地下厂房开挖施工技术研究

中文摘要I地下厂房开挖施工技术研究水利水电工程中，地下厂房方案得到了广泛的应用，而且随着一些干流水力资源的相继开发，水电工程中地下厂房及相关洞室等在向大型化或超大型的方向发展。对大型地下厂房开挖施工技术，特别是在目前地下厂房开挖广泛使用了现代化施工机械的情况下，对开挖方法和开挖技术作比较系统的总结和研究，将具有很实际的工程意义。本文结合溪洛渡右岸地下厂房开挖实践，针对大型地下厂房的开挖问题，作了比较深入的研究，得出一定的认识和结论。首先，介绍了溪洛渡右岸地下厂房的工程概况及开挖施工程序。其次，针对顶拱开挖技术问题，分析了厂房顶拱的受力特征，并按照“新奥法”的隧洞设计和施工理念，研究厂房顶拱层不同围岩状况下开挖施工程序选择的原则，并据此确定不同围岩洞段下应采取的不同开挖施工方法。再次，分析了岩锚梁开挖相关技术问题。在岩锚梁正式开挖施工前，开展专项的爆破试验研究，获得了科学合理的岩台开挖施工工艺和钻爆参数。将试验成果应用于实际施工中，并不断调整、优化，获得了良好的开挖效果。最后，针对大型地下厂房下部层面的预留保护层问题，开展轮廓预裂爆破试验和梯段爆破试验研究，在此基础上，探讨取消保护层、边墙轮廓预裂的可行性，并将此方法应用于溪洛渡右岸地下厂房和其他大型洞室下部层面的开挖过程中，在对钻爆参数和爆破网路进行精心设计和实施的基础上，保证了边墙成型效果，并且大大加快了施工进度。本文研究成果应用于溪洛渡右岸地下厂房工程，该工程已于 2008 年 12月 31 日开挖完工，开挖进度创同类工程之最，质量优良率达 95%，高边墙最大位移仅为 29mm。本研究成果可供类似工程参考。关键词：溪洛渡水电站；地下厂房；开挖；施工技术AbstractIIStudy on the excavation construction technology of right bank underground powerhouse in Xiluodu hydropower station Hydraulic Engineering SpecialityGraduate: ZHANG Zhibin Supervisor: YANG Xingguo LIU GuangThe scheme of underground powerhouses has been used widely in the hydroelectric project. And with the exploitation of the waterpower materials in the main rivers one after the other, the underground powerhouses and the associated cavities in the hydroelectric engineering are developing towards the large-scale way. Nowadays modern equipment is applied widely in the excavation of underground powerhouses, so it is significant in the practical engineering to study the construction procedure and excavation method of the underground powerhouse. Combined with the excavation practice in Xiluodu right bank underground powerhouse, the excavation problems of large-scale underground powerhouse will be studied deep in this paper. And some important standpoints and conclusions are made.First of all, the project overview and excavation construction procedures of Xiluodu underground powerhouse on the right bank are introduced.Secondly, for the technical issues in top arch excavation, it analysed the Force characteristics of plant crown, and in accordance with the tunnel design and construction concepts of the “New Austrian Tunneling Method“, it researched on the selection principle of excavation procedures when plant crown layer in different adjoining rock situations.Accordingly, different excavation construction methods were determined for different cavern sections.Thirdly, related technical problems of the rock anchor beam excavation were AbstractIIIanalysed. Before the formal excavation of