彭 旭 初

(國電大渡河雙江口工程建設管理分公司，四川 馬爾康　624000)

?

雙江口水電站地下廠房開挖施工組織研究

彭 旭 初

(國電大渡河雙江口工程建設管理分公司，四川 馬爾康624000)

摘要：雙江口水電站地下廠房工程具有深覆蓋、高應力、大規(guī)模、工期緊、質量要求高等特點。在對該地下廠房的結構特征及決定其布置形式的關鍵因素進行系統(tǒng)闡述的基礎上，借助三維仿真手段建立了廠房開挖分期分區(qū)優(yōu)化模型，對開挖分層和施工支洞布置進行了分析，并規(guī)劃了廠房各開挖時段的進度形象和施工強度。研究結果為工程施工提供了依據(jù)，對保證工程質量、加快施工進度、減少施工干擾、降低工程造價均具有一定的參考意義。

關鍵詞：雙江口水電站；地下廠房；開挖；施工組織

1概述

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣、金川縣境內，是大渡河流域水電梯級開發(fā)的上游控制性水庫。電站采用壩式開發(fā)，裝機容量為200萬KW，對下游補償出力175.8萬KW，枯水年枯期平均出力47.4萬KW，多年平均年發(fā)電量為77.07億KW·h，相應枯期梯級補償電量66億kW·h。水庫正常蓄水位高程2 500 m，總庫容為28.97億m3，消落深度為80 m，調節(jié)庫容為19.17億m3。工程區(qū)地震烈度為Ⅶ度。樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、右岸放空洞、右岸深孔泄洪洞、右岸洞式溢洪道、左岸豎井泄洪洞、左岸地下廠房等組成。堆石壩最大壩高314 m，壩頂高程2 510 m，填筑總量為4 436萬m3。引水發(fā)電系統(tǒng)布置在河道左岸，采用首部式地下廠房布置方案，廠房內安裝4臺單機容量為500 MW的混流式發(fā)電機組。

本文結合雙江口水電站的工程特性，著重針對地下廠房的結構形式、分層開挖施工順序、施工通道的布置特點等方面進行了介紹，并結合仿真模擬手段，建立了優(yōu)化模型，對廠房開挖的進度和施工強度進行了規(guī)劃，為工程質量和進度達到預期目標提供依據(jù)和保障。

2地下廠房工程特性

2.1布置形式

雙江口水電站地下廠房由進水口、壓力管道、主廠房、副廠房、主變室、出線場、尾水調壓室、尾水隧洞及尾水塔等組成，采用“單機單管供水”及“兩機一室一洞”的布置格局。進水口相鄰孔口中心線間距為29.5 m，進水塔塔頂高程2 508 m，塔基高程2 395 m，進水塔底板高程2 400 m，塔體寬度31.3 m，塔高113 m。地下廠房總長度為214.7 m。主廠房全長為134.08 m，頂拱跨度為28.3 m，巖壁吊車梁以下跨度為25.3 m，最大開挖高度為67.32 m。安裝間跨度與主機間相同，最大高度為29.22 m，長度為54.01 m。副廠房跨度為25.3 m，最大高度為44.72 m，長度為26.61 m。廠房頂拱高程2 284.02 m，發(fā) 電 機 層 高 程2 255.3 m，水輪機安裝高程2 238.5 m，尾水管底板開挖高程2 216.7 m。

主變室和尾水調壓室與廠房平行布置，主廠房與主變室的中心距為66.15 m，主變室與尾水調壓室的中心距為61 m。主變室全長為142.2 m，寬20 m，高25.69 m，頂拱高程2 280.99 m。尾水調壓室為2臺機組并接1條尾水洞，共計2條尾水洞。其中，1#尾水調壓室長為55 m，2#尾水調壓室長為53 m，上部寬為18 m，下部寬為13.5 m，頂拱高程2 292 m，高60.5 m，由4條尾水連接洞連接主廠房與尾調室。尾水洞出口高程2 231.5 m，交尾調室高程2 218 m，1#尾水洞長為989.98 m，2#尾水洞長為883.88 m。

2.2地質條件

雙江口壩區(qū)為高地應力區(qū)，最大主應力方向略顯雜亂，但具有一定的分帶性。左岸總體上為NNW向，靠外地應力有構造應力與自重應力的疊加，向內以水平應力為主，傾角靠外相對較陡，向深部變緩，地形上為一凸岸。地形上坡度呈40°～46°，局部達到50°～61°，基巖裸露。

