某水电站地下厂房开挖支护设计

杨 曼，陈 琰，向贤镜，陈小东

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司成都分院，四川 成都 610091）

1 概述

该水电站系水洛河干流（额斯～捷可）水电规划“一库十一级”的第六个梯级。该水电站采用引水式开发，工程枢纽由挡泄水建筑物+右岸长引水系统+右岸地下厂房组成，为三等中型工程。地下厂房位于右岸山体内，内设3台混流式水轮发电机组，装机容量138 MW，单机为46 MW。

地下厂房洞室群主要包括：主副厂房、主变洞、母线洞、尾水洞等建筑物。该工程主副厂房与主变洞平行布置。主副厂房总长79.8 m，其中主机间长44.8 m，安装间长19.8 m，副厂房长15.2 m。主副厂房断面为弧拱直墙型，主厂房岩壁吊车梁以上开挖跨度19.8，以下18.4 m；主机间最大高度41.8 m。安装间跨度与主机间相同，最大高度30.5 m；副厂房跨度13.6 m，高度30 m，集水井位置副厂房最大高度为47.3 m。

主变洞尺寸50.1 m×13.6 m×27.8 m（长×宽×高）。主副厂房与主变洞之间岩柱厚25 m，最小岩柱厚度22.8 m。

主机间与主变洞之间设三条母线洞，母线洞宽5.3 m，高5.5 m，母线洞底高程与发电机出线层同高为2 164.80 m。相邻母线洞之间岩柱厚6.5 m。

尾水洞布置于母线洞下方，尾水洞按有压洞设计，每台机组设一条尾水洞，洞断面为城门洞型，宽5.2 m，高7 m，共三条。三条尾水隧洞平行布置，中心线距离为13.5 m，长度为165.0 m。相邻尾水洞之间岩柱平均厚7 m。尾水洞与母线洞之间岩石厚度最薄处为3.3 m。

2 地质条件及洞室概况

地下厂房岩层单斜，似层面产状N47°～55°W，NE∠59°～66°，岩层走向与洞轴线方向交角42°～50°。未发现规模较大的断层。另外平硐底部揭露的 4条夹层（J1～J4），产状 N46°～49°W，NE∠54°～66°，一般宽2～8 cm，最大达20 cm，平直稍粗，物质成份为灰色母岩碎块碎片（约占55%）、白色石英脉（约占40%）及少量泥（约占5%）。按似层面推测延伸至主厂房中部、北端和主变洞的中部、南端。

主厂房洞室顶部岩体覆盖厚100～170 m，外侧水平岩体覆盖厚95～140 m。主变洞顶部岩体覆盖厚60～100 m，外侧水平岩体覆盖厚65～92 m，该地下厂房洞室群布置空间交错，岩体覆盖较薄。主厂房与主变洞围岩以T1l1似厚层夹少量似薄层玄武岩为主，岩石完整性较好，但夹层胶结差。影响地下厂房洞室围岩局部稳定的主要因素为结构面的组合与夹层的影响。尤以有J1～J4夹层分布的副厂房洞段顶拱更为明显。地下水活动状态为潮湿、渗水及局部线状流水，据PD5号平硐揭露主要有6处沿裂隙集中出水点，所以施工期和运行期需采取有效的排水措施。

3 地下厂房洞室群开挖

3.1 开挖设计原则

1）主厂房跨度较大，顶拱成型好坏，直接关系厂房围岩的稳定和运行的安全。根据围岩情况，应选择最优循环进尺和钻爆方案，避免使围岩出现不利的应力状态和承载条件。

2）与主厂房、副厂房交叉的各施工支洞、进厂交通洞、压力管道和通风洞等所有交叉口，应在主、副厂房开挖前开挖完并做好锚喷支护，并对叉洞口周围的岩体采取必要的加固处理措施。

3）岩锚吊车梁岩台开挖是地下厂房开挖施工中难度最大、质量要求最高的项目，且岩台成型好坏直接影响到厂房吊车的安全运行。为保证岩锚吊车梁岩台的开挖质量，必须通过现场爆破试验确定有关爆破参数和具体实施方案。

4）锚喷支护必须紧跟开挖工作面。

3.2 开挖设计方案

主、副厂房洞室开挖可利用的施工线路有：厂区3号施工支洞、进厂交通洞、压力管道及尾水隧洞。通过建立分步开挖的有限元模型来模拟现场实际施工情况，以洞室各层开挖过程中围岩产生的增量位移、喷层的应力及锚杆应力等资料，正确指导地下洞室的掘进和喷锚支护的设计和施工。根据已建工程经验，按施工组织设计要求，拟定了地下厂房洞室群开挖分层方案。

该地下厂房洞室群开挖分层见图1。开挖顺序示意图见表1。

图1 地下厂房洞室群施工开挖分层示意

主副厂房分6步开挖。

第一步：主副厂房从高程2 193.8 m顶拱开挖至高程2 188 m处。

第二步：主副厂房从高程2 188 m开挖至高程2 179.5 m处，高程2 193.8 m至高程2 188 m高程以上已完成锚喷支护。主变洞从高程2 198.60 m开挖至2 190.6 m处。

