巴基斯坦SK水电站地下厂房顶拱层开挖施工技术研究

张宏山

摘 要：巴基斯坦SK水电站地下厂房位于整个工程的关键线路，其所处地质条件差，开挖工期紧，厂房顶拱层开挖成功与否关系到整个项目的成败。文章通过对厂房顶拱层施工布置、施工难点、施工程序及施工方法的研究分析，确保了合同履约。相关参数可供类似工程借鉴和参考。

关键词：地下厂房；顶拱层；开挖

中图分类号：TV731 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）33-0157-03

Abstract： The underground powerhouse of SK Hydropower Station in Pakistan is located in the key line of the whole project. Its geological conditions are poor and the excavation period is short. The success or failure of the excavation of the roof of the powerhouse is related to the success or failure of the whole project. Through the research and analysis of the construction layout， construction difficulties， construction procedures and construction methods of the roof of the powerhouse， the contract performance is ensured. The related parameters can be used for reference in similar projects.

Keywords： underground powerhouse； roof arch floor； excavation

1 工程概况

巴基斯坦SK水电站项目位于巴基斯坦北部开伯尔-普赫图赫瓦省（KPK）的曼瑟拉地区，距离伊斯兰堡约256km，距离尼鲁姆-杰卢姆水电站107km。SK项目为长隧洞引水式发电站，引水隧洞长为22.618km，最大静水头922.72m，共安装4台单机容量为221MW的冲击式水轮发电机组，总装机容量约为884MW。工程主要建筑物包括：沥青混凝土心墙堆石坝、溢洪道、取水口、引水隧洞、调压井、压力竖井、地下厂房、主变室、尾水洞、厂房交通洞等。

SK水电站地下厂房布置在Mangial沖沟右岸山体内，水平埋深800m，垂直埋深约400m；整体走向NE向，厂房与主变室距离约44m。厂房长134.6m，宽26m，高54.8m，高程EL.1351.6m～EL.1296.70m；其中，吊车梁以上开挖跨度27.7m，下部开挖跨度26m。

2 工程地质

SK地下厂房埋深部位岩性主要为变质玄武岩，由于埋深较大，推测厂房部位岩体的风化程度为微风化～新鲜，岩体强度属于硬岩。厂房部位岩体片理产状整体走向为NE向，倾向为NW向，倾角以60°～80°为主，地表局部受构造、卸荷等影响，倾角相对较缓。根据厂房附近地表裂隙统计成果，厂房部位裂隙以陡倾角为主。根据物探测试结果，可能有局部较大渗水。

3 施工重点难点及对策

（1）SK水电站地下厂房顶拱开挖跨度大。同时，根据勘探结果显示，厂房顶拱西南角位置，岩体为强风化，软硬岩呈互层状，稳定性较差。对策：厂房顶拱层按照“分部开挖，分部支护”的原则施工，先开挖中导洞，再进行上下游两侧扩挖支护。同时，利用地质雷达，对掌子面15m范围进行预报，并根据预报结果，对不良地质位置，做好超前支护。必要时，先固结灌浆再采用浅钻孔、弱爆破、短循环的施工方法实施，最大程度上减少对周边岩体的扰动。（2）洞室开挖过程中，地下水可能沿裂隙密集带发生较大的流水。对策：采用红外探水仪，进行超前勘探；对可能存在的涌水位置，采取灌浆，降低其渗透性或形成帷幕阻水；查勘地表水源，截断补给水源，降低地下水位；采用超前钻排水方式进行处理；另外，加强支护和系统支护均及时跟进。（3）厂房顶拱层开挖期间，对外通风口仅为主交通洞，通风散烟难度大。对策：合理安排中导洞放炮和上下游边墙放炮时段，同时，采用2*132kV双主机大功率轴流风机进行压入式通风，将新鲜空气送到工作面。（4）根据总体进度要求，SK地下厂房顶拱层开挖支护工作必须在3个月内完成，甚至更短，才能弥补前期征地和地质条件差带来的工期延误。对策：顶拱层采用分区分块平行作业的方式进行。

