地下洞室群施工技术优化方案

1.5.3.1　地下洞室群施工技术简述

地下洞室群包括引水系统、地下厂房系统和尾水系统，三者既相对独立又相互关联。地下洞室群的施工是一个较为复杂的过程，其施工特点主要有:地下洞室群或多洞并列，或纵横交错、相互贯通，空间形态较为复杂，施工相互干扰;洞室施工作业环境差，黑暗、潮湿，有害气体、粉尘多，且地质条件存在不可预见性，遇到不良地质地段常伴随塌方、地下涌水等突发事件的发生，安全问题突出。可见，许多因素都可影响到地下洞室的施工进程。

因此，对于地下洞室群的施工，应先进行系统研究，在满足施工进度且经济可行的情况下，合理安排各洞室的先后施工顺序，寻求合理的机械设备配备，进行施工高峰期交通运输分析，论证各施工通道能否满足交通运输要求，在利用永久洞室作为交通的基础上，论证是否需进一步增设施工支洞。

在系统论证的基础上，地下洞室群的施工常按“平面多工序、立体多层次”的原则展开。为了实现“立体多层次”，应统筹考虑各大洞室开挖分层及各层的施工道道，所有与洞外相连的洞室宜早开工，并尽快掘进至大洞室的对应开挖层中，否则将影响大洞室的施工进程。如某地下厂房，主厂房的第Ⅱ层抽槽开挖已结束，与此相连的进厂交通洞仍未贯通，严重影响了该层的岩壁梁开挖与其混凝土施工，同时也不利于洞内空气的流通。

地下洞室群洞内风流场复杂，所以应注重地下洞室的通风系统设置。地下大型洞室一般在顶部、中部、底部均设有永久隧洞或施工辅助洞室，为各层提供施工通道和施工期通风排烟通道，为满足通风要求，各层洞室(平洞)尽量与外界直接沟通，扩大洞内外气体交换断面，减少废气循环。所以在施工规划上，中小型洞室(尤其是连通洞外和洞内大型洞室的洞室)应先行完成，以减轻后期洞室与洞室之间贯通后的通风压力。在施工前期，也即中小洞室在贯通之前，其通风排烟模式与独立的洞室相同，即在洞口布置风机，向洞内压风(或抽排)达到排烟除尘的目的。但在各洞室相互贯通后，洞内风流场开始变得复杂，一味地向洞内压风未必能实现除尘的目的，所以应结合各洞口的气压，对洞内的风流场进行模拟演算，并调整压风机的布置。一般情况，可在高程相对较低的洞口外侧布置轴流风机进行压风，在高程相对较高的洞室内布置风机向外抽排烟尘。风机的功率应尽可能大，避免在洞内接力。洞室中的长斜井、竖井是洞室群中的重要排风口，先行施工可大大解决洞室群的通风散烟问题，如无永久的长斜、竖井可利用时，可专门设置排烟竖井。如洪屏地下厂房，与地下厂房相连的通风兼安全洞和进厂交通洞尽管在洞内高差较大，但二者进洞口底板基本在一个高程上，天然的气压差小，通过进厂交通洞送风、通风兼安全洞抽排的效果并不明显，所以，在通风兼安全洞上方，又专门设置了一个深231m的排烟竖井，有效解决了地下厂房的排烟除尘问题。

当地下水丰富时，应注重地下洞室的排水问题，如地下水处理不当，将影响大型洞室的钻孔、装药，进而影响爆破效果，同时也不利于大型洞室的围岩稳定。所以在前期进行的中小洞室开挖时，应根据洞内渗水的大小，预测后期可能的渗流量，配足水泵，并逐级分段设置集水坑，利用水泵将渗水及时排出洞外，以确保各洞室的渗水不往大型洞室中汇集。同时，已有的排水洞，如厂房周边的上、中、下各层排水洞，应超前厂房对应层的开挖施工。

注重大型洞室开挖围岩稳定和安全。对于大型洞室，第Ⅰ层开挖的拱顶往往较为平缓，开挖后其自稳能力难于形成，施工多采用分部开挖法，即先进行中导洞开挖，在拱顶完成锚喷支护且围岩变形趋于稳定后，再进行两侧的扩挖施工。对于高边墙的锚喷支护施工，应尽可能地与开挖施工穿插进行，实现“平面多工序”，确保边墙的稳定。

