地下厂房主要技术难点

向家坝地下厂房主要技术难点报告人：向家坝施工局总工程师李汉臣一、对于地下洞室工程的认识和展望根据本人曾经参与或正在实施的地下洞室工程施工经验，认为地下洞室工程与地面工程相比有以下特点：其一，地下洞室工程存在围岩稳定问题；其二，地下洞室工程布置于狭小的地下空间内，通风散烟及降尘困难；其三，受空间布置条件、相邻洞室间围岩稳定及施工成本制约，施工通道布置相对困难；其四，受空间作业条件限制，地下工程施工机械设备配置相对专业化。以下就上述问题谈谈本人对地下工程的认识。1、洞室围岩稳定问题地下洞室围岩稳定是确保施工安全和工程安全的前提和基础，合理的施工程序和喷锚支护是保证洞室围岩稳定的核心手段和方法。地下工程施工中遇到不良地质条件下的常用隧道开挖施工方法为“超前勘探、超前支护、短进尺、弱爆破、勤支护”。2、通风散烟和降尘受洞室内空间条件限制，洞内各种天然毒有害气体、人为造成的各种烟雾尘埃易于聚集，因此，为改善地下工程的作业环境，一方面必须采用强制机械通风手段加强与洞外新鲜空气置换速度，另一方面尽量减少人为洞内污染。洞内空气污染源主要有：洞内天然有毒有害气体(如瓦斯、硫化氢、氡气等)、爆破烟尘、燃油机械（如汽车、挖掘机、装载机等）产生的油烟、各种金属结构及钢筋焊接产生的有害气体等。对于洞内天然有毒有害气体(如瓦斯、硫化氢、氡气等)，只能加强日常监测并通过强制机械通风将其有害气体或放射性物质浓度降低到对人体不产生危害的程度。对于开挖爆破产生的尘埃，有效且常用的处理手段为爆破前后做洒水降尘处理，特别是爆破后宜立即洒水。当然，还得规定洞内造孔作业必须打水钻。洞室内外温差决定洞室内外空气自然置换速度，因此，从节约通风费用出发，冬夏季节可适当减少机械通风（因为冬夏季节洞内外温差大，自然通风强度相对较高），而春秋季节则应加强机械通风。以上讲述了洞内污染的处理方式，同时还要尽量减少洞内污染。根据本人认识，洞内施工机械需要进行一场大的革命，即彻底改变洞内施工机械以燃油机械为主的现状，由燃油机械向电动机械变革。这需要我们用户、高等科研院校和机械制造厂联合进行攻关或在国家层面制定相关法律、法规方能实现。而对于金属结构的焊接连接产生的有害气体，一方面需尽量减少洞内焊接连接工程量，从设计和施工方案源头尽量考虑铆接、螺栓连接等机械连接技术，如向家坝地下厂房内钢筋连接基本均采用钢筋机械连接技术，如此大大降低了洞内污染。另一方面，对于必须采用焊接连接的结构件，尽可能在洞外焊接后运输施工现场。3、施工通道布置问题地下厂房系统的大断面高边墙洞室分层施工通道布置一直是地下厂房施工中的难点，通过向家坝地下厂房洞室群施工实践并参照其他地下厂房施工经验，水电站地下厂房一般均布置有引水洞、尾水洞、进厂交通洞、母线洞、排水廊道、通风安全洞等永久性建筑物，其次地下厂房系统中尚遗留有原勘测设计阶段施工的地质探洞。施工支洞的布置应在保证永久性建筑物安全的前提下，充分地结合这些永久性建筑物进行布置，同时兼顾一洞多用的功能，以达到经济、节约的目的。