構皮灘地下電站大型洞室群開挖支護技術偰光恒1字繼權1 辛文波2（1中國水利水電第十四工程局有限公司 650041）（2中國水利水電建設工程咨詢中南公司 410014）【摘 要】 結合貴州構皮灘地下電站大型洞室群施工，總結強巖溶影響下大型洞室群開挖支護技術，供類似工程設計、施工參考。【關鍵詞】 構皮灘 地下電站 大型洞室群 開挖支護 技術1 前言隨著“西部大開發”及“西電東送”戰略的實施，眾多代表世界級的大型水電工程在中國紛紛啟動，水電資源的開發與利用取得了迅猛的發展。許多大型水電工程地處深山峽谷之中，地上空間非常有限，開發利用地下空間成為水電工程發展的必然趨勢，大型地下工程將越來越多，地下工程施工技術在水電工程建設中占據重要地位。2 工程簡介構皮灘水電站作為國家“西電東送”的標志性工程，是目前國內強巖溶地區最大的地下電站，屬Ⅰ等工程，電站裝機5×600MW。整個樞紐布置非常緊湊，主要建筑物有雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、電站廠房、通航及導流建筑物等。構皮灘水電站地下廠房洞室群在不到0.5Km2的區域內布置了近七十多條洞室，洞室縱橫交錯，平、豎相貫，總長度近15Km，總洞挖量170萬m3，各類錨桿16萬根，預應力錨索1444束，噴混凝土9.2萬m3。地下廠房最大開挖尺寸230.45×27×75.32m（長×寬×高）、主變室最大開挖尺寸207.1×15.8×21.34m（長×寬×高）、調壓室廊道最大開挖尺寸158×19.30×22.83m（長×寬×高）、調壓室豎井段高90.42m，三大洞室間巖柱最大厚度為30m。地下電站建筑物主要包括：引水渠、進水塔、引水隧洞、主廠房、主變洞、尾水洞、調壓室、尾水平臺、尾水渠、開關站、交通洞及通風洞等。受以W24巖溶系統為代表的空間展布錯綜復雜的巖溶系統的影響，構皮灘地下電站是一個復雜的超大型地下工程。構皮灘地下電站透視圖見圖1。圖1 構皮灘地下電站透視圖3 地質條件構皮灘電站壩址區處于高山峽谷的巖溶地區，巖溶發育，巖溶及地下水對地下洞室圍巖穩定性的影響是重要的工程地質問題之一。構皮灘電站地下廠房洞室群主要處于P～P1q灰巖地層中，巖體條件復雜：層間錯動及巖石結構面穿過洞室，沿斷層、分層間錯動多溶蝕，發育有溶洞；建筑物范圍裂隙較發育。地下廠房洞室群主要發育有規模龐大的W24巖溶系統主干管道及其旁側沿NW、NWW

鑒于復合土工膜部分現場觀測成果合成材料在工程應用中具有一定的抗老化能力，故有些國家的某些文件中對其使用年限作了較為寬限的規定，如前蘇聯BCH07-74《土石壩應用聚乙烯防滲結構須知》中規定，聚乙烯土工膜可用于使用年限不超過50年的建筑物。奧地利林茨公司發表的“聚丙烯復合土工膜土工合成材料的長期性狀”一文中的結論寫道：“對聚丙烯的15年以上的現場應用經驗表明，它們的化學和生物穩定性高；織物的最大損壞是在施工中；鋪設以后沒有大變化；……可預期超過100年的穩定性。

向斷裂發育的巖溶寬縫、P1m1-1層順層風化溶濾帶(K10)及沿NW斷裂發育的溶洞K2、K11、K82等。雖然構皮灘電站巖溶系統總體上順層發育，但受NW、NWW向斷裂發育的影響，巖溶發育存在很大的不確定性，巖溶管道分布及地下水滲流條件極其復雜，施工期由于洞室開挖，改變了巖溶管道所處的外部環境條件，容易突發涌水、涌泥。上述因素不僅對施工期及運行期地下洞室群的穩定性存在不利影響，而且會影響正常的施工組織及工程的施工進度。