白鹤滩水电站左岸地下厂房机组混凝土快速施工技术

杨 勇，杨 帆，陈 强 坦

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

白鹤滩水电站位于四川省与云南省交界的金沙江下游河段，是我国“西电东送”能源战略的骨干电源点，开发任务以发电为主，兼顾拦沙、防洪、航运、灌溉等。工程按期建成、“安全准点”发电对促进西部大开发，实现“西电东送”，促进西部资源和东部、中部经济的优势互补以及西部地区经济发展具有深远的意义，同时在防洪、航运、环保等方面效益巨大[1]。

该电站地下厂房在左右岸对称布置，各安装8台、单机容量为100万kW的水轮发电机组，是目前世界上在建的最大地下厂房。左岸地下厂房布置在拱坝上游山体内，洞室水平埋深800～1 050 m，垂直埋深260～330 m[2]，洞室轴线方向为N20°E。

主副厂房洞的开挖尺寸为438 m×31 m(34 m)×88.7 m(长×宽×高)，采用一字型布置，从南到北依次布置副厂房、辅助安装场、机组段和安装场。机组间距38 m，机组段长304 m，安装场长79.5 m，辅助安装场长22.5 m，副厂房长32 m。机组安装高程为570 m，自下而上依次为肘管层、锥管层、蜗壳层、水轮机层、中间层、发电机层。尾水管底板的高程为535.9 m，水轮机层的高程为576.2 m，中间层高程为582.4 m，发电机层高程为590.4 m，拱顶高程为624.6 m。

机组混凝土浇筑从尾水管底板高程535.9 m至发电机层顶部高程590.4 m，总高度为54.5 m，单机组混凝土浇筑工程量为2.06万m3，8台机共计16.36万m3，主要施工内容包括钢筋制安、水轮机埋件安装、机电一期埋件安装、电气、暖通、给排水以及消防等埋件安装、模板安装、混凝土浇筑等。左岸地下厂房在开挖支护阶段，由于受岩爆片帮频繁、C2层间错动带等不利地质构造发育、洞群效应突出等不利因素影响，施工工期较长，造成混凝土浇筑施工工期紧张。为此，该工程在施工过程中采取了尾水管大组节预拼装、座环预拼整体一次吊装、锥管一期浇筑、整体分层优化、中间层、发电机层框架结构混凝土快速施工等技术，实现了地下厂房机组混凝土快速施工，单机组混凝土浇筑施工工期由原计划的23个月缩短至17个月，从而为白鹤滩水电站左岸地下厂房按期向机电安装交面、实现“安全准点”发电创造了有利条件。笔者对左岸地下厂房实施的机组混凝土快速施工技术进行了阐述。

2 机组混凝土快速施工技术

为确保白鹤滩水电站首批机组“安全准点”发电，机组混凝土从启动底板清基至交面机电安装仅剩18个月工期，对比同等规模电站地下厂房：溪洛渡水电站首台机机组混凝土浇筑施工工期为23个月，向家坝水电站右岸地下厂房首台机机组混凝土施工工期为21个月，乌东德水电站单机组混凝土施工工期为26个月。由此可见：白鹤滩水电站地下厂房机组混凝土施工工期极为紧张，必须采取安全可靠、优质高效的快速施工技术措施，使机组混凝土在18个月内施工完成，以按期交面机电安装，实现“安全准点”发电的目标。为此，施工局制定并优化了施工方案。

2.1 整体分层优化

该工程原施工组织设计规划机组混凝土浇筑共分为29层，其中肘管层分两期、10层浇筑、锥管层5层、蜗壳层7层、中间层4层、发电机层3层，分层高度为1.5～3.4 m。为缩短直线工期，适当增加分层厚度、减少分层是切实可行并行之有效的措施。

在综合考虑机电一期埋件加固需求、大体积混凝土温控防裂、混凝土浇筑入仓手段及入仓强度等要素并结合该工程结构布置特点以及以往类似工程的施工经验，施工局对机组混凝土浇筑整体分层进行了优化：

