黑龙江省某抽水蓄能电站施工支洞设计

2024-03-22李叶李志国

东北水利水电 2024年3期

李叶，李志国

（1.辽宁省河库管理服务中心（辽宁省水文局），辽宁沈阳 110003；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

1 概述

抽水蓄能电站中布置施工支洞是为了方便地下洞室、输水系统的开挖，增加施工工作面，加快施工进度。同时，部分施工支洞也会作为检修通道等成为永久洞室。本文以黑龙江省某抽水蓄能电站为例，论述施工支洞设计过程及设计要点。

黑龙江省某抽水蓄能电站位于黑龙江省哈尔滨市附近，装机容量为1 200 MW，电站枢纽建筑物主要由上水库、下水库、输水系统和地下厂房系统、地面开关站等组成。在上、下水库之间的山体内，布置两套独立的输水系统，每套输水系统由引水系统和尾水系统组成，引水、尾水系统均采用一洞三机的布置形式。地下厂房系统分为主体洞室和附属洞室，主体洞室包括主厂房洞、主变洞和尾闸洞，附属洞室主要由母线洞、进厂交通洞、通风洞、电缆兼排风竖井、交通联络洞、排风平洞、排水廊道等组成。

2 施工支洞设计

2.1 轴线布置

临时施工支洞布置将直接影响到施工工期与工程造价。根据施工总进度安排、地形地质条件及各洞室的相互关系，确定施工支洞布置原则：应便于施工，保证工程进度；尽量利用永久洞室作为施工通道，并在施工支洞上再分岔洞，或与永久洞室相结合，以最大限度减少临建工程量；应尽量满足不同高程、不同洞室施工的特点与需要；施工支洞与永久工程洞室的交叉部位应留有足够的岩层厚度，保证施工支洞具有可靠的成洞条件。

根据该工程地下厂洞系统的布置情况及施工程序的安排，永久洞室可以作为厂房上部主要施工通道的通风洞和厂房中部主要施工通道的交通洞。

除上述永久通道外，为满足施工需要，布设了5 条施工支洞，如图1 所示。

图1 施工支洞平面布置图

1）1 号施工支洞起点为露天洞口，终点为引水系统上平段事故闸门井与上水库进/出水口之间，长度为1 700.0 m，平均纵坡为7.46%。该支洞作为上水库进/出水口、引水系统上平段开挖、支护、衬砌、钢管安装等的施工通道。

2）2 号施工支洞起点为1 号施工支洞，终点为引水系统上平段事故闸门井与竖井段之间，长度为207.0 m，平均纵坡为5.31%。该支洞作为引水事故闸门井、引水系统上平段、引水竖井开挖、支护、衬砌、钢管安装等的施工通道。

3）3 号施工支洞起点为厂房交通洞，终点为引水系统下平段，长度为358.0 m，平均纵坡为5.53%。该支洞作为引水系统竖井段开挖、下平段、引水岔管及支管段开挖、支护、衬砌、钢管安装等的施工通道。

4）4 号施工支洞起点为3 号施工支洞，终点为地下厂房下部，长度为163.0 m，平均纵坡为7.30%。该支洞作为厂房下部主要施工通道。

5）5 号施工支洞起点为交通洞，终点为尾水系统主洞，长度为571.0 m，平均纵坡为6.90%。该支洞作为厂房底部、尾水支洞、尾闸室、尾水岔管、尾水调压井、尾水主洞的主要施工通道。

2.2 纵坡设计

支洞的最大纵坡应满足NB/T 10333—2019《水电工程场内交通道路设计规范》，见表1。在受条件限制段，采取相应措施后，可增加最大纵坡。

表1 支洞的最大纵坡

支洞不同的最大坡长应满足NB/T 10333—2019 的相应规定，见表2。支洞连续上坡或下坡时，应在不大于表2 所规定的纵坡长度范围内设置缓和坡段，缓和坡段的纵坡不应大于3.00%，其长度不应小于50.0 m。

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表2 支洞不同的最大坡长

2.3 横断面形式及尺寸确定

施工支洞的断面形式主要考虑到结构安全，故大多采用门洞形，又称圆拱直墙形或城门洞形。该形式的优势在于较大的铅直方向的岩石压力由顶拱承担，平底直墙便于施工、维修[1]。

施工支洞尺寸的主要制约因素：金属结构的尺寸；施工机械及运输车辆的通行；施工支洞及地下洞室的通风；施工支洞及地下洞室的供水、排水；是否布置检修道或人行道[2]。

地下厂房和输水系统部分的金属结构大部分需要通过施工支洞运输，且个别金属结构尺寸巨大，因此，金属结构的尺寸对施工支洞尺寸的影响最为重要。

以该抽水蓄能电站1 号施工支洞为例，该施工支洞主要运输的大尺寸金属结构为输水系统上平段的钢管，钢管横断面为直径7.0 m 的圆形，每节钢管长度为3.0 m，支洞顶部布置通风管道，侧边布置供风管和供水管，道路一侧布置排水沟，断面布置形式见图2。

图2 1 号施工支洞断面布置型式（单位：mm）

2.4 支护方式

施工支洞混凝土衬砌应根据不同的地质条件及支洞不同部位确定不同的支护形式。以该抽水蓄能电站为例，5 条施工支洞围岩以Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类为主，洞口段、断层段、交叉段为重点防护部位，具体支护方式如下。

