双江口水电站地下厂房开挖施工组织研究

彭 旭 初

(国电大渡河双江口工程建设管理分公司，四川 马尔康　624000)



双江口水电站地下厂房开挖施工组织研究

彭 旭 初

(国电大渡河双江口工程建设管理分公司，四川 马尔康624000)

摘要：双江口水电站地下厂房工程具有深覆盖、高应力、大规模、工期紧、质量要求高等特点。在对该地下厂房的结构特征及决定其布置形式的关键因素进行系统阐述的基础上，借助三维仿真手段建立了厂房开挖分期分区优化模型，对开挖分层和施工支洞布置进行了分析，并规划了厂房各开挖时段的进度形象和施工强度。研究结果为工程施工提供了依据，对保证工程质量、加快施工进度、减少施工干扰、降低工程造价均具有一定的参考意义。

关键词：双江口水电站；地下厂房；开挖；施工组织

1概述

双江口水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州马尔康县、金川县境内，是大渡河流域水电梯级开发的上游控制性水库。电站采用坝式开发，装机容量为200万KW，对下游补偿出力175.8万KW，枯水年枯期平均出力47.4万KW，多年平均年发电量为77.07亿KW·h，相应枯期梯级补偿电量66亿kW·h。水库正常蓄水位高程2 500 m，总库容为28.97亿m3，消落深度为80 m，调节库容为19.17亿m3。工程区地震烈度为Ⅶ度。枢纽建筑物由砾石土心墙堆石坝、右岸放空洞、右岸深孔泄洪洞、右岸洞式溢洪道、左岸竖井泄洪洞、左岸地下厂房等组成。堆石坝最大坝高314 m，坝顶高程2 510 m，填筑总量为4 436万m3。引水发电系统布置在河道左岸，采用首部式地下厂房布置方案，厂房内安装4台单机容量为500 MW的混流式发电机组。

本文结合双江口水电站的工程特性，着重针对地下厂房的结构形式、分层开挖施工顺序、施工通道的布置特点等方面进行了介绍，并结合仿真模拟手段，建立了优化模型，对厂房开挖的进度和施工强度进行了规划，为工程质量和进度达到预期目标提供依据和保障。

2地下厂房工程特性

2.1布置形式

双江口水电站地下厂房由进水口、压力管道、主厂房、副厂房、主变室、出线场、尾水调压室、尾水隧洞及尾水塔等组成，采用“单机单管供水”及“两机一室一洞”的布置格局。进水口相邻孔口中心线间距为29.5 m，进水塔塔顶高程2 508 m，塔基高程2 395 m，进水塔底板高程2 400 m，塔体宽度31.3 m，塔高113 m。地下厂房总长度为214.7 m。主厂房全长为134.08 m，顶拱跨度为28.3 m，岩壁吊车梁以下跨度为25.3 m，最大开挖高度为67.32 m。安装间跨度与主机间相同，最大高度为29.22 m，长度为54.01 m。副厂房跨度为25.3 m，最大高度为44.72 m，长度为26.61 m。厂房顶拱高程2 284.02 m，发 电 机 层 高 程2 255.3 m，水轮机安装高程2 238.5 m，尾水管底板开挖高程2 216.7 m。

主变室和尾水调压室与厂房平行布置，主厂房与主变室的中心距为66.15 m，主变室与尾水调压室的中心距为61 m。主变室全长为142.2 m，宽20 m，高25.69 m，顶拱高程2 280.99 m。尾水调压室为2台机组并接1条尾水洞，共计2条尾水洞。其中，1#尾水调压室长为55 m，2#尾水调压室长为53 m，上部宽为18 m，下部宽为13.5 m，顶拱高程2 292 m，高60.5 m，由4条尾水连接洞连接主厂房与尾调室。尾水洞出口高程2 231.5 m，交尾调室高程2 218 m，1#尾水洞长为989.98 m，2#尾水洞长为883.88 m。

2.2地质条件

双江口坝区为高地应力区，最大主应力方向略显杂乱，但具有一定的分带性。左岸总体上为NNW向，靠外地应力有构造应力与自重应力的叠加，向内以水平应力为主，倾角靠外相对较陡，向深部变缓，地形上为一凸岸。地形上坡度呈40°～46°，局部达到50°～61°，基岩裸露。