(1)肘管层分两期浇筑，其中一期混凝土为肘管底板及支墩混凝土，分3层浇筑；二期为肘管外包混凝土，将原方案中的分8层浇筑优化为分5层浇筑，优化后的分层方案重点考虑第一层以及第三层浇筑的分层厚度，第一层分层高度既应保证有足够的压力使肘管底部混凝土充填密实，又不能浇筑过高使肘管受到较大的浮托力而抬动，通过浮托力计算最终选取了浇筑至覆盖肘管底1.2 m处作为第一层浇筑的顶高程，第一层分层厚度为2.7 m。第三层覆盖肘管顶部，须考虑肘管上覆混凝土重量不能过重而导致肘管变形，经计算，按照覆盖厚度不大于1.5 m进行分层。

(2)蜗壳层由原方案分7层浇筑优化为分4层浇筑。其中，第一层的分层主要考虑将座环与基础环阴角部位浇筑密实，同时，蜗壳内侧与外侧的高差不超过设计允许值60 cm，以防止蜗壳侧移，分层高度由原来的1.5 m调整为3.5 m，其余各分层兼顾蜗壳层进人廊道等结构布置以及方便预埋管路安装等因素。

(3)中间层及发电机层由原方案的分7层浇筑优化为分4层浇筑。中间层及发电机层中部机坑区域为机墩、风罩，外侧为板梁柱框架结构，在分层方案上，按照板梁以下柱子分1层、板梁分1层进行。

通过系统性的分层优化，机组混凝土浇筑分层由原方案分的29层浇筑优化为分20层浇筑，缩短直线工期约45 d。

2.2 肘管大组节预拼装

肘管安装作为机组肘管层混凝土浇筑的紧前工序，占用机组混凝土浇筑直线工期。左岸厂房单台套尾水肘管分为14节，共336 t。若逐节在机坑内进行吊装焊接，每节管节的安装及每条环缝的焊接都将占用直线工期。

经研究，最终采取在厂房安装间平台布置工位、提前将肘管两两预拼、与肘管一期支墩混凝土浇筑同期进行，机坑内具备肘管安装条件后，将预拼好的大组节采用施工桥机整体吊装至机坑就位，如此操作，将原本机坑内14节管节安装、13条环缝焊接的工作量减少到7大节肘管在机坑内安装、6条环缝焊接的工作量，节约了直线工期。

肘管大组节预拼须统筹考虑厂房施工桥机的吊运能力以及吊装空间，组拼后的大组节的最大重量不能超过桥机的额定起重量，同时其高度应满足在安装间内的起升扬程，最后，组拼的管节在机坑内应便于定位加固。

肘管采取大组节预拼，其优点除了减少机坑内肘管焊接工程量而节约直线工期外，还具有在安装场拼装较在机坑内拼装施工作业条件好、施工效率更高、质量更有保障等优势。

2.3 锥管层混凝土一期浇筑

通常，为确保锥管加固质量，锥管层混凝土一般分两期浇筑。一期混凝土为锥管外围混凝土，外侧浇筑至结构边线，内侧沿锥管预留足够的施工空间形成一环形二期机坑；锥管安装时，利用一期混凝土浇筑期间预埋的插筋作为锚固点，采用型钢或锚筋对锥管进行加固。

锥管层分两期浇筑对锥管加固有利，但存在增加二期混凝土占用直线工期、二期混凝土施工空间小、施工难度大、一期混凝土沿二期机坑内壁需增加防裂钢筋和并缝钢筋从而增加工程投资等弊端。

该工程通过锥管逐节安装加固、混凝土随层浇筑的方式，将锥管层混凝土优化为一期浇筑，其特点为：锥管安装与混凝土备仓同步进行，不占用直线工期；锥管逐节安装、混凝土随层浇筑，将锥管悬臂高度控制在较小范围——通常为一节锥管高度，即3 m左右，通过在混凝土内预埋地锚作为锚固点、斜拉杆拉结的方式对锥管进行加固，满足受力要求；通过沿锥管外侧对称浇筑混凝土的方式，使锥管在混凝土浇筑过程中受力均匀，控制锥管侧向位移满足设计及规范的控制要求。

锥管层混凝土通过优化为一期浇筑，节约直线工期约30 d。

2.4 座环整体吊装

由于机组座环整体重量较重，单套座环重达467 t，故原施工组织设计方案采用160 t桥机分瓣吊装至机坑内进行组拼焊接。鉴于座环安装是机组混凝土施工关键线路上的关键工作，占用直线工期，采取座环在机坑内组拼焊接的方案，座环分瓣吊装以及焊缝焊接全部占用直线工期且工期较长。

