水利水电大型地下厂房工程施工技术.pdf

与建 材装 饰 2016 年 8 月 水利水电大型地下厂房工程施工技术 王 伟 1 王学璐 2 （1.葛洲坝集团第三工程有限公司2.葛洲坝集团试验检测有限公司） 摘要：近年来，随着我国社会经济与现代科技的不断发展，城市化建设进程的加快带动了基础设施建设如水利工程 建设的突破性发展，其主要发展特点是规模向着大型化与洞室群的复杂化形式发展。 与此同时，伴随机械化水平程度的不 断提高，水利水电工程的施工速度和施工质量也在逐渐加强，特别是近十年来，我国地下工程的设计与施工水平更是向着 一个一个崭新的高度发展。 本文主要以某水电站及某坝的地下厂房为例，阐述了大型地下厂房施工现状，介绍了开挖与支 护施工方法，并结合其它工程的实践资料，探讨了地下厂房的施工技术，对今后地下厂房工程施工提供了指导建设。 关键词：水利水电；大型地下厂房；工程施工技术 中图分类号： TV554文献标识码： A 文章编号： 1673-0038 （2016） 32-0262-03 当前， 随着国民经济的不断发展以及西部大开发工作的全面 展开， 为提高我国土地资源的利用率， 社会各界越来越多的关注 于我国的水利水电工程建设，其发展趋势也不断呈现出大型化 与复杂化。我国的水资源主要分布在西部山区， 继三峡工程建设 之后， 如何开展西部大型、 特大型的水电站与水利设施成为了我 国建筑行业发展的重要方向。而由于西部山区的河床相对狭窄， 一旦发生洪水， 就会急速加剧河流流量， 不利于水利工程结构的 安全。因此地下厂房的建设在中西部山区的水利资源开发过程 中是必不可少的。近年来， 随着我国实践经验和理论研究成果的 不断积累， 水利水电工程地下厂房的建设逐渐完善， 以 “锚喷支 护” 为核心的地下工程的设计， 不仅能有效得保障围岩的稳定， 还能改善岩体应力状态，实现地下厂房的高质量建设已经成为 工程参与各方的共识。 1 大型地下厂房施工现状 与国外的其他国家相比，我国的隧洞开挖技术起步较晚， 但 呈现出了良好的发展趋势， 自 20 世纪 60 年代初期 “喷锚支护” 技术的推广， 截止到 1981 年年底， 就建成了全长 7500km 的地下 工程， 自 1982 年开始， 各企业广泛地开展科学研究， 并在此后的 十几年中， 取得了可喜的成果。其后， 大量工程和研究人员对 “新 奥法” 展开了工程实践和试验研究。 1985 年之后， 引入了成龙配套的地下工程开挖支护设备， 进 入 20 世纪 90 年代之后，我国地下工程施工技术与速度都上了 一个新的台阶。 2 厂房的开挖与支护 近年来， 随着我国水利水电工程地下厂房施工技术的不断发 展和进步， 突破传统的施工限制， 将 “锚喷支护” 技术在当下我国 地下厂房的开挖与支护施工中具有无可替代的作用， 使 “岩壁吊 车” 技术成为了可能， 这也就意味着地下厂房洞室的快速施工在 现代化建设施工中成为了可能。 例如我国的龙滩水电站，其地下厂房的开挖跨度约为 40m， 在地应力为中等的的施工作用环境下，洞室的轴线与岩层的走 向交角为 3540。因此，要想满足水利水电地下大型厂房的构 建， 施工人员通常采用 V 类顶拱， 至于围岩段的施工泽采用的是 C20 的喷钢纤维混凝土和 200kN 的预应力锚杆，从而保障支护 效果。同时， 对比向家坝的地下厂房， 其开挖跨度为 35m， 要想满 足水利水电地下大型厂房的构建，其顶拱部分通常采用的层问 错动破碎夹泥层以及泥质类软弱岩石，施工方式则采用的喷钢 纤维混凝土， 具体数据见表 12。 序号工程名称 装机容量 （MW） 主厂房尺寸 （长宽 高， mmm） 总洞挖量 （万 m3） 主厂房开挖 量 （万 m3） 厂房开挖合 同工期 （月） 1二滩6550 191.9030.7065.38 （不含安装间长度） 19540.532 2龙滩9700388.5030.7075.4030966.3136 3小湾6700298.1030.6086.43180.8255.6236 4瀑布沟6550294.1030.070.18105.89342.528 5长江三峡6700301.3031.0083.84139.5170.9731.5 6彭水5350252.0030.0084.5080.5241.517.5 7 溪洛渡 （右岸） 9710430.0031.9075.10502.0774.1533 33 溪洛渡 （左岸） 9710430.0031.9075.10503.0574.1533 9向家坝3000245.0033.4085.50187.4959.0932 10糯扎渡9650418.0031.0077.47260.381.830 