地下厂房立体开挖技术

立体开挖施工技术在大朝山
水电站地下厂房系统洞室群开挖中的应用
文俊杰俞猛张柏山范建章冯学善
（中国水利水电第一工程局大朝山施工局，云南云县，675811）
关键词: 地下厂房洞室群立体开挖技术大朝山水电站
摘要: 大朝山水电站地下厂房设计最大开挖尺寸（长×宽×高）为233.90×26.40×67.30m，总开挖量27.92万方，是目前亚洲最大的地下厂房之一，原计划1999年12月开挖结束，为确保施工进度和工程安全，经优化方案比较，采用“竖向多层次、平面多工序”的立体开挖方案，于1999年8月5日全面停炮，开挖工期提前近5个月；同时，由于立体开挖方案的顺利实施，使得母线洞、压力引水隧洞及尾水管洞等地下洞室提前与主厂房贯通，各交岔洞口柔性支护及时完成，确保了地下厂房系统洞室群开挖期间整体稳定，保证了本工程的施工安全和工程永久安全。

提前工期效益及间接经济效益显著，可为类似工程施工所参考。

1、工程概述
大朝山水电站位于云南省云县和景东县交界处澜沧江中游河段上，引水发电系统由围绕六台225MW 大型水轮机组的特大地下厂房为核心的洞室群组成。

包括主副厂房、主变室、尾水调压室3个特大洞室；其余有交通洞4条，施工支洞7条，排水廊道10条，竖井3个，引水洞、母线洞、尾水管洞各6条，尾水隧洞等大小洞室共56个。

洞室布置集中，纵横交错；而且只有3条交通洞作为施工通道与地表相通，其中两条只能在工程施工前使用，进入厂房中下部开挖施工即失去使用条件，大量的施工材料及出碴运输只能通过进厂交通洞完成，这就形成了大朝山水电站地下工程开挖施工的难点。

为满足工程开挖施工阶段性进度及发电总工期的要求，施工中采取了有效的施工组织措施及经济科学的技术手段，降低了施工高峰期洞挖强度，做到了合理均衡生产，满足了地下厂房开挖总进度要求。

影响地下厂房系统洞室群围岩稳定的地质因素主要为凝灰岩夹层、地质构造、裂面绿泥石化岩体、地应力及地下水，前三者为主要影响因素。

由于地下厂房围岩地质条件比较复杂，给施工带来了相应的困难，施工中通过严格控制开挖方法，根据不同地段围岩情况及时修正、调整钻爆参数及施工支护参数，并适时安排支护施工，保证了本工程的施工安全和工程永久安全。

2、工期要求
大朝山水电站地下厂房工程施工的重点关键线路是主副厂房系统工程。

按总进度计划要求，主体工程开工后48个月首台机组发电，第二年三台机组投产，第三年二台机组投产，在国内类似规模工程建设中，目前还是首例。

大朝山水电站地下工程施工，由葛洲坝集团公司承建尾水调压室，由中国水利水电第一工程局承建主副厂房、主变室及全部附属洞室。

针对这一工程特点和进度要求，设计院优化了永久支护设计，我们优化了施工程序，改进了施工技术措施，制定了切实可行的组织措施，创造了水电建设上的好成绩。

3、地下厂房系统洞室群立体开挖方案实施情况
地下厂房开挖为大朝山电站工程的关键线路，该项目施工能否按计划完成，将直接影响发电总工期目标。

1997年年底，由于国家宏观调控的影响，同时受工程优化及大型施工设备制约，主要施工部位造成停建、缓建，实际开挖工期已拖后总进度计划6个月，按期顺利完成公司董事会确定的“1、3、2”发电目标已困难重重，97年著名水电专家、工程院院士罗绍基抵达大朝山工地视察时，对“1、3、2”发电工期能否实现也提出了质疑。