1m在國內外灰巖地區大型水電工程中，大型地下洞室群遭遇巖溶發育規模如此之巨大、巖溶影響洞室之多尚屬首次，巖溶系統貫穿了以三大洞室為代表的整個大型地下洞室群，在國內外大型地下洞室工程中實屬罕見。4 大型地下洞室群開挖支護技術4.1 施工總程序構皮灘電站受強巖溶影響，地下電站三大洞室之間的巖柱厚度僅為30m和23.8m，是國內同等規模地下電站三大洞室中最薄的巖柱。根據強巖溶和受其影響下大型地下洞室群的布置特性、工期要求、質量、安全及穩定條件，制定科學合理的施工程序，以滿足復雜巖溶系統處理和地下洞室群的施工需要。三大洞室開挖支護總體程序如下：1、廠房和尾水調壓室受強巖溶影響范圍大，三大洞室之間在立面上制定“先小洞后大洞”施工程序，即主變室先行、主廠房緊隨其后、尾水調壓室開挖相應滯后的順序進行。以防三大洞室塑性變形貫穿，確保三大洞室穩定。三大洞室施工總程序見圖2。主廠房、主變室、尾水調壓室（井）均采用分層開挖及支護的方法。2、對引水洞、進廠交通洞、副廠房至副安裝場連通洞、尾水管等與廠房高邊墻交叉的洞口，遵循“小洞穿大洞”的程序，在廠房高邊墻開挖至上述部位前先行開挖進入廠房1～2m以上，并做好鎖口噴錨強支護。3、引水洞、母線洞、尾水管的施工按相鄰兩洞錯開間隔施工的原則進行，必須相鄰開挖時，開挖的掌子面要錯開1.5倍巖柱厚度以上，并且對超前的洞段及時支護。4、充分利用施工支洞條件，按“平面多工序、立體多層次”要旨依次展開各主體洞室的開挖，并盡早將主要洞室的上部與永久或臨時通風洞（井）連通，以解決和改善各洞室的通風條件。圖2 三大洞室施工總程序圖4.2 施工通道布置構皮灘地下電站在不到0.5km2的山體內，大小洞室達七十多條，布置高差超過250m，洞長近15 km。根據國內外已建和在建大型地下洞室群布置規律和經驗，結合構皮灘地下洞室群布置特點，兼顧巖溶系統空間分布，將通道分為上、中、下三部分進行規劃。圖3為構皮灘地下廠房系統施工通道空間規劃示意圖。圖3　構皮灘地下廠房系統施工通道空間規劃示意圖為滿足構皮灘地下洞室群施工需要，總共布置了20條主要施工支洞，支洞總長達5620.65m。構皮灘大型地下洞室群布置非常復雜，加之受復雜巖溶系統影響后，其施工通道規劃的合理性尤為重要，在工程建設中根據巖溶揭露情況和工程進度情況，及時研究通道布置，在投標方按基礎上先后增設了8條施工支洞，實踐證明通道布置滿足了工程建設需要。 4.3 三大洞室開挖支護關鍵施工技術4.3.1 主廠房和主變室開挖技術構皮灘水電站地下廠房開挖尺寸為：230.45×27×75.32m，開挖工程量32.4萬m3，工程規模巨大，屬于大型地下廠房。該地下廠房開挖支護特點如下：①廠房跨度大，洞室較長，屬于特大斷面洞室開挖；②開挖、支護工程量大，施工強度高；③支護類型多，有普通砂漿錨桿、張拉錨桿、預應力錨桿、預應力錨索、鋼纖維混凝土、微纖維混凝土，工藝復雜，施工技術含量高；④與主廠房交叉洞室多，數量達22余條，交叉段洞室高邊墻穩定問題突出；⑤工程地質條件復雜，巖溶規模龐大，主廠房和主變洞在開挖過程中均多次揭露不同規模的巖溶溶洞，對主體工程施工造成了極大的影響。1、開挖分層方案選取根據地下廠房的結構特點、通道條件和施工機械性能，綜合考慮主廠房、主變室各層開挖及噴錨支護的最佳高度，廠區巖溶分布特性，同時兼顧巖錨梁混凝土、母線洞和尾水管等施工需要，主廠房自上而下分九層開挖支護，主變室分三層開挖支護。開挖分層和分區如圖4所示。圖4 主廠房及主變室開挖分層圖2、巖溶影響區域洞室施工技術主廠房開挖過程中，先后揭露不同規模的溶洞共9條，對主廠房開挖支護施工造成了巨大的影響。