注重厂房岩壁梁的施工质量，岩壁梁的岩台开挖目前多采用竖向孔加斜孔实施“爆刻”，岩台成形效果较好。在岩壁梁混凝土施工之前，有条件的，其下方的母线洞宜先行开挖，使母线洞顶部的围岩应力释放一部分，有利于岩壁梁的受力稳定。岩壁梁的混凝土浇筑，要通过优化混凝土配合比、降低水化热与混凝土入仓温度以及加强养护等方法来实现混凝土限裂、防裂的目的。

1.5.3.2　长斜井施工技术

斜井是水利水电工程中的重要建筑物，由于大型抽水蓄能电站的水头高，引水斜井也比较长，且为陡倾角斜井(45°～60°)，其施工难度远远大于常规水电站工程。当前国内抽水蓄能电站斜井最长是760m(宝泉)、最大连续斜长是419m(宝泉)、洞径最大是9m(桐柏)，连续斜长超过300m的有宝泉、黑糜峰、西龙池、桐柏、天荒坪、十三陵、广蓄等抽水蓄能电站。

大型抽水蓄能电站典型设计为二级斜井布置，即上斜井→中平洞→下斜井，如宝泉、西龙池、十三陵、仙游、天池等;单斜井有天荒坪、黑糜峰、桐柏等;三级斜井有惠蓄;响水涧、张河湾等为竖井。对超长单斜井(天荒坪697m)，开挖时在中部布置一条支洞，并在斜井中留一段岩塞，将斜井分为上下两段分别进行开挖。

(1)导井开挖技术。

斜井、竖井开挖有全断面法和导井扩挖法两种，较大断面一般选用导井扩挖法，即先开挖贯通导井，再自上而下扩挖、导井溜渣。自上而下进行施工称为正井法，自下而上施工则为反井法。导井开挖方法当前有人工正导井法、人工反导井法、ALIMAK(阿力马克)爬罐反导井法和反井钻机反导井法四种方法，人工反导井法应用很少。

斜井导井开挖当前常用有三种方案。一是正、反导井同时进行，上口采用手风钻开挖、人工装渣、卷扬机牵引斗车出渣，下口采用ALIMAK爬罐打反导井、自重溜渣，宝泉、桐柏、广蓄、仙游等工程均采用该方案。二是单一的反井钻机反导井开挖方案，惠蓄采用此方案。三是多种方法的复合方案，西龙池上斜井下口先用ALIMAK爬罐打262m，余下上部120m用反井钻反拉导井。ALIMAK爬罐工作如图1-22所示。

图1-22　ALIMAK爬罐工作示意图

(2)扩挖与支护技术。

斜井扩挖及喷锚支护，均在卷扬机牵引的钢平台上进行施工，这种高达10m的作业台车共分四层，可以满足扩挖钻爆和喷锚支护同时作业，也便于操作手打周边孔和径向锚杆。扩挖石渣通过导井溜渣到下口，再机械出渣。

(3)斜井混凝土施工技术。

斜井混凝土衬砌一般采用全断面自下而上进行，施工难点是模板技术，有CSM间断滑模、XHM-7型斜井滑模、LSD斜井滑模等三种，CSM间断滑模为国外引进技术，XHM-7型斜井滑模、LSD斜井滑模为国内自行创新技术。LSD斜井滑模主要由模体、牵引、轨道和运输系统等部分组成，适合陡倾角大直径的长斜井混凝土衬砌施工，已经应用于宝泉、桐柏、惠蓄、黑糜峰、仙游等工程。混凝土入仓采用M-Box、溜管或机械提升配溜槽。LSD斜井滑模系统施工如图1-23所示。

图1-23　LSD斜井滑模系统施工布置图

(4)斜井钢衬施工技术。

大型抽水蓄能电站建设经验表明，钢筋混凝土衬砌在600m级水头风险很大，国内宝泉、西龙池、洪屏、呼蓄、丰宁等工程，设计或之后增设了斜井钢衬。如宝泉在上斜井高程450m～723.5m段安装内径5.8m钢衬，长度357m，采用Q345钢材，厚度分别为28mm、24mm、20mm。