为确保“1、3、2”发电目标，面对实际开挖工期严重滞后的严峻形势，我们根据大朝山水电站地下洞
室群具体布置型式及客观实际情况对开挖总进度工期进行了全面、系统的可行性分析，首次提出“主厂房系统立体开挖施工技术方案”，经业主、设计、监理共同研究审定批准后实施，该方案打破常规施工程序，并能确保施工安全，大大加快了施工进度。

四、地下厂房系统洞室群立体开挖施工措施
大朝山水电站地下工程的三大洞室（厂房、主变室、尾调室），在不同高程与主体工程的附属隧洞相贯通。

如主厂房有引水隧洞、母线洞、尾水管洞；尾水调压室有尾水管洞、尾水隧洞；主变室有母线洞等。

利用这些有利的条件，同时开创多个工作面向主厂房开挖掘进。

借鉴广蓄、白山和天荒坪等工程的施工经验，我们进一步细化完成了“平面多工序、竖向多层次”的立体施工方案。

在进行主厂房第Ⅱ层开挖的同期，利用已完成的主厂房中部施工支洞（ZD4、高程▽807m）及6条引水洞向主厂房内掘进，形成了进入主厂房第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ层开挖的第二施工通道。

同时加快母线洞开挖、支护工程施工，为第Ⅲ层开挖开创施工通道，化解第Ⅲ层施工中开挖与支护的干扰，形成第Ⅲ层开挖与支护平行作业，加快了施工进度。

在厂房后期施工中，抓紧尾水管洞的开挖，为主厂房第Ⅶ层开挖创造条件，也为混凝土施工提供了通道。

在施工程序上，依然遵循从上至下的开挖程序，边开挖边支护。

立体开挖施工方案充分利用主厂房上、下游及端部的施工通道，增加施工排烟竖井，并先行以临时支洞进入到主厂房开挖区，在不影响整个开挖程序的前提下，进行立体施工。

利用主厂房上、下游及端部的附属洞室，通过先行开挖导洞和临时支洞进入主厂房，增加开挖施工辅助工作面和出碴通道，达到了“缩短开挖时间，增加支护时间，确保发电总工期”的目的。

同时，在立体施工方案中，做到各层开挖均有2个以上的工作面，减少了占地广、耗时长、干扰大的预应力锚索施工对正常开挖和锚喷施工的影响，为加快施工进度创造了有利条件。

在主厂房下部开挖时，通过分析和比较，确认主厂房Ⅶ层先于Ⅵ层开挖，完成一条非连续的纵向支洞，由于支洞断面较小，且上、下游均有相应厚度的保证层，特别是设计在2#、3#、4#、5#机窝间布设的高岩台，有效地阻止了厂房中下部上下游边墙向主厂房内的变位，确保了工程的施工安全和永久运行安全。

主厂房Ⅱ层开挖高程为▽824.5~832.5m，此层为岩锚梁层，开挖方量为4.84万m3。

主厂房Ⅱ层通过坡比为12%的斜坡道与厂顶通风洞相连，在安排主厂房Ⅱ层开挖施工时，考虑主厂房里侧顶拱尚余部分肋拱和锚喷支护及预应力锚索施工尚未完成，为满足其施工，须保留施工设备和材料运输通道。

因此，Ⅱ层中部拉槽施工时，在厂房上游侧预留了10m宽岩台（含3.75m保护层），作为施工通道，以满足顶拱层支护施工需要。

下游侧按设计技术要求预留了3.75m 岩锚梁保护层，留作二期保护层开挖。

主厂房Ⅱ层开挖施工，采用梯段松动爆破，两侧预留保护层的施工方法，拉槽与保护层间采用预裂爆破，以减小拉槽爆破对保护层围岩的振动影响。

预裂爆破参数为：孔径φ76mm，孔斜90度，孔间距0.6~0.7m，选用二级岩石乳化炸药，间隔装药，导爆索传爆、非电毫秒雷管引爆。

爆破孔参数为：孔径φ76mm，孔斜75度，孔间距2.5m，排距3m，选用直径为50的二级岩石乳化炸药，非电毫秒雷管引爆。

主厂房Ⅲ层开挖高程为▽817.00~824.50m，层高为7.5m，开挖层为母线层，此开挖区下游侧与6条母线洞相连，其中开挖顶面为发电机层，安装场端部和上游侧为安装场基础面，本层总开挖方量为4.37万m3。

