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第五届全国生态城市道路与地下道路规划设计、施工、新材料应用技术大会 2019-09-09
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复杂地质条件下向家坝电站超大型地下厂房开挖施工安全风险控制关键技术 地下厂房开挖施工安全风险控制关键技术

时间:2010年11月05日来源:本站原创 作者:徐成光 唐崇正 点击:
                         复杂地质条件下向家坝电站超大型地下厂房开挖施工安全风险控制关键技术                                             
 
                                         徐成光  唐崇正
                      (中国水利水电第七工程局,四川成都    610081)
 
 
:针对向家坝水电站地下电站开挖断面巨大、相贯洞室多、工程条件复杂、工期紧、施工难度大、施工安全风险突出等特点,提出并实施“先防渗帷幕施工,后厂房下挖”;“精细爆刻、先洞后墙、及时支护、监测预控”(简称“16字地下洞群开挖法” );“基于流体力学理论,建立了多交叉地下洞群通风流场形态分析的施工通风仿真模型”等安全风险控制关键技术,以技术促安全。通过实践,取得了优良的控制效果。                       
关键词:超大型地下厂房;开挖施工;安全风险控制;关键技术                                 
1   工程概况
向家坝水电站是金沙江梯级开发中的最后一级,位于四川省与云南省交界处的金沙江下游河段。发电厂房分设于右岸地下和左岸坝后,各装机4台,单机容量均为800MW,总装机容量6400MW。地下厂房开挖尺寸:长×宽×高=255.4×33.4×88.2m,相邻的主变室开挖尺寸:长×宽×高=192.3×26.3×24.4m。厂房与主变洞之间岩柱厚38.6m。岩壁梁设置在厂房第三层上下游墙,全长255m,有2台1200/125t桥式起重机,在岩壁吊车梁轨道上运行,桥机是目前已建、在建和拟建工程中起吊重量最大的桥机之一。地下厂房布置在大坝库区内的右岸山体里,距右岸边坡水平距离约200M,厂房最低开挖高程和河床水位高差约70M。
地质条件:地下厂房岩性主要由软硬相间的互层状缓倾角砂岩和粉砂质泥岩等构成,各岩性层在空间的厚度变化大。厂区岩层产状一般为60°~80°/SE∠15°~20°,地质构造很发育,岩性变化巨大,岩壁梁部位Ⅳ、Ⅴ类围岩的分布约占岩壁部位总开挖长度的一半。地下洞群属含煤地层,潜存瓦斯、H2S等有害与可燃气体。
 
2    安全风险控制特点

图1  地下电站洞群三维图
(1)厂房开挖跨度、高度均为目前世界第一,围岩变形控制难度大;
(2)工程地质条比类似规模的地下厂房件更复杂,更易造成大规模塌方;
(3)高地下水位、强透水,防渗控制要求高;
(4)厂房位于关键直线工期线路上,工期紧迫(2)相贯、相邻洞室众多,地下电站共设有122条洞室,其中与厂房相贯的有21条洞室,组成复杂的以地下厂房为中心的洞群,潜存瓦斯、H2S等有害与可燃气体,施工通风控制难度大、要求高;
(5)岩壁吊车梁开挖岩台水平宽度窄仅1m,承担岩壁梁荷载巨大;
(6)支护时机要求严、支护工程量大、支护强度高,开挖和支护施工相互干扰大;
以上6大特点,均和开挖施工安全风险控制密切相关,对开挖施工安全风险控制技术提出了极高的要求。

图2  地下厂房地质情况图 
3   施工安全控制目标
施工安全控制目标:控制围岩变形;杜绝大规模塌方;创造安全文明施工环境,确保职工身心健康和人身安全,在有效的施工安全屏障保护下,优质、快速、高效地完成厂房开挖任务。
安全风险控制关键技术
为了实现上述安全控制目标,根据上述6大安全风险控制特点,主要采用了以下三个方面的安全风险控制关键技术。
4.1  “先防渗帷幕施工,后厂房下挖”渗透安全控制技术
 
 
 
 