1）洞口段、断层段、硐室交叉段支洞采用喷锚支护形式：挂网喷厚度为0.2 m 的C20 混凝土，挂ϕ8@0.2 m×0.2 m双层钢筋网；系统采用ϕ22@1.5 m×1.5 m 普通砂浆锚杆，每节锚杆长度为4.5 m，呈梅花形布置；系统采用ϕ50@3.0 m×3.0 m 排水孔，排水孔长度为3.0 m，呈梅花形布置；顶拱及边墙采用厚度为0.6 m 的C25 二级配钢筋混凝土衬砌；路面混凝土采用厚度为0.2 m 的C30 二级配混凝土；钢支撑采用I20 工字钢，间距为1.0 m，钢支撑焊接ϕ25 钢筋；薄弱段加ϕ42 超前小导管，导管长度为4.5 m，环向间距为0.4 m。

2）Ⅱ类围岩段采用喷素混凝土+随机锚杆的支护形式：顶拱及边墙素喷厚度为0.1 m 的C20 混凝土；路面混凝土采用厚度为0.2 m 的C30 二级配混凝土；顶拱随机锚杆采用ϕ22@1.5 m×1.5 m 的普通砂浆锚杆，锚杆长度为4.5 m；顶拱系统采用ϕ50@3.0 m×3.0 m的排水孔，排水孔长度为3.0 m，呈梅花形布置。

3）Ⅲ类围岩段采用系统喷锚+混凝土衬砌的支护形式：顶拱及边墙挂网喷厚度为0.2 m 的C20混凝土，挂ϕ8@0.2 m×0.2 m 双层钢筋网；路面混凝土采用厚度为0.2 m 的C30 二级配混凝土；系统采用ϕ22@1.5 m×1.5 m 的普通砂浆锚杆，锚杆长度为4.5 m，呈梅花形布置；系统采用ϕ50@3.0 m×3.0 m的排水孔，排水孔长度为3.0 m，呈梅花形布置。

4）Ⅳ类围岩段采用系统挂网喷锚+混凝土衬砌+钢格栅的支护形式：顶拱及边墙挂网喷厚度为0.2 m 的C20 混凝土，挂ϕ8@0.2 m×0.2 m 双层钢筋网；路面混凝土采用厚度为0.2 m 的C30 二级配混凝土；系统采用ϕ22@1.5 m×1.5 m 的普通砂浆锚杆，锚杆长度为4.5 m，呈梅花形布置；系统采用ϕ50@3.0 m×3.0 m的排水孔，排水孔长度为3.0 m，呈梅花形布置；钢支撑采用I20钢格栅，间距为1.0 m，钢支撑焊接ϕ25 钢筋；回填灌浆采用长度为0.9 m的钻孔；顶拱及边墙采用厚度为0.6 m 的C25 二级配混凝土衬砌。

3 施工进度

支洞的施工进度安排应与施工总进度相互协调，保证各项目施工程序前后兼顾、衔接合理、干扰少、施工均衡。抽水蓄能电站以地下洞室工程施工为主，施工支洞应围绕着地下厂房洞室的工程安排工期[3]。

该工程计划筹建期为18 个月，主要为承包单位进场施工创造条件，其中，工程准备期为6 个月，主要为各项主体工程施工作准备。主体工程施工期为57个月，施工期内基本完成所有的土建工程、金属结构安装工作，同时，进行上、下水库初期蓄水，以及第一台机组的安装、调试及发电。工程完建期为9个月，主要完成剩余机组的安装、调试与发电。计划建设总工期为84 个月，其中，支洞施工工期为20个月，贯穿工程筹建期、工程准备期、主体工程施工期。具体支洞施工进度安排见图3。

图3 支洞施工工期示意图

4 施工方法

支洞施工前应开展安全风险评估，辨识施工过程中的主要危险源及危害因素，制定安全防护措施，并实施动态风险控制和跟踪处理。施工支洞不良地质段应遵循“早预报、预加固、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤测量、快衬砌”的原则施工[1]。

1）土方明挖

土方明挖采用132 kW 推土机集料，3 m3装载机装20 t自卸汽车运，并运至表土暂存场或弃渣场。

2）石方明挖

石方明挖采用液压履带钻钻孔爆破，132 kW推土机集料，3 m3装载机装20 t 自卸汽车运输，并将弃渣运至弃渣场，有用料运至施工区直接利用或运至暂存场暂存。

3）石方暗挖

石方暗挖采用三臂凿岩台车或手风钻钻孔进行全断面开挖及光面爆破，2 m3侧卸式装载机装20 t 自卸汽车运输，并将弃渣运至弃渣场，有用料运至施工区直接利用或运至暂存场暂存。

4）混凝土衬砌

施工支洞混凝土衬砌采用平移式钢模台车或组合模板浇筑，混凝土采用3 m3混凝土搅拌车运输至各工作面，30 m3/h 混凝土泵泵送入仓。

5）施工通风、防尘、排水

施工支洞通风散烟的优劣直接关系到施工作业人员的健康状况，而且通风效果直接影响地下洞室群的施工速度。独头工作面掘进的施工支洞需在洞口布置轴流风机，给工作面供风。为了降低洞内粉尘及有害气体浓度，洞内作业的装载机和自卸汽车均需安装空气净化装置，以减少废气的排放。开挖采用湿式钻孔，爆破喷雾降尘。出渣时向渣堆洒水，并保持路面湿润。逆坡的施工支洞采用水泵集中排水，较长施工支洞设置集水坑，采用接力式抽排。正坡的施工支洞可沿洞脚挖设排水边沟，利用排水边沟排水。