水利枢纽大型地下厂房洞室群施工工法

(TLEJGF-01.02-56) 中铁十六局集团有限公司

一、前言

水利枢纽地下厂房洞室群不论从布置的灵活性、减少施工干扰、缩短建设工期方面来看，还是从环境保护和运行安全来看，都有其独特的优越性，尤其是在高山峡谷地区开发水利水电工程，地下厂房洞室群布置方案常常是首选方案。随着大型地下厂房洞室群修建的日益增多，其施工技术越来越受到人们进一步重视。

水利枢纽地下厂房洞室群一般是由引水系统、厂房系统、尾水系统、施工支洞等部分组成，工程量大，洞室上下重叠、纵横交错，洞套洞、室连室，结构复杂，洞室间隔岩墙薄，立体交叉部位多，主洞室为大跨、高边墙结构。不难看出，建造这样的建筑物，施工技术是较为复杂的。

我公司承建的湖南省江垭水利枢纽地下厂房洞室群由大小33个洞室组成，施工过程中，对洞室群的开挖程序、开挖方法、支护加固、稳定性观测等工艺进行研究、实践，取得了宝贵经验，形成一套较为完整的施工技术。我们对之进行了总结和提炼，形成本工法。

二、工法特点

施工工艺可操作性强，工效高，确保工期。 三、适用范围

本工法适用于水利枢纽地下厂房洞室群施工及类似结构的工程施工。 四、施工工艺要点

运用系统理论和新奥法原理组织地下厂房洞室群施工。施工过程中，采用有效的调控技术，反馈调节，适时地控制岩体变形，改善岩体应力状态，确保地下厂房洞室群围岩稳定。

地下厂房洞室群施工工艺与一般地下工程的施工工艺类似，包括选取合理参数分层钻眼爆破出碴、注意不良地质的支护、加强现场量测等，不同的是洞室多，相互影响大，施工组织难度大。因此，本工法只叙述总的原则，具体的施工方法可以结合文末工程实例进行了解。

(一)洞室群开挖

地下主副厂房、主变洞、调压室等主洞室为大跨度、高边墙结构，工程量大，技术复杂，是控制总工期的关键项目。在确保施工安全和岩体稳定的前提下，要尽可能利用洞室群的各条永久性支洞，合理设置施工支洞，由外向内逐步开辟较多的工作面。合理安排施工顺序是总体施工组织设计的主要组成部分，优化施工顺序是维护和控制围岩稳定，创造条件改善施工环境，减少施工干扰，加快施工进度，保证工程质量和施工安全，提高施工综合效益所必需的。合理安排施工顺序，主要把握住三个原则，处理好四个关系。

1.三个原则

原则一 相邻洞室的开挖步骤从时间和空间上错开、尽量远离，以削弱开挖过程中对洞室围岩稳定的不良影响。

原则二 同一洞室各分层结合洞室的结构特点、断面大小、工程地质、施工设备及其他条件，采取不同的开挖程序和方法。

原则三 若主洞室分布有断层、层间错动挤压破碎带、反倾向节理等不良地质构造时，在分析对围岩稳定不良影响的程度后，确定合理的局部加固和开挖方案。

2.四个关系

(1)非永久性支洞和主洞室的关系非永久性支洞也称临时施工支洞，是为了加快主洞室施工速度而修建的，由施工单位自行设计，主洞室竣工后，将其封墙。临时支洞设计要充分考虑优化主洞室施工条件，为开挖、运输、通风、供电、排烟、供水、排水提供有利条件。

(2)永久性支洞和主洞室的关系要优先施工与主洞室关系最密切的永久性支洞，尽早为主洞室施工开辟工作面和风、水、电、排烟与运输通道。

(3)主洞室之间的关系相邻主洞室施工时，要协调统一，根据情况穿插进行，它们是相互制约又相互促进的关系。

(4)洞室开挖、量测、支护三者之间的关系以开挖为主，及时跟踪监测围岩变形情况，根据量测分析结果，修改并确定支护参数，适时支护，保证围岩稳定。

(二)工程地质体支护加固

洞室群开挖后，其自稳能力是有时限的，要从根本上解决洞室群工程地质体的永久稳定，就必须人为进行系统的支护加固。

1.柔性支护

柔性支护是新奥法是最基本的思想。控制围岩变形和稳定的系统支护，时机选择在围岩即将由松驰变形变为松动变形之际，以最省的支护抗力，确保围岩的稳定。开挖过程中，对出露的断层，层间错动挤压破碎带及其他不良地质现象，立即采用随机锚杆锚固，并挂网喷混凝土封闭，确保施工安全。