4 施工布置

根据地下厂房总体布置（见图1），为确保顶拱层开挖施工顺利推进，洞内风水电的合理布置是关键，具体如下：（1）供风：厂房顶拱层开挖支护供风从主交通洞，经A11支洞接入，供风采用DN150mm的钢管，沿厂房下游侧敷设，随开挖掌子面掘进而延伸。边墙扩挖和中导洞开挖同时施工期间，中导洞供风，由供风主管分叉一个80mm的钢管供风。掌子面20m～40m范围采用胶管供风。（2）供水：采用DN100mm的钢管，经A11支洞接入供水，供水管沿厂房下游敷设，布置在供风管上面，每60m装一个枝状叉头。（3）排水：在厂房下游侧开挖底板低洼处布置临时集水井，并视现场情况设临时排水沟，将施工废水及地下渗水通过排水沟引排至集水井，工作面积水通过1～2台7.5kV潜水泵抽排至临时集水井中，再通过A11支洞自流排水沟排至主交通洞主泵站，经主泵站排出。（4）动力供电和照明：动力供电和照明均从设在主交通洞的630kVA箱变接入主厂房，动力电采用电缆线，照明采用三相四线铝芯线，均布置于厂房下游侧，布置高度与A11支洞一致。洞内交通照明采用每5～8m一盏50W节能灯，掌子面采用2座1kV聚光灯投射照明。（5）通风排烟：厂房顶拱层开挖通风采用一台2*132kV的轴流风机接φ1800mm的柔性风筒，经A11支洞供风。

5 施工程序

根据SK地下厂房结构特点和进度要求，施工程序按以下原则安排：（1）地下厂房整体分为7层，见图2（地下厂房分层分块图）。其中厂房顶拱层开挖高度9.0m，高程EL.1342.6m，采用“先开挖中导洞，后扩挖两侧；常规支护跟进，加强支护略后”的原则施工。中导洞为10m×9m（宽×高）城门洞型，两侧扩挖宽度均为8.85m。

（2）厂房顶拱层中导洞开挖，初期支护采用喷钢纤维混凝土加系统锚杆的方式跟进掌子面。待中导洞开挖及常规支护完成1/2～2/3左右时，再进行上下游两侧扩挖，扩挖分区间下图。上下游侧扩挖支护共分为6个区域，施工顺序为：1区→2区→3区→4区→5区→6区，扩挖区域及相邻中导洞区域的加强支护，随扩挖区域开挖完成后，及时实施。两侧拱肩位置的系统锚杆和预应力锚杆待厂房第二层开挖完成后实施。

6 施工方法及工艺要求

6.1 开挖方法

厂房顶拱层中导洞开挖：厂房顶拱层开挖高度为9.0m，分为中导洞开挖和两侧扩挖。支洞开挖至厂房南端面时，沿着中导洞轴线逐渐将断面扩大至中导洞设计断面，中导洞继续向厂房北端面开挖，开挖完成1/2至2/3左右时，即开始下游侧边墙扩挖。中导洞采用中部掏槽、顶拱及侧墙光爆的方式一次性开挖至设计断面。开挖采用多臂台车或人工在钻爆台车上配气腿钻钻孔，2.3m3侧卸装载机装渣，20t自卸汽车出渣。

顶拱层两侧扩挖：顶拱层两侧扩挖按6个区域间隔同步施工，侧拱和侧墙均采用光面爆破以保证厂房设计轮廓面质量。两侧扩挖时，先进行常规支护，再和相邻中导洞段实施加强支护（锚索或预应力锚杆）。但由于顶拱拱肩位置距离底板高度只有2.4m，不具备实施长锚杆和预应力锚杆的空间要求。因此，在第二层两侧开挖完成后再安装两侧剩余的长锚杆和预应力锚杆。锚杆和锚索采用多臂台车和D7造孔，移动平台配合人工安装锚杆和挂网，喷射混凝土采用湿喷台车。

