向家坝电站地下厂房洞室开挖施工技术

孙开畅，姜德全，孙志禹

（1.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072；3.中国长江三峡集团公司，湖北 宜昌 443002）

1 工程概况及施工特性

1.1 概况

向家坝水电站是金沙江下游河段中规划的最末一个梯级电站，其坝址位于川滇两省交界的金沙江下游河段上，左岸为四川省宜宾县，右岸为云南省水富县。电站地下厂房洞室群的开挖施工直接关系到地下厂房的运行安全、工期和工程投资。地下厂房系统洞室开挖以主厂房、主变洞两大洞室为主体，包括母线洞、电缆竖井、主厂房顶部通风洞、主变交通洞、第四层帷幕灌浆廊道、排水廊道等洞室在内的大规模洞室群开挖[1]。

1.2 主要开挖工程量

地下厂房系统洞室群各个部位的主要开挖工程量见表1。

2 开挖施工中的重点难点及相应对策

地下厂房开挖跨度大，顶拱存在缓倾角层面，顶拱开挖安全是重点，同时也是一个难点。在开挖过程中拟采取下列措施：顶层开挖相继贯通中部下导洞及中导洞并完成系统支护及初喷，然后采取前后跟进方式进行两侧扩挖施工，根据中导洞揭露的地质情况，及时进行必要的超前支护或临时支护；厂房顶拱对穿锚索孔施工在顶拱开挖前完成，系统喷锚支护紧跟开挖工作面，穿锚、张拉等锚索施工适当滞后开挖面一段距离及时跟进，防止顶拱产生大的变形；在不良地质洞段，采取“分区开挖、短进尺、弱爆破、及时支护”的方案，必要时采取超前支护；严格控制单响药量，控制质点震动速度在规定范围内；顶拱层拱脚以上系统支护（含锚索）完成后，才能开始厂房第Ⅱ层开挖。

表1 地下厂房系统洞室群主要项目开挖工程量表

岩锚梁是地下厂房开挖的关键部位之一，因此确保岩锚梁岩台开挖质量，正确处理软弱夹层带，对确保岩锚梁安全是非常重要的。在岩锚梁开挖施工过程中拟采取下列措施：岩锚梁层开挖在上下游边墙预留4～5 m厚保护层，中间拉槽开挖前先沿保护层边线进行第一道预裂；保护层开挖分两区进行，保护层开挖前沿岩锚梁以下边墙进行第二道预裂，然后采用气腿钻钻爆开挖岩锚梁下拐点以外保护层；最后开挖岩锚梁保护层剩余三角体部分，采用气腿钻自下而上沿岩锚梁斜墙面造斜孔，手风钻沿岩锚梁上拐点直墙面钻垂直孔，双面光面爆破；岩锚梁保护层剩余三角体部分开挖前通过生产性爆破试验，优化爆破参数和网络设计，尽可能减少爆破松动圈；对于有软弱夹层穿过岩锚梁部位的开挖，严格按照设计图纸进行加固处理，必要时，视地质情况，利用置换回填、预先固结灌浆的方法加固岩锚梁基座，提高软弱夹层的抗变形能力。

地下厂房开挖跨度达33.4 m、高度达88.2 m，是国内目前在建的最大跨度和最大高度的地下厂房，确保厂房高边墙稳定是又一个重点[2]。主要对策如下：采取以支护为中心，以尽量减少对地下厂房围岩扰动为原则进行施工。厂房Ⅱ-Ⅷ层主要采取中间拉槽，两侧预留保护层扩挖跟进的方式开挖，同时严格控制单响药量，以防止爆破对边墙造成震动破坏；开挖与支护施工采取“平面多工序”、“立体多层次”原则作业，喷锚支护紧跟保护层开挖工作面，锚索施工最多滞后开挖半层。加强开挖过程中的变形观测，在边墙位移突变或持续增大时，则停止开挖，加强支护。保护层开挖与支护作业协调进行，在支护作业滞后时，保护层开挖适时停止[3]。

