小湾水电站地下快速开挖技术研究与实践

小湾水电站地下厂房系统工程是一个洞室纵横交错，平、斜、竖相贯、庞大复杂的地下洞室群，要实现快速开挖支护需认真研究、合理布置施工通道、科学设计通风散烟方案，形成相对独立又联系的各施工体系,科学选择施工程序，有效运用“新奥法”原理，适时系统支护，按“小洞穿大洞、先洞后墙”原则，采取“边墙预裂、薄层分半”开挖方法，KZS系列矿用筛采尽早形成通风系统，超前实施安全监测，有效监测分析、反演计算，以实现大跨度地下厂房快速开挖。
　　1、工程概石头粉碎机况
　　小湾水电站装机容量6x700MW。该电站引水发电系统工程是一个超大型地下洞室群工程，在不到0.3km2的区域里布置近百条立轴冲击式破碎机洞室，总长度近17km，这些洞室纵横交错，平、斜、竖相贯，形成庞大而复杂的地下洞室群。整个系统分引水、厂房及尾水三大系统。具体有主副厂房、主变室、调压室三大洞室和六条引水压力管道、六条母线洞、两条尾水洞以及交通洞、运输洞、出线洞和通风洞等地下建筑物组成的一个庞大地下洞室群及进水口、尾水出口、开关站、地面控制楼、通风洞口等地面建筑物组成。
　　该地下厂房系统从河床侧向山体侧依次布置有空调机房、安装间侧副厂房、安装间、主厂房、副厂房，开挖尺寸为298.40mx30.6mx79.38m。设置有吊顶岩锚梁及岩锚吊车梁，其上部厂房开挖跨度为30.6m，下部开挖跨度28.3m，最大开挖高度84.88m，是目前世界最大的地下厂房之一。厂房里端墙外侧布设有Φ8.8m主排风，外端墙侧布设Φ10.5m电梯井，其上游侧6条压力管道贯入，下游侧分别在厂房中部、底部有6条母线洞及6条尾水支洞穿过，主变室平行布置在厂房下游侧，与厂房间净距为49.7m。尾水管后延扩大段开挖跨度达22.5m，从而，导致相间岩柱隔墩仅有10.5m，其挖空率达68.18大倾角挡边输送带%，该部位工程安全问题尤为突出。
　　该系统布置地段分布的地层主要为时代不明的中～深变质岩系（M）及第四系（Q）。地下厂房、母线洞及主变室地段分布的岩层为MIV-1层黑云花岗片麻岩夹薄层透镜状片岩，自动切管落料机新鲜完整的片麻岩、片岩均属坚硬岩石。主要构造线走向与厂房、主变室、尾水闸门室的轴线夹角约45°，陡倾角断层倾向上游，有利于顶拱的稳定，但对边墙（尤其是厂房下游边墙）的稳定将会产生不利的影响。在逐层开挖时，须对由几组结构面形成的潜在不稳定楔形体及时进行锚固。III级断层F5、F11、F10、F27在该地段通过。Ⅳ级结构面发育，规模较大的Ⅳ级结构面主要有f11、f14等。Ⅴ级结构面发育，主要为成组发育的节理和随机节理，对厂房顶拱危害较大，必须及时喷锚支护。
设计支护的基本参数为：顶拱Φ28（Φ32）@2.0mx2.0m，L=4.5m（9m），梅花型交错布置，喷C30钢纤维砼厚0.2m，轻型直线筛遇断层及破碎带打125KN级Φ32@1.0mx1.0m，L=9.0m预应力锚杆，加钢筋肋拱喷锚支护。边墙打设锚杆Φ25（Φ32）@2.0mx2.0m，L=4.5m（9m），梅花型交错布置，喷C20维纤维砼厚0.15m，遇断层及破碎带挂网Φ6.5@0.2mx0.2m，锚杆加密为1.5mx1.5m，局部打设125KN级Φ32@1.0mx1.0m，L=9.0m预应力锚杆。洞口交叉处设有两排Φ32，L=9.0m的预应力锁口锚杆。上、下游边墙分别共布置8排、9排1000KN、1800KN级的预应力锚索，基本间距为@5mx5m。其主要工程量为：石方洞挖55万m3、喷砼0.95万m3、锚杆1.3万根、1000、1800KN级锚索1033根。
