仙游電站地下廠房開挖技術分析與研究

郭奇志 林子龍 李旭輝

摘要:通過對仙游電站地下廠房開挖技術分析與研究，認為地下廠房開挖的關鍵是合理分層，注重巖壁梁、直立高邊墻等部位的開挖技術，控制質點振動速度。

關鍵詞：地下廠房 分層 巖壁梁控制

中圖分類號：C35文獻標識碼： A

1．工程概況

福建仙游抽水蓄能電站位于福建省莆田市仙游縣西苑鄉，裝機容量為1200MW(4×300MW)，安裝四臺單機容量為300MW的混流可逆式水泵水輪發動機組。屬大(1)型一等工程，樞紐主要由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、開關站和下水庫等建筑物組成。

主副廠房由副廠房、主機段、安裝場三部分組成。地下廠房全長162.0m，寬24m(巖壁吊車梁以上為25.5m)，頂拱高程241.50m，集水井底板高程176.0m，最大開挖高度65.5m。主機段長100m，開挖高度(不含集水井)為53.3m；副廠房位于主機間右端，長度為18.5m，開挖高度45.9m，與主機間跨度相同；安裝場位于主機間左端，長度為43.5m，開挖高度26.0m，與主機間跨度相同。

主副廠房上游墻與4條引水下平洞鋼管段相連，其軸線高程為201.0m，安裝場左端墻232.0m高程布置有廠房排煙洞，副廠房194.4m高程與下部管道廊道相連；地下廠房下游側墻通過4條母線洞、主變運輸洞、電纜交通洞與主變洞相連；下游側墻底部有4條尾水支洞與廠房4臺機組的尾水管相連。

地下廠房主要通過通風兼安全洞(廠頂施工支洞)、進廠交通洞、2＃施工支洞對外交通：通風兼安全洞直接通至主副廠房右端墻頂部，連接處底板高程為234.00m；進廠交通洞通至安裝場，連接處底板高程為216.15m；2＃施工支洞通至主副廠房左端墻下部，連接處底板高程為201.00m。

地下廠房洞室群圍巖均為晶屑凝灰熔巖，巖體總體較完整～完整，呈微透水性，圍巖大多為微風化～新鮮巖石，致密、堅硬，主要以Ⅱ類圍巖為主，斷層破碎帶為Ⅲ類圍巖，總體成洞條件較好。地質構造較簡單，斷層不發育，多為一些寬度小，僅0.05～0.30m的斷層（如f39、f40、f41、f42等），但與廠房軸線交角較小，小于30°，圍巖總體較完整。

2．開挖施工方案

鑒于地下廠房的開挖是整個工程的關鍵，根據設計斷面、圍巖的穩定條件、施工機械性能及運輸通道布置情況，監理組織了參建四方聯合審查，確定了開挖施工方案。

2.1施工分層及通道規劃

將主副廠房自上而下分七層進行開挖施工,詳見下圖；

各分層開挖施工的特性見下表。

2.2各層的施工方案

第Ⅰ層：為頂拱開挖，從通風兼安全洞進入。開挖高度定為10.5m，底面高程為拱肩下3.4m，即▽231.00，廠房頂拱采用“中導洞先行，再進行兩側擴挖”的開挖方式。

第Ⅱ層：為方便巖壁梁施工，同時有效控制下部開挖時對巖壁吊車梁振動影響，開挖高度定為8.0m，即▽231.00～▽223.00。前期以通風兼安全洞為施工通道、后期以進廠交通洞作為唯一施工通道。

第Ⅲ層：廠房Ⅲ層開挖高度為7.1m，即▽223.0～▽215.9，可直接利用進廠交通洞作為施工通道。廠房Ⅲ層開挖分兩層進行，第一層高度均為4m，第二層為3.1m，均從廠房左端開挖至廠房右端。Ⅲ層開挖施工分三部分進行，分別是邊墻預裂、中槽開挖，邊墻保護層開挖。安裝場基礎預留1.5米的保護層，采用光面爆破開挖到位。

第Ⅳ層：利用2＃施工支洞及進廠交通洞經安裝場進入，考慮母線洞施工，層高為6.9m，即▽215.90～▽209.00。在立面上分上下兩層（層高約為3.5m）逐層開挖；在平面上分中槽梯段（20m寬）開挖與上下游邊墻保護層（2m寬）開挖。

