官地水电站高应力大跨度大型地下厂房开挖施工技术

华志刚

摘 要：官地水电站地下厂房厂区地应力高、地质条件较复杂，大型厂房与众多洞室的立体交叉，增加了厂房特别是大跨度高边墙的施工难度，围岩稳定和快速施工是本工程的难点和重点。

关键词：高应力 大跨度 大型地下厂房 开挖技术

1 工程概述

1.1 工程概况

官地水电站位于雅砻江干流下游、四川省凉山彝族自治州西昌市和盐源县交界的打罗村境内，系雅砻江卡拉至江口河段水电规划五级开发方式的第三个梯级电站。枢纽建筑物主要由左右岸挡水坝、中孔坝段和溢流坝段（为碾压混凝土重力坝）、消力池、右岸引水发电系统组成。

引水发电系统采用右岸地下厂房布置方案，由进水口、引水洞、主、副厂房、母线洞、主变室、出线洞、永久通排风系统、进厂交通洞、尾水管及连接洞、尾水调压室、尾水隧洞、厂房防排水渗设施及地面开关站等组成。采用单机单管供水，共装4台单机容量600MW的水轮发电机组，总装机容量2400MW。

主厂房布置在大坝轴线下游右岸山体内，厂房（含安装间、副厂房）最大开挖尺寸为243.44×31.10×76.30m（长×宽×高），主机间长159.52m，岩锚梁以上跨度31.1m，岩锚梁以下跨度29.0m，为大型地下厂房。

1.2 工程地质条件

地下厂房位于斜坡应力集中带（紧密挤压带）以内，置于新鲜的P2β15-2角砾集块熔岩和P2β15-1层斑状玄武岩中，总体岩石坚硬，地下厂房区无大的断层通过，无大的软弱结构面，错动带规模很小，洞室围岩岩体完整性较好，以次块～块状结构为主，局部为镶嵌或碎裂结构。

厂房无大的断层通过，无大的软弱结构面，副厂房和主厂房北端一带，错动带相对较多，错动带以NWW～NNW向中陡倾角为主，NWW向结构面有糜棱岩或泥钙质充填，切层性及延展性好，其走向与厂房走线交角小，均造成了边墙不同程度的塌块，少量缓倾角错动带；裂隙以NNE向中陡倾角为主，裂隙多新鲜闭合，充填方解石膜或石英膜，结合紧密，延伸短。主厂房区围岩岩体以整体块状结构（Ⅱ类围岩）为主，基本稳定，次块状结构（Ⅱ～Ⅲ类围岩）次之，局部为镶嵌或碎裂结构；副厂房、安装间以Ⅲ类为主。

1.3 工程施工特点

官地水电站地下厂房因其跨度及高度大而成为地下洞室群的核心部位。

（1）施工组织、质量控制难度大。

（2）地应力高，最大主应力值为24MPa，最大水平主应力值一般为10～13MPa，最大14.7Mpa。最小水平主应力值一般为7～8MPa，最大10MPa。最大、最小水平主应力随着深度的增加而增加，但增加梯度较小，地质情况较复杂。

（3）跨度大，地下厂房最大跨度31.10m，在国内已建大型水电站位于第四位。

（4）大跨度高边墙洞室、洞群交叉处、相邻洞室间岩层、岩柱的三大稳定等问题较突出。

2 施工程序及主要开挖方法

2.1 顶拱层施工程序及开挖方法

由于主副厂房及安装间顶拱跨度大（跨度为31.1m），轴线较长且不良地质结构发育，特别是拱肩部分由于受力条件与不良地质易发生拱肩不稳定岩体的坍塌、失稳，所以在进行厂房第Ⅱ层开挖前需将顶拱部位支护全部结束，特别是拱肩部分。

（1）中导洞：断面为8m×（9～7.5）m，初期开挖时，由于地应力较高，经常岩爆，围岩变形速率较大，为确保施工安全，将原中导洞超前、两侧扩挖跟进，改为中导洞采用双向掘进的施工方法，顶拱系统锚杆跟进支护，中导洞开挖支护完成后，再进行两边侧边墙的刻槽扩挖。

（2）侧墙刻槽与扩挖：侧墙上、下游侧墙各宽11.55m，刻槽宽11.55m，下部掏槽，采用双向掘进全断面扩挖的施工方法，同时上、下游侧墙在不同位置分别刻2-3个槽，然后分别向左、右两端扩挖，既减小一次开挖跨度和围岩变形，又增加了工作面，从而加快施工进度。软弱围岩坚持“短进尺、弱爆破、强支护、勤观测”，采用先进的监控量测技术，对围岩进行监控。