rock anchor beam,special study on blasting test were carried out,and scientific and rational construction technology of rock bench excavation and the drilling and blasting parameters were obtained. With the test results applied to actual construction and continuously adjust and optimize,it got a good excavation effect.Finally, for the reserved protection layer issues in the lower layers of large-scale underground powerhouse,the study on contour pre-splitting and bench blasting test were carried out.Based on this, we explored the feasibility of the abolition of the protection layer and side-wall contour presplitting, and used this method in the excavation process of Xiluodu right bank underground powerhouse and lower layers of other large-scale caverns. On the basis of meticulous design and implementation on the drilling and blasting parameters and blasting network,it ensured the forming effect of the side-wall, and greatly accelerated the construction progress.The research in this article was applied to Xiluodu right bank underground powerhouse project, which has completed the excavation in December 31, 2008 and created to be the fastest compared with similar projects in excavation progress.The quality rate of it reached up to 95% and the maximum displacement of the high wall only to 29mm. The research results in this article can provide a reference for similar projects.Keywords: Xiluodu hydropower station; underground powerhouse; excavation; construction technology目 录4目 录1 绪论 .11.1 选题意义 .11.2 大型地下厂房施工实践及研究现状 .31.3 地下厂房开挖施工特点和关键技术问题分析 .61.4 本文主要研究内容 .72 溪洛渡右岸地下厂房工程概况和开挖程序 .82.1 工程概况 .82.2 工程地质条件 .102.3 地下厂房开挖程序 .123 地下厂房顶拱层开挖施工技术 .163.1 厂房顶拱受力特征分析 .163.2 厂房顶拱层开挖方案比选 .173.3 溪洛渡右岸地下厂房顶拱层开挖施工方法 .193.3.1 厂房顶拱层扩挖施工方法选择的原则 .193.3.2 、 1 类围岩段两侧扩挖 .213.3.3 1、类围岩段两侧扩挖 .243.4 地下厂房顶拱层开挖效果 .274 地下厂房岩锚梁开挖施工技术 .304.1 主要技术问题分析 .304.2 岩锚梁开挖爆破试验研究 .314.2.1 试验目的及依据 .314.2.2 试验部位 .324.2.2 试验内容 .324.2.3 试验过程及成果分析 .334.2.4 试验结论及推荐钻爆参数 .494.3 岩锚梁岩台开挖施工方法 .514.3.1 施工总体程序安排 .514.3.2 主要施工方法 .514.3.3 岩锚梁开挖质量管理措施 .544.4 溪洛渡右岸地下厂房岩锚梁开挖效果 .565 地下厂房下部层面开挖关键技术 .58目 录5.1 施工预裂及预留保护层问题 .585.2 地下厂房轮廓预裂爆破试验 .595.2.1 试验部位和试验参数 .595.2.2 试验成果及其分析 .625.2.3 试验结论 .725.3 履带式潜孔钻梯段爆破试验 .745.3.1 试验参数 .745.3.2 试验成果及其分析 .765.3.3 试验结论 .795.4 无保护层轮廓预裂爆破技术在地下厂房开挖中的应用 .805.4.1 地下厂房下部层面开挖施工方法 .805.4.2 无保护层轮廓预裂爆破效果 .856 结论与 展望 .876.1 结论 .876.2 展望 .881 绪论11 绪论1.1 选题意义由于能源、交通、城建以及环保工程的大力发展，对地下空间的利用和大规模开发呈现越来越强劲的势头。