具体地说，施工支洞的布置应根据如下原则进行：、依据建筑物的布置情况和地形、地质条件等基础资料进行综合考虑；、根据各永久洞室施工进度要求、总体施工程序安排并结合永久及现有洞室如进厂交通洞、通风洞、引水洞、尾水洞、工程勘探期留下的地质探洞及其它施工支洞的布置，尽量利用永久或现存洞室作为施工通道，以减少洞室开挖工程量和洞室封堵工程量，节约投资；、施工支洞布置尽量满足引水系统、厂房系统和尾水系统施工的相对独立性，确保三大系统施工总进度及合同接点工期要求；、施工支洞布置要与工程主关键线路（一般是厂房）相协调，满足工程主关键线路上平面多工序、立面多层次的施工组织要求，以保证工程施工均衡、有序进行；、一般情况下，厂房系统工期最为紧张，其施工支洞的布置尽量为主厂房各层开挖提供多通道条件；、施工支洞的布置应使洞轴线短、洞线穿越区域围岩稳定，洞线尽量顺直，弯段的转弯半径应符合运输通行要求；隧洞底坡一般不超过10%，最大不超过15%，且陡坡段的长度不应超过50m；、施工支洞的断面尺寸以满足运输要求为第一要素，除此之外应综合考虑通风散烟、排水布置；在此基础上，尽可能减小直墙高度以减少开挖量；、同一高程上永久洞室较多的部位，施工支洞以连通所有洞室为宜，以满足同一高程上的洞室间隔施工的要求；尽可能使主洞与施工支洞以最优的夹角相交，减少交叉部位的开挖量与支护量，又兼顾转弯通畅；、两洞立体相交，低洞顶板安全厚度不小于1倍安全厚度，并加强支护；、所有支洞的转弯半径均不宜小于15m。总之，施工支洞的布置与断面设计要综合考虑施工交通、施工安全、开挖爆破等方面的影响，满足均衡施工和施工进度的要求。4、施工机械设备配置的专业化地下洞室工程与地面工程的区别还体现在某些专业机械设备配置上，如在地下洞室支护工序中喷砼常使用的麦斯特砼喷射台车、造锚杆孔时常使用的多臂凿岩台车、长竖（斜）井衬砌滑动模板、隧道砼衬砌台车（穿行式模板台车、针梁式模板台车等）、小断面洞室开挖出渣使用的扒渣机等等。虽然针对地下工程已经研制成功了部分专业机械设备，但是离地下工程发展现状和态势还有很长远的距离，譬如多臂凿岩台车不仅价格昂贵，效率也不算高，而且很难解决完全依赖操作工技能决定的造孔偏斜问题；深长隧洞通风问题也是世界性难题；上述问题均依赖于国际、国内装备制造业的发展水平。二、向家坝主要技术工作向家坝地下电站简介：向家坝水电站右岸地下厂房总装机容量为4800MW，引水发电系统采用岸塔式进水口、单机单洞引水、“两机合一洞”尾水出水方式。向家坝地下电站主要洞室三维图（图1）布局特点：通过5#、4#施工支洞分割，可大致分为三个施工相对独立的系统，即厂房系统、引水系统、尾水系统及外围辅助洞室系统。整个分布于右岸山体约20万m2的区域内（长700m宽300m），共布置了体型各异、大小不等的近122余条洞室。（其中引水洞4条、主厂房及安装间1个、主变及尾闸洞1个、母线洞4条、尾水管4条、尾水隧洞2条、电缆竖井1条、电梯竖井1条等约18条特大型洞室）。这些洞室纵横交错、平竖相贯，组成复杂的大型地下洞室群。1、厂房顶拱围岩及高边墙稳定1.1.顶拱安全施工程序厂房顶拱横剖面施工分区图（图2）向家坝地下厂房顶拱层（顶拱为15。缓倾角岩层）最大开挖跨度为33.4m（世界最大跨度水电站地下厂房），共分6区施工（如下图所示），其安全“固顶”施工程序为 “中导洞开挖中导洞支护两侧掌子面错距一次扩挖一次扩挖支护跟进底部岩坎开挖两侧掌子面错距二次扩挖二次扩挖支护跟进”。通过上述施工程序，厂房顶拱层开挖跨度将按照如此轨迹扩挖至设计跨度，即由“中导洞跨度”“中导洞跨度+一倍一次扩挖宽度” “中导洞跨度+二倍一次扩挖宽度” “中导洞跨度+二倍一次扩挖宽度+一倍二次扩挖宽度”“中导洞跨度+二倍一次扩挖宽度+二倍二次扩挖宽度”。