地下厂房三大洞室水平埋深均达300 m以上，垂直埋深近500 m，岩性为似斑状黑云钾长花岗岩，厂房平硐400 m处最大主应力达到37.82 MPa。水平深度0～45 m为地应力降低带，45～400 m为地应力增高带，400 m以里为地应力平稳带。应力水平呈外低内高、上游低下游高的趋势。厂房岩性单一，多为似斑状黑云钾长花岗岩，以Ⅲ类围岩为主。岩体新鲜坚硬，完整性较好，多呈块状～整体状结构，仅发育一条次级小断层(f1断层)。1#机与2#机间贯穿f1断层(N79°W/SW∠48°，宽50～60 cm，岩性为糜棱岩)和一条从副厂房下游及4#机组段上游侧穿过的煌斑岩脉(N35°～50°W/SW∠72°～75°，宽度80～110 cm)。f1断层向下游延伸穿过主变室和尾调室临河侧端墙顶部。

尾水隧洞围岩为似斑状黑云钾长花岗岩，岩石致密坚硬。岩体中主要发育四组裂隙，裂隙间距较大，岩体多呈块状～整体状结构，局部呈次块状和镶嵌结构，以Ⅲ类围岩为主。局部洞段发育小断层，岩体较破碎，为Ⅳ～Ⅴ类围岩，且部分缓倾裂隙和顺洞向中陡倾角裂隙可能引起塌落和掉块。f2断层贯穿两条尾水隧洞和厂房交通洞，断层产状N33°W/NE∠88°，宽度80～140 cm，岩性为糜棱岩。

尾调交通洞岩体以次块状～块状结构为主，围岩类别以Ⅲ类为主，洞壁整体稳定性较好。进口表浅岩体受风化卸荷影响，局部稳定性较差。

2.3主要工程量

双江口水电站地下厂房主要工程量包括：土石方明挖28.21万m3，洞挖141.6万m3，混凝土43.55万m3，喷射混凝土5.14万m3，锚杆18.4万根，锚索0.25万束，回填灌浆8.02万m2，固结灌浆3.59万m，帷幕灌浆13.98万m。

3地下厂房洞室开挖施工

3.1开挖顺序

为减少洞周位移，缩小围岩扰动和破坏区范围，确定双江口水电站厂房洞室开挖顺序为：先开挖主厂房上层(岩壁吊车梁以上)及尾调室上层(25 m)，再进行主变室的开挖，主变室与厂房中层(35 m)同期开挖，尾调室下层开挖在厂房开挖结束后进行。

3.2开挖分层

双江口水电站主厂房开挖分9期，主变室分4期，母线洞分2期，尾水连接洞2期，尾调室分9期，尾水洞分3期。

厂房洞室开挖分六个开挖区，各开挖区分上、中、下三个开挖分层。主厂房为“1”区、尾水连接洞为“2”区、母线洞为“3”区、主变室为“4”区、尾调室为“5”区、尾水洞为“A6”区和“B6”区。

主厂房开挖分区按三个分层、十个分期开挖，上层开挖高度为14.35 m，分两期开挖，即“1-Ⅰ”、“1-Ⅱ”期；中层开挖高度为34.36 m，分五期开挖，即“1-Ⅲ～1-Ⅶ”；下层 开 挖 高 度 为

14.59 m，分三期开挖，即“1-Ⅷ～1-Ⅹ”。

主变室开挖分区按三个分层、四个分期开挖，上层一个分期(“4-Ⅰ”，6 m)，中层两个分期(“4-Ⅱ”、“4-Ⅲ”，6.1 m、6.3 m)，下层一个分期(“4-Ⅳ”，7.59 m)。

尾调室开挖分区按三个分层、九个分期开挖，上层开挖高度为25 m，三个分期(“5-Ⅰ～5-Ⅲ”)；中层开挖高度为31.5 m，三个分期(“5-Ⅳ～5-Ⅵ”)；下层开挖高度为19.5 m，三个分期(“5-Ⅶ～5-Ⅸ”)。

3.3施工通道布置

除压力钢管运输通道采用10 m×8 m(宽×高)的城门洞断面外，其余施工通道断面均采用7.8 m×7.1 m(宽×高)的城门洞断面。通道坡度不大于10%，满足4 m3装载机配25 t汽车运输要求。各施工通道特性及功能说明见表1、2。

3.4施工总程序

地下厂房洞室开挖总体施工方案为：先开挖主厂房上层(岩壁吊车梁以上)及尾调室上层，随后开挖主变室，主变室与厂房中层同期开挖，尾调室下层在厂房开挖结束后进行；厂房尾水洞与厂房和尾调室开挖同步进行。