以水电工程为例，我国蕴藏的水力资源非常丰富，可开发的水电容量达 3.78 亿 kW，居世界首位，水力资源大半分布在西部崇山峻岭、深山狭谷之中，如金沙江、雅砻江、大渡河、澜沧江、乌江、红水河和黄河上游等 1。对于峡谷地带水利枢纽，采用地下厂房的设计，有利于枢纽建筑物的合理布置和拦河大坝的快速施工，并且在施工导流布置方面具有优势，能缩短建设周期、节省工程总投资。我国 90 年代后动工的峡谷高坝基本上都采用地下厂房设计方案，如二滩、大朝山、江垭、棉花滩、小浪底、小湾、龙滩、溪洛渡、瀑布沟、水布垭等。据统计，目前我国已建成水电站地下厂房约 100 座，其中装机超过100MW 以上的地下厂房水电站 20 座，最大的已建地下厂房尺寸为280.325.563.9m(二滩水电站)，最大的在建地下厂房尺寸为388.530.777.3m(广西龙滩水电站)，为世界之最。表 1-1 为我国已建成装机大于 100MW 的水电站地下厂房统计表 12，表 1-2 为我国在建的几个主要大型地下厂房统计表 312。表 1-1 中国已建水电站地下厂房统计表( 装机容量大于 100MW)序号 名称 装机容量(MW) 地质条件覆盖层厚度 (m)厂房开挖尺寸(长 宽高)(m)1 刘家峡( 甘肃) 2225450 石英片岩 25 85.123.960.92 映秀湾( 四川) 345135 花岗闪长岩 200 8181634.83 渔子溪(四川) 440160 花岗闪长岩 250 61.61433.44 龚咀( 四川) 3100300 花岗岩 50 10624.5555 西洱河( 云南) 335105 片麻岩 50 56.218306 白山( 吉林) 3300900 混合岩 100 121.52554.3四川大学工程硕士学位论文2序号 名称 装机容量(MW) 地质条件覆盖层厚度(m)厂房开挖尺寸(长 宽高)(m)7 明湖( 台湾) 42501000 砂岩 127.221.245.58 渔子溪(四川) 440160 花岗岩专岩 56.41831.99 鲁布革( 云南) 4150600 白云岩 300 1252138.510 广蓄 (一)(广东) 43001200 花岗岩 405 14521.545.611 东风( 贵州) 3170510 灰岩 120 105.5145212 大广坝( 海南) 360180 花岗岩 14 871435.713 太平驿( 四川) 465260 花岗岩 240 156214614 明潭( 台湾) 62671602 砂岩 300 14920.744.615 十三陵( 北京) 4200800 花岗岩 250 112.119.741.416 二滩( 四川) 65503300 灰岩 350 280.325.563.917 天荒坪( 浙江) 63001800 凝灰岩 300 200214618 小浪底( 河南) 63001800 砂岩 110 215.526.261.419 广蓄 (二)(广东) 43001200 花岗岩 1452145.620 江垭( 湖南) 3100300 灰岩 150 1071946.521 大朝山( 云南) 62251250 玄武岩 23426.463注：本表按建造时序排。表 1-2 中国主要在建水电站地下厂房统计表序号 名称 所在河流 装机容量/MW 预计投产时间/ 年1 锦屏级 雅砻江 6600 20122 锦屏级 雅砻江 8600 20123 糯扎渡 澜沧江 9650 20124 大岗山 大渡河 4650 20115 官地 雅砻江 4600 20126 向家坝 金沙江 8750 20137 溪洛渡 金沙江 29700 20158 白鹤滩 金沙江 29700 20309 乌东德 金沙江 10700 可研10 猴子岩 大渡河 4440 201411 两河口 雅砻江 6500 20151 绪论3对于大型地下洞室的施工，最常采用的手段仍是钻孔爆破法。在钻爆法开挖大型地下洞室的过程中，开挖程序和开挖方法的选择对于实现快速、经济、安全的施工具有重要影响。而对于水电工程中地下厂房这一具有鲜明特征的超大型地下洞室，其开挖方法和技术选择的合理与否，更是直接关系到地下厂房的稳定和工期目标的实现。所以，对大型地下厂房开挖施工技术，特别是在目前地下厂房开挖广泛使用了现代化施工机械的情况下，对开挖方法和开挖技术作比较系统的总结和研究，将具有很实际的工程意义。1.2 大型地下厂房施工实践及研究现状国内对于大型地下厂房开挖方法的研究，主要是一些施工单位针对已建工程总结出一些宝贵的施工经验，同时学习国外的先进施工工艺和方法，在某些具体工程中做有益的尝试。另外，一些科研机构同施工企业合作，在开挖方案、施工程序等方面做了一定有价值的理论和试验研究。20 世纪 60 到 70 年代，前苏联在大断面地下建筑物的研究、设计与施工方面作了大量的工作。1974 年，B.M.莫斯特科夫 13结合前苏联当时完成的一些大断面地下建筑物，对大型地下洞室的掘进方法作了较详细的论述。莫斯特科夫在考虑围岩地质条件和断面大小的情况下，对前苏联当时的一些大型洞室开挖方法作了分析，并给出了在一定施工技术条件下的洞室掘进方法选择建议；同时还讨论了大型洞室开挖的施工机械配套问题。我国在隧洞开挖方法方面的研究起步较晚。20 世纪 60 年代以前，我国水电站地下工程开挖采用手风钻造孔，自由爆破。1959 年，水利电力部门的有关技术刊物开始介绍了光面爆破技术。1964 年，在二龙山水库输水洞中对光面爆破进行了比较全面的试验研究，并在实际应用中取得了较好的效果。20 世纪 70 年代，在渔子溪水电站、镜泊湖水电站、察尔森水库和太平哨水电站等工程的引水隧洞中都采用了光面爆破技术，并进行了大量的锚喷支护试验研究 14。为了发展新奥法，从 1982 年开始，铁道部、水电部等单位广泛的开展四川大学工程硕士学位论文4了科学研究，分别在广东的大瑶山隧道、云南的西洱河三级电站