針對不同的巖溶管道分別采取了“治水優先，隨層處理、逐層回填”、“跨越巖溶、平行作業，分界優先、辟徑處理，分段截斷、分期處理，臨時封堵、適時處理”等多項處理程序，對巖溶溶洞進行了有效的處理，保證了主體工程開挖支護施工。針對巖溶系統的存在和對主體工程的影響，對巖溶系統采取了“置換加固、灌漿加固、深層錨固（錨索、錨筋樁、長錨桿）、拱橋加固”等一系列加固處理措施，確保了巖溶影響區域主廠房圍巖的穩定和施工工期。主變洞開挖中，先后揭露了不同規模的巖溶溶洞共3條，對主變洞開挖支護造成較大的影響，曾多次突發涌水、涌泥，其中巖溶管道沉積水最大突發量達2萬m3/h。針對突發涌水、涌泥，采取了“引、排、截、堵”等一系列行之有效的處理措施，保證了主變洞開挖支護的施工安全和施工進度。3、巖溶影響區域施工方案優化調整巖溶影響區域主體工程施工方案必須結合巖溶特性進行優化調整。主廠房、主變室最為突出的調整有以下幾個方面：①開挖分層分區優化調整將主廠房原方案中的Ⅲ～Ⅵ層調整為Ⅲ～Ⅴ層，遇巖溶時進行層內分層分區，實現薄層開挖，或局部預留，進行跨層施工。②爆破參數調整根據開挖進程進行爆破試驗，結合巖溶情況，不斷優化爆破參數，減小對巖溶區域圍巖的振動破壞，保證了施工安全和圍巖穩定。③支護參數調整根據圍巖穩定監測和爆破監測數據，對巖溶影響區域圍巖穩定較差的部位，增設各種加強支護措施，如錨索、長錨桿、錨筋樁等。如主廠房增加了各類錨索187束。 4.3.2 調壓室開挖技術構皮灘水電站調壓室布置于主廠房下游，由調壓室廊道、豎井組成，其頂高程503.33m，底高程390.08m，總高度113.25m，寬19.3m，長158m。在480.5m高程以上連通成為閘門廊道，開挖跨度為19.3m，巖錨梁以下開挖跨度為18.35m，長158m，廊道高度為22.83m，480.5m高程以下為調壓豎井和閘門井，開挖高度90.42m。調壓室（井）開挖方量為23.1萬m3。根據調壓室的結構特點、通道條件和施工機械性能，綜合考慮調壓室各層開挖及噴錨支護的最佳高度、兩側巖錨梁的施工，同時兼顧調壓室豎井施工需要，調壓室廊道自上而下分三層開挖，Ⅱ層設有巖錨梁，上、下游巖錨梁澆筑完成后進行Ⅲ層開挖；調壓室豎井按“先導井后擴挖”法跳洞施工，即先開挖1#～2#機、5#機調壓室豎井， 3#～4#機調壓室豎井滯后30～40m進行開挖支護。詳見尾水調壓室（井）開挖分層剖面圖5。為了滿足尾水調壓室下部井身的施工，布置一臺臨時橋機，作為尾水調壓室下部井身施工材料、人員的運輸工具，臨時橋機主要的技術參數如下：橋機跨度16.7m，最大吊高85.0m，最大吊重10t。橋機設兩套相對獨立的操控系統，橋機吊車梁上設置操作室，地面設置一套可搖控操作橋機的裝置。臨時橋機上游側利用設計已有的巖錨吊車梁，下游側新增加一個巖錨梁，下游新增巖錨梁結構圖見圖6。圖5 尾水調壓室（井）開挖分層剖面圖6 尾水調壓室（井）新增巖錨梁結構圖4.3.3 三大洞室典型開挖方法結合本工程特點，主要分為大型洞室頂拱開挖方法、大洞室梯段開挖方法、大型豎井開挖方法、大洞室高邊墻控制爆破技術四個方面。1、主廠房頂拱開挖方法（1）兼顧巖溶探測和處理目的，按“中導洞超前、靠巖溶側優先、兩次擴挖成型”施工。主廠房頂拱開挖分區參見圖7。（2）根據巖溶處理的特殊性和頂拱穩定要求，選用成龍配套的大型設備實施機械化快速施工。廠房頂拱選用了353E三臂鑿巖臺車、麥斯特機械手遙控噴車等國際先進設備。（3）結合巖溶地質特性，分類進行爆破生產性試驗，選取最佳爆破參數。