表 1 部分大型引水发电系统的工程统计数据 序号工程 名称 厂房尺寸 （宽高， mm） 顶拱支护参数建设年代 1龙滩 30.70 75.40 普通砂浆锚杆 准28/32L=6.5/8.0m1.51.5m 交错 布置， 类围岩段 L=8.0m 锚杆为预应力锚杆； 喷 钢纤维 C20 混凝土厚 20cm 2001.10.30 2009.12.31 2 糯扎 渡 31.00 81.60 普通砂浆锚杆 准25L=4.5/9.0m1.51.5m 相间布 置， 局部增加锚索； 喷 C30 钢纤维混凝土 20cm， 局部挂 准6.52020 钢筋网 2007.1.1 2013.6.30 3 向家 坝 33.40 85.50 普通砂浆锚杆 准36L=6.0/8.0m1.53.0m 相间布 置， 与排水廊道对穿预应力锚索 2000kN 共 6 排； 挂 准82020 钢筋网， 喷 C20 混凝土厚 20cm 2005.4.1 2012.6.30 4彭水 30.00 84.50 中空注浆张拉锚杆 准32L=10/8m1.51.5m 交错 布置， 喷 C20 钢纤维混凝土 15cm 2003.10.1 2007.11.30 5 瀑布 沟 30.70 70.18 准32L=9.0m 的砂浆锚杆与 准28L=7.0 的砂浆锚杆 1.51.5m 交叉布置， 喷 C20 混凝土厚 10cm 2003.12.25 2009.12.31 6 溪洛 渡 31.90 75.60 张拉锚杆 准32L=9.0m （T=120kN） 与普通砂浆锚杆 准32L=8.0m1.51.5m 交错布置； 挂 准82020 钢 筋网， 喷 C25 混凝土厚 20cm 2006.1.1 2013.10.31 7小湾 30.60 82.00 普通砂浆锚杆 准28/36L=6.0/9.0m1.51.5m 交错布 置； 挂 准6.52020 钢筋网， 喷 C20 混凝土厚 20cm 2003.8.1 2010.6.30 8三峡 31.00 87.24 张拉锚杆 准32L=12m3.03.0m 与普通砂浆锚杆 准32L=9.0m3.03.0m 梅花形布置； 2500kN 预应 力锚索 L-25/30m6.06.0m； 喷钢纤维 C20 混凝 土厚 15cm， 表面 2.0cmC25 素混凝土 2004.12.1 2008.12.31 9二滩 30.70 65.38 普通砂浆锚杆 准28L=6.0m1.51.5m 相间布置， 挂 准412.512.5 钢丝网， 喷 C30 混凝土厚 15cm， 0+ 51.2188.62 段增加 15t 单股软锚索 1.82.0m 1991.11.26 1999.12 10 官地 31.10 76.30 普通砂浆锚杆 准32L=6.0/9.0m1.51.5m 相间布 置， 挂 准82020 钢筋网， 喷 C20 混凝土厚 25cm 2007.9.1 2012.12.31 表 2 部分国内大型地下厂房特性统计 水利建设 262 与建 材装 饰 2016 年 8 月 通常， 施工人员在进行龙滩水电站施工时， 采用的是从上到 下、 分层分块的开挖和支护施工方式， 进而使其分步进行， 逐步 成型。从围岩应力状态变化的角度来看， 龙滩水电站在施工过程 中， 其应力路径会随着开挖支护程序的变化而发生改变， 如果施 工人员不能及时地处理相关问题， 不仅会影响整个施工质量， 同 时还会造成围岩的应力分布以及隧洞周位的标准发生移动， 移 给工程造成不可预估的安全隐患。因此， 如何加强地下厂房施工 的开挖和支护， 是当下建设企业地重要研究方向， 也是我国社会 主义经济建设的发展需要。通过相关试验数据分析可知， 地下厂 房施工的施工效果除了与工程技术人员的专业技能与综合素养 有关之外， 与工程的施工成本、 机械设备选型、 进度要求和施工 布置等外在条件都有重要关联，因此企业应该高度重视各类监 测信息， 不断优化施工方案， 从而保障施工效果。 3 水利水电大型地下厂房工程的施工方法 当前，我国的地下厂房工程在一定程度上具有具有挖空率 高、 断面尺寸大等特点， 制约我国水利水电大型地下厂房工程的 稳定性与安全性， 因此在施工建设过程中， 如何选用合理的施工 方法， 显得尤为重要。 3.1 施工准备阶段 近年来， 在我国地下厂房正式施工建设之前， 施工人员必须 要根据施工现场的实际情况，对后备的施工方案进行整体优化 选择，从而实现建材的最优化利用，确保施工支洞的合理化建 设， 从而为多项平行作业创造良好的施工环境。