郭奇志 林子龙 李旭辉

摘要:通过对仙游电站地下厂房开挖技术分析与研究，认为地下厂房开挖的关键是合理分层，注重岩壁梁、直立高边墙等部位的开挖技术，控制质点振动速度。

关键词：地下厂房 分层 岩壁梁控制

中图分类号：C35文献标识码： A

1．工程概况

福建仙游抽水蓄能电站位于福建省莆田市仙游县西苑乡，装机容量为1200MW(4×300MW)，安装四台单机容量为300MW的混流可逆式水泵水轮发动机组。属大(1)型一等工程，枢纽主要由上水库、输水系统、地下厂房系统、开关站和下水库等建筑物组成。

主副厂房由副厂房、主机段、安装场三部分组成。地下厂房全长162.0m，宽24m(岩壁吊车梁以上为25.5m)，顶拱高程241.50m，集水井底板高程176.0m，最大开挖高度65.5m。主机段长100m，开挖高度(不含集水井)为53.3m；副厂房位于主机间右端，长度为18.5m，开挖高度45.9m，与主机间跨度相同；安装场位于主机间左端，长度为43.5m，开挖高度26.0m，与主机间跨度相同。

主副厂房上游墙与4条引水下平洞钢管段相连，其轴线高程为201.0m，安装场左端墙232.0m高程布置有厂房排烟洞，副厂房194.4m高程与下部管道廊道相连；地下厂房下游侧墙通过4条母线洞、主变运输洞、电缆交通洞与主变洞相连；下游侧墙底部有4条尾水支洞与厂房4台机组的尾水管相连。

地下厂房主要通过通风兼安全洞(厂顶施工支洞)、进厂交通洞、2＃施工支洞对外交通：通风兼安全洞直接通至主副厂房右端墙顶部，连接处底板高程为234.00m；进厂交通洞通至安装场，连接处底板高程为216.15m；2＃施工支洞通至主副厂房左端墙下部，连接处底板高程为201.00m。

地下厂房洞室群围岩均为晶屑凝灰熔岩，岩体总体较完整～完整，呈微透水性，围岩大多为微风化～新鲜岩石，致密、坚硬，主要以Ⅱ类围岩为主，断层破碎带为Ⅲ类围岩，总体成洞条件较好。地质构造较简单，断层不发育，多为一些宽度小，仅0.05～0.30m的断层（如f39、f40、f41、f42等），但与厂房轴线交角较小，小于30°，围岩总体较完整。

2．开挖施工方案

鉴于地下厂房的开挖是整个工程的关键，根据设计断面、围岩的稳定条件、施工机械性能及运输通道布置情况，监理组织了参建四方联合审查，确定了开挖施工方案。

2.1施工分层及通道规划

将主副厂房自上而下分七层进行开挖施工,详见下图；

各分层开挖施工的特性见下表。

2.2各层的施工方案

第Ⅰ层：为顶拱开挖，从通风兼安全洞进入。开挖高度定为10.5m，底面高程为拱肩下3.4m，即▽231.00，厂房顶拱采用“中导洞先行，再进行两侧扩挖”的开挖方式。

第Ⅱ层：为方便岩壁梁施工，同时有效控制下部开挖时对岩壁吊车梁振动影响，开挖高度定为8.0m，即▽231.00～▽223.00。前期以通风兼安全洞为施工通道、后期以进厂交通洞作为唯一施工通道。

第Ⅲ层：厂房Ⅲ层开挖高度为7.1m，即▽223.0～▽215.9，可直接利用进厂交通洞作为施工通道。厂房Ⅲ层开挖分两层进行，第一层高度均为4m，第二层为3.1m，均从厂房左端开挖至厂房右端。Ⅲ层开挖施工分三部分进行，分别是边墙预裂、中槽开挖，边墙保护层开挖。安装场基础预留1.5米的保护层，采用光面爆破开挖到位。

第Ⅳ层：利用2＃施工支洞及进厂交通洞经安装场进入，考虑母线洞施工，层高为6.9m，即▽215.90～▽209.00。在立面上分上下两层（层高约为3.5m）逐层开挖；在平面上分中槽梯段（20m宽）开挖与上下游边墙保护层（2m宽）开挖。