地下厂房洞室开挖总体施工程序为：利用主

表1　厂房洞室开挖施工通道特性表

表2　厂房洞室开挖施工通道功能说明表

厂房排风洞施工通道进行主厂房、主变室、尾调室上部开挖；利用厂房交通洞施工通道进行三大洞室中部开挖；利用压力钢管下平段施工通道首先进行厂房排水廊道、灌浆廊道开挖，同时进行三大洞室中下部开挖。实施每期开挖、锚杆、锚索、挂网、喷射混凝土等施工工序，进行平行流水作业。

单个洞室施工程序为：先拱后墙，先幕后洞，先洞后墙。先拱后墙，即先开挖顶拱，在顶拱部位加固与支护、不稳定切割体治理完成后，再进行下一台阶开挖；先幕后洞，即完成底层施工期防渗帷幕灌浆后再进行下部洞室开挖；先洞后墙，即在附属洞室与大洞室相通部位完成洞口锁口和系统支护完成后再开挖高边墙，并在洞与洞、洞与井等交叉部位提前做好超前支护和加强支护工作。

4工期安排

结合双江口水电站地下厂房高地应力特点，经分析确定地下厂房开挖工期为30个月、尾调室开挖工期为19个月、主变室开挖工期为14个月、尾水隧洞开挖工期为27个月。双江口水电站地下厂房开挖工期与国内其他工程开挖施工期比较见表3，主厂房各开挖分期工期安排见表4。

5施工强度

为满足截流后第6年年底发电的要求，厂房交通洞和排风洞开挖应于截流当年3月开始施工，厂房顶拱开挖应于截流后第1年的3月开始施工。

表3　双江口水电站主厂房开挖工期与国内其他工程比较表

表4　主厂房各开挖分期工期安排与国内其他工程比较表

注：表中项目顺序为“瀑布沟/向家坝/双江口”。

地下厂房系统三大洞室的上、中、下层均设置了施工通道，三大洞室各层施工主通道在时间上基本错开使用。根据厂房洞室群结构特点，采用单工作面进行地下厂房开挖，主厂房开挖工期为30个月。根据工程施工总进度，按厂房各洞室群开挖工期安排和开挖施工程序要求，经三维施工仿真分析，逐层编排进度，截流当年至截流后第4年，各年度开挖量分别为4.66万m3、10.01万m3、41.23万m3、36.38万方、6.18万m3，最高年开挖强度出现在截流后第二年，达41.2万m3；最高月强度出现在截流后第二年7、8月份，分别达到4.1万m3、4.3万m3。截流当年，平均月开挖强度4 600 m3；截流后第1年平均月开挖强度位8 400 m3，截流后第2年月平均开挖强度为3.43万m3，截流后第3年月平均开挖强度为3.03万m3，截流后第4年月平均开挖强度为5 200 m3。主厂房最高月开挖强度为1.78万m3，出现在截流后第2年上半年；尾水洞最高月开挖强度为2.77万m3，出现在截流后第3年；主变室最高月开挖强度为1.1万m3。

6结语

笔者通过对双江口水电站地下厂房开挖进行三维施工仿真分析，以较为紧凑的方式进行施工布置，安排厂房开挖施工进度与强度，该研究成果对双江口水电站引水发电系统施工组织方案设计具有一定的借鉴意义。通过分析，笔者认为以下三方面需重点关注：

(1) 虽然引水发电系统施工不制约双江口水电站首台机发电工期，但其施工工期与大坝关键线路工期相差仅6个月，考虑到该地下厂房地应力高、不确定因素多且可研阶段考虑的首台机安装调试工期为12个月(同瀑布沟、三峡水电站最短机组安装工期)，机组安装工期较短等因素，对双江口水电站引水发电系统的施工进度应引起足够重视。

(2) 鉴于双江口水电站地下厂房岩体地应力高达37.82 MPa，应深入开展高地应力厂房围岩稳定与支护关键技术研究，科学合理地确定地下厂房开挖与支护参数，确保围岩稳定和工程安全。为此，经主厂房排风洞开凿厂房上导洞，提前埋设相应的监测设备，开展主厂房洞室原位地应力测试和相关试验研究工作具有非常重要的意义。

(3) 厂房排风洞及交通洞应在工程截流当年年初开工，且厂房上导洞宜紧随排风洞之后一次贯通并采用反井钻机造孔，与厂房交通洞贯通，形成直径1.4 m的通风井，为厂房后续开挖创造良好的通风环境。

(责任编辑：李燕辉)

彭旭初(1984-)，男，湖北麻城人，处长助理，工程师，硕士，从事水电工程建设技术和管理工作.

作者简介:

文章编号:1001-2184(2016)02-0076-05

文献标识码:B

中图分类号:TV7;TV22;TV554;TV52;TV51

收稿日期:2015-07-07