地下廠房三大洞室水平埋深均達300 m以上，垂直埋深近500 m，巖性為似斑狀黑云鉀長花崗巖，廠房平硐400 m處最大主應力達到37.82 MPa。水平深度0～45 m為地應力降低帶，45～400 m為地應力增高帶，400 m以里為地應力平穩(wěn)帶。應力水平呈外低內高、上游低下游高的趨勢。廠房巖性單一，多為似斑狀黑云鉀長花崗巖，以Ⅲ類圍巖為主。巖體新鮮堅硬，完整性較好，多呈塊狀～整體狀結構，僅發(fā)育一條次級小斷層(f1斷層)。1#機與2#機間貫穿f1斷層(N79°W/SW∠48°，寬50～60 cm，巖性為糜棱巖)和一條從副廠房下游及4#機組段上游側穿過的煌斑巖脈(N35°～50°W/SW∠72°～75°，寬度80～110 cm)。f1斷層向下游延伸穿過主變室和尾調室臨河側端墻頂部。

尾水隧洞圍巖為似斑狀黑云鉀長花崗巖，巖石致密堅硬。巖體中主要發(fā)育四組裂隙，裂隙間距較大，巖體多呈塊狀～整體狀結構，局部呈次塊狀和鑲嵌結構，以Ⅲ類圍巖為主。局部洞段發(fā)育小斷層，巖體較破碎，為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，且部分緩傾裂隙和順洞向中陡傾角裂隙可能引起塌落和掉塊。f2斷層貫穿兩條尾水隧洞和廠房交通洞，斷層產(chǎn)狀N33°W/NE∠88°，寬度80～140 cm，巖性為糜棱巖。

尾調交通洞巖體以次塊狀～塊狀結構為主，圍巖類別以Ⅲ類為主，洞壁整體穩(wěn)定性較好。進口表淺巖體受風化卸荷影響，局部穩(wěn)定性較差。

2.3主要工程量

雙江口水電站地下廠房主要工程量包括：土石方明挖28.21萬m3，洞挖141.6萬m3，混凝土43.55萬m3，噴射混凝土5.14萬m3，錨桿18.4萬根，錨索0.25萬束，回填灌漿8.02萬m2，固結灌漿3.59萬m，帷幕灌漿13.98萬m。

3地下廠房洞室開挖施工

3.1開挖順序

為減少洞周位移，縮小圍巖擾動和破壞區(qū)范圍，確定雙江口水電站廠房洞室開挖順序為：先開挖主廠房上層(巖壁吊車梁以上)及尾調室上層(25 m)，再進行主變室的開挖，主變室與廠房中層(35 m)同期開挖，尾調室下層開挖在廠房開挖結束后進行。

3.2開挖分層

雙江口水電站主廠房開挖分9期，主變室分4期，母線洞分2期，尾水連接洞2期，尾調室分9期，尾水洞分3期。

廠房洞室開挖分六個開挖區(qū)，各開挖區(qū)分上、中、下三個開挖分層。主廠房為“1”區(qū)、尾水連接洞為“2”區(qū)、母線洞為“3”區(qū)、主變室為“4”區(qū)、尾調室為“5”區(qū)、尾水洞為“A6”區(qū)和“B6”區(qū)。

主廠房開挖分區(qū)按三個分層、十個分期開挖，上層開挖高度為14.35 m，分兩期開挖，即“1-Ⅰ”、“1-Ⅱ”期；中層開挖高度為34.36 m，分五期開挖，即“1-Ⅲ～1-Ⅶ”；下層 開 挖 高 度 為

14.59 m，分三期開挖，即“1-Ⅷ～1-Ⅹ”。

主變室開挖分區(qū)按三個分層、四個分期開挖，上層一個分期(“4-Ⅰ”，6 m)，中層兩個分期(“4-Ⅱ”、“4-Ⅲ”，6.1 m、6.3 m)，下層一個分期(“4-Ⅳ”，7.59 m)。

尾調室開挖分區(qū)按三個分層、九個分期開挖，上層開挖高度為25 m，三個分期(“5-Ⅰ～5-Ⅲ”)；中層開挖高度為31.5 m，三個分期(“5-Ⅳ～5-Ⅵ”)；下層開挖高度為19.5 m，三個分期(“5-Ⅶ～5-Ⅸ”)。

3.3施工通道布置

除壓力鋼管運輸通道采用10 m×8 m(寬×高)的城門洞斷面外，其余施工通道斷面均采用7.8 m×7.1 m(寬×高)的城門洞斷面。通道坡度不大于10%，滿足4 m3裝載機配25 t汽車運輸要求。各施工通道特性及功能說明見表1、2。

3.4施工總程序

地下廠房洞室開挖總體施工方案為：先開挖主廠房上層(巖壁吊車梁以上)及尾調室上層，隨后開挖主變室，主變室與廠房中層同期開挖，尾調室下層在廠房開挖結束后進行；廠房尾水洞與廠房和尾調室開挖同步進行。