　　2、施工通道布置输送机与研究
　　结合引水发电系统布置特点，认真分析研究施工通道布置石料破碎生产线、通过多方案比选，科学、合理布置施工通道是非常必要的，它对整体加快施工进度、改善施工环境也是非常有效的。
　　施工通道布置时，首先，对洞室立体交叉位置分析研究清楚，并从通道功能、通风散烟、相邻洞室安全、大坝帷幕线等方面综合考虑；其次，充分利用设计永久洞室扩大；再次，通过各施工通道将各大系统联系起来方便交通。因此，施工时创造有利条件提前打通通风洞及竖井，以便形成机械设备通风及自然通风。该引水发电系统最初布置有10条施工支洞，后因提前一年发电需要，新增出线洞施工支洞、尾水隧洞上下层连通洞、尾闸室施工通道、尾水支洞上层施工支洞、主厂房V、VI层开挖施工电磁电机振动给料机通道等7条施工通道，最终，通过压力管道下平段使引水系统与厂房系统相联，通过横穿尾水支洞的上、下层施工支洞使厂房下部机坑及底层排水洞相联，尾水系统则通过相对独立的施工支洞将2条尾水隧洞、尾水调压室、机组尾水检修闸门室联系交通。
　　小湾厂房系统施工通道主要布置有：1）对厂房上游一、二层排水洞扩大，使之成为立轴式破碎机满足厂房上部开挖及砼施工需要的施工通道；2）从主变进风洞进入主变室，对主变室底板降坡，从厂房下游侧进入厂房，形成厂房V、VI层施工通道；3）在尾闸室前布置了贯穿尾水支洞的上下层施工支洞，用于尾水支洞上下层开挖支护，以提前进行厂房肘管层开挖；4）利用尾水支洞上层施工支洞分岔进入安装间高程以下端墙位置，为锥管层施工提前做好施工通道。
皮带输送设备　　3、施工环保技术研究与实践
　　随着施工设备、施工工艺不断改进，相应施工工期逐步缩短，施工强度加大，以之相匹配的环境保护工作给予了足够的重视。工程开工前，对通风散烟方案进行科学、合理的设计，双辊破碎机对施工中产生的污水、废油、弃渣等进行彻底处理，否则，造成通风效果较差，施工环境污染大，给后期施工带来了一些意想不到的后患，以严重制约工程进度。
3.1 伸缩式皮带输送机一期通风方案研究与实践
　　一胶带输送机期施工通风受工作面移交及进入主体洞室施工通道较长等因素的影响，引水、厂房、尾水系统三大系统又互不相关。施工通风主要采取在进入地下洞室施工的各通道洞口及洞内400m左右为一单元设置强力轴流风机接力机械通风。即采用通风机和风管将新鲜风流从洞口压入和（或）将污浊风流抽出的混合（单一）通风方式。以压抽混合式为好，并且抽出式风机能力要大于压入式风机能力的20～25%。主要选用天津市通风机厂TF93-1轴流式遂道通风机（2x110KW）、TF88-1轴流式遂道通风机（2x55KW）两种。
　　3.2 二期通风方案研究与回转筛实践
　　二期施工通风则有少部分洞室、竖井相互贯通，但还有大部分洞室开挖掘进处于独头工作面状态。施工总体程序安排上，主要利用洞室群各洞室之间在平面布置及高程差异上的特点，尽快将联系各主体洞室中导洞先行开挖与附近排风洞、电梯井贯通，同时，增设部分施工通风洞（井），以实现强制通风。对于已连通并形成贯通风流的主要风道，采用机械巷道式通风，以抽为主，对于还仍处于独头开挖的洞室施工，与一期通风一样。