第Ⅴ层：从2＃施工支洞进入，层高为8.0m，即▽209.00～▽201.00。

在立面上分上下两层（层高4m）逐层开挖；在平面上分中槽梯段（20m宽）开挖与上下游边墙保护层（2m宽）开挖。

第Ⅵ层：从2＃施工支洞下卧进入，层高为5.7m，即▽201.00～▽195.30。立面分两层开挖，第一层开挖高度4.2m，底板预留1.5m保护层；第一层分中槽梯段（20m宽）开挖与上下游边墙保护层（2m宽）进行开挖；底板保护层采用光面爆破。

第Ⅶ层(▽195.30~▽188.20)及集水井开挖：主要进行尾水基坑开挖，采取先预裂边线后进行开挖，基坑开挖分三部分进行，上部分两层开挖，每层开挖高度2.8m，底板预留1.5m进行保护层开挖。集水井采用设计边线先预裂，后开挖的方式进行。EL195.3—188.2高程部位由岩埂挖除部位向厂右方向开挖出临空面后再进行上下游面的开挖，EL188.2以下部位采用正导井先开挖，扩挖跟进的方式进行施工。

3．开挖关键技术研究

3.1主副厂房顶拱开挖

（1）厂房顶拱开挖根据中导洞揭露的地质情况，要求进行必要的临时支护。开挖未支护长度不超过20m，第二层开挖前将顶拱的锚喷、支护等工作必须全部完成。

（2）每次爆破后要求仔细清除松动岩块，随时监测已开挖的洞段，特别是加强拱肩部位的监测，及时清除危岩确保安全。

(3) 由于渐变扩挖面始终与厂房设计开挖轮廓面始终存在夹角，在切入设计轮廓面时势必造成一定程度上的超挖，要求采用短进尺以减少超挖量，进尺深度控制在1～1.5m。

(4)进行拱座附近的渐变扩挖并开始切入设计轮廓面时，由于顶拱与侧墙共同限制了钻杆偏角，造成下钻困难、超挖无法控制的现象，应适时采用开挖先锋槽的方法获得操作空间以减少超挖。

（5）为取得良好的边角（端墙与顶拱、端墙与侧墙交接处）成形效果，在进行边角开挖时，要求形成边角的两个光爆面同时起爆，同时要求准确控制每个爆破孔的孔深和装药量。

3.2岩壁梁的开挖

岩锚梁工程是地下厂房的重要结构，其开挖质量直接关系到岩锚梁整个结构系统的安全与稳定。为了确保施工质量，提高监理质量控制水平，监理成立了QC小组，研究岩壁梁开挖的关键技术。

3.2.1合理划分开挖区，确保岩台成形质量

岩锚梁开挖处于厂房Ⅱ层开挖之中，整个厂房Ⅱ层开挖以吊车梁岩台开挖为重点，必须结合手风钻钻爆工艺特点对开挖进行合理划分，明确各区开挖顺序及钻爆参数，以确保岩台开挖成形满足设计要求，根据厂房中槽段模拟开挖试验成果确定厂房Ⅱ层开挖分Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4、Ⅱ5（岩台）五个区块进行，中部Ⅱ1块宽14.0m，高8m；为保证岩壁吊车梁开挖质量及方便施工，两侧保护层施工时分三层进行开挖，分别为Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4三个区，保护层Ⅱ2块宽5.75m，高2m，保护层Ⅱ3、Ⅱ4块宽5.0 m，Ⅱ3块高2.5m，Ⅱ4块高3.5m。

3.2.2根据模拟试验成果，确定开挖质量控制点

（1）岩锚梁正式开挖前，根据本工程地质条件先进行了岩锚梁开挖初次爆破试验，根据爆破试验结果分析确定了影响爆破开挖质量主要因素是爆破参数选用及爆破孔造孔质量；

（2）根据开挖分区特点及各区围岩地质条件，通过二次爆破开挖试验确定了各分区开挖爆破参数；Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4三个区竖向光面爆破孔距为50cm，药卷均采用φ27的乳化炸药,线装药密度控制在170g/m左右；Ⅱ5区垂直光爆孔及斜面光爆孔均按35cm孔距进行布孔，药卷均采用φ27的乳化炸药，线装药密度控制在q=90g/m左右。

