山西中部引黄工程地下主厂房开挖工艺分析

2021-01-17李凯

山西水利 2021年5期

李凯

（山西中部引黄工程建设管理有限公司，山西太原 030024）

1 工程概况

中部引黄工程是山西省“十二五”规划大水网建设中一项重要的工程，工程包括水源工程和输水工程，2016年底其水源工程被列为水利部172项节水供水重大水利工程。取水口位于天桥水电站左坝头上游380m处，地下泵站位于取水工程的末端，泵站厂房为地下厂房，装机容量9.9万kW，设计取水流量23.55m3/s。水源工程地下厂房由安装间、主厂房、副厂房组成。

厂房开挖断面长120.8m，宽21.3～25.84m，最大高度41.6m，底板开挖高程800.4m，顶拱开挖高程842.0m。地下厂房布置了8条施工支洞，主厂房顶部施工支洞长140m，终点为厂房833.55m高程，泵站下部施工支洞长24m，终点为厂房810.3m高程；泵站中部施工支洞长22m，终点为厂房824.05m高程；泵站底部支洞通过扩挖1号进水管而成，长度26m，终点为厂房800.4m高程。

2 工程地质条件

2.1 基本地质条件

地下厂房处钻孔岩芯揭露，该处发育的地层由老至新分别为：奥陶系中统上马家沟中段（O2s2）厚层灰岩、豹皮状灰岩，岩性较坚硬；厂房所处山梁两侧基岩出露，Fal正断层从场地南侧穿过，在泵站西侧沟内有露头，距离泵站边墙110m。断层产状NW300°~320°/SW∠70°~80°，断层带宽3~5m，断距60~70m。下盘岩层产状为NW330°~340°/SW∠2°~6°，上盘岩层产状为NW330°~340°/NE∠5°~10°。

2.2 水文地质条件

地下泵站地处天桥泉域排泄区，据泉域有关水文地质资料，地下水整体由东向西流动，水力坡度为5‰；地下泵站西南1km团结村水井岩溶水位为833m左右。厂房处地下硐室及其上部灰岩及泥灰岩层存在两层地下水。上层滞水水位高程913m左右，奥陶系中统峰峰组下段泥灰岩、角砾状泥灰岩为相对隔水层。下层岩溶水位高程834m左右，主要含水层为奥陶系中统上马家沟组灰岩，具有一定承压性。

3 地下厂房工程地质问题及工程措施

3.1 软岩层工程地质问题

（1）地下厂房顶拱开挖高程为842m，泥灰岩分布高程范围为829.5~861.8m，由于泥灰岩岩性较软，在地下水的作用下易软化，洞室稳定性差。同时泥灰岩层主要分布于厂房顶拱部位，厚度5.5~18.7m，对厂房顶拱的稳定不利。

工程措施：地下厂房顶拱上部分布一定厚度的泥灰岩层，且为水平构造，这对于地下厂房的开挖及运行极为不利。若将该层泥灰岩进行挖除，虽一定程度上解决该问题，但是必将增大顶拱支护难度，增加工程投资，并且不能彻底解决顶拱安全问题，仍存在安全隐患。

经多方案比选，选择在地下厂房开挖前，利用上方的通风兼灌浆廊道，对厂房顶拱部位泥灰岩层进行固结灌浆，加强顶拱岩石的完整性，提高岩体强度和刚度。在厂房第一层开挖过程中，为确保开挖过程中顶拱的稳定性，首先沿I层开挖轮廓线喷钢纤维混凝土20cm厚；同时在厂房顶拱与上部灌浆廊道间，梅花型布置7排共192根1000KN级、长度L为20～28m的对穿无黏结式预应力锚索，并布置直径28mm，间距1.5m×1.5m，长大于6～9m，入岩长度5.5～8.5m的系统锚杆，保证在开挖过程中顶拱的稳定性。在厂房I层开挖完成后，对顶拱进行混凝土衬砌，拱衬砌厚度为100～169.5cm（EL841.80m~EL836.14m间沿铅垂方向），配双层钢筋。

（2）地下厂房四周边墙分布泥灰岩，受地下水作用，厂房边墙上部稳定性较差，需釆取必要的工程措施进行处理。

工程措施：为确保开挖过程中，地下厂房边墙的稳定，在每层边墙开挖完成后，及时喷20cm厚钢纤维混凝土，同时在地下厂房上、下游边墙布设有预应力锚索（包括对穿锚索和端头锚索），上游布设有对穿锚索与进水池对穿贯通，下游下部为对穿锚索与出水阀室对穿贯通，下游上部布设有2排端头锚索。对穿锚索型式为1600KN，长为20~23.5m无黏结预应力锚索，端头锚索为1000KN，长为23m无黏结预应力锚索。

3.2 地下水的影响

厂房区地下水主要是基岩裂隙水与岩溶裂隙水，主要富存于岩体中的节理裂隙中。岩体以弱~中等透水为主。该工程整个水源工程均处于天桥泉域排泄区，水源来源丰富，厂房区天然地下水位高程约为834~836m，地下水位位于厂房洞室中上部，施工时存在施工涌水问题。