　　具体的施工顺序为：①从尾闸交通洞分岔后从厂房进风洞、空调机室采取7.0x6.5m中导洞开始先行与厂房上游施工支洞对打贯通。利用主厂房上游施工支洞打一条通风平洞至厂房电梯井下部贯通，用反井钻机钻通电梯井Φ1.4m直径导井作为通风竖井，同时，利用反井钻机钻通主排风洞Φ1.4m直径导井作为另一条通风竖井，电梯井、主排风洞Φ1.4m直径导洞竖井贯通后，在导井上口安装轴流式遂道通风机将污浊废气从主副厂房顶沿Φ1.4m竖井抽除，然后，交替进行Φ1.4m竖井扩大为Φ4m直径的溜渣井，并交替扩挖至设计轮廓线，以保证厂房系统有良好的通风环境。②通过尾交洞、5#、6#施工支洞分别进入尾闸室、主变室、尾调室进行中导洞开挖与附近的排风洞连通，以解决各大洞室上部的施工通风问题。③为提前改善施工通风，在7#施工支洞、尾水隧洞下游增加三条Φ4m直径、L=21m的通风竖井。尾水隧洞上层采取7.0x6.5 m导洞先行往下游尾水出口闸门室井贯通，以改善的尾水隧洞的通风散烟及施工环境。④尾水隧洞、尾水支洞上层分别开挖至尾水调压室、尾水检修闸门井下部及时打通1～2个导洞，通过附近的排风洞相连，形成通风通道。在尾水隧洞施工过程中，对氧气含量和有毒、有害气体浓度、风速、温度等指标进行了的测试，测试结果表明通风效果良好。
　　4、地下厂房快速开挖技术研究与实践
　　4.1 地下厂房开挖技术
小湾水电站地下厂房系统因洞室交叉多、结构复杂、厂房洞室断面大、顶拱及边墙有III级断层和IV级结构面通过。因此，对厂房大跨度围岩稳定有不利影响。开挖过程中遇到不稳定楔形体时，特别是高边墙与洞室相贯的部位，为保证洞室群的整体稳定，必须科学、合理安排开挖、支护施工程序，应用“新奥法”原理，开挖后适时喷锚支护，避免因支护不及时而造成坍塌。在同一立面上按上层开挖支护结束后，开挖下一层。在平面上充分利用厂房长度空间，实施开挖超前、支护跟进和上层支护与下层开挖错距平行交叉作业，有效实现上、下层工序搭接，增加单层开挖支护有效时段，减少施工干扰。对于穿过厂房边顶拱的断层、结构面及影响带，以及经分析可能存在的不稳定楔形体，开挖过程中要采取超前喷锚支护措施；对断层及软弱破碎带，开挖后按设计要求及时支护，及时埋设观测仪器，加密原型安全监测。
　　根据厂房布置及施工通道布置特点、施工设备机械性能，兼顾吊顶牛腿砼岩锚梁砼、母线洞开挖支护等施工需要，主、副厂房自上而下分Ⅹ层开挖，各层又分区开挖支护。其中吊车岩锚梁布置在III层开挖层内。
　　厂房顶拱层开挖采用8x7m中导洞优先开挖与厂房上游侧4#施工支洞贯通，中导洞开挖结束后进行超前观测仪器埋设及松动圈声波测试。其顶拱扩挖分III期进行，I期扩挖为中导洞扩挖至厂房顶拱，II期扩挖为厂房上游侧扩挖，III期扩挖为厂房下游侧扩挖。平面上从厂房左、右两侧同时“品”字型扩挖推进，扩挖时喷锚支护适时跟进开挖掌子面，喷锚支护滞后开挖掌子面20～30m，厂房原型观测超前开挖掌子面3倍洞径以上。开挖采用凿岩台车钻爆，设计轮廓光面爆破，正常排炮循环进尺3.0m，不良地质段1～1.5m。每排炮爆破后反铲挖掘机进行安全处理。
　　厂房II层开挖先对设计轮廓及中槽边线进行预裂，中槽边线预裂用潜孔钻造孔预裂，边墙手风钻预裂，预裂深度4.5m，中槽边线预裂用潜孔钻进行施工预裂，边墙手风钻预裂，预裂孔深4.5m，吊顶牛腿砼浇筑结束后开挖，采取中槽潜孔钻垂直梯段爆破，并超前约30m，上下游边墙预留3m保护层手风钻垂直钻爆跟进，边墙预裂线下垂直光面。