图3  地下厂房帷幕灌浆三维图
图3  地下厂房防渗帷幕三维图
因厂房中下部位处于常年河水位以下,开挖时处于高地下水位、强透水不利状态。仅在位于厂房下游墙附近的4#支洞处,测得渗流量在236m3/h,渗水量之大类似瀑布。
为防止渗流水压力对厂房边墙的破坏作用和能在干地施工,在厂房中下部下挖之前,在施工期三维渗流场分析和渗控措施的作用模拟分析的指导下,先完成厂房四周施工期帷幕,形成阻水屏障,有效控制河床渗流水对厂房施工的危害。
施工期帷幕施工的及时性和施工质量直接关系到厂房防渗及排水。第三层灌浆廊道施工期帷幕设置单排、双排两种,单排间距2m,双排间距1.5m,孔深85m~100m。帷幕灌浆压水试验透水率的质量控制标准:上游主帷幕和临江侧帷幕透水率q≤1Lu,下游和靠山内侧帷幕透水率q≤3Lu。
4.2  16字地下洞群开挖法”
家坝地下厂房安全风险控制特点显示,地下厂房安全风险控制面临严峻挑战。
为此在研究新奥法理论、工程实践经验的基础上,再结合家坝地下厂房安全风险控制特点,提出了“精细爆刻、先洞后墙、及时支护、监测预控”(简称“16字地下洞群开挖法” )。
4.2.1   精细爆刻
所谓精细爆刻,就是采用最优的施工程序和施工方法、精细的钻孔工艺及均匀微量化装药、降低爆破振动等措施,达到爆破对做承载机构的围岩基本不造成损伤,成型如雕刻般精美的一种精细爆破技术。通过实施精细爆刻,达到提高围岩爆破成型质量,减轻应力集中,最大限度地保护做承载机构的围岩质量,减少后续支护工程量,并最大限度地降低爆破振动对围岩和岩壁梁等构筑物的影响的最终目的。
地下厂房开挖,采用自上而下共分九层施工,分层梯段高度7∽11.38m。
地下厂房开挖程序:顶拱层采用中导洞先行,两侧扩挖跟进;二至三层(岩壁梁层)采用先中部拉槽,后边墙保护层开挖;四层采用结构预裂和施工预裂,“双预裂”,然后分两小层全断面开挖;五层至八层采用边墙结构预裂爆破,全断面开挖;九层开挖与七层以上开挖同步进行。
开挖程序见下图4、图5。                                                   

图4   地下厂房开挖程序图
 

图5   厂房岩壁梁层开挖程序图
厂房顶拱层中导洞和两侧扩挖,采用采用气腿钻钻孔,光面延时爆破。厂房第二至三层中部拉槽采用D7液压钻钻孔,施工预裂孔和梯段孔均采用延时爆破;保护层开挖采用气腿钻钻孔,光爆孔和梯段孔均采用延时爆破。厂房第四层∽七层设计边墙面采用100Y钻机(专门适合钻高边墙深孔预裂孔的钻机)钻预裂孔,拉槽和全断面梯段开挖采用D7液压钻钻孔,预裂孔和梯段孔均采用延时爆破。
岩壁梁层Ⅲ2、Ⅲ3、Ⅲ4、Ⅲ5、Ⅲ6区爆破时均采用“双层光面爆破”。所谓“双层光面爆破”,就是将设计轮廓光爆孔外的缓冲孔,同样按光面爆破原理进行设计,形成双层光面保护屏障,这样即可更大限度地降低二圈孔爆破对设计壁面的损伤,同时使轮廓光爆孔的抵抗线更均匀,最终达到形成高质量的设计轮廓面。对岩壁梁设计轮廓光爆孔装药变“集中”为“分散”,即将125g/条的φ25mm专用光爆药卷均匀地分成10小条(12.5g/条),实行“均匀微量化装药”。最大限度地降低爆破对岩壁面的损伤。
为确保钻孔质量,在厂房岩壁梁开挖和第四层∽七层直墙开挖钻孔过程中,特精心设计了钻孔样架,达到了规范钻孔施工,确保了钻孔精度,提高岩壁面爆破成型质量。      
4.2.2   先洞后墙
与地下厂房相贯洞群,采用“先洞后墙”,也可称称作“先小洞后大洞”,即先挖通与地下厂房(大洞)相贯的小洞室,后挖相贯部位的地下厂房岩体的开挖程序。目的有两个:一是可减轻小洞开挖对厂房的爆破振动影响;二是在厂房上部开挖过程中,同时进行下部相贯小洞室的施工,加快作为项目关键直线工期部位的厂房施工进度。
4.2.3   及时支护
向家坝地下厂房一次支护 ,主要包含一次喷砼、安锚杆(砂浆锚杆、随机预应力锚杆等)、铺钢筋网、二次喷砼、预应力锚索(端头锚和对穿锚)、排水孔等项目。部位不同,其组合也不一样。 
根据地下厂房施工特点和上述原理,特确定及时支护原则:
(1)  与厂方相贯的洞室开挖后,必须先进行进行支护锁口,然后才能开挖厂房相贯部位;
(2)  一次支护离开挖掌子面面距离为:对于Ⅱ类围岩可滞后开挖掌子面15~20m;对于Ⅲ类围岩部分支护紧跟掌子面如喷混凝土,部分支护稍滞后开挖面如挂网复喷、大量锚杆等;对于Ⅳ、Ⅴ类围岩每排炮及时跟进。在厂房每层开挖施工中,严格遵循一次支护施工与开挖交叉、平行多工序有序作业。根据围岩变形监测情况,及时进行支护,确保施工安全。
4.2.4   监测预控
在开挖过程中,及时进行爆破振动监测、围岩松动范围检测、围岩变形监测、锚杆应力等项目的监测,并针对监测数据及时进行分析和研究,不断优化开挖支护措施,确保厂房的开挖施工一直处于受控状态。
4.3   运用研发的施工通风的动态仿真模拟软件,掌握整个施工过程中各洞室群需风量的动态变化过程,实现资源优化配置。