除此之外， 施工 人员还应根据建筑企业与施工单位签订的施工合同以及技术规 范的相关要求对开挖、 支护工艺进行合理性选择， 一方面加强对 质量控制的管理和监测， 另一方面设置好各类监测仪器， 提高监 测力度， 为施工单位的连续施工创造更多有利条件。 3.2 开挖方法 当前， 我国地下厂房的开挖要主要遵循 “从上到下、 分层施 工、 逐步成型” 的施工步骤， 施工人员需要注意的是， 在进行地下 厂房的开挖过程中， 每一层的厚度应该控制在特定的范围内， 通 常是 810m 的范围内， 详见图 1。 在进行分层开挖时，施工人员还要对考虑爆破振动的范围、 钻孔的精度、设备进行作业时对空间的需求以及施工通道等多 种因素， 不仅对施工厚度控制在一定的范围内， 对岩壁的吊车梁 层也应该尽量控制在 10m 的范围左右，其上部界面应按照比梁 顶设计进行控制， 下部界面则应按照比下拐点高程进行控制。除 此之外，发电机层的上部界面控制要充分考虑到母线洞洞脸加 固的需求， 下部界面控制则应兼顾引水隧洞洞脸的加固需要。通 过相关实践表明，当前我国的水利水电大型地下厂房工程在进 行中下部深孔梯段的开挖作业时，施工人员应该严格控制爆破 孔深， 降低高边墙位移的影响。 通常， 施工人员大多采用预裂爆破和光面爆破来进行地下厂 房的拱顶层下部的开挖与轮廓控制，再然后采用深孔梯段微差 爆破的方法清除中间岩体。当前， 在进行开挖技术施工时， 主要 运用的方式有两种： 第一种方法是根据以往爆破试验数据， 科学 合理的确定预留保护层的厚度， 再对中槽部分的开挖， 运用该种 方法可以将超挖深度控制在 1520cm 的可控范围内，且保护层 开挖是影响边墙位移量的主要因素， 详见图 2。第二种方法是采 用深孔预裂爆破技术。对轮廓进行分批开挖处理， 运用该种方法 可以将超挖深度控制在 815cm 的可控范围内， 其变形控制要优 于第一种方法， 如果没有条件限制， 通常施工人员应尽量选取此 种方法。 3.3 支护方法 图 3 为开挖多点位移变化曲线图， 通过观察可知， 在一般的 岩体结构中， 支护压力会随着岩体位移的增大而减小， 如果发生 相同的位移，则支护后的隧洞围岩所需要的支护压力要小于支 护前， 并且这两者的差距会随着所发生位移的变化而变化， 详见 图 4。 图 1 龙滩水电站地下厂房开挖分层图 图 2 电站地下厂房分层开挖示意图 水利建设 263 与建 材装 饰 2016 年 8 月 ! 通过图 4 可知，在进行水利水电工程地下厂房建设过程中， 支护压力与位移具有重要的关联，因此在进行浅孔锚杆的支护 作业时， 必须严格控制开挖洞径长度， 当进行深孔锚杆作业时， 应紧跟复喷混凝土技术， 从而设计科学合理的预应力锚索。同时 施工人员需要注意的是，水利水电工程的地下厂房直立边墙高 度通常设置在 5080m 的可控范围内。因此为保证其稳定性， 施 工人员除了对其相关作业进行加固外，还要注意影响地下厂房 整体施工进度的主要因素，采取适当的回转钻进工艺，缩短工 期。 4 结 语 综上所述， 对水利水电工程地下厂房的施工具有重要影响作 用的因素主要是开挖程序的选取、开挖过程的控制以及支护的 实时性等， 要想确保围岩的稳定性， 提高工程质量， 施工人员必 须加强对围岩塑性区额控制， 进而达到施工安全的目的。近年来 随着我国科技的迅速发展，大跨度地下厂房施工技术在一定程 度上取得了突破性发展， 其施工方法与施工技术日益成熟， 但施 工单位还应该加强在实际工程建设中的相关数据的总结与整 理， 进而为提升我国在在该领域的技术水平奠定良好的基础。 参考文献 1王树理.地下建筑结构设计J.清华大学出版社， 2009， 11： 111112 2梁文学.地下工程施工J.中国劳动社会保障出版社， 2010， 10： 123132 3姜玉松.地下工程施工技术J.武汉理工大学出版社， 2008， 11： 175182 收稿日期： 2016-7-19 作者简介： 王 伟 （1988-） ， 大专， 主要从事地下厂房结构施工管理 工作。 王学璐 （1991-） ， 大专， 主要从事建筑材料检测及混凝土配 合比设计工作。 图 3 典型厂房开挖多点位移计变化曲线示意图 图 4 支护压力与位移关系曲线示意图 关于小型水电站技术改造措施的探讨 徐 旭 （江西信江水利电力勘察设计有限公司） 摘要：小型水电站由于成本低，价值大，越来越多的被应用到现实生活生产中，其创造的经济价值也成为国民经济 的重要组成部分。 在小型水电站发展的同时，其技术改造方面的弊端也逐渐的暴露出来：引水系统等技术设施的落后，水 电站管理水平较低，装机的设备容量小，安全性能无法保障等等。 这些问题得不到解决，会制约我国水电站建设的发展，影 响工业现代化的进程。 本文就讨论