厂房顶拱跨度循序渐进地递增至设计跨度的过程就是在施工程序和方案上确保厂房顶拱围岩稳定的过程。经过施工期变形监测结果得知，厂房顶拱最大变形位移为12.4mm。1.2.高边墙变形控制向家坝地下厂房为全世界高度最高的水电站地下厂房，其高度达到88.2m。鉴于此，其高边墙的变形控制受到参建各方高度重视。当前，国内大型、特大型地下厂房开挖方法基本都采用自上而下分层开挖，即沿结构边线深孔预裂、薄层开挖、随层支护方法施工。向家坝厂房开挖方法与其不同之处在于其梯段开挖高度与预裂深度一致，而非薄层开挖。在施工程序上，过去仅只在书本上见到的“先洞后墙”或“先小洞、后大洞”施工在向家坝由理论走向了实践。与向家坝厂房上下游边墙相交的大型洞室有4条引水洞、4条母线洞、4条尾水洞，与向家坝厂房南北端墙相交的大型洞室有施工支洞、施工支洞，上述与厂房相交的洞室均是在厂房开挖至其与厂房相交高程前即已开挖临空。通过上述施工程序成功避免了在厂房高边墙开挖临空后再在高边墙上开洞口对高边墙的扰动或破坏。通过施工期变形监测结果显示，其高边墙最大变形为6.68mm。2、“爆刻技术”在岩锚梁部位的成功实践所谓“爆刻技术”即是采用科学的 成型如雕刻艺术品般的岩锚梁 施工程序、精细的造孔工艺、均匀微量分散化装药方法、合理的单响药量及单次爆破规模进行控制爆破，以期达到对保留物体伤害最小、爆破成型如雕刻艺术品一般精美的控制爆破技术。合理施工程序的体现。向家坝地下厂房岩锚梁位于厂房第开挖层，该层分6区进行开挖，其中区为中部拉槽区、区为保护层开挖区、区为岩锚梁岩台开挖区。其施工程序为首先沿拉槽边线实施预裂爆破，然后再按照区区区的次序进行开挖施工。图中区采用梯段爆破开挖、区采用光面爆破方法开挖。该施工程序的科学性体现在实施拉槽区梯段爆破时，其周边预裂缝已经形成并能起到屏蔽梯段爆破冲击波对保留岩体的伤害作用，同时保护层开挖和岩台区开挖因采用“爆刻技术”，对保留岩体的伤害很小。精细的造孔工艺主要体现在光爆孔造孔导向定位样架搭设及对造孔工艺的全过程跟踪控制上。光爆孔造孔导向定位样架搭设见右图，光面爆破孔造孔控制工艺如下：钻孔过程中应适时更换钻杆，以此保证钻工在造孔过程中始终处于最佳作业位置；钻孔时正确利用导向管以保证钻杆居中；钻孔前根据拟造孔孔深对钻杆长度进行统一计算截取，使钻孔达到孔底设计高程后不能继续往下钻；各区主爆孔和二圈孔统一超深30cm；岩台斜向孔造孔前，采用内导管定位，红油漆标记，并用手风钻水平预开孔。钻孔完成后，初检先进行自检，并及时做好孔口保护工作，防止堵孔。均匀微量分散化装药主要体现在以下方面：光爆孔孔距3035cm，线装药密度：60.796.8g/m，抵抗线40cm，二周孔孔距60cm，药卷绑扎如右图所示。控制单响药量及单次爆破规模主要体现在两方面，一方面单响药量控制在不大于30kg，另一方面沿厂房轴线区单循环进尺不大于24m，区不大于15m。3、尾水岔洞开挖施工向家坝右岸地下电站尾水采用两机一洞的布置形式，由此在两条尾支与主洞相交处形成最大跨度为41.982m岔洞。