复杂地质条件下大型地下厂房系统施工

2018-03-26史永方吴书艳

水力发电 2018年10期

邢磊，史永方，吴书艳

(江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳213334)

1 工程概况

溧阳抽水蓄能电站地下厂房系统由主厂房、主变洞、母线洞、高压电缆平洞及电缆竖井、进厂交通洞、施工支洞兼排风洞、排水廊道、排风竖井等洞室组成。地下厂房由主机间、安装间和副厂房3部分组成，开挖断面219.90 m×23.5 m×55.3 m(长×宽×高)，岩壁吊车梁以上开挖跨度25.00 m，以下为23.50 m，拱顶岩体厚240～290 m，属大型地下厂房。主变洞开挖尺寸193.16 m×19.7 m×22.0 m(长×宽×高)，拱顶岩体厚220～270 m，主变室地面高程与安装间相同。母线洞共6条，城门洞形断面，开挖尺寸8.7 m×9.6 m(宽×高)，靠近主厂房10.0 m范围母线洞的开挖尺寸7.2 m×6.0 m(宽×高)。

地下厂房系统埋深200～300 m，基岩岩性均为志留系茅山组下段中厚～巨厚层石英砂岩夹少量泥质粉砂岩，岩性坚硬，多数呈中厚～巨厚层状，局部出露少量断层或岩脉，厂房顶拱受F54、F57等较大断层的影响。受断层及层间错动带分布及节理裂隙发育程度等影响，围岩大部分位于弱风化带内，岩体多属镶嵌结构或镶嵌碎裂结构。围岩分类占比：Ⅲ1类约占10%、Ⅲ2类约占30%、Ⅳ1类约占35%、Ⅳ2类约占20%、Ⅴ类约占5%。厂区地下水丰富，部分结构面，尤其是断层为强透水带，地下洞室涌水量约4 000～5 000 m3/d。

2 施工重点及难点

(1)主厂房、主变洞开挖跨度大，围岩相对较差，IV类围岩占45%，顶拱开挖安全是本工程的重点，也是难点。洞室围岩条件相对较差，系统支护工程量大，设计不仅布置了锚喷支护，还在主厂房、主变洞顶拱、侧墙设置了对穿锚索和端头锚，以及预应力锚杆、超前小导管、管棚等临时支护。支护是制约工程进度的关键。此外，主厂房开挖高差较大，开挖高边坡安全稳定问题是本工程的又一个重点。

(2)岩锚梁开挖成型质量和爆破后岩体完整性直接影响到桥机运行安全。因此，如何开挖岩锚梁，确保岩锚梁开挖质量是地下厂房施工的重中之重。

(3)母线洞开挖既要确保厂房岩壁安全及岩锚梁质量要求，又要尽量减少占压厂房开挖直线工期。如何合理安排开挖时机是本工程的重点。

(4)地下洞室群相互关系复杂，施工通道错综复杂，交通管理及交通安全是施工控制的难点；厂房系统洞室群隧洞交错复杂，确保洞室交叉处围岩稳定，是施工中的重点。

(5)F54断层是影响厂房的最大断层，其规模和影响区域较大，在主厂房、主变洞、母线洞等地下洞室均有出露。F54断层由断层泥夹角砾岩组成，强渗水，破碎及影响带宽度有一定变化，总宽度3.7～12.2 m。F54断层及影响带对厂房顶拱、边墙等部位的安全稳定影响较大，必须采取相应的处理措施，以确保围岩稳定。

3 主要应对措施

(1)针对厂房、主变室顶拱跨度大及围岩地质情况较复杂这一施工难点，主要采取下列措施：①在厂房、主变室开挖中，相应高程的排水廊道提前施工完成，达到降低地下水位、提高围岩类别、减少施工中涌水量的目的。②根据筹建期在PD5探硐进行预固结灌浆试验，初步确定厂房顶拱层预固结灌浆参数，并根据排水廊道开挖揭露的地质情况进一步优化参数，对厂房顶拱10 m范围进行预固结灌浆。③采取超前探孔、超前探硐和地质雷达进行超前地质预报；同时，利用厂房排水廊道开挖揭露的地质情况，推测厂房顶拱的地质情况；在厂房顶拱上游导洞施工过程中，在推断进入F54断层影响带前5 m，先开挖断面2 m×3 m、长40 m的探硐，完全查明F54断层的走向、断层及影响带的宽度。④顶拱层开挖采用两侧导洞开挖先行，中间预留岩柱开挖跟进的施工方案，根据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；中墩完成扩挖、系统锚杆、钢筋拱肋、喷钢纤维混凝土施工后，滞后掌子面10 m必须及时完成中部对穿锚索张拉，并及时跟进两侧端锚及拱脚预应力锚杆施工。⑤系统支护随开挖断面及时跟进，防止顶拱产生大的变形。⑥严格控制单响药量，控制质点震动速度在规定范围内。⑦顶拱层支护相应部位没完成前，禁止开挖下层。

