杨房沟水电站地下厂房顶拱开挖施工技术

谢斌

摘要：水电工程地下厂房顶拱跨度大，开挖成型质量要求高，安全风险突出，施工效率低，工期长。本文通过杨房沟水电站地下厂房顶拱开挖施工通道布置、开挖分区分层、施工程序、施工工艺和爆破参数等方面进行总结，为同类工程地下厂房顶拱安全、高效、高质量开挖提供借鉴。

关键词：水电工程  地下厂房  顶拱  开挖

1 概述

1.1 工程概况

杨房沟水电站是国内首个采用设计采购施工总承包模式进行建设的百万千瓦级大型水电站，工程规模为一等大（1）型工程，電站总装机容量1500MW。引水发电系统布置在左岸山体内，地下厂房采用首部开发方式，主副厂房洞、主变洞、尾调室三大洞室平行布置。主副厂房洞长230m，高75.57m，岩梁以下宽28m，以上宽30m。

1.2 地质条件

主副厂房洞位于左岸山体内，轴线走向N5°E，地面高程约2220m～2350m，洞顶高程2022.5m，上覆岩体厚度200m～330m，水平埋深180m～330m。厂房围岩岩性为浅灰色花岗闪长岩（γδ52），呈微风化～新鲜状，岩质坚硬，岩石的单轴饱和抗压强度在80～100MPa之间。

主副厂房洞共揭露111条构造，其中包括33条小断层和74条挤压带，除f1-49和f1-83为Ⅲ级结构面外，其余均为Ⅳ级结构面。构造走向以NWW、NEE为主、NNE向次之，倾角以中倾角为主，宽度以1～3cm为主。断层宽度一般1cm～5cm，延伸长度一般30m～100m，除f1-49、f1-94为岩屑夹泥膜外，其余均为岩块岩屑型，其中23条断层为切洞向中陡倾角，2条为切洞向缓倾角，8条为顺洞向中陡倾角。挤压带宽度一般1cm～3cm，延伸长度7m～45m不等。

厂区最大主应力σ1值为12.62～13.04MPa，最大主应力方向为N61°W～N79°W，与厂房轴线夹角66～84°，属于中等地应力区[1]。

2 通道布置

主副厂房洞顶拱开挖利用顶拱左、右端头的厂房进风洞、通风兼安全洞作为施工通道。厂房进风洞位于主副厂房洞左端，底板高程为2015.10m，断面尺寸为7.4m×8.9m（宽×高）。通风兼安全洞位于主副厂房洞右端，底板高程为2015.10m，断面尺寸为7.4m×8.9m（宽×高）[2]。

3 顶拱开挖分区

厂房顶拱层开挖高程为2022.5m～2010m，总高度为12.5m，分为四区进行开挖，Ⅰ-1区为中导洞（高程2022.5m～2012.5m）开挖，断面尺寸为12m×10m（宽×高），Ⅰ-2区为中导洞底板下卧开挖，断面尺寸为12m×2.5m（宽×高），Ⅰ-3、Ⅰ-4区为上下游侧扩挖（高程2021.514m～2010m），扩挖宽度9m。

分区注意事项：

（1）分区总体上遵循“安全高效、方便施工”原则。

（2）中导洞高度需要满足9m长锚杆施工要求，高度不低于9m。

（3）为满足两侧3区、4区9m长锚杆施工要求，顶拱第一层开挖高度应不小于12.5m，宽度不小于9m。

（4）为便于多臂钻进行锚杆施工，中导洞高度不宜大于10m。

4 施工程序

1）中导洞开口及渐变段施工

第一步：中导洞渐变段以厂房右端墙为起点，开挖断面沿用通风兼安全洞断面，水平向前推进，开挖至（厂右）0+163.5m（5个开挖循环，开挖长度15m），停止向前掘进，从掌子面反向进行两侧修边对称扩挖，扩挖后开挖断面由通风兼安全洞8.8×7m（宽×高）变为12×7m（宽×高）。