电缆竖井开挖高差大，穿过含煤岩层，保证煤层采空区的井壁稳定、并确保开挖安全是难点。针对电缆竖井开挖安全问题，拟采取以下措施：电缆竖井溜碴导井采用反井钻机进行施工，大井扩挖3～5 m高后及时进行锁口，然后再继续进行扩挖，同时井口预留3～5 m宽的井台，设置围栏和排水沟，防止井台上杂物坠入井内。设置专门的提升设备，作为人员上、下和材料运输交通工具，提升设备设置导向装置和断绳保险装置，并控制升降速度。上下联系采用电话、信号灯、对讲机等多种通讯手段结合使用，互为备用。提升设备设置防止过卷、过电流和失电压等保险装置及可靠的制动系统，使用过程中加强维护检查工作。溜碴导井开挖后，采取分两次跟进方式扩挖，首先自上而下将导井扩挖至φ4.0 m。二次扩挖施工时，上层未支护不得进行下一层的开挖；对于存在煤层采空区的井壁洞段，在进行扩挖、支护、回填砼塞后，再进行下一层的开挖。施工作业时，作业人员佩戴安全绳，安全绳挂在井壁锚杆上，防止发生人员坠落事故。

母线洞开挖既要确保厂房岩壁安全及岩锚梁安全要求，又要尽量减少占压厂房开挖直线工期，开挖时机合理安排是本工程的重点。母线洞开挖征循“先洞后墙”的原则，利用进厂交通洞由主变洞将母线洞提前开挖贯入主厂房高边墙[4]。

地下厂房位于坝轴线上游库内，且其中下部处于地下水位以下，主厂房中下部开挖施工前提前形成一道阻水帷幕，同时加强渗水区域和集中渗流通道的“堵、导”，确保地下厂房干地施工安全。

母线洞、尾水管扩散段、尾水支洞与母线洞之间的洞壁较薄，采取间隔开挖、加强支护的措施，确保岩壁稳定，并充分协调好各部位施工程序[5]。

加强围岩安全监测，建立安全预报制度。开挖过程中根据开挖部位和地质条件，及时设置安全监测点和围岩收敛监测断面，对围岩进行安全监测，以便调整开挖钻爆程序和钻爆参数，减轻开挖爆破对围岩稳定的影响。

配备先进、配套、适用的洞室开挖和支护施工机械设备，保证开挖支护及时、有效，并配备具有丰富地下工程施工经验的地质工程师，负责分析、处理施工中出现的地质问题。

3 施工方案布置

3.1 施工程序

根据向家坝右岸地下厂房系统洞室群布置特点及施工质量、进度和围岩安全稳定等要求，地下厂房系统洞室开挖支护围绕主厂房关键线路展开，统筹安排主变洞、母线洞、电缆竖井等相关洞室的施工，尽量做到均衡生产。采用分层平行流水作业，做到“平面多工序”，又在整个立面上进行多工种立体平行交叉施工，形成“立体多层次”，以实现地下洞室群的快速施工。

3.2 分层分区开挖

地下厂房分为10层开挖，各层又分区进行开挖支护。主厂房第Ⅰ层分两区4个工作面（Ⅰ1区导洞、Ⅰ2区中导洞扩挖及Ⅰ3区两侧扩挖）进行施工；主厂房第Ⅱ-Ⅷ层分3个工作面进行施工；主厂房Ⅸ，Ⅹ层开挖使用4条尾水管作为出渣通道，分两个工作面进行导井及扩挖施工。

4 开挖过程中的特殊情况处理

4.1 塌方处理

对一般性塌方，在塌顶暂时稳定之后，立即加固塌体四周围岩，及时支护结构物，托住顶部，防止塌穴继续扩大；对于较大塌方，还应妥善处理地表陷坑；有地下水活动的塌方，应先治水，再治塌方；认真制订塌方处理中的安全措施，认真组织塌方处理专业队伍，充分保证处理塌方的必须器材设备供应。不同类型的塌方，选择不同的处理方案。某些塌方还需综合处理才能达到目的。对于一般的塌方，采用锚喷法进行处理，其处理程序如下：① 排除淋水，用φ19 mm钢管插入排水孔内30～60 cm，钢管与岩面用棉纱封紧，再用1∶1水泥砂浆（加速凝剂）堵在棉纱外面，在钢管出口套塑料管，沿洞侧悬挂，将淋水导入排水沟内；② 喷早强混凝土，封闭补平岩面，厚2～5 cm；③ 按间距0.6 m×0.8 m梅花形埋设锚杆（φ22 mm螺纹钢），长3.0 m，外露0.1 m；④ 挂网（网格20 cm×20 cm）与岩面密贴并与锚杆头焊接；⑤ 喷第二次早强混凝土，厚8～10 cm。