　　厂房III层先对中槽边线进行预裂，上、下游两侧预留保护层光面爆破。中槽边线预裂用潜孔钻造孔预裂，设计轮廓边线手风钻光面爆破。吊车岩锚砼梁浇筑结束后开挖，采取潜孔钻垂直上、下游分半梯段爆破，上游侧优先开挖支护，上下游边墙手风钻垂直钻爆预裂超前20～30m，并根据地质情况，下游侧断层或IV级结构断面预留3m保护层光面爆破开挖。厂房III层下半层开始至VII层，各层开挖过程中，为减小爆破对高边墙围岩的影响，同时保证边墙的成型质量，边墙4m分层分半开挖方式，其开挖程序为：①边墙手风钻预裂→②上游侧梯段爆破→③下游侧梯段爆破→④边墙岩坎处理。安装间、副厂房岩台预保护层水平光爆开挖，以保证水平建基面岩石的完整性。为防止两侧同时卸荷引起高边墙的大位移，确保高边墙的稳定，在厂房下挖过程中需运用“新奥法”原理，真正做到“平面多工序、立体多层次”，实现地下厂房的快速施工。VIII～IX层坑挖，从安装间对应下层的施工支洞进入VIII层上半层机坑，以下从尾水扩散段开挖进入厂房IX层。上游边墙及局部槽挖轮廓线采用手风钻预裂，机坑左右两侧采用手风钻垂直钻爆预裂钻，为保证机坑间岩柱的稳定，超前做好锁口锚杆。

　在厂房I、II、IV进行了专门的爆破振动测试，其测试K、a值为：拉槽爆破垂直向：K=21.81，a=1.006，水平向：K=17.43，a=0.836；预裂爆破垂直向：K=75.7，a=1.41；水平向：K=53.3，a=1.36；根据此结果进行振动控制爆破，II、IV层开挖爆破最大单响药量按16kg控制（三孔一响），V层以下开挖最大单响按32kg（四孔一响）进行控制，并进行了振动测试，均满足V允≤7cm/s的要求。
　　4.2 岩锚梁岩台开挖技术
　　厂房III层（岩锚梁层）先进行中间潜孔钻拉槽，两侧预留保护层手风钻开挖。
　　开挖顺序按：①区光爆→②区光爆→③区光爆的顺序进行开挖，在进行①区光爆前先将③区垂直光爆孔打设完成，③区垂直光爆超前于①区光爆10m左右距离，为防止在①区光爆时对先打设好的③区垂直光爆孔造成影响并塌孔，在③区垂直光爆孔内插入Φ40PVC管进行保护。①区光爆→②区光爆→③区光爆依次光爆开挖时，①、②区光爆开挖之间仅需滞后1～2排炮的距离，以方便及时了解开挖爆破出的岩台成型效果，一旦爆破效果不理想及时调整爆破参数。③区开挖爆破时，为确保EL1009.2m～EL1011.5m岩台成型稳定，在厂房岩台上下拐点处打Φ25mm@1.0m、L=4.5m，并且在③区开挖钻爆前打完该锚杆。同时，为使手风钻打设垂直光爆孔和斜面光爆孔准确，采用斜面孔搭1.5寸钢管架设样架，手风钻钻杆沿样架打孔，垂直光爆孔采用打插筋、拉双线控制精度。对于I、II、III类围岩段垂直光爆孔和斜面光爆孔的孔距均为32cm；对于IV、V类围岩及不良地质洞段，垂直光爆孔和斜面光爆孔孔距均为25cm，线装药密度按45～80g/m左右控制。需要注意的是：1）为保证岩台不欠挖，③区光爆孔按高程下降10cm造孔控制；2）③区垂直光爆孔和斜面光爆孔一次起爆，一次起爆长度控制50～80m较为合适；3）从下拐点至底部留3m高度是手风钻最佳操作空间。
　　4.3 水泥药卷预应力锚杆应用技术
　　预应力锚杆为主动施力锚杆，对开挖后的围岩可尽早提供支护压力，为恢复岩体三维受力状态、提高岩体整体稳定性极为有利。小湾水电站地下厂房支护预应力锚杆采用锚固端和自由端药卷式注浆体一次注入、后张拉方式的施工工艺，不仅简化了施工工序，加快了施工进度，同时，药卷式注浆容易保证注浆饱满度。