为缩短直线工期，工程技术人员进行了座环在安装间组拼再整体吊装至机坑内就位的可行性研究，该方案的关键点在于座环组拼后重量较重，已安装的160 t施工桥机无法承担吊装任务，需要将1 300 t永久桥机提前安装并投入使用，以满足座环整体吊装要求。

通过建设方积极协调，桥机制造厂家精心筹备，在座环安装前完成了1 300 t永久桥机的制造及安装工作，具备了座环整体吊装条件。

座环在安装间整体组拼，一方面焊接作业施工环境好、质量更可靠，与在机坑内组拼相比，机坑内施工空间狭小，施工人员作业效率低，而安装间组拼工位平台布置更便于施工，效率明显提高；另一方面，座环分瓣吊装以及焊缝焊接提前进行、机坑具备座环安装条件后将其整体吊运至机坑就位，座环分瓣吊装以及焊缝焊接不占用直线工期。

现场实践表明：采取座环提前组拼、整体吊装方案较原方案在机坑内组拼焊接施工工期节约45 d。

2.5 框架结构快速施工

机组中间层及发电机层为板梁柱框架结构混凝土。由于水工结构的需要，板梁形成的框格通常大小不一、不成模数，在采用常规平面钢模板拼装时，需要采用木模板进行较大面积的补模，施工效率低。

为加快框架结构施工，采用预制清水模板进行拼模，即按照清水模板成品规格进行梁、板、柱模板规划，对每一层框架的每一个框格的模板进行设计，按照尽可能少切割模板、少产生余料、拼缝纵横衔接、对缝一致的原则，提前将模板拼装制作图绘制完成，在加工厂内按照图纸将模板制作成需要的尺寸，并按照图纸对加工好的模板进行编号。模板安装时，按照模板拼装图将对应编号的模板安装在相应的位置即可，极大地提高了施工效率。此外，采用预制清水模板拼缝严密、对缝规整，比采用平面钢模板拼装、木模板补缺外观更加美观。

该工程框架结构的原施工组织设计方案采用扣件式钢管脚手架作为板梁底模支架，其搭设工程量大，施工效率不高。实际施工时，采用了盘扣式脚手架作支撑架。盘扣式脚手架具有搭拆方便、快速、结构稳定等优点，配套的定尺杆件安装后不会产生因间排距不满足要求而返工等问题，同时亦规避了扣件式钢管脚手架扣件拧力矩检查难度大等通病，是一种高效、安全的支撑方式[3]。

通过采用盘扣式支架配预制清水模板，有效提高了板梁柱框架结构混凝土施工效率，中间层及发电机层两层框架结构(含机墩、风罩)由原设计方案计划的4.5个月工期缩短至3个月左右。

2.6 混凝土快速施工的配套规划与布置

为加快厂房机组混凝土浇筑施工进度，除了采取所优化的方案措施外，在施工配套方面，也需要采取相应的措施给混凝土浇筑提供更为便捷、高效的施工手段。

该工程首台发电机组为1#机，布置在厂房南侧，与南侧的厂内集水井(上部为辅助安装间)以及副厂房相邻，鉴于集水井以及副厂房的施工势必会对1#机造成干扰，为确保首台发电机组的施工进度，应加快集水井及副厂房浇筑施工进度，将其先浇筑至发电机层以形成1#机南侧施工场地及混凝土入仓通道。为此，在厂房南侧顶拱增设了1台10 t高扬程电动葫芦，覆盖了1#机、辅助安装场以及副厂房，解决了厂房多机组同步施工情况下桥机使用紧张的问题，为首台机关键线路施工增加了材料垂直运输手段。

在混凝土浇筑施工通道布置方面，利用尾水管及尾水扩散段形成机组混凝土浇筑下部运输通道，在引水下平洞与机坑岩隔墩之间增设型钢栈桥形成肘管层至蜗壳层混凝土浇筑的中部运输通道，在厂房上游第6层排水廊道与厂房上游墙之间新增设了3条支洞作为机组混凝土上部运输通道，利用母线洞布置固定皮带机配合厂房内布置的立柱式梭式布料机[4]形成混凝土垂直运输系统，如此，厂房各层混凝土浇筑形成了自下而上全高程覆盖、平面上南北双向均可通行的施工通道，为主厂房各机组全面同步施工创造了良好的通道条件，确保了机组混凝土快速施工。

