：水電工程地下廠房頂拱跨度大，開(kāi)挖成型質(zhì)量要求高，安全風(fēng)險(xiǎn)突出，施工效率低，工期長(zhǎng)。本文通過(guò)楊房溝水電站地下廠房頂拱開(kāi)挖施工通道布置、開(kāi)挖分區(qū)分層、施工程序、施工工藝和爆破參數(shù)等方面進(jìn)行總結(jié)，為同類(lèi)工程地下廠房頂拱安全、高效、高質(zhì)量開(kāi)挖提供借鑒。

關(guān)鍵詞：水電工程 ?地下廠房 ?頂拱 ?開(kāi)挖

1 概述

1.1 工程概況

楊房溝水電站是國(guó)內(nèi)首個(gè)采用設(shè)計(jì)采購(gòu)施工總承包模式進(jìn)行建設(shè)的百萬(wàn)千瓦級(jí)大型水電站，工程規(guī)模為一等大（1）型工程，電站總裝機(jī)容量1500MW。引水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸山體內(nèi)，地下廠房采用首部開(kāi)發(fā)方式，主副廠房洞、主變洞、尾調(diào)室三大洞室平行布置。主副廠房洞長(zhǎng)230m，高75.57m，巖梁以下寬28m，以上寬30m。

1.2 地質(zhì)條件

主副廠房洞位于左岸山體內(nèi)，軸線走向N5°E，地面高程約2220m～2350m，洞頂高程2022.5m，上覆巖體厚度200m～330m，水平埋深180m～330m。廠房圍巖巖性為淺灰色花崗閃長(zhǎng)巖（γδ52），呈微風(fēng)化～新鮮狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度在80～100MPa之間。

主副廠房洞共揭露111條構(gòu)造，其中包括33條小斷層和74條擠壓帶，除f1-49和f1-83為Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面外，其余均為Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面。構(gòu)造走向以NWW、NEE為主、NNE向次之，傾角以中傾角為主，寬度以1～3cm為主。斷層寬度一般1cm～5cm，延伸長(zhǎng)度一般30m～100m，除f1-49、f1-94為巖屑夾泥膜外，其余均為巖塊巖屑型，其中23條斷層為切洞向中陡傾角，2條為切洞向緩傾角，8條為順洞向中陡傾角。擠壓帶寬度一般1cm～3cm，延伸長(zhǎng)度7m～45m不等。

廠區(qū)最大主應(yīng)力σ1值為12.62～13.04MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹61°W～N79°W，與廠房軸線夾角66～84°，屬于中等地應(yīng)力區(qū)[1]。

2 通道布置

主副廠房洞頂拱開(kāi)挖利用頂拱左、右端頭的廠房進(jìn)風(fēng)洞、通風(fēng)兼安全洞作為施工通道。廠房進(jìn)風(fēng)洞位于主副廠房洞左端，底板高程為2015.10m，斷面尺寸為7.4m×8.9m（寬×高）。通風(fēng)兼安全洞位于主副廠房洞右端，底板高程為2015.10m，斷面尺寸為7.4m×8.9m（寬×高）[2]。

3 頂拱開(kāi)挖分區(qū)

廠房頂拱層開(kāi)挖高程為2022.5m～2010m，總高度為12.5m，分為四區(qū)進(jìn)行開(kāi)挖，Ⅰ-1區(qū)為中導(dǎo)洞（高程2022.5m～2012.5m）開(kāi)挖，斷面尺寸為12m×10m（寬×高），Ⅰ-2區(qū)為中導(dǎo)洞底板下臥開(kāi)挖，斷面尺寸為12m×2.5m（寬×高），Ⅰ-3、Ⅰ-4區(qū)為上下游側(cè)擴(kuò)挖（高程2021.514m～2010m），擴(kuò)挖寬度9m。

分區(qū)注意事項(xiàng)：

（1）分區(qū)總體上遵循“安全高效、方便施工”原則。

（2）中導(dǎo)洞高度需要滿(mǎn)足9m長(zhǎng)錨桿施工要求，高度不低于9m。

（3）為滿(mǎn)足兩側(cè)3區(qū)、4區(qū)9m長(zhǎng)錨桿施工要求，頂拱第一層開(kāi)挖高度應(yīng)不小于12.5m，寬度不小于9m。

