地下工程

黃登水電站地下洞室群施工新技術(shù)應(yīng)用綜述

¹偰光恒，¹楊育禮，²周云中

（¹中國水利水電第十四工程局有限公司；²華能瀾滄江股份有限公司黃登-大華橋建設(shè)管理局）

關(guān)鍵詞：地下洞室群　新技術(shù)應(yīng)用　黃登水電站

1 黃登水電站簡介

黃登水電站位于云南蘭坪縣境內(nèi)，采用堤壩式開發(fā)，是瀾滄江上游曲孜卡至苗尾河段水電梯級開發(fā)的第六級，以發(fā)電為主，總裝機(jī)容量190萬kW。上、下游分別與托巴、大華橋電站相接，壩址位于營盤鎮(zhèn)上游12km。

水電站樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪表孔、泄洪放空底孔、左岸折線壩身進(jìn)水口及地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成。引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物布置在左岸，由引水系統(tǒng)、地下廠房洞室群、尾水系統(tǒng)及500kV地面開關(guān)樓等組成。引水采用“單機(jī)單管”布置，主廠房、主變室、尾閘室、尾調(diào)室四大洞室平行排列，尾水采用 “二機(jī)一調(diào)一尾”的布置格局，是國內(nèi)較大的地下洞室群。黃登地下廠房長247.3m，寬32m，高80.5m，0.4km²山體內(nèi)布置大小53條洞室，總長度8.9km。工程較大、地質(zhì)條件復(fù)雜、技術(shù)含量高、質(zhì)量要求嚴(yán)、施工強(qiáng)度大。

2 地下洞室群施工綜述

黃登水電站地下洞室群規(guī)模大，交叉布置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工技術(shù)難度大，項目部通過一系列有效管理措施，大膽采用了一批新技術(shù)和新工藝，保證了黃登地下洞室群按期完成。引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群三維圖詳見圖1。

2.1 大型地下洞室群施工組織設(shè)計

黃登水電站地下廠房洞室群水平和垂直埋深均大于300m，洞室?guī)r體呈次塊狀—塊狀，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，巖體完整性好；局部不良地質(zhì)段為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，劈理和順層擠壓面發(fā)育，存在的局部可能塌滑由結(jié)構(gòu)面組合形成。地應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，其量級為7.0～15.0MPa，屬中等偏低地應(yīng)力水平。巖層近陡傾分布，垂直裂隙發(fā)育，主要構(gòu)造形跡為近垂直的火山角礫巖夾變質(zhì)泥灰?guī)r條帶。巖體內(nèi)地下水活動弱，透水性為中等及微透水，但順夾層條帶滲漏性極強(qiáng)，地下洞室位于地下水位以下，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

陡傾角層間、泥灰?guī)r夾層帶、平行于廠房軸線的陡傾巖層對大跨度頂拱、高邊墻及洞室交叉部位圍巖穩(wěn)定不利。影響圍巖穩(wěn)定因素較多，結(jié)構(gòu)面組合、地下水運移規(guī)律、施工程序、開挖方法、圍巖力學(xué)參數(shù)等都有一定的不確定性。以上因素給大型地下洞室群的設(shè)計、施工及圍巖臨時與永久支護(hù)帶來較大困難。在工程設(shè)計中，重點研究地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定與支護(hù)、合理施工順序、有/無支護(hù)時的圍巖靜力穩(wěn)定特性(包括三維彈塑性損傷動力有限元分析、北京理正巖土隧道襯砌計算軟件及三維非線性有限元理論)和洞室群的抗震穩(wěn)定分析，建立了動力和動態(tài)仿真分析模擬系統(tǒng)，對地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定作出合理評價，使地下廠房的設(shè)計和施工水平都有提升。

2.2 地下廠房巖壁梁巖臺開挖技術(shù)

巖壁梁巖臺開挖采用“巖壁吊車梁巖臺雙向控爆施工技術(shù)”，垂直和斜向雙向控爆一次成型，造孔采用φ48鋼管搭設(shè)樣架，嚴(yán)格控制施工樣架、造孔、爆破參數(shù)三道關(guān)鍵工序，采用創(chuàng)新的“個性化裝藥和面裝藥密度控制線裝藥密度”的方法進(jìn)行控制爆破。

巖壁梁開挖共分為三層進(jìn)行，見圖2。

巖壁梁開挖爆破半孔率達(dá)到91.9%，巖面不平整度6.6cm，平均超挖8.9cm。

2.3 高邊墻深孔預(yù)裂開挖施工技術(shù)