（3）通过两次爆破开挖试验确定了钻孔样架搭设和钻孔验收标准，要求施工过程严格按照标准要求进行施工和验收；

（4）根据施工过程实际揭露围岩地质条件，及时对爆破开挖参数进行微调，实行个性化装药，确保爆破半孔率、超挖值满足设计要求。

3.2.3开挖效果

爆破半孔率：II类围岩90％以上，III类围岩60％以上，均高于规范要求10个百分点；岩面不允许欠挖，最大超挖值≤15㎝（大于规范≤20㎝的要求），壁座角成型最大偏差≤2°，均满足设计要求。

图1 实际爆破效果图

3.3开挖爆破震动速度的控制

（1）为减少厂房开挖爆破对岩壁吊车梁的振动影响，同时加快第Ⅲ层开挖速度，在第Ⅱ层开挖完成的同时，要求对厂房第Ⅲ层边墙预裂，预裂深度为4m，会起到较好的减震作用。厂房第Ⅲ层开挖在岩壁吊车梁混凝土浇筑28天后才允许进行。

(2)根据《水电水利工程岩壁梁施工规程》（DL/T 5198—2004），厂房Ⅲ层开挖对岩壁梁砼质点震动速度控制在10cm/s之内。

（3）采用控制爆破技术。开挖前要求进行专项爆破设计，通过爆破振动试验，由萨道夫斯基经验公式v=k(Q1/3/R)a,回归计算爆破震动衰减规律参数：K=80和α=1.5。控制质点震动速度v=10cm/s时，中槽段爆破试验的单段药量选择：

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

（4）厂房Ⅲ层爆破开挖过程中，根据装药部位不同，具体的单响药量应根据实际的孔位情况进行严格控制，使爆破震动速度控制在设计要求范围内。

3.4主副厂房直立高边墙开挖

（1）正式开挖前，进行爆破试验，确定合理的爆破参数，采用微差起爆网络，严格控制单响起爆药量。及时安装变形观测的仪器，实施监测，为厂房开挖与支护施工参数的确定提供依据。

（2）采用分层开挖，除Ⅰ层外，分层高度应控制在6～8m，上一层开挖支护未完成，严禁进行相应部位下一层开挖。

（3）厂房Ⅱ层以下开挖采取中间拉槽，两侧预留保护层扩挖跟进的方式开挖，中间拉槽梯段爆破开挖前，先沿保护层边线进行施工预裂，以减少爆破对边墙造成震动破坏；两侧保护层采用手风钻造垂直孔，小药量、弱爆破，设计开挖线采用光面爆破，确保边墙成型质量。

3.5与厂房交叉洞口的开挖

（1）与地下厂房交叉的洞口尽可能在地下厂房开挖至该部位之前开挖和支护完成，如必须在地下厂房开挖后的主边墙上开挖洞口，要求编制专门措施报监理批准。

（2）母线洞开挖由厂房向主变洞方方向进行，开挖前在厂房内先进行洞口锁口锚杆支护。

（4）交叉口部位必须采用“短进尺，多循环、小装药，多钻孔”的施工方法，尽量减小爆破对围岩的振动影响。

3.6厂房下部建基面开挖

（1）临近机坑岩台水平建基面，采用预留保护层的开挖方式，保护层厚度1.5m，预留保护层采用手风钻水平光爆开挖。

(2)机坑开挖采用先进行周边垂直建基面预裂爆破，然后采用手风钻分层浅孔松动爆破开挖坑槽，以保证机坑成型质量。

4.需要关注的问题

4.1注重施工过程中的变形监测

在主副厂房顶拱及边墙上，设计已布置了收敛观测点、多点位移计、锚杆应力计等永久观测设施，在开挖支护过程中及时安装完成，施工期的观测结果可用于判定开挖后围岩的稳定与安全。定期进行观测和数据整理，掌握围岩的变形情况，为判断围岩稳定性提供依据。

据2011年10月20日监测数据表明，主副厂房围岩多点变位计测点测值已基本稳定，锚杆应力计测值平稳，岩壁吊车梁的测缝计、多点变位计测值变化不大。

地下厂房监测仪器累计应力最大值见表4.1-1；监测仪器累计位移最大值见表4.1-2：

表4.1-1监测仪器累计应力最大值（+为拉应力、-为压应力）

表4.1-2监测仪器累计位移最大值

4.2要求及时进行支护

主副厂房跨度大，直立边墙高，开挖后应力释放明显，因此必须及时进行锚喷支护。地下厂房主要支护参数：顶拱φ25@1.5×1.5、L=6m；边墙φ25／φ28@1.5×1.5、L=6m／8m；招标文件中边墙上设计有预应力锚索，但根据开挖后的地质条件及变形观测情况,设计对边墙支护进行优化，取消了预应力锚索，改用锚筋桩替代。