3 思考与建议

地下厂房机组混凝土施工一般为引水式水电站工程建设的关键线路或次关键线路，其施工进度直接制约着电站能否按期发电，因此，采取适当的工程措施保障混凝土施工进度大有裨益。笔者根据白鹤滩水电站左岸地下厂房以及其他类似工程经验，在工程措施上提出了以下几点建议：

(1)白鹤滩水电站在厂房上游布置了3条混凝土运输廊道。该廊道是利用与发电机层高程相近的第6层排水廊道作为主洞室开挖至厂房上游边墙的支洞。考虑到厂房高边墙的围岩稳定，廊道净断面尺寸设计为5 m×5 m，满足罐车通行，并将第6层排水廊道至新增混凝土运输廊道之间的洞段进行了扩挖，形成了从进厂交通洞经第6层排水廊道至厂房上游边墙发电机层的混凝土水平运输通道。由于第6层排水廊道只对从进厂交通洞右侧进口至最远端运输廊道之间的洞段进行了扩挖，其余洞段未扩挖，不满足混凝土运输设备通行的要求，因此，该运输通道只能单向通行，浇筑时罐车错车、调头等较为困难，易发生堵车。而向家坝水电站在发电机层高程布置的混凝土运输通道是利用灌浆廊道作为主通道，由于灌浆廊道考虑到灌浆设备的布置需要其断面尺寸相对较大，满足混凝土罐车的通行要求，形成了绕厂房一周的环形通道，较好地解决了交通拥堵问题。从灌浆廊道增设施工支洞至厂房端墙，解决了副厂房下部混凝土运输通道问题，一举多得。因此，笔者建议：今后的地下厂房工程设计在满足洞室整体稳定的前提下，可考虑将与发电机层高程接近的一层灌浆排水廊道断面较常规设计得偏大一些，以形成厂房上部混凝土运输环形通道。

(2)在地下厂房设计中，有一些电站的机坑隔墩之间下游侧没有留岩桥，有一些电站设计有岩桥。例如，向家坝水电站机坑隔墩之间下游侧没有设岩桥而乌东德水电站以及白鹤滩水电站留有岩桥。对于是否设置岩桥是设计综合考虑厂房整体布置以及开挖跨度等因素决定的，是最终考虑各种因素的最优方案。笔者表达的是：在满足厂房结构布置需要以及尽量减小厂房开挖跨度并在地质条件允许的前提下，应优先考虑设计岩桥，其优点为：一方面可以减少机坑开挖以及回填的工程量，节约工程投资；另一方面，在厂房锥管层可形成在厂房内的全范围施工通道，有效解决厂房锥管层以下混凝土浇筑各类材料的运输、入仓问题，对地下厂房施工组织非常有利，对施工进度的保障更加可靠。

(3)白鹤滩水电站右岸地下厂房因受C4层间错动带影响[5]，靠近辅助安装间及厂房侧上部的围岩变形较大，为控制围岩变形降低了该范围厂房边墙的开挖高度，设计将厂内集水井外移至厂房外，通过延长检修排水廊道的方式满足了厂区检修渗漏排水需求。该方案在解决因不良地质条件带来的厂房小桩号段围岩变形问题的同时，使集水井开挖支护以及后续混凝土浇筑与厂房主机间脱离开，规避了二者之间的相互干扰，对厂房首批发电机组施工进度极为有利。因此，笔者认为：在今后的水电站地下厂房设计时，该设计思路值得推广。以往工程设计的集水井设在厂房内与厂房洞室共用空间，较单独在厂外布置集水井可在一定程度上节约工程投资；但将集水井布置到厂外具有以下优点：其一，可减小集水井段厂房的开挖高度，对厂房高边墙围岩稳定非常有利；其二，在无需布置辅助安装场的情况下甚至可以取消集水井段厂房洞室的开挖，可大量减少开挖支护以及混凝土浇筑的工程量；其三，集水井布置到厂外，可以避免与厂房主机间的施工干扰，对厂房首发机组的进度控制更为有利。

4 结 语

在白鹤滩水电站左岸地下厂房机组混凝土施工过程中，通过采取一系列提高施工效率、优化施工程序的快速施工技术措施，有效缩短了机组混凝土浇筑直线工期，创造了世界上在建最大地下厂房单机组混凝土浇筑17个月施工工期的记录，为按期向机电安装交面、实现“安全准点”发电提供了可靠保障，所取得的经验可供类似工程混凝土施工参考。