(1) 锚杆支护

地下厂房洞室群支护锚杆长3-10m。锚杆注浆分为双管注浆和单管注浆两种方式，双管注浆是先安装锚杆和排气管，然后注浆，注浆后将排气管抽出，因此其锚孔直径应比锚杆直径大25m以上。单管注浆是先注浆后插锚杆，故锚孔直径应比锚杆直径大15mm以上。

(2)网喷支护

钢筋网与锚杆焊接在一起，确保喷混凝土过程不移位，喷层与岩面不脱空。喷混凝土前，将岩面的破碎岩块清除并用高压水冲洗，使薄壁柔性支护结构与围岩紧密贴合，共同作用。喷混凝土过程中，喷头与受喷面尽量保持垂直，距离控制在0.8～1.5m，喷嘴沿螺旋形轨迹运动，螺旋直径30cm左右，自下而上施工。一次喷射厚度边墙10cm、拱部7cm左右，当喷混凝土设计厚度大于一次喷射厚度时，要分层进行，两次喷射的最小时间间隔，在常温(15～20℃)条件下，掺速凝剂时为15～20min，不掺速凝剂时为2～4h。时间间隔超过2h的，复喷前须喷水湿润上次施喷的混凝土面。施喷时，必须严格控制水灰比，以喷混凝土表面产生光泽，不出现流淌或干斑为原则。喷混凝土完成后，加强养护，养护时间不少于7天。

2.超前加固

浅埋软弱破碎围岩、地下水活动强烈的地段，自稳时间短，甚至不能自稳，开挖前，采用超前预注浆固结的方案加固，必要时采用管棚法施工，使围岩的自稳能力得到加强，以减少施工过程中出现较大坍塌的可能性。

地下厂房洞室群绝大多数洞室是相互贯通的，交叉部位应力集中且复杂，开挖后极易出现坍塌，为此，在洞口开挖前，可采用长锚杆锁口预加固方案，来确保洞室开口部位不出现坍塌，洞口成型规则。

3.深层加固

主副厂房、主变洞、调压室等大跨度、高边墙主洞室，开挖后岩体变形的影响深度大，特别是一些被断层、层间错动挤压破碎带等切割的大块岩体，有滑动或错动趋势的岩体，以及高应力集中区的岩体，开挖后因应力集中发生挤压破坏，甚至岩爆，锚杆加固已无法满足稳定的需要，则应采用1000-2000kN预应力锚索加固，其加固深度可达到30m，从根本上保证

岩体的稳定。

4.刚柔结合加固

主副厂房和主变洞之间的岩墙，有母线洞、尾水管等多条平行洞室穿过，相邻洞室的岩墙很薄，挖空率在40％以上，再加上超挖、爆破震动、岩体的多次应力重分布，松动变形的范围较大，故在开挖过程中，要及时进行柔性支护，开挖完成后再及时进行模注钢筋混凝土衬砌，从而限制岩体的有害变形。

为了改善薄岩墙受力状态，刚性衬砌完成后，对洞室的岩墙部位进行压力固结灌浆，使已发生松动的不承载岩体重新起作用，提高围岩的稳定性。

(三)施工监测

现场量测是新奥法施工重要环节，它能帮助我们掌握围岩变形发展情况，选择合理的支护时机，判断支护的实际效果，检验支护的工作状况，积累资料为修正支护设计提供依据，同时也是判断地下厂房洞室群是否处于稳定状态的最直观、最主要、最有效的手段。

1.施工监测的方法 对地下主要大洞室分断面埋设监测仪器进行系统监测，对断层、层间错动挤压破碎带及其他不良地质段进行局部监测。

2.施工监测的主要项目 岩体和支护结构中的应力变化，岩体和支护结构的位移变形。观测应力变化用铺杆应力计，观测位移变形用多点位移计，观测收敛变形用收敛计，观测预应力锚索施工后的运行情况用测力计。