4.3要求理顺与其它洞室开挖关系

（1）主副厂房开挖是工程的关键线路，施工中必须以主副厂房施工为主，统筹安排主变洞、母线洞、尾水支洞等相邻洞室的施工。

（2）与主副厂房施工有关的项目尽可能提前开工，以满足主副厂房施工需求。与主副厂房同步安排上层排水廊道洞挖施工，中层排水廊道在具备开挖时及早安排洞挖施工，以减少主厂房开挖期间的地下渗水，增强围岩的自稳能力；及早安排通风兼安全洞内排风竖井、厂房排风洞、排烟竖井及排烟洞的施工；在厂房Ⅰ层开挖支护完成后，及时与进厂交通洞贯通，尽早形成自然通风条件，改善主副厂房开挖施工条件。

（3）洞室群开挖时必须实行爆破会签制度，相邻洞室开挖爆破时，其余洞室施工人员及有关设备必须撤离。

4.4要求加强爆破测试

为了开挖施工工艺的合理性，确保开挖质量，在各工序施工前，及时做好系列的工艺性试验工作，具体有以下几项：预裂/光面爆破参数试验；弹性波测试爆破松动圈范围；爆破质点振动速度测试；岩壁吊车梁开挖模拟试验。

5.开挖质量评价

地下厂房开挖已经全部完成，由于开挖方案经过监理组织参建四方的联合会审是切实可行的，对关键部位岩壁梁的开挖质量监理成立QC小组织进行了专题研究，对重点部位的开挖监理要求采取了相应的处理措施，对需要关注的问题予以了积极协调处理，因此开挖过程中未出现岩块崩塌伤人事故，开挖面的平均线性超挖值控制在15cm以内，半孔率达到了82%以上，单元工程优良率达到91%，开挖质量满足设计与规范要求。

图2地下廠房开挖完成效果图

6、结论

经过对仙游电站地下厂房开挖技术的分析与研究，认为有以下成果值得总结：

(1)主副厂房开挖与支护工程量大，一般为整个工程项目工期的关键工序，地下洞室群开挖必须围绕厂房展开，应根据设计断面、围岩的稳定条件、施工机械性能及运输通道布置情况，合理的安排分层分块是保证开挖质量和工期的关键。

(2)围岩稳定和施工安全问题突出。厂房开挖跨度及高度大，洞室平交口多，且顶拱、边墙局部分布的节理面会有不利组合，会存在潜在不稳定块体，支护应及时跟进。

（3）地下厂房洞室群位于地下水位以下，开挖中会遇到承压水。要求在主副厂房开挖过程中同时进行上下游排水廊道的开挖施工，尽量减少地下水对主洞室的影响。

(4)岩锚梁开挖质量和爆破后岩体完整性直接影响到桥机运行安全，确保岩锚梁开挖质量是地下厂房施工的关键，必须通过爆破试验选用合理的爆破参数，对岩锚梁岩台爆破钻孔样架进行了针对性设计，对样架搭设偏差和验收标准作出明确的规定。

(5)地下厂房系统主要洞室埋深较深，洞室多，开挖工作面多，爆破烟尘和施工设备废气排放量大，加上施工通道多且洞中引洞，通风散烟难度较大，合理布置通风散烟系统是开挖顺利进行的保证。

(6)厂房上部小牛腿和岩锚梁混凝土穿插在主副厂房开挖期间进行，后续开挖爆破质点振动速度控制要求高，优化爆破参数，控制单响药量，控制爆破质点振动速度确保岩锚梁混凝土安全是开挖过程中质量控制的重点。

（7）督促监测单位加强围岩变形观测，及时协调设计、施工单位进行现场基岩面验收。

参考文献：

1、《水电水利工程岩壁梁施工规程》（DL/T 5198—2004）；

2、《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》（DL/T5099-1999）；

3、中水十二局编制的《仙游电站地下厂房施工组织设计》；

4、南瑞—北京院监测项目部编制的监测报告。