第Ⅴ層：從2＃施工支洞進入，層高為8.0m，即▽209.00～▽201.00。

在立面上分上下兩層（層高4m）逐層開挖；在平面上分中槽梯段（20m寬）開挖與上下游邊墻保護層（2m寬）開挖。

第Ⅵ層：從2＃施工支洞下臥進入，層高為5.7m，即▽201.00～▽195.30。立面分兩層開挖，第一層開挖高度4.2m，底板預留1.5m保護層；第一層分中槽梯段（20m寬）開挖與上下游邊墻保護層（2m寬）進行開挖；底板保護層采用光面爆破。

第Ⅶ層(▽195.30~▽188.20)及集水井開挖：主要進行尾水基坑開挖，采取先預裂邊線后進行開挖，基坑開挖分三部分進行，上部分兩層開挖，每層開挖高度2.8m，底板預留1.5m進行保護層開挖。集水井采用設計邊線先預裂，后開挖的方式進行。EL195.3—188.2高程部位由巖埂挖除部位向廠右方向開挖出臨空面后再進行上下游面的開挖，EL188.2以下部位采用正導井先開挖，擴挖跟進的方式進行施工。

3．開挖關鍵技術研究

3.1主副廠房頂拱開挖

（1）廠房頂拱開挖根據中導洞揭露的地質情況，要求進行必要的臨時支護。開挖未支護長度不超過20m，第二層開挖前將頂拱的錨噴、支護等工作必須全部完成。

（2）每次爆破后要求仔細清除松動巖塊，隨時監測已開挖的洞段，特別是加強拱肩部位的監測，及時清除危巖確保安全。

(3) 由于漸變擴挖面始終與廠房設計開挖輪廓面始終存在夾角，在切入設計輪廓面時勢必造成一定程度上的超挖，要求采用短進尺以減少超挖量，進尺深度控制在1～1.5m。

(4)進行拱座附近的漸變擴挖并開始切入設計輪廓面時，由于頂拱與側墻共同限制了鉆桿偏角，造成下鉆困難、超挖無法控制的現象，應適時采用開挖先鋒槽的方法獲得操作空間以減少超挖。

（5）為取得良好的邊角（端墻與頂拱、端墻與側墻交接處）成形效果，在進行邊角開挖時，要求形成邊角的兩個光爆面同時起爆，同時要求準確控制每個爆破孔的孔深和裝藥量。

3.2巖壁梁的開挖

巖錨梁工程是地下廠房的重要結構，其開挖質量直接關系到巖錨梁整個結構系統的安全與穩定。為了確保施工質量，提高監理質量控制水平，監理成立了QC小組，研究巖壁梁開挖的關鍵技術。

3.2.1合理劃分開挖區，確保巖臺成形質量

巖錨梁開挖處于廠房Ⅱ層開挖之中，整個廠房Ⅱ層開挖以吊車梁巖臺開挖為重點，必須結合手風鉆鉆爆工藝特點對開挖進行合理劃分，明確各區開挖順序及鉆爆參數，以確保巖臺開挖成形滿足設計要求，根據廠房中槽段模擬開挖試驗成果確定廠房Ⅱ層開挖分Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4、Ⅱ5（巖臺）五個區塊進行，中部Ⅱ1塊寬14.0m，高8m；為保證巖壁吊車梁開挖質量及方便施工，兩側保護層施工時分三層進行開挖，分別為Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4三個區，保護層Ⅱ2塊寬5.75m，高2m，保護層Ⅱ3、Ⅱ4塊寬5.0 m，Ⅱ3塊高2.5m，Ⅱ4塊高3.5m。

3.2.2根據模擬試驗成果，確定開挖質量控制點

（1）巖錨梁正式開挖前，根據本工程地質條件先進行了巖錨梁開挖初次爆破試驗，根據爆破試驗結果分析確定了影響爆破開挖質量主要因素是爆破參數選用及爆破孔造孔質量；

（2）根據開挖分區特點及各區圍巖地質條件，通過二次爆破開挖試驗確定了各分區開挖爆破參數；Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4三個區豎向光面爆破孔距為50cm，藥卷均采用φ27的乳化炸藥,線裝藥密度控制在170g/m左右；Ⅱ5區垂直光爆孔及斜面光爆孔均按35cm孔距進行布孔，藥卷均采用φ27的乳化炸藥，線裝藥密度控制在q=90g/m左右。