(2)针对厂房、主变室直立边墙安全稳定问题，采用以下措施：①除主厂房第Ⅱ、Ⅲ层，主变洞Ⅱ、Ⅲ层开挖均采取中间拉槽，两侧预留保护层扩挖跟进的方式；中间拉槽梯段爆破开挖前，先沿预留保护层边线进行预裂爆破施工，以减少爆破对预留岩体造成震动破坏；预留保护层开挖采用设计轮廓线光面爆破的控制爆破技术；主厂房第Ⅳ层及以下采用边墙一次预裂到位的施工方法。②对在主厂房上下游边墙上开孔的引水隧洞支洞、母线洞及尾水支洞等的开挖，采取“先洞后墙”的开挖顺序，在主厂房边墙开挖前先形成洞室，确保高边墙的稳定，同时达到先期排水、降低地下水位的作用。③厂房和主变洞与-27.00 m高程灌浆排水廊道之间布置的对穿锚索孔的施工，在相应的边墙开挖后及时进行，确保其对边墙稳定的保护作用。④为避免母线洞开挖占用厂房直线工期，提前利用主变联系洞在主变洞内布置临时施工支洞进入母线洞开挖掌子面，进行母线洞开挖。⑤为确保地下厂房高边墙的稳定，在开挖厂房第Ⅵ、Ⅶ层之前，对开挖边墙进行预固结灌浆；对厂房下游边墙F54断层影响带进行混凝土置换。⑥主厂房机坑之间岩埂保留对厂房边墙的稳定十分有利，在厂房第Ⅶ层开挖前，先对机坑之间的岩埂进行固结灌浆。⑦地下厂房Ⅳ、Ⅴ类围岩部位的网架吊顶牛腿和岩壁吊车梁下部，均增设附壁墙，附壁墙一直伸至发电机层高程，后期与发电机层上下游边墙连接形成一个整体墙，附壁墙既可作为网架吊顶牛腿和岩壁吊车梁的支撑结构，又可作为约束边墙变形的支护手段。

(3)针对岩锚梁开挖成型难的问题，主要采取以下措施：①为使在岩锚梁开挖施工前取得合理的爆破参数及优选出合理的开挖施工方法，进行了3次岩锚梁爆破试验。②在岩锚梁层上下游边墙预留3.5 m厚的保护层，中间梯段开挖前先沿保护层边线进行预裂施工，保护层开挖分2序，第1序采用液压钻造垂直孔和三臂液压钻机水平造孔，边墙预裂；第2序采用风钻钻孔，双面光爆，同时严格控制单响药量，确保质点震动速度在控制范围之内。③距离岩锚梁下拐点10 cm处增设1排锁口锚杆(φ25、1 500@1 000)，在岩台下拐点开口位置靠下布置1道槽钢进行加固，槽钢与加固锚杆焊接牢固，以加强下拐点保护，防止岩台开挖撕坏下拐点。④本工程地质条件复杂，岩石结构破碎，节理裂隙发育，为能进一步加强斜向岩台的保护，在斜向岩台开挖前，根据节理、裂隙发育走向，采用玻璃纤维锚杆对斜向岩台进行预加固。

(4)针对厂房系统洞室群隧洞交错复杂，为确保洞室交叉处围岩稳定，采用以下措施：①引水隧洞岔洞、母线洞及尾水扩散段的开挖，采取间隔开挖的措施，确保岩壁稳定。②对各洞室交叉口1.5倍洞径范围，开挖后及时加强支护或进行混凝土衬砌锁口，在厂房等大洞室高边墙上开洞口时，先采用锁口锚杆对边墙进行超前锚固，必要时进行超前预注浆。③针对揭露断层、岩石结构破碎、节理裂隙发育的部位，采取预固结灌浆进行先期加固。

(5)针对厂房系统地下水丰富，降低地下水确保施工安全问题，采用以下措施：①建立工程区地下水位监测网，并对输水发电系统的地下水三维渗流场进行分析研究，掌握了地下水的动态特征。②在厂房、主变室开挖前，相应高程的排水廊道提前施工完成，达到降低地下水位的目的。③充分利用掌子面各类钻孔排水，包括超前勘探孔、管棚孔、小导管孔等；对掌子面的明显出水点，则布置随机排水孔；对已支护洞段新出现的出水点继续布置随机排水孔排水，以减轻掌子面的降水压力。④当遇到较大涌水且持续时间较长时，采用深井降水方案。在掌子面底板采用D50钻机钻设2～4个直径195 mm、深20～40 m深井，采用潜水泵进行抽排。

(6)在地下厂房系统开挖过程中，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。

4 施工总结

溧阳抽水蓄能电站地下厂房系统围岩地质条件

差，且地下水丰富，开挖后洞室自身稳定性差，确保地下洞室围岩安全稳定是开挖支护的难点。结合现场施工取得的经验与教训，地下厂房系统开挖支护施工所遵循的原则为“超前地质预报、超前排水、超前支护、先边后中、先软后硬、先洞后墙、薄层开挖、随层支护、加强观测”。

(1)采取超前探孔、超前探硐和地质雷达进行超前地质预报；对埋深较浅的洞段，在地表测放出洞轴线，提前调查沿线地表覆盖层、冲沟的性状及水系分布，对照地勘资料分析前方围岩的地质构造，也是地质预报的方法之一。

(2)在地下厂房系统开挖前，相应高程的排水廊道提前施工完成，达到提前降低地下水位的目的；同时，充分利用掌子面各类钻孔排水，包括超前勘探孔、小导管孔等；在前期，施工支洞和排水廊道部位采用深井降水方案。

(3)主厂房、主变洞等大型洞室顶拱开挖严格遵循“上下游边导洞先行，中墩跟进”的原则；在开挖过程中，始终坚持“先软后硬，及时支护，开挖面领先掌子面不超过3个循环进尺” 的原则；遇到引水支管、母线洞、尾水支洞等交叉部位，先进行小洞室开挖，再进行边墙开挖，同时做好锁口施工；主厂房高55 m，开挖共分8层，做到开挖1层支护1层，再进行下层开挖。

(4)施工开挖期间，加强对洞室围岩完整性和稳定性的关注，在空间和时间上合理有序地安排施工。从观测结果来看，地下厂房系统的观测布置较为合理，起到了险情预报、指导施工、评价与修改支护参数的作用，达到了对整个地下厂房系统全面监控的目的，保证了工程的总体安全。