昌波水電站2條平行引水隧洞施工進(jìn)度仿真模擬研究

李 昆

(華電金沙江上游水電開發(fā)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(guī)劃中的金沙江上游川藏段13個(gè)梯級(jí)電站中的第11級(jí)，計(jì)劃于2022年年底核準(zhǔn)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(tǒng)+麥曲河口地下廠房的開發(fā)方案，正常蓄水位2 387 m，裝機(jī)容量826 MW(其中引水式電站裝機(jī)740 MW，河床式電站裝機(jī)86 MW)。

工程項(xiàng)目采用長引水開發(fā)，引水建筑物位于左岸山體中，采用“一洞兩機(jī)”供水方式。2條引水主洞，單洞平均長約11 152 m(隧洞起點(diǎn)至調(diào)壓室處)，軸線間距51 m，隧洞縱坡1.39～1.41‰，隧洞為內(nèi)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(duì)電站建設(shè)起著決定性作用，具有規(guī)模大、工期長的特點(diǎn)，控制整個(gè)工程工期和主要投資。為有效控制項(xiàng)目施工進(jìn)度，選擇技術(shù)成熟可靠、施工風(fēng)險(xiǎn)小、工期保障率較高、投資合理的開挖方案[1]?？紤]到項(xiàng)目長大引水隧洞特點(diǎn)，針對(duì)2條平行引水隧洞不同開挖方式以及橫通洞布置數(shù)量等進(jìn)行施工進(jìn)度仿真模擬研究，探明隧洞開挖方式和橫通洞布置數(shù)量對(duì)施工強(qiáng)度、施工進(jìn)度的影響，為項(xiàng)目建設(shè)提供合理的施工方案選擇和優(yōu)化對(duì)策，節(jié)約項(xiàng)目投資。

2 仿真模擬系統(tǒng)

該項(xiàng)目采用四川大學(xué)水電學(xué)院開發(fā)的UCCSS施工仿真系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究。UCCSS系統(tǒng)包括物料子系統(tǒng)、交通子系統(tǒng)、設(shè)備子系統(tǒng)、仿真模擬子系統(tǒng)，具有循環(huán)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)模擬、可視化資源建模、動(dòng)態(tài)演示等特點(diǎn)，其仿真流程見圖1。

圖1 仿真流程圖

2.1 物料子系統(tǒng)

物料子系統(tǒng)包括洞挖料棄渣場和襯砌混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，可構(gòu)建、更改物料規(guī)劃方案，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、更新、查詢物料存取過程強(qiáng)度、供需總量等。

2.2 交通子系統(tǒng)

交通子系統(tǒng)包括明線道路、洞內(nèi)主線、洞內(nèi)支線三個(gè)層次，可構(gòu)建、更改交通運(yùn)輸布置方案，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、更新、查詢不同路徑上不同車型的過程車流量、運(yùn)輸強(qiáng)度、峰值及其出現(xiàn)時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等。根據(jù)水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)要求以及礦山施工規(guī)定，本次施工仿真平洞施工的小時(shí)車流量按照不超過25輛進(jìn)行控制[2]。

2.3 設(shè)備子系統(tǒng)

設(shè)備子系統(tǒng)包括地下工程開挖的鉆孔、裝載、運(yùn)輸、噴混凝土、掘進(jìn)機(jī)以及襯砌的模板運(yùn)輸?shù)戎饕ば蛩璧氖┕C(jī)械設(shè)備，可構(gòu)建、更改施工機(jī)械設(shè)備配置方案，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、更新、查詢過程需求量等。

2.4 仿真模擬子系統(tǒng)

仿真模擬子系統(tǒng)包括開挖仿真模擬和襯砌仿真模擬兩個(gè)系統(tǒng)，可構(gòu)建、更改施工方案、仿真計(jì)算、更新單元工程的施工工期、施工強(qiáng)度、施工交通、施工設(shè)備等。

3 平行隧洞施工仿真模擬

3.1 模擬方案設(shè)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(dá)到14.2～15 m，屬于特大斷面，一般施工機(jī)械設(shè)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(dǎo)洞、后進(jìn)行分層分部開挖的施工方案。

為進(jìn)一步控制施工工期，考慮通過在平行隧洞之間設(shè)置若干橫通洞，將2條獨(dú)立的平行隧洞構(gòu)成一個(gè)施工系統(tǒng)，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(duì)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(duì)施工進(jìn)度的綜合影響，根據(jù)引水隧洞布置情況、地形地質(zhì)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(dǎo)洞先行法，橫通洞布置數(shù)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(shè)橫通洞；方案2至方案5采用分層開挖，布設(shè)橫通洞，且布置數(shù)量遞增；方案6采用導(dǎo)洞先行法，布設(shè)橫通洞最多。

方案1：采用上下半洞分層開挖的方案進(jìn)行施工，不布設(shè)橫通洞。

分別從1號(hào)施工支洞、2號(hào)施工支洞、3號(hào)施工支洞、4號(hào)施工支洞進(jìn)入主洞施工。1～4號(hào)施工支洞長度分別為0.54km，1.97km，0.96km，0.41km，從而進(jìn)入主洞施工開始時(shí)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(jìn)入主洞后，分別從支洞位置向兩邊開挖，當(dāng)上層開挖貫通后，再進(jìn)行下層開挖，下層開挖貫通后，再進(jìn)行襯砌、固結(jié)灌漿與回填灌漿。

方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，對(duì)引水隧洞開挖進(jìn)行優(yōu)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(dǎo)洞先行法(導(dǎo)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(shù)

3.2.1 方案1～5施工仿真進(jìn)尺參數(shù)