（3）通過兩次爆破開挖試驗確定了鉆孔樣架搭設和鉆孔驗收標準，要求施工過程嚴格按照標準要求進行施工和驗收；

（4）根據施工過程實際揭露圍巖地質條件，及時對爆破開挖參數進行微調，實行個性化裝藥，確保爆破半孔率、超挖值滿足設計要求。

3.2.3開挖效果

爆破半孔率：II類圍巖90％以上，III類圍巖60％以上，均高于規范要求10個百分點；巖面不允許欠挖，最大超挖值≤15㎝（大于規范≤20㎝的要求），壁座角成型最大偏差≤2°，均滿足設計要求。

圖1 實際爆破效果圖

3.3開挖爆破震動速度的控制

（1）為減少廠房開挖爆破對巖壁吊車梁的振動影響，同時加快第Ⅲ層開挖速度，在第Ⅱ層開挖完成的同時，要求對廠房第Ⅲ層邊墻預裂，預裂深度為4m，會起到較好的減震作用。廠房第Ⅲ層開挖在巖壁吊車梁混凝土澆筑28天后才允許進行。

(2)根據《水電水利工程巖壁梁施工規程》（DL/T 5198—2004），廠房Ⅲ層開挖對巖壁梁砼質點震動速度控制在10cm/s之內。

（3）采用控制爆破技術。開挖前要求進行專項爆破設計，通過爆破振動試驗，由薩道夫斯基經驗公式v=k(Q1/3/R)a,回歸計算爆破震動衰減規律參數：K=80和α=1.5?？刂瀑|點震動速度v=10cm/s時，中槽段爆破試驗的單段藥量選擇：

式中R=9.7m時，求得Q=14.26kg；R=11.15m時，求得Q=21.66kg；R=14.15m時，求得Q=44.27kg。

（4）廠房Ⅲ層爆破開挖過程中，根據裝藥部位不同，具體的單響藥量應根據實際的孔位情況進行嚴格控制，使爆破震動速度控制在設計要求范圍內。

3.4主副廠房直立高邊墻開挖

（1）正式開挖前，進行爆破試驗，確定合理的爆破參數，采用微差起爆網絡，嚴格控制單響起爆藥量。及時安裝變形觀測的儀器，實施監測，為廠房開挖與支護施工參數的確定提供依據。

（2）采用分層開挖，除Ⅰ層外，分層高度應控制在6～8m，上一層開挖支護未完成，嚴禁進行相應部位下一層開挖。

（3）廠房Ⅱ層以下開挖采取中間拉槽，兩側預留保護層擴挖跟進的方式開挖，中間拉槽梯段爆破開挖前，先沿保護層邊線進行施工預裂，以減少爆破對邊墻造成震動破壞；兩側保護層采用手風鉆造垂直孔，小藥量、弱爆破，設計開挖線采用光面爆破，確保邊墻成型質量。

3.5與廠房交叉洞口的開挖

（1）與地下廠房交叉的洞口盡可能在地下廠房開挖至該部位之前開挖和支護完成，如必須在地下廠房開挖后的主邊墻上開挖洞口，要求編制專門措施報監理批準。

（2）母線洞開挖由廠房向主變洞方方向進行，開挖前在廠房內先進行洞口鎖口錨桿支護。

（4）交叉口部位必須采用“短進尺，多循環、小裝藥，多鉆孔”的施工方法，盡量減小爆破對圍巖的振動影響。

3.6廠房下部建基面開挖

（1）臨近機坑巖臺水平建基面，采用預留保護層的開挖方式，保護層厚度1.5m，預留保護層采用手風鉆水平光爆開挖。

(2)機坑開挖采用先進行周邊垂直建基面預裂爆破，然后采用手風鉆分層淺孔松動爆破開挖坑槽，以保證機坑成型質量。

4.需要關注的問題

4.1注重施工過程中的變形監測

在主副廠房頂拱及邊墻上，設計已布置了收斂觀測點、多點位移計、錨桿應力計等永久觀測設施，在開挖支護過程中及時安裝完成，施工期的觀測結果可用于判定開挖后圍巖的穩定與安全。定期進行觀測和數據整理，掌握圍巖的變形情況，為判斷圍巖穩定性提供依據。

據2011年10月20日監測數據表明，主副廠房圍巖多點變位計測點測值已基本穩定，錨桿應力計測值平穩，巖壁吊車梁的測縫計、多點變位計測值變化不大。

地下廠房監測儀器累計應力最大值見表4.1-1；監測儀器累計位移最大值見表4.1-2：

表4.1-1監測儀器累計應力最大值（+為拉應力、-為壓應力）

表4.1-2監測儀器累計位移最大值

4.2要求及時進行支護

主副廠房跨度大，直立邊墻高，開挖后應力釋放明顯，因此必須及時進行錨噴支護。地下廠房主要支護參數：頂拱φ25@1.5×1.5、L=6m；邊墻φ25／φ28@1.5×1.5、L=6m／8m；招標文件中邊墻上設計有預應力錨索，但根據開挖后的地質條件及變形觀測情況,設計對邊墻支護進行優化，取消了預應力錨索，改用錨筋樁替代。