钢衬入井就位、焊接和回填混凝土是施工关键技术。为满足最长钢管节入井、安装卷扬机及作业的空间需要，必须在上弯段进行扩挖，钢衬平移到斜井上口后，由慢速卷扬机牵引台车缓慢下降就位。由于钢衬与斜井基础面之间空间狭小，两节钢衬间的焊缝无法在钢衬外部进行焊接，采用单面焊接双面成型的焊接工艺，保证了焊接质量。钢衬外空腔回填混凝土，其混凝土入仓和振捣都非常困难，宝泉斜井、柬埔寨基里隆水电站竖井均创新回填微膨胀自密实混凝土，溜管入仓，不仅进度快，而且质量有保证、效率高。(www.xing528.com)

1.5.3.3　地下厂房施工技术

抽水蓄能电站地下厂房具有跨度大、边墙高、结构复杂、交叉洞室多、围岩稳定问题突出等特点，表1-1为部分抽水蓄能电站地下厂房的特征参数。

表1-1　部分抽水蓄能电站地下厂房的特征参数

续表

从表中数据可知，抽水蓄能电站地下厂房的跨度一般为20.0m～26.0m，高度一般为41.0m～56.0m。根据厂房的高度不同，多分为6层或是7层开挖完成。开挖分层的规划，需结合施工通道条件、厂房的结构特点、施工机械性能、相邻洞室及相关构筑物的施工需要等统筹考虑。如洪屏抽水蓄能电站地下厂房，在规划上分为7层，第Ⅰ～Ⅱ层的前期开挖的施工通道为通风兼安全洞，第Ⅱ层的岩壁梁开挖施工以及第Ⅲ层开挖、第Ⅳ层的初期开挖利用进厂交通洞作为施工通道，第Ⅳ层的后期开挖、第Ⅴ层开挖以及第Ⅵ层的前期开挖利用4#施工支洞作为施工通道，第Ⅵ层的后期开挖以及第Ⅶ层开挖利用尾水支洞、尾水隧洞和5#施工支洞作为施工通道。关于层高的划分，在满足机械性能要求的情况下，第Ⅰ层的高度宜适当高一些，以确保拱脚以下直立墙所预留的高度(如图1-24中的H)，能满足第Ⅱ层沿边墙垂直造孔时钻机对其上部空间的要求。其他层的层高以5m～8m为宜，以减小抽槽开挖施工中岩石的夹制影响。

图1-24　厂房第Ⅰ层开挖拱脚下部直立墙预留高度示意图

厂房的施工工序相对复杂，工期紧。在施工安排上，多采用“平面多工序，立体多层次”的开挖方法。在平面上，钻孔、爆破、出渣、锚杆(索)钻孔安装、混凝土喷护等施工应尽可能实现流水作业或穿插施工，在立面上，遵循自上而下的顺序逐级开挖的同时，可考虑由下部施工通道进入厂房施工，实现立体交叉施工。如洪屏地下厂房，在进行上部开挖的同时，利用5#施工支洞、尾水隧洞和尾水支洞，先行完成底部第Ⅶ层的开挖，既加快了施工进度，同时也有利于第Ⅵ层开挖出渣。有些工程还利用中部相关洞室(如进厂交通洞或施工支洞)，在厂房上部开挖的同时，进入含母线洞层的厂房开挖层，先行完成母线洞的开挖，让母线洞上方的直立墙塑性变形先行完成，有利于后期施工的岩壁梁的受力稳定。

厂房第Ⅰ层也即顶拱层，一般采用中导洞超前、两侧跟进扩挖的方法进行，多采用凿岩台车或手风钻造孔，水平孔爆破开挖。由于地下厂房跨度大、顶拱比较平缓，不利于岩层承重拱的形成。所以中导洞超前开挖后，需先完成其顶部锚喷支护后再进行两边的扩挖施工，有的工程仅通过顶部一般的锚喷支护，还尚未能保证拱顶部位的稳定，如西龙池地下厂房，在厂房顶拱的上部开挖锚洞，采用锚索对厂房拱顶部分实施对锚后，再进行两侧扩挖施工。厂房其他层，多采用潜孔钻或手风钻垂直造孔，先中间梯段抽槽爆破，后对两侧预留的保护层实施光面爆破或预裂爆破的方式进行。其中第Ⅱ层或第Ⅲ层开挖，将涉及岩壁梁的岩台基础开挖，为保证岩台的成形，还需采取一些特殊爆破措施。对于裂隙发育、地下水丰富的厂房，在开挖上，还要求位于厂房开挖层同一高程区间的排水洞先行开挖，以减小厂房的渗水量，确保围岩稳定。