6.2 开挖工艺

厂房顶拱层开挖施工工艺流程：施工准备→测量放样→钻孔→装药→爆破→通风散烟→排险→出渣→地质编录→基面验收→初喷混凝土→锚杆→挂网复喷（→锚索（预应力锚杆）→终喷砼）→下一循环流程。

主要工序作业措施为：（1）施工准备：洞内风水电和人机具需全部就位。（2）测量放样：根据厂房顶拱层典型断面和纵剖面设计，以及爆破设计参数，在每一循环钻孔之前，对周边轮廓线和洞顶洞底中心线进行测设，并随着掌子面的前进，每隔10m在下游边墙设置桩号牌。（3）钻孔作业：采用两臂钻机和YTP28气腿钻进行钻孔，孔径φ42mm。钻孔要求 “平、直、齐”，孔底在同一个铅直断面上；为了减少超挖，周边孔在设计轮廓线上开孔，钻孔外偏角控制在设备所能达到的最小角度，一般控制在10度以内。（4）装药爆破：装药之前，质检员根据爆破设计，对孔数、孔位以及孔的角度进行检查，对不符合设计要求的炮孔，要重新补钻。装药顺序为自上而下，其中掏槽孔和崩落孔连续柱状装药；周边孔间隔装药。联线时，要严格按爆破设计中的段位连接，并理顺导爆管，以防爆破网络被炸断，造成盲炮或者哑炮。炮孔堵塞时可利用湿润的纸板、黄泥或炮渣进行堵塞，堵塞程度不小于孔位的最小抵抗线。（5）通风排烟：放炮后，至少确保20～30分钟通风散烟，同时，定期对掌子面的有害气体进行检测，必要时，适当的延长排烟时间。另外，对爆破渣堆进行洒水除尘。（6）排险：通风排烟后，先用1.0m3反铲对于掌子面、边墙、顶拱上的浮石进行剥离，然后由经验丰富的作业人员配合自制的剥落台车进行剥离排险。（7）出渣：采用1.0m3反铲和2.3m3装载机配合20t自卸汽车出渣。（8）测量及地描：出渣后，由测量人员对断面进行复测，记录超欠挖数据，如有欠挖，则进行布孔爆破。之后，由地质人员对开挖段的围岩特性、构造、节理层理、裂隙、地下水等地质状况进行描绘和记录。（9）围岩支护：每排炮开挖结束后，初喷5～6cm的钢纤维混凝土，及时封闭岩面。其余的系統支护视围岩类别和现场实际而定。

6.3 爆破设计

根据以往的施工经验，采用中间楔形掏槽，周边光面爆破的方式。主要钻爆参数：钻孔孔径φ42mm，药卷直径为φ25（主要用于周边孔）和φ32mm，其中掏槽孔和崩落孔连续装药；周边孔间隔装药。Q2和Q3类围岩，每一循环进尺控制在3.4m左右，掏槽孔单孔药量为2.1kg，崩落孔单孔药量为1.7kg左右，底孔单孔药量为2kg左右，周边孔孔距68mm，单孔药量为0.45kg。Q4和Q5类围岩，每一循环进尺控制在2m左右，掏槽孔单孔药量为1.2kg，崩落孔单孔药量为1.0kg左右，底孔单孔药量为1.2kg左右，周边孔距52mm，单孔药量为0.3kg。

6.4 锚杆施工

造孔：对于长度小于5m的锚杆，采用移动式支护台车配气腿钻进行钻孔，对于7m锚杆，采用两臂钻造孔，孔深、孔位和角度均按设计图纸实施。

清孔：钻孔后注浆前，沿钻孔用压力风或水彻底冲洗，将孔内的岩粉、岩泥等杂物清除干净。

注浆：锚杆注浆采用移动式台车作为工作平台，麦斯特注浆机注浆，采用D25mm的PE注浆管，注浆前，先将注浆管插入孔底，开始注浆，注浆过程中，注浆管缓缓地从孔底拉出，确保孔内注满浆。尤其，顶拱注浆必须采用止浆塞，以防止浆液损失，同时，也可以对锚杆起到固定作用。