3.监测数据的整理、分析、反馈 观测资料的整理分析是一项极为重要的工作，由专业人员负责。分析的成果要及时反馈给设计、监理和施工单位，作为地下厂房洞室群施工的重要依据之一，不断优化工程设计，确保地下洞室群施工安全。

五、安全措施

1.成立安全领导小组，建立健全安全保障体系，配备专职安全员，加强施工安全监控。 2.进人施工现场的人员必须戴安全帽。

3.随时观察岩体变化情况，放炮后及时清理工作面的危石，发现险'情立即发出警戒信号。

4.洞内爆破时，所有人员必须撤离至安全地带。

5.洞内施工机械车辆较多，加强现场调度指挥，保证行车安全。 6.高空作业设安全网，系安全绳。

7.非专业人员不得操作施工机械和洞内的其他设备。 8.喷混凝土的喷头前、注浆管前、千斤顶前不得站人。 9.加强洞内通风排烟，创造良好的作业环境，防止毒气中毒。 六、工程实例

湖南省江垭水利枢纽地下厂房洞室群(图1)施工，总挖方量38万m，锚杆38926根(总延长19.6万m)，预应力锚索315根，喷射混凝土1.2万m，主要洞室尺寸见表1，开挖分层见图2。

（一）开挖顺序（见图3）

（二）开挖、运输、通风排烟、供电、供水、排水通道（见图4） （三）施工机具（见表2） （四）劳动组织（见表3）

表3为江垭水利枢纽地下厂房洞室群施工高峰期的劳动组织。

表1 江垭水利枢纽地下厂房洞室群主要洞室尺寸

3

3

序号 洞室名称 横断面尺寸（宽*高）/m 长度/m 备注 1 2 3 4 5 6 7 8 9

表2 施工机具

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 机具名称 变压器 空压机 装载机 装载机 自卸汽车 自卸汽车 通风机 三臂钻孔台车 混凝土搅拌机 混凝土运输车 柴油发电机 挖掘机 凿岩机 注浆机 砂浆搅拌机 锚杆拉拔仪 钢筋切割机 电焊机 抽水机 潜水泵 注浆泵 千斤顶 混凝土喷射机 经纬仪 水准仪 全站仪 电动油泵 砂轮切割机 潜孔钻 型号 600kVA 4L-20/8 ZLC50 966D 10t以上 5t 3000m3/h H-178 TS750pl/200 1206T 7655型 DZP-50/40 300kN B135 DAl-100×5 2SNS YCW250 HPC-V KQT100/YQ-100 人数 单位 数量 台 4 台 8 台 4 台 1 台 15 台 10 台 2 台 1 台 2 台 2 台 2 台 2 台 30 台 4 台 4 台 2 台 4 台 10 台 10 台 20 台 2 台 2 台 10 台 2 台 4 台 2 台 2 台 2 台 6 备注 主要用于5m以上锚孔施工 锚杆孔、测量仪器孔施工 量测仪器 锚索、固结灌浆 锚索施工 锚索施工 各3台，用于锚杆孔、测量仪器孔施工 主副厂房 20.7×53.3 主变洞 尾调室 尾水管 风机室 母线洞 引水洞 18.5×20.7 13×45.1 7.56×7.56 18.3×11.99 6.5×8.3 6.0×6.0 108 125 69.66 98 79 421 38.4 30 158 3条 3条 3条 电缆竖井 7.75×9.5 尾水隧洞 11×13 表3 江垭水利枢纽地下厂房洞室群施工高峰期的劳动组织。