圖7 主廠房頂拱開挖分區橫剖面圖2、大洞室梯段開挖方法（1）為確保巖溶區域高邊墻穩定，按“雙道預裂減震、中間深孔拉槽、分層光爆成型”施工。主要施工程序見圖8、圖9。（2）采用孔間微差梯段爆破技術，裝藥參數結合巖溶情況進行優化。（3）根據巖溶處理通道需要，靈活調整保護層厚度。圖8 中部掏槽開挖程序平面圖圖9 中部拉槽開挖程序剖面圖3、大型豎井開挖方法調壓豎井開挖斷面為：大井17.9×46m，小井17.9×24m，深90.42m，屬大型豎井，從上到下均受巖溶影響，底部為尾水管、洞，施工干擾極大，其主要開挖方法如下：（1）針對調壓豎井上部巖溶處理跨時長、交叉干擾大的特點，采取“分段截斷、長井短挖”的施工程序，即通過在中部設置施工支洞將豎井截斷為兩段施工。（2）針對調壓豎井斷面大、巖溶發育、井間巖柱單薄、穩定問題突出的特點，采用“分區導井、沿井擴大、分層下臥、逐層加固”的施工方法。 1#～2#機、3#～4#機調壓室豎井開挖斷面較大，每個豎井內設置兩個導井，負責不同區域施工。優先采用反井鉆機鉆φ140cm孔貫通，巖溶區域人工正井貫通。采用手風鉆分層鉆爆擴挖，第一次將導井擴大，第二次擴挖至豎井設計輪廓線，隨開挖下降逐層進行錨噴支護及井壁巖溶加固處理。（3）針對尾調井開挖支護工程量大、井壁巖溶發育、安全問題突出，采用“石渣封閉導井、下部控制出渣、井內機械扒渣”施工，即利用開挖石渣填滿導井，下部控制出渣，保證井內平面作業，充分利用機械設備進行扒渣。豎井開挖程序見圖10、圖11。圖10 調壓井開挖程序剖面圖圖11 調壓井開挖程序平面圖4、大洞室高邊墻控制爆破開挖技術構皮灘水電站地下引水發電系統洞室群跨度大，邊墻高，結構復雜，開挖規模大，受巖溶系統影響，工程地質復雜，廠房區內P1q層巖體一般中等～較完整，呈次塊狀～層狀結構，局部溶洞附近及Fb54與Fb93之間巖體完整性較差。巖層傾向上游，選定的廠房軸線方向為N75°W，與巖層走向夾角40°～45°交角較小，雖產狀對頂拱穩定有利，但由于跨度大、局部層間錯動發育、穩定性并不好，而且對高邊墻穩定不利，因此大洞室高邊墻控制爆破成為開挖過程中的關鍵環節。（1）合理設置開挖層高，保證更好的確定高邊墻爆破控制。分層原則層高不超過10m，以8～10m為宜，充分考慮鉆孔設備及減少爆破振動，在大的分層前提下做到層間再分層，控制分層高度在3.5～6m之間，做到“薄層開挖，變形減速，適時支護”。（2）廠房Ⅱ～Ⅵ層為大體積槽挖，Ⅶ～Ⅸ層為機坑槽挖。Ⅱ～Ⅵ層開挖采用中間抽槽兩側保護層跟進的開挖方法，上下游保護層預留厚度為2.5m，一側保護層先挖除，支護結束后再進行另一側保護層開挖支護，做到兩側保護層錯距開挖，防止兩側同時卸荷引起高邊墻應力突變，而導致邊墻突然失穩產生較大位移。(3)采用2道預裂縫（雙保險）減小中間拉槽梯段爆破對高邊墻的爆破影響。在中間拉槽前先對邊墻輪廓線進行預裂，深度為3～4.5m，孔間距為50cm，線裝藥密度為180～200g/m，中間潛孔鉆拉槽時對預留保護層同樣進行預裂，預裂深度與梯段爆破深度相同。孔距80～100cm，線裝藥密度為400～450g/m。(4)梯段爆破嚴格控制單響藥量，為滿足設計高邊墻質點振動速度VS≤7cm/s要求，采用單孔單響，孔間微差擠壓爆破的施工方法。(5)預留保護層開挖采用手風鉆開挖，開挖高度4m/層，周邊預裂，采用小藥量弱爆破的開挖方法，最大單響小于10kg，盡量減小爆破對邊墻圍巖的影響。(6)針對地下廠房比較長的特點，在分層施工中采用層間搭接施工。