（4）為便于多臂鉆進(jìn)行錨桿施工，中導(dǎo)洞高度不宜大于10m。

4 施工程序

1）中導(dǎo)洞開(kāi)口及漸變段施工

第一步：中導(dǎo)洞漸變段以廠房右端墻為起點(diǎn)，開(kāi)挖斷面沿用通風(fēng)兼安全洞斷面，水平向前推進(jìn)，開(kāi)挖至（廠右）0+163.5m（5個(gè)開(kāi)挖循環(huán)，開(kāi)挖長(zhǎng)度15m），停止向前掘進(jìn)，從掌子面反向進(jìn)行兩側(cè)修邊對(duì)稱(chēng)擴(kuò)挖，擴(kuò)挖后開(kāi)挖斷面由通風(fēng)兼安全洞8.8×7m（寬×高）變?yōu)?2×7m（寬×高）。

第二步：漸變段開(kāi)挖斷面變?yōu)?2×7m（寬×高）斷面后，開(kāi)始水平循環(huán)向前推進(jìn)45m（16個(gè)開(kāi)挖循環(huán)），開(kāi)挖至（廠右）0+118.5m，退出鉆爆臺(tái)車(chē)，停止向前掘進(jìn)。

第三步：開(kāi)始底板第一次開(kāi)挖降底，將整體斷面擴(kuò)挖成12×10m（寬×高）斷面，其中（廠右）0+178.5m～（廠右）0+148.5m段中部預(yù)留8m寬，坡度為10%的斜坡施工通道。

第四步：推臺(tái)車(chē)至（廠右）0+148.5m，完成12×10m斷面臺(tái)車(chē)改造，同時(shí)完成已開(kāi)挖部位頂拱Φ32，L=9m長(zhǎng)錨桿施工。

2）標(biāo)準(zhǔn)段及兩側(cè)擴(kuò)挖施工

第一步：完成漸變段開(kāi)挖后，開(kāi)始中導(dǎo)洞12m×10m（寬×高）全斷面開(kāi)挖掘進(jìn)，控制支護(hù)進(jìn)度滯后開(kāi)挖工作面小于20m，當(dāng)圍巖破碎時(shí)，支護(hù)緊跟開(kāi)挖面實(shí)施。

第二步：中導(dǎo)洞貫通后進(jìn)行中導(dǎo)洞底板第二次下臥開(kāi)挖降底，從安裝間側(cè)向副廠房側(cè)單向開(kāi)挖。

第三步：中導(dǎo)洞底板降底開(kāi)挖完成后，進(jìn)行上下游側(cè)擴(kuò)挖施工，擴(kuò)挖開(kāi)口采用刻槽工藝。上游側(cè)從3#機(jī)組中心線處開(kāi)始向兩端擴(kuò)挖，下游側(cè)從2#機(jī)組中心線處開(kāi)始向兩端擴(kuò)挖。前期利用通風(fēng)兼安全洞作為施工通道，廠房進(jìn)風(fēng)洞開(kāi)挖完成后，同時(shí)利用通風(fēng)兼安全洞、廠房進(jìn)風(fēng)洞雙通道進(jìn)行施工。最后進(jìn)行臨時(shí)施工通道的挖除。

3）左右端墻施工

為確保左右端墻開(kāi)挖質(zhì)量，在兩側(cè)擴(kuò)挖至左右端墻位置時(shí)，端墻面預(yù)留2～4m保護(hù)層，保護(hù)層開(kāi)挖采用分層造孔鉆爆，雙向光面爆破，爆破孔間距50cm，確保端墻開(kāi)挖面平整。

5 生產(chǎn)性爆破開(kāi)挖試驗(yàn)

為選取適宜的爆破參數(shù)，于2016年4月20日至2016年4月30日在廠房頂拱層中導(dǎo)洞（廠右）0+160m～（廠右）0+134m，分別按不同的周邊孔間距、不同的最小抵抗線、不同的周邊孔線裝藥量進(jìn)行組合，共進(jìn)行了8次爆破試驗(yàn)，爆破參數(shù)詳見(jiàn)表1。