塌方段通过锚喷处理基本稳定后，再采用管棚法施工工艺通过该洞段。施工过程中严格控制进尺，采用控制爆破，以保持围岩不受过分扰动和减少因爆破造成的局部应力集中，保证岩面规整，为锚喷支护创造条件。同时利用管棚管对不良地质洞段进行固结灌浆，加固围岩和止水，使围岩达到稳定。

塌方非常严重的部位，为防止四周岩体松动后产生更大规模的塌方，应在锚喷支护完成后对塌方段进行砼浇筑，然后对洞顶孔穴进行回填和灌浆处理。

4.2 断层、裂隙和层面发育地质洞段施工注意事项

如断层带地下水是由地表水补给时，在地表设置截排系统引排。对隧洞承压水，在每个掘进循环中，向掌子面掘进方向钻凿不小于2个超前钻孔，其深度在4 m以上，以探明地下水情况。随工作面的向前推进挖好排水沟，并根据岩质情况，必要时加以铺筑。洞壁或洞顶有水流出时，凿孔安置套管集中引排，使其不漫流。通过断层带的各施工工序之间的距离宜尽量缩短，并尽快进行临时支护封闭岩面，以减少岩层的暴露、松动和地压增加。对于断层、破碎带，裂隙和层面较发育段，由于施工期间早期压力大、围岩变形快，自稳时间短，初期支护的早期强度不能满足围岩自稳要求，采用超前小导管（超前中空锚杆）注浆，快速止水加固。在开挖面沿拱墙按纵向间距3.5 m，环向间距0.4 m，孔深4.0 m，外插角10°钻孔。采用φ42 mm(壁厚3.5 mm)无缝钢管或φ25中空锚杆，注浆压力为0.5～1.0 MPa。注浆至开挖前的时间间隔4～8 h，开挖在超前支护形成的棚架结构保护下开挖。开挖进尺之后，立即采用型钢支撑，并与超前小导管（锚杆）焊接与喷锚支护联合受力方式。优化爆破设计，尽量减少爆破对围岩的震动，开挖采用导洞领先、多台阶、短进尺，弱爆破和打减震孔的开挖方式进行。

4.3 涌水处理措施

地下厂房系统洞室下部在第二层水位以下，为减少开挖施工期间的涌水量，在防渗帷幕形成后再进行开挖。对于施工中的涌水，应事先根据设计文件对洞室可能出现涌水的地段进行详细的调查、分析，雨季渗水主要采用引、排、堵方案。施工中分别根据具体情况，采用超前钻孔或辅助坑道排水、超前小导管预注浆、超前围岩预注浆堵水、井点降水及深井降水等施工措施。

5 结语

向家坝水电站地下厂房地质条件复杂，开挖工程量浩大，本文对其施工过程中的重点和难点进行了分析，并提出和总结了相应的对策。对于开挖过程中突发情况提出了处理措施。在实际施工中取得了较好的成效，为类似工程提供了参考和借鉴。

[1]唐崇正，聂光利.向家坝水电站地下主厂房开挖关键施工技术[J].四川水力发电，2009，28(4)：68-71.

[2]李汉臣，唐孝林，王仁强.向家坝电站地下厂房进水口高边坡开挖施工难点剖析[J].四川水力发电，2009，28(4)：62-64.

[3]穆创国，张安,夏浩军.开挖方案对洞群围岩稳定性的影响研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版)，2004，32(11)：139-142.

[4]徐成光.复杂条件下向家坝电站地下厂房开挖质量控制[J].四川水力发电，2009，28(4)∶31-33.

[5]易志，唐春满.向家坝工程右岸地下电站尾水管扩散段开挖方案[J].水力发电，2010，36(4)∶50-53.