第二步：渐变段开挖断面变为12×7m（宽×高）断面后，开始水平循环向前推进45m（16个开挖循环），开挖至（厂右）0+118.5m，退出钻爆台车，停止向前掘进。

第三步：开始底板第一次开挖降底，将整体断面扩挖成12×10m（宽×高）断面，其中（厂右）0+178.5m～（厂右）0+148.5m段中部预留8m宽，坡度为10%的斜坡施工通道。

第四步：推台车至（厂右）0+148.5m，完成12×10m断面台车改造，同时完成已开挖部位顶拱Φ32，L=9m长锚杆施工。

2）标准段及两侧扩挖施工

第一步：完成渐变段开挖后，开始中导洞12m×10m（宽×高）全断面开挖掘进，控制支护进度滞后开挖工作面小于20m，当围岩破碎时，支护紧跟开挖面实施。

第二步：中导洞贯通后进行中导洞底板第二次下卧开挖降底，从安装间侧向副厂房侧单向开挖。

第三步：中导洞底板降底开挖完成后，进行上下游侧扩挖施工，扩挖开口采用刻槽工艺。上游侧从3#机组中心线处开始向两端扩挖，下游侧从2#机组中心线处开始向两端扩挖。前期利用通风兼安全洞作为施工通道，厂房进风洞开挖完成后，同时利用通风兼安全洞、厂房进风洞双通道进行施工。最后进行临时施工通道的挖除。

3）左右端墙施工

为确保左右端墙开挖质量，在两侧扩挖至左右端墙位置时，端墙面预留2～4m保护层，保护层开挖采用分层造孔钻爆，双向光面爆破，爆破孔间距50cm，确保端墙开挖面平整。

5 生产性爆破开挖试验

为选取适宜的爆破参数，于2016年4月20日至2016年4月30日在厂房顶拱层中导洞（厂右）0+160m～（厂右）0+134m，分别按不同的周边孔间距、不同的最小抵抗线、不同的周边孔线装药量进行组合，共进行了8次爆破试验，爆破参数详见表1。

厂房第Ⅰ层中导洞通过爆破试验的几次爆破振动监测共采集到16个有效数据，对每点的3分量速度进行矢量合成，可得到每点的振动最大合速度，相比于采用单分量速度进行拟合计算，采用合速度可减小岩石局部各向异性造成的偶然误差，进行回归计算所得到的K、α值更趋合理，各点爆破振动最大合速度见表2。

拟合计算结果为：K=103.3，α=1.46。建议采用公式 预测爆破最大质点振动速度。

通过爆破试验，厂房顶拱中导洞Ⅱ、Ⅲ类围岩进尺为3.0m～3.2m，周边孔间距为50cm，周边孔最小抵抗线75cm，周边孔线装药量为154g/m效果最佳，施工参数现场实施时需结合揭示围岩情况，爆破设计进尺、装药量及布孔形式动态调整及个性化装药。

6 特殊部位爆破开挖

（1）边墙扩挖开口刻槽开挖

1）结构线预留保护层厚度1.2～1.8m。

2）中下部掏槽进尺根据开挖总厚度，宜控制在2.5m～3.5m。

3）保护层刻槽深度根据顶拱弧线半径、钻机构造，按照最大超挖15cm进行设计。

（2）端墙双向光面爆破开挖

1）边墙扩挖端墙（最后一次爆破）开挖长度控制在3m左右。

2）掌子面（顺轴线方向）周边孔控制深度为相应端墙桩号加20cm。

3）掌子面（顺轴线方向）主炮孔控制深度为相应端墻桩号减70cm。

4）临时边墙向上下游的（垂直轴线）周边孔控制桩号为端墙桩号加20cm。

5）临时边墙端墙处周边孔根据不同孔深进行φ25药卷间隔装药，线装药密度80g/m。

6）相应孔深以测量实测岩石面为准。

（3）炮孔布置要点

1）测量放样

每一排炮要求准确放出中心十字线和周边线。测量放样必须逐孔放点，后视点必须间隔放样，采用“+”、“-”标示超欠挖情况，洞轴线中心线标识清楚，孔位中心线与前一排炮残孔对齐，误差应在±5cm以内。