　　9m长水泥卷式预应力锚杆在小湾地下厂房系统施工中得到了广泛应用。该锚杆造孔采用凿岩台车，施工速度快，从钻孔、注入快/慢速水泥卷、安插杆件、固定锚垫板、快速水泥卷等强、张拉到慢速水泥卷等强、整根锚杆受力，全过程仅需时10～12小时，施工速度极快，真正体现了尽早受力；通过现场对锚固段分别为1m、1.5m、2m、2.5m、3m的试验，锚固段长度为1.5～3.0m较为合理。预应力锚杆设计张拉力一般为P=125KN， 注浆后7.5～8.5小时内张拉。
4.4 锚索及钢锚墩应用技术
　　地下厂房预应力锚索支护是在直垂边坡进行，其预应力锚索根据设计要求分为粘结式端头锚和无粘结式端头锚以及对穿式粘结双边锚三种。其工程量多达1033根、结构复杂、工序干扰大、技术难题多，是地下厂房施工技术难题之一。锚索施工又必须跟进开挖适时进行，分层支护结束才能进行下层开挖工序施工，所以锚索施工速度、强度制约着地下厂房施工总进度，亦是地下厂房施工的重点之一。
　　根据开挖分层情况，每层均有1～2排锚索，高度适宜的直接采用MG-80型、QJZ-100B轻型潜孔钻机进行造孔，对于开挖层上有二排的锚索施工，上部锚索施工时搭设宽2.5m脚手架作为施工平台，采用MG-80型、QJZ-100B轻型潜孔钻造孔，锚索送索及张拉在钻孔操作平台上进行。补张拉、张拉段回填灌浆及封锚采取搭作业平台进行，YDC240Q型千斤顶单根循环分级调直张拉，YCW250B型及YCW400B型千斤顶整体分级张拉，OVM锚具锚定，灌浆机封孔。最初施工采用砼锚墩，其工期影响大，后来，经试验、测试改为钢锚墩，其使用效果较好，加快了施工进度。
　　4.5 工程安全监测
　　地下厂房的施工安全是极其重要的内容，来不得半点闪失。及时掌握施工过程中开挖进尺与位移、锚杆应力变化是其调整施工工艺、确保安全施工的唯一手段，并结合施工监测资料进行初始地应力和围岩变形模量的反分析，以便确定设计参数的合理性，为优化设计提供依据。
　　依据施工方式、洞室尺寸及围岩地质条件，小湾地下厂房布设了较为完整的监测系统。小湾地下厂房布置了6个监测断面，布置岩体内部位移计55套、锚杆应力计160支，锚索测力计42套，锚杆测力计3套，滑动测微计9套，基岩温度计8支；重点对岩体内部位移、锚杆应力和净空收敛变形进行监测。
　　从主厂房多点位移计的观测成果来看，自厂房III、IV层开挖完成以后厂房高边墙逐渐形成，顶拱及拱座应力随边墙的进一步增高，围岩应力调整逐步转换成以边墙为主，顶拱为辅。以0+82.5m为分界线，小桩号方向上游边墙位移比大桩号方向上游边墙位移小。
　　主厂房厂房拱座以上各监测部位，在厂房III层～VI层施工中，位移增量较为突出，位移峰值大、次峰值频度强，自VI层开挖之后受围岩应力调整的影响较小，除局部位移有少量变化外，绝大部分位移增量几乎为零，累积位移量值较小在0.5mm～31.6mm之间，围岩呈稳定状态。
　　主厂房上下游边墙岩体位移变化，主要表现在VII层、VIII层施工中位移增量较为突出，其中在VIII层施工，尾支与厂房相交岩台拆出时位移变化较大，增量明显,累计位移在24.3mm～65.5mm，开挖支护完成后月位移增量在1.0mm以下，位移过程曲线走势平缓，围岩趋于稳定。主厂房0+139.8m、0+165处于F10、F11断层带上，受其影响位值变化值较为明显，大部分监测部位累计位移均在70mm以上，其中0+139.8m断面上游边墙岩锚梁位置累计位移达112.7mm，该断面上下游边墙监测部位位移主要是随开挖施工呈台阶型增加，随着厂房开挖结束，位移增量明显收敛，目前，月位移增量在1.2mm以下。从位移沿孔深分布曲线可知， 0+000m～0+139m主位移区在5m～25m之间，而0+165m主位移区较大在20m以上，特别是下游EL.1008.7m～EL.985m边墙上，因F10断层破碎带厚度约10m的影响，其主位移区在20m以上，从而导致边墙系统锚杆支护后期约束作用随着围岩应力的调整，围岩耗散能沿深度上的发展，导致松动圈、塑性区域的扩大，部分锚杆支护约束力不明显。

