浅谈首部式地下厂房洞室群施工支洞规划设计

2019-02-14

四川水利 2019年4期

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610213)

引言

我国水资源丰富，水力资源理论蕴藏量和水电总装机容量均占世界首位。近几十年来，我国水电发展迅速，随着开发建设的推进，可供开发的水电资源大都分布在一些偏远的高山峡谷地区，为解决厂房、导流、泄洪建筑物的总体布置矛盾，往往采用地下式厂房。

首部地下式厂房洞室群一般可分为引水系统(含进水口、压力管道上平段、压力管道竖井或斜井、压力管道下平段等)、厂房系统(含主副厂房、母线洞、主变洞、出线平洞及出线井、开关站等)及尾水系统(含尾水连接管、尾水调压室、尾水洞、尾水检修闸门室、尾水出口等)。为避免三大系统施工相互干扰；满足各大系统施工的相互独立性；确保施工工期；同时满足高大洞室分层开挖支护，需设置施工支洞。合理的施工支洞设置可简化施工程序、加快施工进度、节约施工投资。

1 施工支洞规划布置原则

(1)系统理清各部位施工程序，分析施工工期，确定支洞设置的必要性。

(2)满足引水、厂房、尾水三大系统施工的相对独立性，避免相互干扰，确保三大系统平行施工作业。

(3)满足高大洞室立体多层次、平面多工序的施工组织要求，以保证均衡、有序施工。

(4)结合枢纽布置情况，尽量利用永久洞室或由其派生，以减少支洞的开挖量和封堵量。

(5)按照洞线最短的原则，根据规范要求及现场实际，结合地质条件、水文条件以及与相邻洞室的关系，布置施工支洞洞轴线走向。

(6)同一高程上永久洞室较多的部位，施工支洞尽可能的连通各相邻洞室，以满足同一高程上的洞室间隔施工的要求。

(7)综合考虑通风散烟及排水布置。

2 三大系统施工支洞的一般布置方式

2.1 引水系统

引水系统包括电站进水口、压力管道(一般由进口渐变段、上平段、竖井或斜井段、下平段组成)，结合既有通道情况、地形地貌条件及施工工期，施工支洞主要有以下几种形式：

2.1.1 电站进水口

(1)进水塔前有条件布置露天道路进入进水口平台，为开挖及混凝土浇筑提供通道时，直接布置明线道路作为进水口施工通道，如白鹤滩水电站左岸地下厂房、杨房沟水电站投标阶段(后续为解决与上游围堰的干扰问题调整为洞线方案)。

(2)进水塔布置于陡峻的峡谷岸坡不具备明线道路布置条件或者能够结合压力管道上平段施工支洞投资节约时，由绕坝公路派生施工支洞，设置进水口交通洞，解决进水口的开挖支护及混凝土施工，如猴子岩水电站、杨房沟水电站。

2.1.2 压力管道上平段、竖井(斜井)段

(1)进水塔及压力管道工期均不紧张，在合同约定工期内能够统筹安排进水口与压力管道施工，直接利用进水口(包括塔体下部预留通道)作为施工通道，如大岗山水电站、杨房沟水电站投标规划，但在实际施工中为满足独立施工条件、减少施工干扰均未采用该方案。

(2)进水口通道设置为明线道路，利用进水口平台，从进水口平台至压力管道上平段设置一条压力管道上平段支洞，绕开进水塔结构物，连通压力管道上平段，如白鹤滩水电站。

(3)在引水上平洞之间设置连通支洞，以某一塔进水口作为对外通道。

(4)进水口通道设置为施工支洞，直接由进水口交通洞派生一条压力管道上平段施工支洞，猴子岩、杨房沟水电站均采用了该方式。

2.1.3 压力管道下平段

为满足压力管道下平段、斜(竖)井段及厂房中下部施工，一般从进厂交通洞派生一条施工支洞到达压力管道下平段，作为压力管道下平段施工支洞。

2.2 厂房系统

厂房系统(包括主副厂房、母线洞、主变洞、出线平洞及出线井、开关站等)结合既有通道情况及施工工期，施工支洞主要有以下几种形式：

2.2.1 主副厂房

与厂房相贯的洞室一般有厂房进风洞、进厂交通洞、母线洞、压力管道、尾水连接管(扩散段)，自上而下分层开挖，尽量采用永久洞室作为分层施工通道，以杨房沟水电站为例，厂房总高75.57m，分九层进行开挖，总体分上、中、下三个部分，施工通道规划如下：

(1)上部主要为厂房安装间底板以上，第Ⅰ～Ⅳ层，上部施工通道主要有通风兼安全洞、厂房进风洞及进厂交通洞，其中第Ⅰ、Ⅱ层利用布置于厂房左右端墙的通风兼安全洞及厂房进风洞，Ⅲ、Ⅳ层主要利用厂房进风洞及进厂交通洞。

杨房沟水电站厂房顶拱左右端墙设计分别设置有通风兼安全洞、厂房进风洞，施工时由于厂房进风洞洞线长(565.45m)，通风兼安全洞贯入厂房顶拱时厂房进风洞正在施工，实际施工时第Ⅰ层主要使用通风兼安全洞。通常情况顶拱层均采用厂房一侧端墙的厂房进风洞进入施工，若考虑到厂房开挖支护工期紧张，需形成左右端墙双向通道，可通过进厂交通洞派生形成一条厂房上层施工支洞(如瀑布沟电站)。