2）钻孔

钻孔作业实行定人、定机、定岗“三定”制度，周边孔开孔前，放点点位不利于开钻时，使用榔头清撬处理，方便开钻，并做好钻杆标识，便于控制钻进深度，保证孔底深度在一个轮廓线上;开孔采用短钻杆，开孔必须2人以上，专人观察孔向（后视点超挖值调整3cm/m的外插角）;钻孔过程中随时检查孔距、钻孔方向，每个孔钻孔完成后安装标杆，便于参照方向。

3）装药连线

严格按照审批后的爆破设计装药连线，严格控制线装药密度、装药结构等。

4）爆后评价

每排炮出渣及排险后，由质量部门组织“爆破开挖技术质量攻关小组”成员对爆破效果进行现场检查评价，并会商提出下一排炮的改进措施。

7 开挖效果总体评价

从工期上，主副厂房洞第Ⅰ层采用先中导洞开挖，后两侧扩挖的方式。主副厂房洞中导洞于2016年4月6日开始开挖，2016年8月3日开挖完成;扩挖于2016年7月16日开始，于2016年11月12日完成，第一层开挖总工期7个月，在同类工程中属于中上水平。

从爆破松弛上，主副厂房洞共布置了5个声波测试断面，第Ⅰ层开挖完成后（2016年11月）进行了顶拱松动圈测试，声波测试结果显示，厂房顶拱松弛深度0.7～2m，平均松弛深度为1.4m，上游拱肩平均松弛深度最大，下游拱肩次之，顶拱最小;松弛区岩体平均波速4165m/s，非松弛区岩体平均波速为5150m/s，爆破振动控制效果较好[5]。

从变形控制上，地下厂房顶拱围岩变形主要发生在顶拱层（一般为洞室第I层）开挖期间，之后随着洞室开挖高程下降，拱效应显现，顶拱变形问题将逐步趋缓。洞室第I层开挖时，正顶拱部位的变形一般约占洞室开挖完成后总变形量的80%以上。中（高）地应力硬岩条件下，厂房正顶拱部位的变形一般在4～10mm，通常不超过12mm;厂房拱肩部位的变形一般在10～20mm，通常不超过35mm。在一般情况下，应力水平越高，整体变形量也将越大，并且这种与应力相关的变形具有时间效应。杨房沟水电站主副厂房洞多点位移计累计变形在-3.41～69.12mm之间，89%以上测点围岩变形都小于40mm，大于50mm的仅占6.25%。顶拱及上下游拱肩变形一般在10mm以内，最大累计变形为37.54mm，位于厂左（右）0+00m断面上游拱肩。边墙变形一般在40mm以内，下游边墙变形整体高于上游侧，实测最大变形69.12mm，位于厂左（右）0+00 m断面下游2006m高程。

8 结语

地下厂房占地面积少，与地面建筑物之间干扰小、抗震性能良好、造价经济，我国已建水利水电工程中，大型地下厂房数量超过100座，随着水利水电工程的不断发展，地下厂房建设已积累了丰富的经验，但由于地下厂房顶拱开挖程序复杂、施工质量要求高、安全问题突出，要求承包商必须进行精细化管理，以节省工期、减小爆破扰动、严格控制开挖变形。杨房沟水电站地下厂房顶拱开挖通过精心策划、加强现场管理、精细化施工取得了安全、优质、高效的开挖效果。

参考文献

[1]沈雨魁等.杨房沟水电站地下主厂房施工期安全监测成果分析[J].四川水利，2019，（4）：22-25

[2]杨凯中等.浅谈首部式地下厂房洞室群施工支洞规划设计[J].四川水利，2019，（4）：57-59

[3]袁平顺等.EPC模式下引水发电系统开挖支护快速施工技术[J].四川水利，2019，（4）：73-76

[4]焦凯等.杨房沟水电站地下厂房开挖支护设计施工实践[J].四川水力发电，2019（038）002

[5]张帅等.杨房沟水电站地下厂房顶层围岩松弛圈分析与预测[J].水电与新能源，2018， 32（10）

作者简介：谢 斌（1979-），男，汉族，四川省南部县人，高级工程师，从事水利水电施工技术管理工作;