廠房第Ⅰ層中導(dǎo)洞通過(guò)爆破試驗(yàn)的幾次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)共采集到16個(gè)有效數(shù)據(jù)，對(duì)每點(diǎn)的3分量速度進(jìn)行矢量合成，可得到每點(diǎn)的振動(dòng)最大合速度，相比于采用單分量速度進(jìn)行擬合計(jì)算，采用合速度可減小巖石局部各向異性造成的偶然誤差，進(jìn)行回歸計(jì)算所得到的K、α值更趨合理，各點(diǎn)爆破振動(dòng)最大合速度見(jiàn)表2。

擬合計(jì)算結(jié)果為：K=103.3，α=1.46。建議采用公式 預(yù)測(cè)爆破最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

通過(guò)爆破試驗(yàn)，廠房頂拱中導(dǎo)洞Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖進(jìn)尺為3.0m～3.2m，周邊孔間距為50cm，周邊孔最小抵抗線75cm，周邊孔線裝藥量為154g/m效果最佳，施工參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)需結(jié)合揭示圍巖情況，爆破設(shè)計(jì)進(jìn)尺、裝藥量及布孔形式動(dòng)態(tài)調(diào)整及個(gè)性化裝藥。

6 特殊部位爆破開(kāi)挖

（1）邊墻擴(kuò)挖開(kāi)口刻槽開(kāi)挖

1）結(jié)構(gòu)線預(yù)留保護(hù)層厚度1.2～1.8m。

2）中下部掏槽進(jìn)尺根據(jù)開(kāi)挖總厚度，宜控制在2.5m～3.5m。

3）保護(hù)層刻槽深度根據(jù)頂拱弧線半徑、鉆機(jī)構(gòu)造，按照最大超挖15cm進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）端墻雙向光面爆破開(kāi)挖

1）邊墻擴(kuò)挖端墻（最后一次爆破）開(kāi)挖長(zhǎng)度控制在3m左右。

2）掌子面（順軸線方向）周邊孔控制深度為相應(yīng)端墻樁號(hào)加20cm。

3）掌子面（順軸線方向）主炮孔控制深度為相應(yīng)端墻樁號(hào)減70cm。

4）臨時(shí)邊墻向上下游的（垂直軸線）周邊孔控制樁號(hào)為端墻樁號(hào)加20cm。

5）臨時(shí)邊墻端墻處周邊孔根據(jù)不同孔深進(jìn)行φ25藥卷間隔裝藥，線裝藥密度80g/m。

6）相應(yīng)孔深以測(cè)量實(shí)測(cè)巖石面為準(zhǔn)。

（3）炮孔布置要點(diǎn)

1）測(cè)量放樣

每一排炮要求準(zhǔn)確放出中心十字線和周邊線。測(cè)量放樣必須逐孔放點(diǎn)，后視點(diǎn)必須間隔放樣，采用“+”、“-”標(biāo)示超欠挖情況，洞軸線中心線標(biāo)識(shí)清楚，孔位中心線與前一排炮殘孔對(duì)齊，誤差應(yīng)在±5cm以?xún)?nèi)。

2）鉆孔

鉆孔作業(yè)實(shí)行定人、定機(jī)、定崗“三定”制度，周邊孔開(kāi)孔前，放點(diǎn)點(diǎn)位不利于開(kāi)鉆時(shí)，使用榔頭清撬處理，方便開(kāi)鉆，并做好鉆桿標(biāo)識(shí)，便于控制鉆進(jìn)深度，保證孔底深度在一個(gè)輪廓線上;開(kāi)孔采用短鉆桿，開(kāi)孔必須2人以上，專(zhuān)人觀察孔向（后視點(diǎn)超挖值調(diào)整3cm/m的外插角）;鉆孔過(guò)程中隨時(shí)檢查孔距、鉆孔方向，每個(gè)孔鉆孔完成后安裝標(biāo)桿，便于參照方向。

3）裝藥連線

嚴(yán)格按照審批后的爆破設(shè)計(jì)裝藥連線，嚴(yán)格控制線裝藥密度、裝藥結(jié)構(gòu)等。

4）爆后評(píng)價(jià)

每排炮出渣及排險(xiǎn)后，由質(zhì)量部門(mén)組織“爆破開(kāi)挖技術(shù)質(zhì)量攻關(guān)小組”成員對(duì)爆破效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查評(píng)價(jià)，并會(huì)商提出下一排炮的改進(jìn)措施。

7 開(kāi)挖效果總體評(píng)價(jià)