電站施工從設(shè)備選型入手，將深孔預(yù)裂爆破技術(shù)成功運用于大型地下洞室直立高邊墻部位，結(jié)合薄層開挖、及時跟進(jìn)支護(hù)的施工理念，形成了一套深孔預(yù)裂、薄層開挖、隨層支護(hù)施工技術(shù)。

（1）設(shè)備選型：將輕型潛孔鉆機(jī)改進(jìn)成100E型，作為高邊墻預(yù)裂孔的造孔設(shè)備。該設(shè)備推進(jìn)裝置在機(jī)頭側(cè)邊，解決了技術(shù)超挖大的問題，將超挖控制在10cm以內(nèi)。

（2）施工工藝流程：基巖面清理→測量放線→鉆機(jī)定位架設(shè)→鉆機(jī)定位校核→定位架加固→鉆架及鉆桿角度檢查驗收→鉆孔→鉆進(jìn)過程校鉆→終孔質(zhì)量檢查→裝藥→連網(wǎng)起爆。

（3）鉆孔精度控制：將定位樣架搭設(shè)在堅實的基巖面上，用錨桿牢靠固定，防止鉆機(jī)沖擊移位；采用全站儀進(jìn)行孔位和定位樣架的測量放樣，提高鉆機(jī)開孔精度；采用φ48鋼管搭設(shè)樣架；堅持 “兩次校桿法”，鉆機(jī)安裝扶正器，控制鉆桿偏差；嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度。

（4）爆破參數(shù)選擇：預(yù)裂孔孔徑φ76，孔間距80cm，φ32的乳化炸藥作為主藥卷，不偶合系數(shù)為2.375，線裝藥密度為450～550g/m。

高邊墻預(yù)裂扣除地質(zhì)超挖外，主廠房第Ⅳ～Ⅶ層及主變室Ⅲ層最大不平整度12cm，平均不平整度13.5cm，小于設(shè)計及施工規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)（不平整度15cm）。爆破半孔率達(dá)到了90%以上。爆破效果見圖3。

2.4 豎井小挖機(jī)下井扒渣技術(shù)

引水發(fā)電系統(tǒng)引水豎井、出線豎井、閘門井二次擴(kuò)挖創(chuàng)新采用小挖機(jī)下井扒渣技術(shù)，較以往人工扒渣，提高開挖效率，縮短工期，降低成本，增加安全保障。

小挖機(jī)下井扒渣施工：豎井二次擴(kuò)挖前，在井口設(shè)置一個帶滾動軸承的平臺，挖機(jī)爬上平臺后通過底部安裝的導(dǎo)軌移動至豎井中心或待開挖的范圍內(nèi)，然后通過上部設(shè)置的提升系統(tǒng)將設(shè)備下放至開挖掌子面或溜渣井井蓋上，提升系統(tǒng)鋼絲繩不摘除作為安全保障系統(tǒng)，提起井蓋后開始進(jìn)行扒渣施工。

下井扒渣施工提升卷揚機(jī)和小挖機(jī)選擇是一個控制重點。一般選擇5t帶雙剎車卷揚機(jī)，配套鋼絲繩為不旋轉(zhuǎn)直徑20mm（破斷力220kN），頂部設(shè)置兩倍滑輪組；挖機(jī)重量控制在5t左右，臂長約等于開挖半徑。扒渣過程中人工灑水降塵，用以達(dá)到環(huán)保要求。

2.5 大型地下廠房梭式布料系統(tǒng)應(yīng)用

地下廠房單臺機(jī)組平面尺寸為35m×29m，根據(jù)混凝土入倉強(qiáng)度以及溫控要求，澆筑布置2臺SHB22型梭式布料系統(tǒng)，混凝土水平運輸采用長膠帶運輸系統(tǒng)，總長度為176.8m，5條膠帶（1×23m+3×35m+1×18.8m），一個14m溜管（φ325），加一條16m膠帶給梭式布料機(jī)聯(lián)合組成皮帶入倉供料系統(tǒng)（圖4）。膠帶機(jī)參數(shù)：帶寬650mm，帶速2.5m/s，額定輸送強(qiáng)度100m³/h。

結(jié)構(gòu)和工作原理：SHB22型梭式布料系統(tǒng)主要由集料斗、固定皮帶機(jī)、上料皮帶機(jī)、布料皮帶機(jī)、立柱、φ400橡皮負(fù)壓溜管、旋轉(zhuǎn)及伸縮機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)組成，可以滿足半徑22m、高12m區(qū)域的混凝土連續(xù)澆筑布料要求，布料高度可根據(jù)所需高度增加。SHB22型梭式布料系統(tǒng)主要性能技術(shù)參數(shù)見表1。