厂房的支护形式以锚杆、锚索加混凝土喷护为主。锚杆钻孔常利用凿岩台车进行，以满足锚杆在空间上不同角度的要求。传统的锚杆施工质量检测方法主要为“拉拔法”，工程验证结果显示，只要锚杆锚固了一定的长度，即使锚杆不足设计长度或砂浆饱满度不满足设计要求，其抗拔力指标也可能是合格的，达不到真正检测的目的。因此，近年来，对锚杆的检测除传统的检测外，还需对锚杆实施无损检测，以实现无损、经济、快速地测定锚杆的锚固长度以及砂浆的饱满度。

1.5.3.4　岩壁梁施工技术

岩壁梁的开挖属厂房开挖的一个组成部分，由于岩壁梁是地下厂房的重要建筑物，其岩台开挖质量将直接影响到桥机的运行安全。因此，对岩壁梁的施工单独加以阐述。

岩壁梁一般位于厂房开挖层的第Ⅱ层或第Ⅲ层，对于这一层的开挖，按两侧预留保护层、中部抽槽开挖的方式进行。中部抽槽开挖时，槽的两侧设置预裂孔，按先预裂后槽内梯段爆破的方式形成“先锋槽”，以确保两侧所预留的保护层不被破坏。槽两侧保护层一般采用手风钻垂直造孔，按浅孔梯段爆破+光面爆破的方式予以爆除，保护层的预留厚度，以能满足挖掘机行走所要求的最小宽度为原则，如预留太厚，手风钻钻孔的作业量将偏大，影响施工进度且不经济。洪屏抽水蓄能电站地下厂房岩壁梁开挖层分区规划图(如图1-25所示)，其中Ⅰ1、Ⅰ2为中部抽槽开挖区，分两层完成，Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4为保护层开挖区，Ⅱ5岩台开挖区。

图1-25　洪屏抽水蓄能电站地下厂房岩壁梁开挖层分区规划图(单位:高程以m　计，其他以cm　计)

岩台部位早期的开挖方式为沿岩台壁钻设水平孔将岩台上部保护层爆除，如图1-26所示。水平钻孔方式的优点是施工简便，但岩台的成形效果较差。如图1-26(a)所示。当周边孔起爆时，a孔易因上下边墙的夹制而造成该部位欠挖，而b、d两孔爆破后，易将下拐点c附近区域岩石切除，形成超挖。所以最终的爆破效果可能如图1-26(b)所示。

图1-26　岩台早期开挖方式示意图

后经施工实践，将岩台保护层的开挖改用竖向孔加斜孔实施光爆的开挖方式，如图1-27所示。采用该方式进行开挖施工，爆破后岩台上下拐点分明，直立面和斜面平整，形如“爆刻”。施工时，竖向孔结合岩台外侧保护层钻孔开挖，搭设钢管定位样架一同将其钻设完成，并插入PVC管护孔，下部斜孔的施工，也同样搭设样架，采用气腿式风钻自下而上完成其钻孔作业。竖向孔和斜孔的孔间距为30cm～35cm，孔内线装药密度为75g/m～80g/m。由于不管是竖向孔还是斜孔，其孔内装药主要集中在岩台的上拐点区域，而下拐点仅采用炸药纸箱碎片进行弱堵(而非孔口封堵)，这样，爆破后，上拐点基本不欠挖，而下拐点也能较完整地保留。

图1-27　岩台竖向孔加斜孔爆破方式

岩壁梁的混凝土施工较为常规，但施工中模板常不周转使用，模板及其支撑材料一次性投入量大，在模板选型上，宜选用胶合板作为模板。为了降低混凝土内部的温升，宜在混凝土内埋设测温计和冷却水管。浇筑时，在优化混凝土配合比、降低混凝土水化热、降低入仓混凝土温度、保温养护等方面加以控制。