工程措施：为尽可能创造地下厂房施工的干地条件，避免厂房开挖对天桥泉域水资源的破坏，同时也防止意外施工涌水造成生命财产损失，对地下厂房的地下水进行系统的处理。本工程在地下厂房开挖之前，利用厂房顶部灌浆廊道，对厂房周边进行帷幕灌浆，灌浆深度到厂房底板高程以下3m，完成厂房四周边墙范围内封水。由于厂房底部泥灰岩层下部出现承压水，压力较大，厂房开挖底板附近，为防止泵站底部软弱层被击穿而出现大范围涌水，对硐室下部承压水带进行固结灌浆封堵处理，使泥灰岩层下部和硐室两侧，形成6m厚的帷幕带，起到加固硐室及阻水的作用。通过灌浆对地下厂房四周形成封水帷幕，既创造了施工的干地条件，又为今后泵站运行节省排水成本。

4 厂房开挖及赶工措施

由于工作面交接滞后、增加顶拱衬砌等原因，水源工程地下厂房进度较原计划推迟，为加快施工进度，根据厂房的总高度及施工通道布置情况、投入的施工设备、施工方便等综合考虑，将厂房开挖分层方案由7层调整为5层开挖完成。

4.1 厂房开挖程序

第I层：根据施工总体规划，厂房I层开挖洞内通道，为1号交通洞、2号通风机室施工支洞、2号通风机室、厂房I层工作面。考虑到顶拱层独洞开挖及支护工作量大等特点，确定开挖高度9.5m（高程842.0~832.75m），分左右两半幅进行开挖。

第II层开挖通道分两条。施工通道一为2号通风机室、2号通风机室支洞、1号交通洞，该通道进行该层大部分开挖。施工通道二直接利用1号交通洞。该层开挖实施范围为EL832.75m-EL825.30m，开挖高度7.45m。厂房II及岩壁梁开挖，主要包括中槽预裂施工、临时便道开挖、中槽开挖、保护层开挖、岩壁梁开挖。

第III层开挖实施范围为EL825.30m—EL820.20m，开挖高度5.1m，开挖通道直接利用1号交通洞。厂房III层开挖主要包括：边墙及端墙预裂施工；1号交通洞与安装间交岔段开挖支护；安装间端墙开护；上游半幅开挖支护；下游半幅开挖支护；副厂房端墙开挖支护。

第IV层开挖实施范围为EL820.20m—EL811m序开挖，厂房IV-I层开挖高度4.5m，厂房IV-II层开挖高度4.7m，每序按左右半幅进行开挖支护。厂房IV层开挖有两条施工通道：一是安装间处施工通道,为施工工作面、安装间、1号交通洞；二是泵站下部支洞处施工通道，为施工工作面、泵站下部支洞、进水洞施工支洞、2号交通洞、1号交通洞。

第V层开挖施工范围为EL811.00m—EL800.40m，开挖高度10.6m；分两序开挖，厂房V-I层开挖高度6.7m，厂房V-II层开挖高度3.9m。端墙进行预裂爆破施工，I序及II序均釆用中部拉槽，预留3.0m保护层开挖支护施工。V层开挖通道有3条：一是下部施工支洞处施工通道，为施工工作面、临时施工便道、地下泵站下部施工支洞、进水洞施工支洞、2号交通洞、1号交通洞；二是地下泵站底部施工支洞处施工通道，为施工工作面、地下泵站底部施工支洞、进水洞施工支洞、2号交通洞、1号交通洞；三是4号进水支洞处施工通道，为施工工作面、4号进水支洞、进水洞施工支洞、2号交通洞、1号交通洞。

4.2 赶工措施

为达到预定的通水目标，在厂房开挖之前，制定了多项措施进行赶工。

（1）扩大2号通风机室支洞断面。2号通风机室支洞室，支护后断面尺寸为4.5m×5.0m（宽×高），是厂房Ⅰ层开挖及顶拱混凝土衬砌的唯一通道，而厂房Ⅰ层及顶拱衬砌进度直接制约整个厂房开挖进度，由于该支洞断面尺寸制约了大型凿岩台车进场、同时不利于通风散烟及出渣设备的通行。因此将该支洞断面尺寸调整为7.5m×8.0m。

（2）调整开挖跨度，釆用左右半幅错距开挖。对于大断面洞室，釆用先中导洞再两侧扩挖的方法，进行厂房I层开挖，即厂房I层分3次开挖。为尽量满足厂房工期需要，同时考虑实际施工条件，将厂房I层分左右两半幅进行开挖。同时安排在2号通风室开挖支护期间同时进行中导洞超前开挖，在2号通风机室扩挖支护完成后，将中导洞两侧扩挖完成，随后即釆用左右半幅错距开挖的方法进行I层开挖。

（3）厂房I层开挖支护和混凝土衬砌交叉进行。考虑厂房顶拱I层围岩较差，开挖支护时间将较长，且顶拱混凝土衬砌范围及施工难度较大，釆取开挖和衬砌交叉进行，在厂房全断面开挖支护60m左右后开始启动顶拱混凝土施工。