4.3要求理順與其它洞室開挖關系

（1）主副廠房開挖是工程的關鍵線路，施工中必須以主副廠房施工為主，統籌安排主變洞、母線洞、尾水支洞等相鄰洞室的施工。

（2）與主副廠房施工有關的項目盡可能提前開工，以滿足主副廠房施工需求。與主副廠房同步安排上層排水廊道洞挖施工，中層排水廊道在具備開挖時及早安排洞挖施工，以減少主廠房開挖期間的地下滲水，增強圍巖的自穩能力；及早安排通風兼安全洞內排風豎井、廠房排風洞、排煙豎井及排煙洞的施工；在廠房Ⅰ層開挖支護完成后，及時與進廠交通洞貫通，盡早形成自然通風條件，改善主副廠房開挖施工條件。

（3）洞室群開挖時必須實行爆破會簽制度，相鄰洞室開挖爆破時，其余洞室施工人員及有關設備必須撤離。

4.4要求加強爆破測試

為了開挖施工工藝的合理性，確保開挖質量，在各工序施工前，及時做好系列的工藝性試驗工作，具體有以下幾項：預裂/光面爆破參數試驗；彈性波測試爆破松動圈范圍；爆破質點振動速度測試；巖壁吊車梁開挖模擬試驗。

5.開挖質量評價

地下廠房開挖已經全部完成，由于開挖方案經過監理組織參建四方的聯合會審是切實可行的，對關鍵部位巖壁梁的開挖質量監理成立QC小組織進行了專題研究，對重點部位的開挖監理要求采取了相應的處理措施，對需要關注的問題予以了積極協調處理，因此開挖過程中未出現巖塊崩塌傷人事故，開挖面的平均線性超挖值控制在15cm以內，半孔率達到了82%以上，單元工程優良率達到91%，開挖質量滿足設計與規范要求。

圖2地下廠房開挖完成效果圖

6、結論

經過對仙游電站地下廠房開挖技術的分析與研究，認為有以下成果值得總結：

(1)主副廠房開挖與支護工程量大，一般為整個工程項目工期的關鍵工序，地下洞室群開挖必須圍繞廠房展開，應根據設計斷面、圍巖的穩定條件、施工機械性能及運輸通道布置情況，合理的安排分層分塊是保證開挖質量和工期的關鍵。

(2)圍巖穩定和施工安全問題突出。廠房開挖跨度及高度大，洞室平交口多，且頂拱、邊墻局部分布的節理面會有不利組合，會存在潛在不穩定塊體，支護應及時跟進。

（3）地下廠房洞室群位于地下水位以下，開挖中會遇到承壓水。要求在主副廠房開挖過程中同時進行上下游排水廊道的開挖施工，盡量減少地下水對主洞室的影響。

(4)巖錨梁開挖質量和爆破后巖體完整性直接影響到橋機運行安全，確保巖錨梁開挖質量是地下廠房施工的關鍵，必須通過爆破試驗選用合理的爆破參數，對巖錨梁巖臺爆破鉆孔樣架進行了針對性設計，對樣架搭設偏差和驗收標準作出明確的規定。

(5)地下廠房系統主要洞室埋深較深，洞室多，開挖工作面多，爆破煙塵和施工設備廢氣排放量大，加上施工通道多且洞中引洞，通風散煙難度較大，合理布置通風散煙系統是開挖順利進行的保證。

(6)廠房上部小牛腿和巖錨梁混凝土穿插在主副廠房開挖期間進行，后續開挖爆破質點振動速度控制要求高，優化爆破參數，控制單響藥量，控制爆破質點振動速度確保巖錨梁混凝土安全是開挖過程中質量控制的重點。

（7）督促監測單位加強圍巖變形觀測，及時協調設計、施工單位進行現場基巖面驗收。

參考文獻：

1、《水電水利工程巖壁梁施工規程》（DL/T 5198—2004）；

2、《水工建筑物地下開挖工程施工技術規范》（DL/T5099-1999）；

3、中水十二局編制的《仙游電站地下廠房施工組織設計》；

4、南瑞—北京院監測項目部編制的監測報告。