该岔洞开挖具有以下施工特点：、尾水岔洞段洞室断面大，且为三岔口小角度相交，应力集中现象严重，围岩稳定较为不利，对开挖控制要求高；、由于地质条件较差，开挖过程中夹层、层面、节理裂隙与开挖临空面的组合切割易形成潜在不稳定块体，应加强控制爆破，注意开挖过程中掉块和塌方；、尾水岔洞段洞室群在平面和立体相交，尾水管扩散段施工通道穿越开挖区，施工程序较为复杂且安全风险较大；、尾水岔洞段开挖施工期间，主厂房混凝土浇筑、尾水主洞开挖等项目同时进行，施工干扰较大，现场施工组织难度大；尾水主洞岔洞开洞前施工锁口锚杆，尔后进行进行34m小导洞开挖，再扩大至中导洞断面（88m），中导洞开挖支护完成后进行两侧扩挖（一侧扩挖完成后进行另一侧扩挖）。开洞段采取“短进尺，弱爆破”，单循环进尺控制在1.52.5m，适当增加雷管段位以尽量减少单响药量。支护应及时跟进，随机支护紧跟掌子面，系统支护不得滞后掌子面5m。尾水岔洞开挖完成后的成型效果见右上图。虽然岔洞段已经开挖完成且成型效果也尚好，但事后总结认为施工措施需在如下两方面进行完善：其一，该部位施工的核心要点是确保岔洞段三角体岩柱的稳定，因此在岔洞段三角体岩柱两侧岩体开挖爆破如能在时间和空间上对称进行，则两侧岩体爆破冲击波在三角体岩柱部位就会相互抵消，由此降低爆破冲击波对保留三角体岩柱的伤害。其二，三角体岩柱两侧岩体开挖不仅应短进尺，尚需薄层开挖，以此减小单次爆破规模，消弱爆破冲击波对保留三角体岩柱震动破坏。4、大跨度平顶拱隧洞进洞方案向家坝地下电站引水上平洞洞身位于T32-6-2和T32-6-3岩组中。T32-6-2顶部岩体呈薄层状且有软弱夹层分布，层状结构面与节理裂隙的组合将对围岩的稳定不利。此外，JC2-2可能在、机洞室的顶部出露，其与节理裂隙的组合可能产生塌顶破坏。由此不难判断，在上述地质条件下确保15.3m跨度平顶拱开挖围岩稳定将是引水洞开挖过程中最困难和危险的问题。针对上述问题，我施工局根据引水上平洞渐变段所在空间位置及所处地形地貌，拟在进水口边坡各引水洞渐变段平顶拱顶部对应的EL360马道增设悬吊钢筋桩，悬吊钢筋桩施工穿插在进水口边坡EL360以上边坡支护过程中进行。钢筋桩的空间布置及参数见右上图。对引水上平洞渐变段大跨度平顶拱实施超前悬吊钢筋桩支护，可大幅度降低该部位施工的安全风险并提高该部位施工进度。上述建议方案因业主、监理担心增加工程投资未能在向家坝实施，但此方案对类似情况下的安全进洞具有推广价值。5、尾水支洞及扩散段开挖通道尾水扩散段、尾水支洞和厂房2层及以下的开挖支护均通过4#施工支洞进行，无双通道施工条件。4#施工支洞断面尺寸87m，长1052m。进入尾水扩散段后，4#施工支洞位于尾水扩散段末端底部，而尾水支洞、尾水扩散段洞高均在20m以上，因此仅依靠4#施工支洞不能完成尾水支洞、尾水扩散段上部岩体开挖。同时，尾水扩散段和尾水支洞段洞身均以T32-6-1、T32-6-2新鲜岩体为主，仅、机尾水扩散底部会遇到T32-5，有泥质岩石、粉砂质泥岩、中细砂岩夹泥岩团块分布。T32-6-1和T32-6-2顶部除有薄至中厚层状岩体分布外，其它均以厚至巨厚层砂岩为主，节理一般较短小，平均间距在1.0m以上，岩体一般为厚至巨厚层状结构。尾水管段和尾水支洞段围岩类型以类为主，局部节理裂隙发育段为类，软弱夹层为类。在洞身出露的软弱夹层主要有JC2-2、JC2-3和JC2-4，其中JC2-4在尾水管与厂房洞叉管附近分布，将影响该部位岩体的稳定，或与节理裂隙组合构成不稳定块体。