主厂房Ⅲ层通过进厂交通洞与外部相连。

施工中在Ⅱ层岩锚梁混凝土浇筑之前，先进行主厂房Ⅲ层上、下游边墙预裂，然后再浇岩锚梁混凝土，待混凝土达龄期后，进行Ⅲ层开挖施工。

Ⅲ层开挖施工，主工作面自安装场一侧向主机间方向推进，施工中钻爆连续进行，出碴和支护强度满足开挖施工需要。

Ⅲ层开挖施工，选用100B型潜孔钻施打上、下游边墙预裂孔，孔径φ65mm，孔间距60~70cm，间隔装药，线密度控制在450g/m以下，导爆索传爆。

每次边墙预裂长度为30~50m。

大面开挖选用LM500C和CM315造孔，孔径φ76mm，间排距 2.5×3m，孔底装药，单耗在0.5~0.8kg/ m3范围内。

非电毫秒雷管引爆，松动爆破，炸药全部选用二级岩石乳化炸药。

主厂房Ⅳ层开挖高程为▽807.00~817.00m，层高为10m，此层开挖底面为安装场基础面，本层岩石开挖总量为5.28万m3。

6条引水隧洞下平段开挖完成后，先作好靠厂房上游边墙一侧的锚喷支护锁口，然后沿1#、3#、5#和2#、4#、6#引水洞分序向主厂房内作临时支洞开挖，开挖采用8×8m城门洞形断面，一直开挖至距主厂房下游边墙6m为止，将主机间和安装场在
797.5~807.0 m高程间切断。

待进入主厂房IV层开挖施工时，先行利用梯段爆破将6#临时支洞顶盖挑开。

由此临时支洞上部，分别在安装厂和主机间一侧创造2个工作面，进行安装场段和主机间段807.00—817.00m高程开挖施工。

由于主厂房Ⅲ层开挖主方向为由安装场至付厂房，为避免开挖受支护控制，选择6#临时支洞顶向主机间一侧的开挖面为主工作面。

因为此层为安装场建基高程，基岩超欠挖和开挖质量将影响安装场砼施工，为此，施工中严格控制基岩平整度，采用深孔梯段爆破，配合水平和垂直预裂同时进行施工。

主厂房Ⅴ层开挖高程为▽797.50—807.00m高程。

层高为9.5 m，此开挖范围为压力管道层，引水隧洞在主厂房上游边墙出露。

本层开挖总方量为3.39万m3。

结合主厂房第Ⅳ层的施工安排，第Ⅴ层施工待主机间支护工作基本完成时展开，按主厂房开挖和支护方向，先将6#临时施工支洞中的石碴挖除，以此为开口面向1#机方向进行边墙预裂和大面梯段爆破施工。

同时，依次挖出3#、1#临时支洞中回填石碴，开创辅助开挖面，加快开挖施工速度。

主厂房第Ⅴ层开挖施工，主厂房上下游边墙和靠副厂房及安装场一侧边墙，均进行垂直和水平预裂施工，保证岩面开挖质量和表面平整度。

主厂房Ⅵ层开挖高程为▽792.00—797.50m，层高为5.5m，此开挖范围为锥管层，开挖区底部有2#、3#、4#、5#机窝间的分隔墩，总开挖方量为1.91万m3。

主厂房Ⅵ层开挖施工，按整体施工程序安排，主厂房底层利用尾水管洞作为施工通道，先期将主厂房Ⅵ层局部掏空。

主厂房Ⅶ层开挖高程为▽781.27—792.00m，开挖高度为10.73m，此开挖范围为机坑底部的尾水肘管层，本层包括一个渗漏集水井和两个检修集水井，第Ⅶ层总开挖设计量为3.01万m 3。

