永泰抽水蓄能电站地下洞室群施工难点及应对措施

解迎夏，李 博

(中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

永泰抽水蓄能电站地下洞室群洞室数目多、各洞室断面差异大，其中主厂房、主变洞、尾闸洞断面大且集中，一般称为“三大洞室”，其中布置有母线洞、交通电缆洞等连接洞室。各洞室之间的开挖顺序需作为研究重点，如李术才、吴波、邓昌铁等分别对大型地下洞室群、城市地铁区间隧道洞群及天荒坪抽水蓄能电站地下洞室群进行研究总结，提出相应情况下的优化措施[1]。

地下洞室围岩在开挖前处于自然稳定状态，开挖后需应力重分布重新达到稳定状态，不同的开挖顺序下，应力重分布状态有所不同，洞室的稳定性也有所差异，所以开挖方案就有优劣之分。因此，大型地下洞室群施工时如何对施工顺序及分层分区方法进行优选，以达到保证工程施工安全的同时兼顾质量、进度和职业卫生健康。本文以福建永泰抽水蓄能电站大型地下洞室群作为研究对象，根据施工支洞的布置、工程地质、水文地质情况及建设单位工期要求等因素，选择各洞室合理的开挖顺序，满足洞室群施工的安全、质量、进度和职业健康要求。

1 概述

福建省永泰县抽水蓄能电站属于一等大(1)型工程，枢纽主要由上水库、输水系统、地下厂房及地面开关站、下水库等建筑物组成。

输水系统由引水系统和尾水系统组成，均采用二洞四机的布置形式，总长约2 039.20 m(沿4#机输水系统长度)，水平距高比为4.17。引水系统采用两级斜井布置形式，长约1 119.04 m，洞径为7.00～3.50 m；尾水系统长约920.16 m，洞径为7.40～5.20 m。地下厂房系统主要由主副厂房洞、主变洞、尾闸洞、母线洞、500 kV出线洞、进厂交通洞、通风兼安全洞、排水廊道等附属洞室及地面开关站等建筑物组成。主副厂房洞开挖尺寸为170.00 m×24.50 m×54.70 m(长×宽×高)，安装4台单机容量300 MW的立轴单级混流可逆式水轮发电机组。

输水系统及地下厂房系统土建及金属结构制安工程施工标的主要建筑物包括：引水系统(不含上库进/出水口和上库事故闸门井)、地下厂房系统(不含厂房结构混凝土工程)、尾水系统(不含下库进/出水口和下库检修闸门井)、输水系统及厂房系统施工支洞、本标段范围环境保护及水土保持工程、压力钢管采购制作安装(不含钢岔管瓦片、中平洞进人孔的采购制作)、闸门及启闭机安装、预埋件工程、安全监测土建工程。

输水系统及地下厂房系统主要建筑物如图1所示。

2 地下洞室群的施工难点及措施

2.1 地下洞室群施工方法

我国在20世纪六七十年代，隧道施工方法是采用钢钎大锤施工，80年代开始推广“新奥法”施工，后来应用液压凿岩台车，20世纪末引进了大型隧道掘进机。大型地下洞室同隧道施工发展历史相近，20世纪70年代前主要采取多洞室分层施工，以保持洞室稳定;

图1 施工示意

80年代后，随着“新奥法”施工日益成熟，采用了分层梯段爆破、光面爆破等配以凿岩台车、挖掘机配自卸汽车的施工工艺。从此地下工程进入了破岩速度高、控制爆破与爆刻技术应用及适时进行锚喷支护的现代地下工程开挖方法的新阶段。

新奥法是“新奥地利隧道工程法”的简称，其核心思想是“在充分考虑围岩自身承载能力的基础上，因地制宜地搞好地下洞室的开挖与支护”。作为一个完整的概念，它强调运用轮廓控制爆破(如光面爆破、预裂爆破或其他破坏围岩最小的开挖方法)、锚喷支护和施工过程中的围岩稳定状况监测，此亦称为新奥法的三大支柱[2]。