（3）保护层：保护层厚1.O～1.5m，采取短斜孔光面爆破方式。

通过采用以上方法，厂房顶拱开挖成型较好。围岩变形也控制在允许范围内。

2.2 高边墙施工程序及方法

地下厂房开挖总高度76.3m，结构复杂，跨度大，支护型式多样，工艺复杂，开挖支护工期紧，开挖过程中边墙的变形大，高边墙稳定比较突出，合理安排开挖程序及保证高边墙的稳定是重点，根据理论研究和以往施工经验，厂房立面上按11层分区、分块开挖支护。

2.2.1主要施工程序

（1）主副厂房及安装间Ⅱ～Ⅶ层采取中部梯段微差爆破，两侧或周边预留保护层由手风钻钻孔光面爆破的开挖方法进行施工。中间抽槽、两侧保护层跟进。厂房下卧充分运用“新奥法” ，“立体多层次，平面多工序” ，快速施工。

（2）主副厂房Ⅹ～Ⅺ层。先从尾水扩散段挖进厂房第Ⅹ、Ⅺ层形成中导洞，尾水扩散段上层开挖完成后，开挖中导洞Ⅹ层部分，尾水扩散段下层开挖完成后，开挖中导洞Ⅺ层部分，均采用手风钻全断面掘进的开挖方法。

（3）廠房第Ⅷ、Ⅸ层中部溜渣井施工，以Ⅹ、Ⅺ层中导洞作为厂房Ⅷ、Ⅸ层的施工通道，采用手风钻向下依次扩挖厂房Ⅹ、Ⅺ层，开挖主要采用YT-28手风钻钻孔，然后从第Ⅷ、Ⅸ层下打导井与之贯通，中部溜渣井进行第Ⅷ、Ⅸ层的开挖支护，以尾水扩散段及尾水洞或尾水施工支洞延长段作为施工出渣通道。

锚喷支护等工序与各层开挖平行流水作业。施工顺序为1#基坑→2#基坑→3#基坑→4#基坑。

2.2.2主要施工方法

（1）预裂爆破。高边墙是工程施工的重点部位，设两道预裂缝（双保险），中间拉槽前先对边墙轮廓线进行预裂，减小中间拉槽梯段爆破对高边墙的震动。预裂孔采用液压钻钻孔，深8m，超钻50cm，间距80～100cm，线装药密度400g/m。

（2）梯段爆破。严格控制单响药量，高边墙质点振速Vs≤100mm/s，单孔单响非电毫秒延期雷管微差接力爆破，厂房4m高梯段爆破允许的最大单响药量100kg，8m高梯段爆破允许的最大单响药量200kg，其中为保护岩锚梁的安全，第五层梯段爆破最大单响药量不超过50kg。

（3）支护施工。充分利用新奥法原理适时进行支护，为使围岩及时得到支护抗力，防止围岩卸荷位移，在工程施工中，根据现场施工条件，支护紧随开挖进行。同时根据系统支护后的围岩变形情况，及时进行随机支护。

（4）采用先进的施工设备。先进施工设备主要引进了353E阿特拉斯三臂凿岩台车2台、D7钻机3台和1台Aliva-500喷射机。先进的设备保证了工程进度，支护的及时性和工程质量，确保了工程安全。

2.3 厂房高边墙与相邻洞室交叉段施工程序及方法

与地下厂房高边墙不同高程贯通的洞室有：厂房上1支洞、厂房上2支洞、主副厂房进厂交通洞、主厂房排风竖井、母线洞、电缆廊道、引水下平洞、尾水扩散段、等19条洞室，其中高边墙稳定问题尤为突出。

（1）施工程序：为保证工程和施工安全，经研究论证采用“先洞后墙”的施工程序。即先进行小洞室开挖支护，后进行厂房高边墙施工。

（2）主要施工方法：① 距交叉口两倍洞径的洞段内，小洞室采用浅孔短進尺、小药量、多循环的开挖方法；② 地质或受力不利的交叉部位采用超前支护或加强支护；③ 母线洞分三层开挖，母线洞Ⅰ层采用“中导洞先行，两侧扩挖跟进”的施工程序；母线洞Ⅱ层开挖调整为先挖中导洞伸入厂房2.0m；母线洞Ⅲ层首先开挖Ⅲ1，由主变室向主厂房方向开挖，母线洞Ⅲ2开挖在厂房Ⅴ层开挖完成后由厂房侧进入，先开挖斜坡道部位，后进行左侧扩大段开挖；④ 合理利用控制爆破，采用光爆和预裂技术，确保开挖轮廓面成形，减少爆破震动对围岩及相邻建筑物的影响；⑤ 加强锁口支护，确保洞口围岩稳定。