從工期上，主副廠房洞第Ⅰ層采用先中導(dǎo)洞開(kāi)挖，后兩側(cè)擴(kuò)挖的方式。主副廠房洞中導(dǎo)洞于2016年4月6日開(kāi)始開(kāi)挖，2016年8月3日開(kāi)挖完成;擴(kuò)挖于2016年7月16日開(kāi)始，于2016年11月12日完成，第一層開(kāi)挖總工期7個(gè)月，在同類(lèi)工程中屬于中上水平。

從爆破松弛上，主副廠房洞共布置了5個(gè)聲波測(cè)試斷面，第Ⅰ層開(kāi)挖完成后（2016年11月）進(jìn)行了頂拱松動(dòng)圈測(cè)試，聲波測(cè)試結(jié)果顯示，廠房頂拱松弛深度0.7～2m，平均松弛深度為1.4m，上游拱肩平均松弛深度最大，下游拱肩次之，頂拱最小;松弛區(qū)巖體平均波速4165m/s，非松弛區(qū)巖體平均波速為5150m/s，爆破振動(dòng)控制效果較好[5]。

從變形控制上，地下廠房頂拱圍巖變形主要發(fā)生在頂拱層（一般為洞室第I層）開(kāi)挖期間，之后隨著洞室開(kāi)挖高程下降，拱效應(yīng)顯現(xiàn)，頂拱變形問(wèn)題將逐步趨緩。洞室第I層開(kāi)挖時(shí)，正頂拱部位的變形一般約占洞室開(kāi)挖完成后總變形量的80%以上。中（高）地應(yīng)力硬巖條件下，廠房正頂拱部位的變形一般在4～10mm，通常不超過(guò)12mm;廠房拱肩部位的變形一般在10～20mm，通常不超過(guò)35mm。在一般情況下，應(yīng)力水平越高，整體變形量也將越大，并且這種與應(yīng)力相關(guān)的變形具有時(shí)間效應(yīng)。楊房溝水電站主副廠房洞多點(diǎn)位移計(jì)累計(jì)變形在-3.41～69.12mm之間，89%以上測(cè)點(diǎn)圍巖變形都小于40mm，大于50mm的僅占6.25%。頂拱及上下游拱肩變形一般在10mm以?xún)?nèi)，最大累計(jì)變形為37.54mm，位于廠左（右）0+00m斷面上游拱肩。邊墻變形一般在40mm以?xún)?nèi)，下游邊墻變形整體高于上游側(cè)，實(shí)測(cè)最大變形69.12mm，位于廠左（右）0+00 m斷面下游2006m高程。

8 結(jié)語(yǔ)

地下廠房占地面積少，與地面建筑物之間干擾小、抗震性能良好、造價(jià)經(jīng)濟(jì)，我國(guó)已建水利水電工程中，大型地下廠房數(shù)量超過(guò)100座，隨著水利水電工程的不斷發(fā)展，地下廠房建設(shè)已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但由于地下廠房頂拱開(kāi)挖程序復(fù)雜、施工質(zhì)量要求高、安全問(wèn)題突出，要求承包商必須進(jìn)行精細(xì)化管理，以節(jié)省工期、減小爆破擾動(dòng)、嚴(yán)格控制開(kāi)挖變形。楊房溝水電站地下廠房頂拱開(kāi)挖通過(guò)精心策劃、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理、精細(xì)化施工取得了安全、優(yōu)質(zhì)、高效的開(kāi)挖效果。

參考文獻(xiàn)

[1]沈雨魁等.楊房溝水電站地下主廠房施工期安全監(jiān)測(cè)成果分析[J].四川水利，2019，（4）：22-25

[2]楊凱中等.淺談首部式地下廠房洞室群施工支洞規(guī)劃設(shè)計(jì)[J].四川水利，2019，（4）：57-59

[3]袁平順等.EPC模式下引水發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)挖支護(hù)快速施工技術(shù)[J].四川水利，2019，（4）：73-76

[4]焦凱等.楊房溝水電站地下廠房開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)施工實(shí)踐[J].四川水力發(fā)電，2019（038）002

[5]張帥等.楊房溝水電站地下廠房頂層圍巖松弛圈分析與預(yù)測(cè)[J].水電與新能源，2018， 32（10）

作者簡(jiǎn)介：謝 斌（1979-），男，漢族，四川省南部縣人，高級(jí)工程師，從事水利水電施工技術(shù)管理工作;