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

蘇洼龍-王大龍-曾大同斷層、王大龍斷層等區(qū)域性斷層附近、羅絨西溝跨溝洞段存在涌水風(fēng)險(xiǎn)，涌水處理時(shí)間按4個(gè)月考慮。方案1～6各施工段綜合進(jìn)尺參數(shù)見表1。

表1 方案1～6各施工段綜合進(jìn)尺參數(shù)表

3.2.2 方案6施工仿真進(jìn)尺參數(shù)

上導(dǎo)洞開挖Ⅲ類圍巖進(jìn)尺120 m/月，Ⅳ類圍巖進(jìn)尺100 m/月，Ⅴ類圍巖進(jìn)尺60 m/月[4]。

3.2.3 單工作面綜合進(jìn)尺計(jì)算方法

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

將1號(hào)施工支洞～2號(hào)施工支洞涌水處理時(shí)間分配到每天，經(jīng)施工仿真模擬，該段綜合進(jìn)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(xiǎn)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(jìn)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(dǎo)洞先行法，上導(dǎo)洞開挖-上導(dǎo)洞擴(kuò)挖-下半洞開挖-襯砌。

3.3.3 襯砌程序

方案1～6中，1號(hào)、2號(hào)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(yùn)輸方式

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

3.3.5 通風(fēng)

在每條施工支洞口位置布置一臺(tái)88-Ⅰ型150 kW可逆式軸流通風(fēng)機(jī)，每隔500 m加裝一臺(tái)88-Ⅰ型150 kW通風(fēng)機(jī)，每次爆破結(jié)束后采用吸出式通風(fēng)，通風(fēng)散煙時(shí)間為30～40 min，其余時(shí)間采用壓入式通風(fēng)處理，送風(fēng)管采用直徑為60 cm的柔性風(fēng)管，排風(fēng)管采用直徑為100 cm的硬質(zhì)風(fēng)管。

3.3.6 排水

1～4號(hào)引水施工支洞開挖時(shí)，每掘進(jìn)200 m布置一個(gè)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(dāng)施工支洞進(jìn)入主洞工作面后，向上游方向掘進(jìn)為順坡，采用自流排水，向下游方向掘進(jìn)為倒坡，每隔200～300 m布置一集水坑，采用水泵逐級(jí)抽出。經(jīng)洞外污水處理池處理后再排放到指定位置。

4 仿真結(jié)果對(duì)比分析及建議

4.1 仿真結(jié)果

通過對(duì)2條引水隧洞施工進(jìn)度仿真模擬研究，顯示方案1中1號(hào)引水隧洞需要77.5個(gè)月才能具備通水發(fā)電條件。方案2是在方案1的基礎(chǔ)上，增加2條施工橫通洞，優(yōu)化下層開挖工期，需要70個(gè)月1號(hào)引水隧洞才具備發(fā)電條件。方案3在方案2的基礎(chǔ)上，布置3條橫通洞，1號(hào)引水隧洞需要68個(gè)月具備通水發(fā)電條件。方案4在方案3的基礎(chǔ)上布置4條橫通洞，僅需要67.5個(gè)月就能具備通水發(fā)電條件。方案5是在方案4的基礎(chǔ)上布置5條橫通洞，1號(hào)引水隧洞需要66個(gè)月具備通水發(fā)電條件。方案6是在方案1的基礎(chǔ)上對(duì)控制段開挖部分進(jìn)行優(yōu)化，采用上導(dǎo)洞先行法，布置7條橫通洞，1號(hào)引水隧洞需要63.5個(gè)月具備通水發(fā)電條件。方案1～6進(jìn)度仿真結(jié)果見表2。

表2 方案1～6進(jìn)度仿真結(jié)果

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

表3 方案1～5施工強(qiáng)度

在車輛強(qiáng)度仿真結(jié)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(nèi)車流量超過限制。

4.2 方案選擇

根據(jù)施工進(jìn)度、施工強(qiáng)度、資源投入綜合分析，方案5通過橫勇洞優(yōu)化施工工期，滿足了施工工期目標(biāo)。建議方案5作為推薦方案。方案5投入了5條橫通洞，相對(duì)于方案1、2、3、4，1號(hào)引水隧洞工期分別提前了12、4、2、1.5個(gè)月，且2號(hào)引水隧洞工期也有相應(yīng)縮短。方案6采用導(dǎo)洞先行法，雖然施工工期較方案5提前2.5個(gè)月，但對(duì)導(dǎo)洞施工進(jìn)度要求比較高，施工強(qiáng)度大，且額外增加支護(hù)成本，施工洞內(nèi)車流量超過限制，因此建議方案5為推薦方案。

5 結(jié) 語

昌波水電站采用長引水式開發(fā)，2條平行引水隧洞平均長約11km，隧洞開挖工程具有規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，且為本工程施工的關(guān)鍵線路項(xiàng)目，對(duì)昌波水電站建設(shè)起著控制性的作用。通過對(duì)項(xiàng)目引水隧洞不同開挖方式及橫通洞布置數(shù)量下的施工進(jìn)度仿真模擬研究，表明合理布置橫通洞數(shù)量可有效控制隧洞施工工期。采用導(dǎo)洞先行法雖然施工工期最優(yōu)，但是對(duì)導(dǎo)洞施工進(jìn)度要求較高、施工資源投入增加明顯，經(jīng)濟(jì)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(jìn)度、施工強(qiáng)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(shù)量對(duì)項(xiàng)目施工強(qiáng)度、施工進(jìn)度的影響，給出了進(jìn)度控制管理的優(yōu)化方案和改進(jìn)對(duì)策,提高了工程進(jìn)度管理水平及項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性,對(duì)類似工程項(xiàng)目具有一定的借鑒意義。