水电站大型地下厂房顶拱开挖施工技术

吴卉芬

摘 要：对大型地下厂房开挖技术、开挖方法及高边墙变形检测技术进行研究，对提升工程建设质量与施工技术管理效率具有重要意义。本文以某工程作为研究对象，对该项目地下厂房顶拱层开挖技术问题进行研究，分析该厂房顶拱的受力特征，并运用“新奥法”概念针对厂房顶拱层不同围岩状况下开挖施工程序进行合理选择，最终确定不同围岩地质条件下的开挖施工方法，具有重要的理论与实践意义。

关键词：水电站;地下厂房;顶拱;施工技术

中图分类号：TV554文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）31-0070-03

Analysis of Construction Technology for Top Arch Excavation of

Large Underground Powerhouse of Hydropower Station

WU Huifen

（SINOHYDRO Bureau 12 Co.， Ltd，Hangzhou Zhejiang 310000）

Abstract： Research on large underground powerhouse excavation technology， excavation method and high side wall deformation detection technology is of great significance to improve the construction quality and construction technology management efficiency. This paper took a project as the research object， studies the excavation technology of the top arch of the underground powerhouse of the project， analyzed the stress characteristics of the top arch of the plant， and uses the concept of “new Austrian law” to target different surrounding rock conditions of the top arch of the plant and finally determined the excavation construction method under different surrounding rock geological conditions， which had  important theoretical and practical significance.

Keywords： hydroelectric power station;underground plant;top arch;construction technology

1 当前大型地下厂房施工状况分析

我国对于隧洞开挖方法的研究起步相对较晚，但研究速度较快。自20世纪60年代以来，在隧洞开挖实践中，我国就开始推广应用喷锚支护新技术[1]。根据相关统计，至1981年底，我国应用喷锚支护技术的地下工程和井巷，其长度累计已达7 500km[2]。鲁布革水电站引水隧洞于20世纪80年代开始动工，在施工过程中，应用了成套的地下工程开挖支护设备，凿岩台车、全断面光面爆破和非电毫秒雷管等技术也在工程中得到使用，平均月进尺达231m，甚至打破了月进尺373.5m的最高纪录[3]。此外，二滩水电站、小浪底水电站、广州抽水蓄能电站也都采用了钻孔、装载运输设备等现代化技术，使得我国地下工程施工效率与质量得到大幅提升。

广蓄一期工程地下厂房施工项目，在施工中遵循了“平面多工序、立体多层次”的施工原则，取得了良好的施工效果。该地下厂房整体施工方案为分层开挖，顶拱部分采用凿岩台车进行钻孔，先掘进中导洞，同时在两边采用扩大开挖方式进行跟进;利用潜孔钻开挖中部2～6层，对于大孔径梯段则选用爆破开挖方法。上部施工过程中，还进行了厂房下层开挖，从引水支洞和尾水管进入，这样就能实现立体交叉施工，极大地加快了施工进度。

通过总结龙滩、小浪底等水电站的施工经验，并经综合分析，本文针对地下厂房施工技术，如分层开挖、顶拱和岩锚梁开挖等技术进一步实施创新，提出了一系列厂房顶拱和下部开挖建议。溪洛渡右岸地下厂房整体施工难度较大，通过结合实际情况，分析应力波理论与开挖爆破损伤范围，提出了“特大型地下洞室优化开挖程序”，采用這种经过优化的开挖程序，效益非常显著，开挖大跨度地下洞室时，不再设置边墙保护层，采用直墙深孔预裂爆破技术进行轮廓控制;爆破后，在岩体与洞室边墙之间，会产生一条裂缝，能够有效降低爆破振动影响，洞室边墙损伤也会降到最低。

2 大型地下厂房施工中顶拱层开挖施工技术

2.1 顶拱受力特征

在大型地下厂房洞室开挖施工过程中，因岩体自身存在结构面，开挖后，洞室应力也会重新进行分布，再加上爆破时会产生振动影响，所以可能会导致洞室顶部特定范围内岩石松动，形成一个破坏圈。岩石松动圈在与岩体产生分离后，在一定条件下会向洞室内进行移动，而岩石内聚力会阻止其移动，如果阻止不了，坑道顶部就可能发生塌方。因此，要对松动圈内岩石进行加固，引导自然拱内边界进行移动，最终移向隧洞轮廓线。