SHB22型梭式布料系統(tǒng)的送料利用多節(jié)皮帶機(jī)接力實現(xiàn)多個口高速布料，其回轉(zhuǎn)利用機(jī)械式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行359°旋轉(zhuǎn)布料，然后皮帶機(jī)桁架通過滾輪在托架上移動，托架由鉸座及兩根張拉絲桿固定在回轉(zhuǎn)柱上，皮帶機(jī)桁架在液壓馬達(dá)的驅(qū)動下相對回轉(zhuǎn)柱可作2.5～12m的移動。

SHB22型梭式布料系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用靈活、簡單快捷、占地小、易維護(hù)等特點。可利用廠房橋機(jī)實現(xiàn)整體安裝和拆除，局部采用汽車吊輔助作業(yè)。該系統(tǒng)提高了混凝土澆筑速度，使用效率高、運行成本低、經(jīng)濟(jì)效益顯著。目前黃登地下廠房混凝土施工結(jié)束，采用兩套SHB22型梭式布料系統(tǒng)澆筑達(dá)6萬m³，進(jìn)度和效率均優(yōu)于以往地下廠房泵送或吊罐入倉方式。

2.6 機(jī)組尾水檢修閘門室矩形變徑滑框翻模混凝土施工技術(shù)

黃登水電站機(jī)組尾水檢修閘門室（即尾閘室）共有4個井，其中門楣以上部分48m高度為標(biāo)準(zhǔn)的兩個矩形斷面，12m×3.6m變到17m×5.4m。尾閘室混凝土采用爬鋼絞線變徑滑框翻模施工技術(shù)，變徑通過對稱加長圍圈和模板組實現(xiàn)。滑框翻模結(jié)構(gòu)見圖5。

尾閘室滑框翻模結(jié)構(gòu)由模板組、滑桿、圍圈、主平臺、抹面平臺、提升架、提升裝置、鋼絞線、支承梁、拐臂式分料系統(tǒng)等主要構(gòu)件組成，滑模下部斷面尺寸為12m×3.6m（長×寬），上部為17m×5.4m，模板配置高度為2.4m。爬升靠外置式爬鋼絞線裝置，在井口設(shè)置支承梁通過上下兩層型鋼組成框架結(jié)構(gòu)，整個框架通過提升架與鋼絞線（φ15.24）和支撐梁連接，通過液壓千斤頂向上爬升。

滑框翻模施工：攪拌運輸車直接從巖臺梁上經(jīng)過配短溜槽+集料斗+溜管入倉方式，溜管每12～18m設(shè)置一個緩降器，再溜至滑模上自制拐臂式分料器布料。混凝土采用人工平倉，插入式振搗器振搗。滑模正常滑升時應(yīng)控制滑升速度在30cm/h以內(nèi)。滑模模板總高度為2.4m，混凝土初次澆筑至1.8m剩余兩圈模板后停止下料，首次澆筑完成約9h后（具體現(xiàn)場定）即可滑升，滑框每次滑升15～30cm（半圈至一圈模板高度）。在滑竿脫出底圈模板后開始進(jìn)行翻模。混凝土強(qiáng)度達(dá)到0.3～0.5MPa以上（手按1mm印痕），開始翻模抹面，抹面采用“初、細(xì)、精、光”四道工序法進(jìn)行。

滑升前應(yīng)檢查滑模體系情況，完好無誤方可進(jìn)行。滑模滑升時及時調(diào)整提升架水平。滑模滑升拆模后把底層的模板按順序翻裝到頂層相應(yīng)位置，砌磚式逐層安裝。如滑模施工出現(xiàn)異常停滑時間過長，則需將滑框滑升到滑桿只剩一層模板為止，拆除其余模板，避免因混凝土凝固造成下次滑升困難。

2.7 高流態(tài)自密實膨脹混凝土施工技術(shù)

引水系統(tǒng)鋼襯部位較多，壓力管道、肘管、蝸殼等都屬重要承載結(jié)構(gòu)，鋼襯段底部配筋密集，施工空間狹窄，下料、振搗困難，要求混凝土填充飽滿，澆筑密實，確保鋼襯正常運行。設(shè)計底部或腰線以下采用高流態(tài)自密實混凝土施工。

高流態(tài)自密實混凝土強(qiáng)度等級為C25W8F100，混凝土指標(biāo)：擴(kuò)散度550～650mm；L型儀間隙通過性不小于0.8，T500流動時間在2～5s；拌和物穩(wěn)定性不大于10%。

自密實混凝土砂率大、膠材多、強(qiáng)度高，流動性、在室外進(jìn)行了現(xiàn)場模擬澆筑試驗，通過對比，加入膨脹劑效果更佳。混凝土泵送入倉，人工振搗，經(jīng)檢測，鋼襯回填效果良好。

2.8 深豎井滑模混凝土施工技術(shù)