第三步：主副厂房从高程2 179.5 m开挖至高程2 171.5 m处，2 179.5 m高程以上已完成锚喷支护，且高程2 183.8 m处岩壁吊车梁混凝土已浇筑完毕。主变洞从高程2 190.6 m开挖至2 182.6 m处，并已完成2 190.6 m高程以上的锚喷支护。

第四步：主副厂房从高程2 171.5 m开挖至高程2 163.5 m处，2 171.5 m高程以上已完成锚喷支护。同期主变洞开挖已全部完成（至底板2 171.6 m处），主变洞2 182.6 m高程以上已完成锚喷支护。2号、1号、3号（或1号、3号、2号）母线洞已陆续全部开挖、支护完成。

第五步：主副厂房从高程2 163.5 m开挖至高程2 157.3 m处（2 157.3 m高程以下部分已通过尾水洞开挖完成），高程2 163.5 m以上已完成锚喷支护。同期主变洞锚喷支护全部完成。

表1 地下厂房洞群开挖方案

4 地下厂房洞室群支护设计

4.1 支护设计原则

1）该工程主要采用数值模拟方法及已建工程经验类比法。

2）开挖施工过程中，充分发挥围岩本身的自承能力，以系统喷锚支护为主，局部加强支护为辅，并与随机支护相结合。

3）支护参数应根据现场开挖揭露的实际地质情况和围岩监测及反馈成果，进行动态设计。

4.2 支护设计方案

根据工程类比法和块体理论得出的围岩系统支护措施，该水电站地下厂房和主变洞的系统锚杆长度为6.0 m/9.0 m间隔布置，系统锚杆间排距为1.5 m×1.5 m。顶拱和断层破碎带需采用挂网喷混凝土，其余部位可喷钢纤维混凝土或素混凝土。锚杆杆材取直径28 mm的HRB400钢筋。

4.3 加强支护区域

除了系统支护外，还需对特殊部位进行加强处理，对洞室交岔部位，除增加锁口锚杆外，在交岔处采用钢筋混凝土锁口衬砌；为改善母线洞运行条件，采用全断面钢筋混凝土衬砌；对断层和节理密集带，除将系统锚杆加长外，另设加强锚杆和锚筋桩；对不稳定块体采用随机加强锚杆、锚索予以加固。

从围岩塑性区分布结果看，洞室第1层开挖，顶拱局部出现塑性区，随着洞室向下部开挖，顶拱的塑性区扩展的范围和向围岩深部延伸的深度很小；洞室高边墙围岩塑性区随着洞室下部开挖，扩展的范围和向围岩深部延伸的深度也逐步增加，到开挖结束即第5期开挖结束后，地下厂房上游边墙塑性区在围岩中最大延伸深度8.4 m，顶拱为3.5 m；主变洞下游边墙局部（上部）出现塑性区，塑性区在围岩中最大延伸深度8.0 m，顶拱为3.4 m，地下厂房与主变洞之间的隔墙被塑性区贯穿。出现这种现象主要原因是隔墙两侧上下游临空的直边墙较高。

除地下厂房与主变洞之间的隔墙外，系统锚杆的长度基本超过70%的塑性区深度，顶拱的系统锚杆均超过塑性区深度，并且有较大的富裕度。从这点看，在地下厂房与主变洞之间的岩墙上，适当增强支护措施是有必要的，该工程分别在2 184.5 m和2 176.00 m高程，增加了两排1 500 kN的预应力对穿锚索。

5 地下洞室群开挖支护过程围岩稳定分析

从围岩变形结果看，地下厂房洞室第1层开挖，顶拱围岩向洞内最大竖向变形为11.0 mm，随着洞室向下部开挖，顶拱围岩向洞内变形逐渐增加；主变洞第1层开挖，顶拱围岩向洞内最大竖向变形为8.0 mm。随着洞室向下部开挖，边墙和顶拱围岩向洞内的变形也随之逐渐增大，其中第4期开挖，围岩变形幅度最大，约为全部变形的30%～55%；两大洞室开挖结束后，地下厂房洞室的上游边墙、顶拱、下游边墙向洞内水平变形（或垂直变形）分别为27.0 mm、24.0 mm、36.0 mm；主变洞的上游边墙、顶拱、下游边墙向洞内水平变形（或垂直变形）分别为20.0 mm、16.2 mm、24.0 mm。分期开挖洞周最大水平变形（或垂直变形）统计，见表2。

表2 围岩变形与分期开挖统计表

6 结语

为了降低岩墙在洞室开挖过程中的卸荷损伤程度，提高安全富裕度，主厂洞与主变洞之间岩墙增加1 500 kN的预应力锚索是很有必要的，对穿锚索施工后，主厂洞与主变洞之间岩体变形监测值，趋于稳定并在围岩变形限制范围内。其余部位设置多点位移计、锚杆测力计及锚索测力计等监测设备，从监测数据可以看出，该水电站地下厂房洞室群开挖施工方式及围岩系统支护措施是合理的，在系统支护及加强支护联合作用下，地下厂房洞室群围岩整体处于稳定状态。

［参 考 文 献］

［1］严军，肖培伟，孙继林瀑布沟水电站地下厂房开挖施工综述［J］.水力发电，2010，36（6）.

［2］刘一，魏映瑜.大岗山水电站地下厂房洞室群开挖支护设计［J］.人民长江，2012，43（22）.