厂房监测部位各测点锚杆应力近期走势较为平缓，各测点锚杆累计应力在100MPa以下的占81%，大部分在40MPa以下，最大累计应力256.39MPa。主厂房上游边墙锚索荷载近期走势平缓，设计荷载为1000kN的锚索目前累计荷载在976kN～1341.6kN之间，与锁定荷载比较，荷载增量在2.75%～46.04%之间，是设计荷载的0.98倍～1.34倍；设计荷载为1800kN的锚索目前累计荷载在1722kN～2065kN之间，与锁定荷载比较，荷载增量在3.2%～23.63%之间，是设计荷载的0.95倍～1.15倍,主厂房下游边墙锚索荷载近期走势平缓，设计荷载为1000kN的锚索目前累计荷载在953kN～1380kN之间，与锁定荷载比较，荷载增量在2.48%～40.92%之间，是锁定荷载的0.95倍～1.38倍；设计荷载为1800kN的锚索目前累计荷载在1768kN～2750kN之间，与锁定荷载比较，荷载增量在6.31%～57.29%之间，是锁定荷载的0.98倍～1.53倍。
　　5、结语
　　（1）根据工期要求及地下洞室群布置特点，尽量结合永久洞室规划布置施工支洞，保证地下厂房开挖支护有足够的施工通道，多开工作面对加快施工进度非常有利。该厂房系统开挖支护于2003年12月9日开工，2006年4月30日完工，历时28.5个月，实现了同等规模地下厂房的快速开挖。
　　（2）对于大跨度断面地下洞室开挖按“新奥法”原理，顶拱开挖时利用地质探洞超前进行安全监测，“先中导洞贯通后再顶拱、两侧“品”字型”扩挖，适时实施系统支护，顶拱以下按“小洞穿大洞、先洞后墙”原则，采取“边墙预裂、立面薄分层，平面分半”方法开挖是一种快速有效的开挖方法。该方法立面上按上层开挖支护结束后开始下层开挖，平面上利用厂房长度优势，开挖超前、支护紧跟施工，上层支护与下层开挖错距平行交叉作业，合理实现了上下层工序搭接，增加单层开挖支护有效时段，减少了施工干扰。
　　（3）对于复杂地下洞室群开挖必须做好洞室交叉部位的支护工作，按“小洞穿大洞、先洞后墙”原则精心组织施工。在大洞室高边墙下挖前及时做好小洞室的锁口和系统支护，并在相交部位加强支护，在交叉口二倍洞径洞段内采取浅孔多循环的方式开挖，以确保安全。
　　（4）洞室开挖过程中根据地质情况、开挖部位及洞室结构特点，设置临时动态变形观测点、围岩收敛监测断面及爆破振动观测点进行监测，根据变形观测数据分析结果，对开挖过程中洞室稳定进行评判，进而对开挖、支护程序的调控进行指引，并根据量测信息反馈结果，调整各单项工序的施工参数，以策安全。从监测成果分析，目前,地下厂房的顶拱及高边墙已趋于稳定。
（5）整个地下厂房顶拱、边墙开挖成型良好、平均径向超挖小于19.5cm， 尤其是吊车岩锚梁岩台开挖平均径向超挖仅8.9cm，其平整良好，使大跨度地下厂房施工水平上了一个新台阶，充分说明所采取该开挖方法是是科学合理、行之有效的，并有利于加快地下厂房通风系统的形成，对加快整体施工进度非常有利。