(7)充分利用新奧法原理適時進行支護，為使圍巖及時得到支護抗力，防止圍巖卸荷位移，在工程施工中針對巖體特點，Ⅱ類圍巖支護滯后30～50m，Ⅲ類圍巖滯后15～30m，Ⅳ類圍巖開挖支護緊跟掌子面。(8)巖錨梁采用預留保護層手風鉆開挖，用垂直孔+斜孔雙向同時光爆的方法進行開挖，采用該方法在受巖溶影響的灰巖中取得了良好的開挖效果，巖錨梁成型較好；(9)采用先進的施工設備加快施工進度，針對地下廠房開挖強度高（最高達9萬m3/月）支護工程量大，且均為長錨桿、噴射鋼纖維混凝土、預應力錨索，技術指標要求高的特點，在施工中采用了先進的353E阿特拉斯三臂鑿巖臺車和麥斯特噴車，采用先進的設備保證了工程進度、支護及時性和工程質量，確保了工程安全。(10)與主廠房交叉的洞室較多，交叉段應力集中，松動圈范圍大，容易失穩，要做好與主廠房交叉洞室岔口處的開挖與支護，在2倍洞徑范圍內，開挖采用“短進尺、弱爆破、加強支護”等施工工藝，在主廠房下臥之前，與之相交的小洞室須先完成開挖與支護，并貫入主廠房不少于2m，使其應力在小洞開挖時先釋放一部分，做到“先洞后墻”。為避免主廠房開挖時破壞小洞室洞口，對貫入主廠房的洞室，沿主廠房邊墻進行環向預裂，預裂深度不小于3m，并在母線洞、引水洞與廠房相交叉段10m范圍內加強支護，讓交叉洞室交叉處的應力重分配過程逐步、緩慢進行，保證洞室穩定。4.3.4 三大洞室支護施工技術本工程涉及各類噴混凝土、各類砂漿錨桿、預應力張拉錨桿、預應力端頭錨索和對穿錨索。種類繁多、一次支護的工程量大、工藝復雜、施工技術含量高，支護工程是影響開挖進度的關健項目。按不同技術指標分，本項目中噴混凝土達3.1萬m3、類型達13種；錨桿13.6萬根、類型達30種；錨索1520束，類型達12種。所以，做到開挖和支護工序的合理搭接,選擇合理的工藝措施，及時進行一次支護施工是支護施工技術的關鍵。結合本工程中地質條件復雜、受巖溶影響范圍廣的特點，三大洞室系統支護技術難度大、“適時支護”要求特別高，為確保工程安全、優質、高效順利實施，科學合理的施工組織是必不可少的，采用的施工程序如下：（1）支護施工與開挖跟進平行交叉作業，各工序間交替流水作業，噴錨支護視圍巖情況采取滯后開挖工作面1～3循環或緊跟,錨索支護滯后開挖面約30～80m跟進。（2）對巖溶影響區域，根據具體揭露情況，及時增加鎖口和加強支護、采取優先重點處理。（3）各開挖層面上支護施工一般程序確定為：施工準備→初噴5cm厚混凝土→錨桿施工→掛網（鋼支撐）→噴混凝土施工至設計厚度→預應力錨索施工→下一循環開挖。5結語構皮灘地下電站大型地下洞室群開挖支護有其特珠的一面，即受到強巖溶的影響，巖溶發育規模龐大、錯綜復雜，遍布于整個地下洞室群，施工過程中必須結合巖溶的影響，采取科學、合理的施工方法，并通過現場不斷調整、優化方案，最終達到快速、安全、優質、高效的完成工程建設目標。通過施工過程中的總結，主要體會有以下幾點：①首先從地質條件、工程特性著手，充分掌握洞室群施工的難點和關鍵點，以此為主線，展開總體布署；②大型地下洞室群是一個復雜的系統工程，各洞室之間的開挖支護相互制約且存在一定的干擾，必須遵循“平面多工序、立體多層次”的要旨，以施工總程序為綱，確定總體思路，選擇合適的程序尤為關鍵；③結合投標階段施工通道布置，根據施工總程序、施工總進度計劃、節點工期目標，通過合理增設施工支洞，緩解工期、資源等矛盾，滿足工程建設目標；④通過采用先進的開挖支護設備，不斷優化、調整施工方案，選取技術可行、經濟合理的最優方案，達到快速、安全、優質、高效的建設目標。