出線豎井深208.5m，襯后直徑8.5m，井內(nèi)被隔墻分為4個小井，分別為管道井、電梯井、樓梯間、通風(fēng)井。井筒混凝土采用現(xiàn)澆，其余采用預(yù)制吊裝。

豎井上段混凝土為標(biāo)準(zhǔn)圓形斷面，采用滑模澆筑。滑模為鋼桁架整體式結(jié)構(gòu)，主要由模板組、提升架、液壓千斤頂、主平臺、輔助平臺、抹面平臺、分料平臺等組成。施工材料及人員通過吊籠加礦用絞車提升系統(tǒng)實現(xiàn)垂直運輸，吊籠設(shè)置了防旋轉(zhuǎn)和防斷繩保護(hù)裝置，確保施工安全。

出線豎井井筒體型和井壁預(yù)埋錨板采用4臺激光垂準(zhǔn)儀從4個方位控制垂直度，用水平儀控制水平精度，確保了混凝土體型和錨板預(yù)埋件位置準(zhǔn)確。

滑模采用溜管加短溜槽入倉方式，在分料平臺上設(shè)置圓形旋轉(zhuǎn)分料裝置，實現(xiàn)井內(nèi)360°范圍下料無死角，各點均勻上升，按一定方向、次序分層、對稱下料，坯層厚度為30cm，高差不超過一層，上層混凝土覆蓋前下層不得初凝。

2.9 引水發(fā)電系統(tǒng)免裝修混凝土施工技術(shù)

免裝修混凝土又稱裝飾混凝土，是直接利用混凝土成型后的自然質(zhì)感作為飾面效果，一次成型，不做其他任何裝飾，混凝土表面平整光滑、色澤均勻、棱角方正、線條分明、無碰損和污染，表面涂刷透明的保護(hù)劑，顯得天然莊重，具有很好的耐久性且可減少后期維護(hù)。

引水發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模采用免裝修混凝土施工，包括主廠房及左、右端副廠房以及防潮柱、主變室、500kV開關(guān)站、主排風(fēng)樓等框架結(jié)構(gòu)混凝土，總面積約為10和易性和填充性好，為滿足要求，多次進(jìn)行試驗，且對摻膨脹劑與不摻膨脹劑的混凝土進(jìn)行了對比試驗，見表2。

萬m²。施工主要通過對模板合理選型，細(xì)化和優(yōu)化施工工藝，嚴(yán)格控制工藝細(xì)節(jié)和管理要求，進(jìn)行過程質(zhì)量控制，全面消除了錯臺、掛簾、蜂窩、麻面、氣泡等混凝土常見缺陷和頑癥，裝飾線條均勻分布，橫平豎直，層次感分明，達(dá)到了飾面混凝土要求。

免裝修混凝土控制要點：

（1）混凝土要求：要求骨料由同系統(tǒng)生產(chǎn)，料源穩(wěn)定，膠凝材料及其他添加材料必須同廠家供應(yīng)，每倉同批號，混凝土同拌和系統(tǒng)拌和，確保成型后色澤均勻。膠凝材料控制在350kg/m³以上，采用聚羧酸高效減水劑，盡量采用素混凝土澆筑，減少色差。

（2）模板控制重點：免裝修混凝土對模板材質(zhì)、剛度與表面光潔度要求較高，覆膜模板最多循環(huán)一到兩次，方能確保表面光潔如鏡。模板及裝飾線條安裝時精度要求較高，拼縫須十分嚴(yán)密，加固需牢靠，不漏漿、不錯位。模板及裝飾線條施工前進(jìn)行三維效果設(shè)計。

（3）施工工藝：入倉方式合理，澆筑連續(xù)，采用低高頻二次復(fù)振工藝（間歇30min）振搗充分，混凝土外光內(nèi)實，養(yǎng)護(hù)方案得當(dāng)，成品保護(hù)到位。

（4）成品防護(hù)：施工完成后采取涂層保護(hù)，確保免裝修混凝土外觀的持久性。混凝土表面涂層應(yīng)選材可靠，涂抹均勻、平整，拋光到位。

3 結(jié)束語

通過采用一系列創(chuàng)新技術(shù)和新工藝，黃登水電站地下洞室群系統(tǒng)工程在緩建、停工20個月，且受外部因素影響較大的條件下，按期完成了施工任務(wù)，創(chuàng)造了多項大型地下廠房開挖施工進(jìn)度新紀(jì)錄，取得了多項科技成果，質(zhì)量優(yōu)良率92.5%，實現(xiàn)了華能瀾滄江公司提出的“瀾滄江上游窗口工程”的階段性目標(biāo)。其技術(shù)工藝值得借鑒。