图6  地下洞群通风三维模型
地下洞群施工十分复杂,工作面多且工序交叉作业,施工中产生有毒炮烟、岩体中中的甲烷和H2S气体、施工机械尾气、作业粉尘等有害气体。施工通风问题非常重要,不仅影响整个工程进度,还关系到施工人员的生命安全。
根据地下厂房通风施工特点,“基于流体力学理论,建立多交叉地下洞群通风流场形态分析的施工通风仿真模型”,运用研发的施工通风的动态仿真模拟软件,进行地下洞室群不同通风方案条件下施工通风流场数值模拟,掌握整个施工过程中各洞室群需风量的动态变化过程,实现资源优化。通风设备配置综合考虑断面尺寸、掘进工作面距洞口的距离、通风方式、施工机械设备配置数量及类型、风管的漏风率等多因素,实现资源优化配置。
5   控制效果

图7  厂房岩壁梁开挖效果图

图8  厂房整体开挖效果图
4.1   帷幕灌浆单元质量评定合格率100%、优良率100%。检查孔透水率全部符合设计要求,且100%以上的孔段透水率不大于设计规定值的80%,确保了地下厂房的顺利施工。经历了“5.12”汶川地震的施工防渗帷幕压水试验结果表明,防渗帷幕施工质量优良,被评为向家坝水电站优质样板工程。
4.2  顶拱层平均超挖6.9cm,光爆孔半孔率97.38%,不平整度4.09cm。第三层岩壁梁岩台光爆孔半孔率:Ⅱ类围岩100%, Ⅲ类围岩99.2%,Ⅳ类围岩90~97.3%;岩壁无欠挖,平均超挖仅2.9厘米;不平整度0~4厘米。四至八层深孔预裂爆破半孔率平均90.24%,不平整度平均7.52cm。顶拱层开挖影响深度小于0.57m;岩壁梁层保护层开挖影响深度值为0.2~0.7m,厂房第四层及以下直墙深孔预裂爆破开挖影响深度值为0.5~0.9m。地下厂房顶拱变形仅11.1mm、边墙变形仅7.5mm,在同等规模地下厂房中,围岩变形是世界上最小的。开挖工期仅32个月。
4.3  地下洞群施工中,各项有毒气体指标均控制在安全许可范围之内,通风控制效果优良。
4.4  整过地下厂房开挖施工中,没发生塌方及伤亡事故。
6   结语
    通过向家坝地下厂房开挖施工实践证明,实施的 “先防渗帷幕施工,后厂房下挖”; “16字地下洞群开挖法” ;“基于流体力学理论,建立的多交叉地下洞群通风流场形态分析的施工通风仿真模型”等安全风险控制关键技术,是正确的,完全达到了既定的施工安全控制目标。上述关键技术成果,经专家鉴定达到了国际领先水平。
 
参考文献:
 [1]  汪旭光等. 爆破安全规程实施手册[M].北京:人民交通出版社,2004
[2]  张正宇等.现代水利水电工程爆破[M].北京:中国水利水电出版社,2003.
[3]  张正宇等.水电水利工程爆破安全监测规程[M].北京:中国电力出版社,2006.
[4]  中国水利发电工程工程地质卷[M].北京:中国电力出版社,2000.
[5] 高翔等. 水电水利工程土建施工安全技术规程[M].北京:中国电力出版社,2007
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