2.2 施工的难点及应对措施

1) 为最大限度减小和限制大跨度、高边墙洞室的变形，地下厂房系统洞室群的施工以三大洞室为中心，合理安排主副厂房洞、主变洞、尾闸洞的开挖顺序及其他相连洞室—母线洞、高压引水支管、尾水管扩散段(尾水管洞，后同)、尾水支管等的开挖支护程序，保证三大洞室围岩稳定及洞室群整体稳定，确保施工安全。

施工措施：工程开工后，及时开挖厂房顶拱外围的上层排水廊道，主变洞顶拱下游上层排水廊道开挖在主变排风洞开挖结束后及时进行，上层排水廊道开挖结束后及时施工上仰排水孔钻孔，以进一步降低厂房系统区域的地下水位，减小主副厂房洞、主变洞顶拱地下水压力和渗透变形，减少顶拱开挖后岩体渗水，增加围岩的自稳能力。中、下层排水廊道的开挖及排水孔施工超前于主副厂房及安装场、主变洞及尾闸洞相应高程的开挖，减少洞室边墙开挖后的渗水和变形，增加高边墙的稳定性[3]。

主副厂房洞及主变洞顶拱是地下厂房开挖中质量要求最高的部位之一，其顶拱围岩稳定关系到施工和电站运行安全[4]。主厂房、主变洞顶拱开挖支护采取中部超前，上、下游两侧顶拱部分滞后扩挖跟进的方式。为保证顶拱两侧拱脚开挖成型质量，预留2 m保护层与第Ⅱ层同步开挖支护，各开挖掌子面错开30 m以上，各部分开挖后及时进行支护，开挖未支护长度不超过10 m，尽量减小洞室顶拱一次性开挖跨度和未支护长度，控制围岩有害变形；顶拱各部位开挖严格遵守“短进尺、少扰动、强支护、快封闭、勤观测”的原则，无论中部还是两侧扩挖，每排炮开挖后及时施工随机锚杆，并喷一层混凝土，防止局部缓倾角节理和薄饼状卸荷片岩与高倾角节理组合可能造成的顶拱局部掉块，以及围岩松驰掉块，然后再进行系统永久支护结构施工；两侧扩挖时严格控制单响药量，爆破质点振动速度应满足规范要求。

2) 斜井施工包括导井开挖、扩挖及支护、裸岩灌浆、压力钢管安装、混凝土回填，其施工难度大，运输、提升系统技术复杂，安全风险高，是本工程施工重点和难点。

应对措施：斜井开挖选用BMC400型反井钻机钻Φ2 m导井，导井施工贯通后，1次扩挖至设计断面。

斜井施工的难点在于扩挖支护、灌浆、钢管安装及混凝土浇筑施工各环节提升系统的布置。为保证施工安全，斜井扩挖、灌浆施工期间，采用2台单筒绞车牵引扩挖平台(或灌浆平台)到达工作面，另采用1台双筒绞车牵引运输小车运送施工材料及人员到工作面；钢管安装及混凝土浇筑期间采用2台单筒绞车牵引运输台车下放钢管至工作面安装，另1台双筒绞车牵引运输小车运送混凝土等材料及人员到工作面。运输小车底盘设置防坠落的抱轨装置。

3) 永泰抽蓄工程地下洞室群规模较大，承担地下厂房系统施工的通风兼安全洞、进厂交通洞及引水中平洞施工支洞(2#支洞)长度均超过1 km，尾水洞、引水下平洞施工支洞均从进厂交通洞开口引入，线路曲折且比较长，前期通风出口少、洞室不能形成循环通风路径，施工通风散烟困难，是影响职业健康安全，制约施工进度的重要因素。通风散烟是本工程施工的一个难点，经研究，采取以下应对措施：