地下廠房洞室開挖總體施工程序為：利用主

表1　廠房洞室開挖施工通道特性表

表2　廠房洞室開挖施工通道功能說明表

廠房排風洞施工通道進行主廠房、主變室、尾調室上部開挖；利用廠房交通洞施工通道進行三大洞室中部開挖；利用壓力鋼管下平段施工通道首先進行廠房排水廊道、灌漿廊道開挖，同時進行三大洞室中下部開挖。實施每期開挖、錨桿、錨索、掛網(wǎng)、噴射混凝土等施工工序，進行平行流水作業(yè)。

單個洞室施工程序為：先拱后墻，先幕后洞，先洞后墻。先拱后墻，即先開挖頂拱，在頂拱部位加固與支護、不穩(wěn)定切割體治理完成后，再進行下一臺階開挖；先幕后洞，即完成底層施工期防滲帷幕灌漿后再進行下部洞室開挖；先洞后墻，即在附屬洞室與大洞室相通部位完成洞口鎖口和系統(tǒng)支護完成后再開挖高邊墻，并在洞與洞、洞與井等交叉部位提前做好超前支護和加強支護工作。

4工期安排

結合雙江口水電站地下廠房高地應力特點，經(jīng)分析確定地下廠房開挖工期為30個月、尾調室開挖工期為19個月、主變室開挖工期為14個月、尾水隧洞開挖工期為27個月。雙江口水電站地下廠房開挖工期與國內其他工程開挖施工期比較見表3，主廠房各開挖分期工期安排見表4。

5施工強度

為滿足截流后第6年年底發(fā)電的要求，廠房交通洞和排風洞開挖應于截流當年3月開始施工，廠房頂拱開挖應于截流后第1年的3月開始施工。

表3　雙江口水電站主廠房開挖工期與國內其他工程比較表

表4　主廠房各開挖分期工期安排與國內其他工程比較表

注：表中項目順序為“瀑布溝/向家壩/雙江口”。

地下廠房系統(tǒng)三大洞室的上、中、下層均設置了施工通道，三大洞室各層施工主通道在時間上基本錯開使用。根據(jù)廠房洞室群結構特點，采用單工作面進行地下廠房開挖，主廠房開挖工期為30個月。根據(jù)工程施工總進度，按廠房各洞室群開挖工期安排和開挖施工程序要求，經(jīng)三維施工仿真分析，逐層編排進度，截流當年至截流后第4年，各年度開挖量分別為4.66萬m3、10.01萬m3、41.23萬m3、36.38萬方、6.18萬m3，最高年開挖強度出現(xiàn)在截流后第二年，達41.2萬m3；最高月強度出現(xiàn)在截流后第二年7、8月份，分別達到4.1萬m3、4.3萬m3。截流當年，平均月開挖強度4 600 m3；截流后第1年平均月開挖強度位8 400 m3，截流后第2年月平均開挖強度為3.43萬m3，截流后第3年月平均開挖強度為3.03萬m3，截流后第4年月平均開挖強度為5 200 m3。主廠房最高月開挖強度為1.78萬m3，出現(xiàn)在截流后第2年上半年；尾水洞最高月開挖強度為2.77萬m3，出現(xiàn)在截流后第3年；主變室最高月開挖強度為1.1萬m3。

6結語

筆者通過對雙江口水電站地下廠房開挖進行三維施工仿真分析，以較為緊湊的方式進行施工布置，安排廠房開挖施工進度與強度，該研究成果對雙江口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)施工組織方案設計具有一定的借鑒意義。通過分析，筆者認為以下三方面需重點關注：

(1) 雖然引水發(fā)電系統(tǒng)施工不制約雙江口水電站首臺機發(fā)電工期，但其施工工期與大壩關鍵線路工期相差僅6個月，考慮到該地下廠房地應力高、不確定因素多且可研階段考慮的首臺機安裝調試工期為12個月(同瀑布溝、三峽水電站最短機組安裝工期)，機組安裝工期較短等因素，對雙江口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)的施工進度應引起足夠重視。

(2) 鑒于雙江口水電站地下廠房巖體地應力高達37.82 MPa，應深入開展高地應力廠房圍巖穩(wěn)定與支護關鍵技術研究，科學合理地確定地下廠房開挖與支護參數(shù)，確保圍巖穩(wěn)定和工程安全。為此，經(jīng)主廠房排風洞開鑿廠房上導洞，提前埋設相應的監(jiān)測設備，開展主廠房洞室原位地應力測試和相關試驗研究工作具有非常重要的意義。

(3) 廠房排風洞及交通洞應在工程截流當年年初開工，且廠房上導洞宜緊隨排風洞之后一次貫通并采用反井鉆機造孔，與廠房交通洞貫通，形成直徑1.4 m的通風井，為廠房后續(xù)開挖創(chuàng)造良好的通風環(huán)境。

(責任編輯：李燕輝)

彭旭初(1984-)，男，湖北麻城人，處長助理，工程師，碩士，從事水電工程建設技術和管理工作.

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0076-05

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV22;TV554;TV52;TV51

收稿日期:2015-07-07