(2)中部主要为第Ⅴ、Ⅵ层，中部施工通道主要有进厂交通洞、母线洞，其中第Ⅴ层主要使用进厂交通洞，第Ⅵ层主要使用母线洞。

(3)下部主要为第Ⅶ～Ⅸ层，下部施工通道主要有压力管道、尾水连接管，其中第Ⅶ、Ⅷ层主要使用压力管道，第Ⅸ层主要使用尾水连接管。

2.2.2 主变洞

(1)上部施工若有永久洞室，应尽量利用(如杨房沟水电站设计有主变排风洞，可直接施工)，若上部设计未设置与之连通的永久洞室，则可由厂房进风洞派生一条主变顶层施工支洞(如猴子岩水电站)。

(2)下部施工主要有主变交通洞(杨房沟水电站设置为主变进风洞)。

2.3 尾水系统

尾水系统主要包括尾水连接管、尾水调压室、尾水洞、尾水检修闸门室及尾水出口。其施工支洞布置主要如下：

2.3.1 尾水连接管

通常情况由压力管道下平段施工支洞派生一条尾水连接管施工支洞，连通各条连接管，作为尾水连接管、厂房下部、尾水调压室下部开挖支护及混凝土施工通道。

2.3.2 尾水调压室

根据水电站布置特点和具体地形、地质条件，尾水调压室的具体布置形式有简单圆筒式、阻抗式、双室式、溢流式、差动式、压气式，此处主要阐述长廊阻抗式尾水调压室支洞布置，以杨房沟水电站尾水调压室为例。

杨房沟水电站调压室开挖总长161.10m，中间设置厚度为14.60m的岩柱隔墙。在隔墙顶高程2009.50m以下，调压室分为两室，即1#调压室和2#调压室；2009.50m高程以上，两室连通，洞室总高度79.75m，共分Ⅷ层进行开挖。

(1)中隔墙以上(第Ⅰ、Ⅱ层)以尾调排风洞及厂房上层汇水洞为主要施工通道。其中顶拱层主要以尾调排风洞为通道。

(2)中隔墙顶高程至阻抗板顶面高程(第Ⅲ～Ⅵ层)主要以新增的尾调中支洞、1#、2#联系洞、尾调下支洞四条支洞为施工通道。

(3)阻抗板以下(第Ⅶ、Ⅷ层)以尾水洞、尾水连接管为施工通道。

一般尾水调压室可使用的永久洞室，主要有与尾调安装相连接的尾调交通洞；与底部岔管相连接的尾水连接管及尾水洞，中隔墙以上可利用尾调交通洞作为施工通道；阻抗板以下利用尾水洞及尾水连接作为通道，阻抗板至中隔墙顶面高程的开挖采用在顶拱层设置施工桥机、竖井开挖的方式进行施工(如猴子岩、杨房沟水电站投标阶段)。但是在实际施工中由于井挖施工安全风险高、施工进度缓慢，应尽可能利用既有通道派生施工支洞解决尾水调压室的井挖问题，将井挖调整为梯段开挖，以加快施工速度，保障施工安全，节约施工成本。

2.3.3 尾水洞

尾水洞通常洞线长、断面大，施工通道布置应结合施工需要，同时应考虑通风散烟。支洞布置时按照开挖分层设置上下支洞，下支洞可由上支洞派生。

若出口具备支洞布置条件，为改善通风散烟条件应尽量布置。

3 施工支洞洞轴线选择

(1)布置施工支洞应当尽量压缩支洞的长度以节约投资，但并不是洞越短越好，首先从行车上来说，对路面纵坡有一定的要求，《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》规定采用无轨运输时坡度不宜大于9%，在实际规划时，可结合支洞的使用程度、洞线的长短及设备的性能进行择取，若洞线较短且使用时间不长的支洞可突破9%的要求，但必须满足设备的爬坡性能。

(2)支洞开口选择应结合开口段的地质条件，尽可能避免在不利地质条件地段开口而引起开口成形困难，增加大量支护。同时洞线应尽可能避免近距离与断层结构平行。

(3)支洞轴线与既有通道及主洞应结合设备的转弯通畅要求以最优的夹角相交，减少交叉部位的开挖量与支护量。

(4)考虑对水道的水力梯度及与帷幕线的影响。

(5)与其他洞室交叉时，上、下洞室之间宜不小于1倍洞径并加强支护；与其他洞室平行时，两洞室之间的岩体厚度宜不小于2～3倍洞径。

4 施工支洞断面选择

施工支洞洞型一般采用城门洞型，施工支洞断面选择时，首先应根据施工期担负的运输任务及施工高峰期运输强度的大小确定采用“双行”车道还是“单行”车道，再根据开挖支护及混凝土施工设备的尺寸选择施工支洞的断面尺寸。双车道施工支洞断面宜选择为8m×7m(宽×高)，单车道宜选择为6m×5m(宽×高)。同时应考虑以下几点：

(1)压力管道上平段施工支洞与各压力管道的连通洞，应结合压力管道的断面尺寸及开挖分层统筹考虑，若主洞断面较大，可先形成上层施工通道，待上层开挖支护完成后，支洞降低形成下层施工通道。

(2)压力管道下平段施工支洞断面尺寸应结合下平段压力钢管运输、安装进行考虑。

(3)尾水连接管施工支洞断面选择应结合尾水连接管的开挖分层及各层的开挖通道规划进行考虑，若各层开挖均只能利用施工支洞，则应先形成上层施工通道，待上层开挖支护完成后，支洞降低形成下层施工通道；若上层开挖可利用尾水洞，则只考虑形成下层施工通道，以作为下层开挖及后续混凝土施工通道。

(4)主洞间的连通洞若只考虑下层开挖及后续混凝土浇筑施工，可结合主洞尺寸选用单车道。