分析上述理论可知，隧洞顶部岩石承重拱受到四个因素影响，即岩石地质条件、洞室上部轮廓形状、洞室跨度及围岩加固手段。在洞室处于完整坚硬岩石的条件下，跨度相对较小的高拱隧洞最有可能形成岩石拱;跨度大、顶拱平缓的隧洞，则不易形成承重岩石拱。

加固围岩的主要目的是提高岩体承重能力。因此，在进行加固的时候，其范围必须要大于爆破松动圈，并延伸到未受爆破影响的岩体中，从而使其更好地承重建筑材料与岩石质量。在“新奥法”中，可通过锚杆支护和喷射混凝土技术，使围岩形成一个整体，并增强某些岩块和岩层的坚固性，最终形成“锚杆—岩石”承重拱。要达到这一目的，必须要保证锚杆长度大于塌落拱高度。因此在厂房顶拱开挖施工过程中，要采取相关措施减少爆破松动圈范围。

2.2 地下厂房顶拱层开挖主要方式

鉴于地下厂房顶拱层通常都具有开挖跨度大的特点，且开挖质量要求也比较高，如喷锚支护和监测仪器埋设工程直接影响地下厂房开挖施工质量，所以必须要结合实际情况选择合适的开挖方式。在开挖后，地下厂房顶拱层有两个地方比较薄弱，即拱座与拱冠部位。根据这个问题，开挖大型地下厂房顶拱层，必须要选择分步开挖方式。分布开挖有两种方式，即中导洞法和侧导洞法。中导洞法就是先开挖中部，减小开挖跨度减小，完成支护施工后，再按照顺序开挖两侧拱脚，从而确保拱冠部位稳定，该方法比较适用于厚层岩体开挖;侧导洞法则是按照顺序先对两侧拱脚进行开挖，开挖后及时进行支护，然后再结合露出围岩地质情况，来预加固上覆围岩，最后将中间岩柱挖出，这种方式在薄层、互层岩体中比较适用，切实用于单轴抗压强度为30～80MPa的岩体中。部分地下厂房顶拱开挖结束时，顶拱实测最大位移如表1所示。

采用侧导洞法施工主要存在三个问题：第一，开挖两侧导洞后，中间岩柱会出现应力过于集中的情况，不仅对支撑围岩起不到应有作用，而且还会在爆破中间岩柱时，导致顶拱发生变形，如东风电站试验中出现此种情况，顶拱下沉达到3.52cm;第二，两侧导洞施工会受到中间岩柱干扰，但可通过在中间岩柱内增加联系洞解决;第三，开挖双侧导洞后并进行中部扩挖时，小三角体造孔难度比较大，容易形成顶部超欠挖情况，对光面爆破质量产生较大影响。

经过以上对比分析可知，当开挖地下厂房顶拱层时，拱冠部位是最危险的部位，在施工过程中，要采取针对性措施确保拱顶部位稳定，当拱顶暴露后，要利用支护进行保护;当采用中导洞法开挖顶拱时，顶拱相对平缓，不能在浅处形成承重岩石拱，影响了顶拱中部岩石竖向荷载，无法尽快通过拱传于拱座，因此施工中必须提前对拱座进行加固。同时，采用侧导洞法时岩柱发生应力集中，可能导致后续开挖施工中顶拱发生明显位移变形。

本着提高施工效率的目的，中导洞法的效益要相对显著，因为其能充分发挥大型机械的作用。中导洞开挖后，在两侧进行扩挖跟进，使两个层面作业有机衔接起来。另外，顶拱层两侧扩挖后，应采用支护方式对两侧拱脚进行加固，既可以保证顶拱整体稳定，又不会影响施工质量。