2.4岩锚梁梁台施工程序及方法

岩锚梁开挖成型质量和爆破后岩体完整性直接影响到桥机运行安全，因此岩锚梁如何开挖，确保岩锚梁开挖质量是地下厂房施工的重中之重。

2.4.1施工程序

（1）厂房岩壁梁位于厂房第Ⅲ层，为方便岩锚梁施工，设计开挖高程为EL1227.30m～EL1220.80m，长度为226.42m，从进厂交通洞进入厂房升坡到达工作面。

（2）厂房Ⅲ层的开挖中间部位采用梯段爆破开挖，两侧预留保护层，中间梯段与保护层之间采用预裂爆破。设计开挖边墙采用光面爆破，中间梯段开挖宽度为23m，梯段高度为层高度（6.5m），两侧预留保护层的宽度为4.05m～3.00m。

（3）中间梯段爆破完成后，进行岩锚梁两侧的保护层开挖，岩锚梁两侧的保护层按Ⅲ2～Ⅲ4的顺序依次进行开挖；最后进行岩锚梁岩台（Ⅲ5）的开挖，见图1。

2.4.2主要施工方法

根据官地地下厂房岩石性质、地质构造等特点，保护层分4区采用手风钻造孔开挖，孔径φ42mm。岩锚梁开挖分序进行，岩台垂直孔超前造孔，与Ⅲ2造孔同时完成；Ⅲ2、Ⅲ3、Ⅲ4采用垂直孔钻爆开挖，梯段光面爆破，循环进尺20m ；再进行岩锚梁岩台Ⅲ5斜孔造孔，最后岩台岩壁采用直面和斜面双面光爆一次开挖成型，分段长度为20m。根据爆破设计网络要求进行联网，采用非电毫秒导爆管雷管微差爆破，弱光爆形成，岩锚梁开挖分区见图2。

3 爆破振动控制

爆破振动控制是厂房开挖的重点之一， 爆破振动直接影响高边墙的稳定和岩臂吊车梁结构的安全。本工程开挖对质点振动速度要求高，因此在厂房开挖时须通过爆破振动试验确定最初的爆破控制参数，并在施工过程中进行质点振动速度监测，通过监测数据对最初的爆破振动参数进行修正和数据分析，从而选择合理的施工方法和爆破参数，做到尽量减少对围岩的影响。

3.1 初期的爆破振动试验

为了了解官地地下厂房开挖爆破对高边墙的影响，在地下厂房Ⅰ、Ⅱ层开挖中，进行了爆破振动试验，以确定厂房Ⅱ层以下的爆破参数，从而对原投标爆破开挖方法进行优化。

根据初期试验成果分析，初步确定的爆破参数为：单响药量109～320㎏，满足质点振动速度的距离为14～20m，如爆破距离在10m以内，则单响药量控制在40㎏之内；为保证爆破质点振动速度不叠加，每段爆破延时不小于50ms。

3.2 施工期间爆破振动监测

官地水电站地下厂房规模大，地质情况对高边墙稳定不利。为了有效控制爆破质点振动速度，对每排炮均进行监测，业主、监理、施工单位对监测数据共享，及时优化调整爆破参数，力争做到本工程厂房爆破质点速度控制标准VS≤10㎝/s。结果监测数据显示均满足设计要求。

3.3 开挖过程中的爆破控制措施

（1）采用中间拉槽两侧预留保护层的开挖方法，设置周边和拉槽两道预裂缝（双保险）中间拉槽采用单孔单响孔间微差挤压爆破技术。

（2）增大爆破距离。在岩锚梁混凝土浇筑前，对岩锚梁下部的6m先进行爆破，爆破后不出渣，待岩锚梁混凝土达到28d强度后进行该6m部分出渣和剩余部分的开挖，通过增加了爆破距离，控制了质点爆破振动速度。

4 结语

官地水电站大跨度、高边墙的大型地下厂房位于高地应力区，地质条件较复杂，并与19条洞室空间立体交叉，围岩稳定极其重要。洞室开挖采取了合理的开挖分层和分区；现场生产性试验确定了合理的爆破参数和施工工艺；采用了先进的施工设备；充分利用新奥法和永久、临时施工通道全面进行地下厂房开挖和适时支护；高度重视高边墙、交叉段和岩锚梁台的施工，取得了良好的质量、进度和经济效益。

参考文献

[1]《水利水电工程施工地质规程》 DL/T5109—1999.中国电力出版社

[2]《爆破安全规程》GB6722—2003.中国电力出版社

[3]《地下洞室钻孔爆破》DL/T5135—2001. 中国电力出版社

[4]《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》DL/T5099—1999. 中国电力出版社