主厂房第Ⅶ层开挖施工分为两个阶段进行，第一阶段，待尾水管洞开挖到主厂房下游边墙时，先行对尾水管洞靠主厂房一侧进行支护锁口，然后，继续开挖进入主厂房下部的肘管部位，沿主厂房纵向分别在1#和2#，3#，4#，5#和6#间开挖出一条临时施工支洞，支洞基本断面为8×8 m的城门洞形断面，临时施工支洞靠主厂房下游侧布置，与主厂房下游边墙设计边线间保留1.5 m的保护层。

在基坑的中心部位，局部断面扩大，达到适应机械集碴装碴的施工条件。

同时完成渗漏集水井和检修集水井781.27 m高程以下的竖井开挖施工，并完成底板砼和部分边墙砼施工。

然后填碴至781.87 m高程（包括部分尾水管底板），等待主厂房Ⅵ层落碴、踏碴支护，并由此出碴，最后进行主厂房Ⅶ层第二阶段施工。

主厂房第Ⅶ层第二阶段施工，上游侧开挖分两小层进行，第一层高程为785.70~792.00 m，分层高度6.3 m 。

第一层开挖施工，采用梯段爆破，靠上游设计边线和机窝分隔墩直立墙采用预裂爆破，钻爆参数与Ⅲ~Ⅵ层相同。

爆挖石碴由装载机装自卸车经尾水管洞、ZD2和进厂交通洞运至碴场。

第二小层开挖分层高度为781.27~785.70 m ，层高为4.43 m 。

第二小层开挖和主厂房Ⅶ层下游侧1.5 m保护层开挖同时进行，采用多臂钻造水平孔，一次开挖到设计边线。

待主厂房Ⅶ层分段开挖完成后，再进行系统支护施工。

地下厂房分层开挖实际工期如下：
97.3.13—98.1.10 厂房一层开挖
98.1.11 —98.5.15 厂房二层开挖
98.7.4 —98.8.25 厂房三层开挖98.9.24 —98.12.5 厂房四层开挖
98.12.24—99.1.25 厂房五层开挖
99.2.12 —99.3.25. 厂房六层开挖
99.4.2 —99.7.29 厂房七层开挖
五、社会经济效益评估
大朝山水电站地下厂房系统“立体开挖施工技术方案”，自1998年3月21日开始实施，至1999年6月全部完成，不仅将已严重拖后的土建工期抢回，而且比“1、3、2”发电合同工期提前5个月，为保证按时完成总进度计划打下了坚实的基础，提前工期效益极为显著。

由于立体开挖施工技术方案的全面实施，使得母线洞、压力引水隧洞及尾水管洞等地下洞室提前与主厂房贯通，各洞室与厂房交岔口部位柔性支护能够及时完成，确保了地下厂房系统洞室群开挖期间整体稳定，保证了本工程的施工安全和工程永久安全。

创间接经济效益1.5亿元。

“立体开挖施工技术方案”实施过程中，在公司各部门的大力支持下，施工单位强化施工管理，高度重视施工质量，过程中的岩锚梁施工和整体开挖质量获大朝山水电有限责任公司优质工程奖，其中岩锚
梁开挖质量得到谭敬夷院士的如下评价：“是我所见过的国内地下工程岩锚梁质量最好的”，这样高的质量评价是难能可贵的，其取得的成果是不言而喻的。

为此，著名经济学家于光远就此项目特向我局颁发了《科技转化生产力证书》。

大朝山水电站地下厂房“立体开挖施工技术方案”获得了明显的社会综合效益。

作者简介:文俊杰男 1948年出生吉林人高级工程师俞猛男 1953年出生沈阳人高级工程师
张柏山男 1946年出生辽宁人高级工程师
范建章男 1960年出生辽宁人高级工程师
冯学善男 1970年出生吉林人工程师
注：该论文2003年在省部级刊物《水力发电》“大朝山专刊”中发表。