杆体安装：在移动式平台上人工安装锚杆，必要时采用机械辅助安装。有锚定板的锚杆，锚杆端部伸出螺母外的长度不应超过50mm，但也不能过短，不利于后续无损检测。灌浆岩石锚杆的螺母应拧紧；根据试验水泥浆的硬化情况，确定锚杆旋紧时间。

6.5 锚索施工

厂房顶拱层设有4排长20m锚索，和4排长12m的预应力锚杆，上下游边墙分别布置有长20m的锚索。拟采用锚索钻机、多臂钻及D7液压钻机造孔；锚索灌浆使用ZJ-800高速制浆机拌制，3SNS注浆泵注浆；张拉设备使用YCW250，YCW150和YKD18千斤顶配合ZB4-500电动油泵张拉。其中，钻孔时，若若出现不回风（水）、不返碴、塌孔、卡钻现象或因地质复杂节理裂隙发育，渗水量较大及岩石破碎等情况，应先进行灌浆处理。然后，再复钻，钻孔结束后，清孔，并做好孔口保护。厂房锚索在交通洞洞口平台编制后，采用人工肩扛或定制小推车的方式，运至工作面，并按预先做好的编号，对号穿入孔道内。穿索完成后，安装好工作锚板、夹片和限位板。之后，进行锚索灌浆。锚索灌浆采用一次性灌浆法。即采用高速搅拌机拌制水泥浆，从进浆管连续缓慢灌注浆液，待排气管（回浆管）返浆，返浆比重和进浆比重相当时，认为孔道已经充填密实。注浆过程中做好有关记录，必要时按要求做好试块。另外，当锚墩达到设计强度后即可进行张拉，张拉需先进行整体预紧，确保锚索各个部件受力均匀，不出现应力集中现象。张拉加载速率宜控制在设计预应力值0.1Nt/min左右，卸荷载速率宜控制在设计预应力的0.2Nt/min；张拉完成后，进行封锚，锚索外锚头安装保护罩，保护罩内锚索部件涂防腐油脂。

6.6 挂网施工

地下厂房钢筋网片采用人工配支护台车实施。利用电锤进行钻孔，φ10插筋条固定钢筋网。安设时要求钢筋网紧贴岩面、横平竖直。

6.7 喷混凝土施工

厂房边顶拱喷射混凝土为钢纤维砼，喷射厚度20mm，分三层实施。采用湿喷台车或机械臂湿喷机进行喷射施工，喷射料由尾部HZS60拌和站集中拌制，采用6m3混凝土搅拌车运送至施工现场。喷护前，采用高压风或者高压水，对岩面进行清理，喷射混凝土自下而上分段分片依次进行，初喷厚度为50～60mm，复喷及终喷最大厚度控制在70mm左右；在先前层养护最小达到2小时之前，不能实施随后层。另外，为确保喷护厚度，可预先采用钢筋短桩做厚度标尺。喷护混凝土应连续洒水至少保持湿润7天，在养护期结束时，应避免迅速干燥。所有回弹喷浆混凝土及所有超范围的喷浆混凝土应被清除。

7 施工进度

通过上述合理的分区分块和工序衔接，厂房顶拱层开挖支护预计将在3个月内完成，其中中导洞计划35天完成，厂房上下游扩挖支护计划55天完成。

8 结束语

巴基斯坦SK水电站地下厂房工期紧，结构复杂，本文通过详细分析和研究，细化了施工分区，优化了工序衔接，同时，对开挖爆破等相关参数和工艺进行研究分析，确保了地下厂房开挖施工进度，为合同最终履约奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]李荣利，李立新.浅析地下厂房施工中的开挖技术[J].科技企业家，2012（16）.

[2]DLT 5397-2007 水电工程施工组织设计规范[S].

[3]DLT 5135-2013 水电水利工程爆破施工技术规范[S].

[4]DLT 5083-2010 水电水利工程预应力锚索施工规范[S].