基于上述地址条件，设计等参建各方不同意在该部位增设施工支洞或对4#施工支洞与尾支尾扩交叉部位进行扩挖以解决尾支、尾扩上部岩体开挖，即使允许增加支洞也将会增加工程投资。为此，施工局提出了以下解决思路：从4#施工支洞经尾支先往下游再往上游两次上坡后进入、尾扩尾支的顶层，逐层进行、尾扩下游段和、尾支的开挖支护；从4#施工支洞经尾支先往下游再往上游两次上坡后进入、尾扩尾支的顶层，逐层进行、尾扩下游段和、尾支的开挖支护；在尾扩内布置厂房向施工通道，进行尾扩上游段、检修排水廊道、检修集水井底部和厂房层装碴导洞的开挖。目前，该方案已经实施完毕，有效解决了尾支、尾扩及厂房下部施工通道问题，受到参建各方一致好评。6、地下水防治根据合同文件，右岸厂区存在上、下2层基岩孔隙裂隙水。其中下层孔隙裂隙水分布于下部T32砂岩地层中，起阻水作用的泥质岩石含量少且呈透镜状分布。该含水层具有统一的地下水位，水力坡降平缓，地下水位与河水位接近且与河水位基本同步变化，表明二者水力联系密切。因此，厂房施工期间，如不能妥善处理地下水问题，将会危及厂房高边墙稳定、施工排水强度较高甚至出现地下水淹没厂房等问题。为此，我们充分研究了设计院对右岸厂房区工程永久阻水设计方案，该方案在厂区周边布置两排灌浆帷幕。为此，我方建议在开挖施工期首先实施单层帷幕灌浆，以期解决施工期厂房涌水问题，同时，待厂房开挖完成后再实施第二排帷幕灌浆，如此可以避免厂区开挖爆破对灌浆帷幕的震动破坏。目前上述方案已经实施完毕，最终证明该方案实施效果良好，满足了厂房安全施工需要。7、斜井衬砌过程中材料、设备运输问题在向家坝引水洞斜井施工材料及工程材料运输方案问题上，一般常规方案有两种，其一为采取人工自下而上搬运，该方案施工效率低下，安全风险巨大，不能满足引水斜井砼衬砌施工安全及工程进度要求。其二为轨道运输方案：在引水斜井底拱布置轨道， 通过在引水上弯附近布置卷扬机牵引运料小车，实现施工材料自上而下的快速运输。此方案的不足之处在于：须进行轨道插筋的施工；在底拱和边顶拱浇筑时，要进行轨道的二次布置；对底拱砼浇筑存在一定的施工干扰；存在对底拱金属结构外露的后续处理。为此，必须采取合理的材料运输方案，在确保材料运输安全前提下，提高了材料运输效率。基于此，本人通过调研附近项目类似情况的处理方案，发现溪洛渡电站尾水边坡材料运输采用了索道方案，为此，我们通过大胆借鉴和吸收边坡索道运输方案的精髓，将溪洛渡尾水边坡索道运输方案移植于向家坝引水斜井中，该方案完全满足了该项目施工材料和工程材料运输需要。现将该方案简述如下：在引水上弯及斜井段顶拱部位布置埋件，利用钢丝绳形成索道，在卷扬机牵引、提升下，实现施工材料自上而下的快速运输（如图4）。该方案通过在向家坝水电站右岸地下厂房引水斜井衬砌施工中的成功应用证明：引水斜井材料运输索道方案在确保施工安全前提下，节约了人力资源投入，提高了材料运输效率，完全满足引水斜井砼衬砌施工材料运输的强度要求。8、竖井、斜井堵井处理措施对于竖斜井溜渣导井堵井问题也是令人头疼的问题，向家坝右岸地下电站1#引水斜井就曾堵塞过溜渣导井。竖斜井溜渣导井事件发生后，通常的处理方法有：采取人工反导井法疏通堵井，该方法施工安全风险巨大；采取人工正导井法疏通堵井，此方案施工进度极其缓慢，同时也存在一定的安全风险；对于堵塞长度短的导井，可先采取氢气球携带炸药至堵头底部，采取爆破振动疏通堵塞段。本工程斜井导井堵塞后，曾先后使用上述方法试图疏通导井，但