① 根据本工程地下洞室群的布置及结构特点，做好施工通风规划及布置，优选通风路径、通风设备，在施工程序和进度安排上优先安排主要通风洞、井的施工[5]；

② 前期施工通道开挖、大洞室上部开挖、平洞开挖以正、负压通风为主，配置“柯迪发”品牌高风压、长距离轴流通风机，满足洞室独头工作面开挖通风、排烟需要；

③ 主厂房、主变洞开挖与左、右两侧通道贯通后，采用进厂交通洞进风、排风兼安全洞出风，形成循环通风；

④ 引水系统斜井导井开挖贯通后，采取低进、高出的通风方式，以进厂交通洞和3#施工支洞进风，2#施工支洞、1#施工支洞出风；

⑤ 尾水隧洞、尾水岔洞及尾水支洞前期采用正、负压通风，尾水隧洞与下库进/出水口贯通后，采用正压送通风；尾调通气洞及尾调上室开挖结束后，尽快打通尾调室竖井导井，以5#施工支洞及其上游尾水洞段进风，尾水调压室及其通气洞出风；

⑥ 尾闸室Ⅰ、Ⅱ层开挖期间，从尾闸交通洞主变洞侧洞口布置风机正压通风，Ⅱ层开挖与尾闸运输洞贯通后，从尾闸运输洞进风，尾闸交通洞出风，解决尾闸洞的通风问题；

⑦ 排水廊道、排烟紧井及平洞的通风采用在相连的大洞室布置通风机向洞内正压送风，废气排至大洞室内，与大洞室的废气一起统一排出洞外；

⑧ 洞室开挖全部完成后，主要以自然通风为主，保留部分前期布置的正压通风机辅助进风；

⑨ 施工过程中，由项目部安全监测室进行有害气体(CO、NO、氡气)浓度监测，如发现有害气体超标时，及时加强通风，使有害气体浓度达到国家标准；对于通风死角或断面较小的洞室，采用供风管高压风辅助通风降低空气中有害气体的浓度。

2.3 基本经验

1) 规划和优化总体施工方案，认真布置施工支洞，使引水系统、三大洞室和尾水系统形成既互不干扰又有机联系的整体，实现多工作面连续施工。

2) 充分利用关键线路上地下厂房尺寸大、工序多的特点，规划合理的分层分块，采用“平面多工序、立体多层次”的施工方法，实现快速施工。

3) 抓住地下厂房施工的四大难点，即顶拱的开挖、支护;岩壁吊车梁的施工;厂房高边墙快速支护;大挖空率的母线洞、尾水管与厂房高边墙交叉口施工程序，合理安排施工程序，科学选择施工方案。

4) 广泛采用新技术、新工艺、新设备，尤其是高效的成配套的施工设备，如多臂液压钻孔台车、锚杆三联机、喷混凝土机械手、反井钻机等。

5) 利用现代信息化技术，进行三维有限元分析、施工期地质评价及监测成果反馈分析，动态调整喷锚支护设计参数。

3 结语

从现今的工程实际出发，在今后的很长一段时期内，钻孔爆破法仍然是修建地下洞室工程的主流方法，是其他方法不可能代替的。大型地下洞室断面大，纵向长度相对较短，更适用于钻爆法[6]。因此，完善和发展钻孔爆破法及其相关施工技术是地下工程的主攻方向。在进行厂房上部几层开挖时，在确保安全的情况下按照“平面多工序、立体多层次”的方法可提前开始上下游、底部一些层次、相连洞口段的开挖，如尾水支洞一般会在厂房中部开挖时形成，之后可提前进入厂房底部进行机窝开挖，在保证安全的前提下可以省去隔墩以下开挖工期。

对于抽水蓄能电站地下洞室施工而言，施工布置时应合理规划，坚持以人为本，保护环境;在施工中，要确定正确的施工顺序，编制合理的施工组织设计，并严格管理，结合先进的施工技术，使施工尽可能节约成本，增加利润。