序号 1 2 3 4 5 人员分类 指挥管理人员 工程技术人员 工班长 测量人员 钻孔台车司机 14 32 21 10 3 职 责 组织、指挥、协调, 方案决策 技术指导, 方案制定、实施 , 质量控制 工序施工组织协调 , 工序方案实施 洞室群控制测量、细部测量放样 锚孔施工 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 架子工 锚杆施工人员 钻爆工 汽车司机 装、挖司机 安全员 试验工 喷混凝土工 锚索施工人员 施工观测人员 钢筋工 其他工种 合 计 30 20 40 30 9 6 4 20 12 8 10 42 311 搭设各种施工用的脚手架、作业平台 锚杆切割、安装、注浆 浅孔、深孔爆破施工 清运洞内开挖石碴 , 运工程材料 装石碴、工程材料 洞内安全检查、监督 各种工程试验 洞室开挖后挂网喷混凝土 施工锚索 埋设观测仪器, 收集原始数据并分析 制作钢筋 电工、抽水工、电焊工、空压机司机等

主副厂房Ⅰ、Ⅱ层 2#排风廊道 尾调室第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、IV 层 尾调室第 IV ＃#2 交通洞 电缆竖井 1#排风洞 3 交通洞 5#排风洞 2#排水廊道 层 主变洞第 ＃＃6施工支洞 主变洞第 I 、Ⅱ 层 5排风洞 Ⅲ 、 Ⅵ 层 ＃#主副厂房第Ⅲ、Ⅳ、 3排水廊道 电缆竖井 母线洞下导 1 、 2# 排主副厂房Ⅰ、Ⅱ层 ＃层 1排风洞 水廊道 安全通道下 空压机室 引水洞上平主副厂房3#交通洞 导尾调室Ⅰ、Ⅱ层 主副厂房风机室 段 第 I 、Ⅱ 第 V 层 尾母线洞上导 层 3条引水洞斜管段 水管 安全通道上导 引水洞下平线 4#施工支洞0#排水廊道 图3 3 条引水洞下平段开挖顺序 主副厂房Ⅲ、Ⅳ层 通道Ⅱ 2#交通洞 1#排水廊道 进厂交通洞 主变洞Ⅲ、Ⅳ层 风机室 送风洞 空压机室 7#施工支洞 通道Ⅲ

6#施工支洞 尾水隧洞 通道Ⅰ 主副厂房第 Ⅳ主副厂房Ⅳ、Ⅴ层 尾调室Ⅲ层 3条尾水管 主副厂房Ⅳ层 尾调室Ⅳ、Ⅴ层 图4 开挖、运输 、通风排烟、供电、供水排水通道

(五)工程效果

1.光爆效果好，开挖费用明显降低

地下厂房洞室群的开挖，根据各自不同的断面形式、大小、工程地质条件，采用分层、分块、分部的开挖方法，使多数的开挖部位由一个临空面变成两个或多个临空面，光爆效果好，光爆炮痕率在80%以上，单位炸药消耗量也大为降低，减少爆破震动对岩体的影响，节约价值可观的火工品。

2.支护加固费用得到有效控制 不同种类、不同角度的锚杆采用不同的注浆方式，节约水泥砂浆，插杆速度比较快，

提高工效，降低人工费用。

预应力锚索加工、装配、施工采用一条龙专业化作业，加快施工速度，降低人工费用，为加快主洞室的开挖进度提供有力的保证。

3.取得了良好的社会效益

本工程项目在招标过程中因故推迟8个月定标签约，但竣工发电仍按原定日期不变，实际工期只有28个月。通过施工方案合理优化，科学决策，科技攻关，历时24个月地下厂房洞室群主体完工，比原定28个月的工期缩短了4个月。施工中，优先安排引水洞、主副厂房、尾水管、尾调室的施工，完成一个洞室，立即移交一个洞室，使洞室开挖和混凝土施工交叉作业，为下一步主体混凝土施工和设备安装全面赶工创造了条件，确保按原定的日期发电。

观测资料分析表明，整个地下厂房洞室群工程地质体呈稳定状态。江哑水利枢纽大型地下厂房洞室群综合施工技术，1998年12月24日通过铁道部组织的专家鉴定，专家们认为:“整体技术达到了国内先进水平，其中岩台爆破成型、18m深孔控制爆破、锚索系列化等达到了国内领先地位，安全、快速、优质地完成了地下厂房洞室群施工，取得显著的经济效益和社会效益，为我国类似工程提供了宝贵经验。”被评为中国铁道建筑总公司科技进步二等奖、铁道部科技进步三等奖。