3 官地水电站右岸地下厂房顶拱层开挖方法

3.1 工程概况

四川省雅砻江官地水电站地下厂房最大开挖尺寸为243.44m×31.10m×76.30m，主厂房分主机间、副厂房和安装间三部分。主机间总高度为76.3m，长159.52m;岩壁吊车梁以上跨度为31.1m，岩壁吊车梁以下跨度为29.0m。副厂房位于主机间左端，长度为17.01m。安装间位于主机间右端，长度为66.91m，副厂房与安装间同主机间跨度相同。

该地下厂房具有跨度大、顶拱形态平顺的特点，并具有典型的陡倾角、错动带、缓倾角岩层及裂隙发育特征，经过勘测还存在不稳定块体。因此，在开挖施工过程中，可能会遇到岩爆和承压水等问题。

3.2 顶拱层开挖

该电站厂房顶拱层采用先中导洞、后两侧扩挖的方式进行施工，且将第1层中导洞顶拱系统支护全部完成后再进行两侧扩挖。中导洞开挖尺寸为8m×10m，两侧边顶拱扩挖宽度均为11.55m，扩挖工作面错距不小于20m。

先期开挖的中导洞采用三臂凿岩台车钻孔、全断面非电毫秒微差爆破。为了保证围岩稳定、减小爆破错台，两侧边顶拱开挖采用手风钻钻孔、毫秒微差爆破以及开挖边线光面爆破，岩体残渣采用3m3侧翻装载机和1.6m3反铲配合20t自卸汽车出渣。

3.3 侧向锚杆施工技术

根据官方数据，官地地下厂房顶拱厂横（0+172）～（0+152）m、（0+115）～（0+065）m、（0+060）～（0+030）m、（0+050）～（0+080）m段为角砾集块熔岩。该段存在错动带，且节理发育非常多，这使得顶拱至拱肩部位存在不利组合因素，如果不加以处理，将会危及厂房顶拱稳定性，而且会给开挖施工带来安全隐患，在工期有限、施工难度大的情况下，需要选择合适施工技术。鉴于厂横0m+190m～0m+160m上游侧已存在裂缝，垮塌的可能性比较大，因而要进行超前支护，同时还要对围岩采取预约束力进行保护，以避免发生岩爆。

本工程选择的施工方法为侧向超前锚杆支护方式，这样可以保证围岩稳定及施工安全。根据地下厂房中导洞开挖后的情况，对揭露的岩石进行分析，不良地质段顶拱选择两侧扩挖，在施工前要在靠中导洞一侧设置超前锚杆，使其垂直于节理和裂隙。锚固完成后，再进行开挖施工。超前锚杆设置如图1、图2所示。

侧向超前锚杆采用早强砂浆锚杆，长度为9.0m，采用三臂台车钻孔，可有效约束不良地质段顶拱围岩，提高其稳定性，顺利完成扩挖目标。

3.4 顶拱成型后监测数据成果

该工程地下厂房在1 228m高程以上顶拱与拱座共布置8个监测断面，共42套监测仪器主厂房顶拱层开挖过程中的监测数据显示，扩挖期间各监测仪器中孔口累计位移最大为7.37mm。在实际开挖支护中，不良地质段围岩稳定性较好，说明侧向超前锚杆作用显著。

4 结语

在水利水电工程建设过程中，提升大型地下厂房顶拱层开挖质量具有重要意义，并直接影响整个工程施工质量和安全。在具体施工实践中，要采用合适的技术，保证围岩稳定。同时，还要采取有效措施，对围岩塑性区范围进行有效控制，因地制宜选取合理的开挖方式和开挖程序，通过动态管理方法对施工过程实施监督，最终快速、高效地实现施工目标。

参考文献：

[1]刘金安.云贵桥水电站地下厂房勘察及施工地质分析[J].低碳世界，2018（10）：40-41.

[2]黄荣干.水电站特大型地下厂房洞室群开挖质量控制研究[J].居舍，2018（25）：217-218.

[3]李輝，盛登强.金桥水电站地下厂房立体开挖施工技术探讨[J].水力发电，2018（8）：50-52.