（水工结构工程专业论文）大型地下厂房施工程序及开挖方法研究.pdf

摘要 水利水电工程中，地下厂房方案得n t 广泛的应用，而且随着一些干流水力资 源的相继开发，水电工程中地下厂房及相关洞室等在向大型化或超大型的方向发展。 对大型洞室施工方法，特别是在目前地下洞室开挖广泛使用了现代化施工机械的情 况下，对洞室施工程序和开挖方法作比较系统的研究，将具有很实际的工程意义。 本文针对大型地下洞室，特别是地下厂房的开挖问题，作了比较深入的研究，得出 一定的认识和结论。 首先，结合国内若干地下厂房的开挖实例，分析了大型地下洞室的施工特点及 可能存在的问题。 其次，结合水电工程中大量的洞室开挖实例，分析了大型地下洞室施工方法的 影响因素，重点讨论了洞室体形特征、围岩稳定、施工机械等对洞室开挖方法及程 序的影响，并据此提出了地下洞室开挖方法选择的初步建议。 再次，研究了水电站地下厂房开挖程序和开挖方法，从厂房分层开挖考虑的因 素出发，分析了地下厂房的典型分层方案；并且基于m m 普罗托奇雅科洛夫( 普氏) 的山岩压力理论，并利用有限元计算软件a n s y s 和工程实例，研究了厂房顶拱层的 开挖程序问题，给出了顶拱开挖方法的推荐方案。 另外，从爆破震动、岩石损伤等角度出发，探讨了岩锚梁施工的相关技术问题， 研究了地下厂房岩锚梁层中部、岩锚梁岩台以及岩锚梁浇筑后下部层面的开挖方法。 最后，结合国内目前在建的几个地下厂房系统的通道布鼍，提出了地下厂房系 统施工通道布置的主要原则，并且分析了典型地下厂房系统的通道布置方法。 关键词：洞室：地下厂房：施工程序；开挖；施工通道 a b s t r a c t t h es c h e m eo fu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e sh a sb e e nu s e dw i d e l yi nt h eh y d r o e l e c t r i c p r o j e c t a n dw i t ht h ee x p l o i t a t i o no f t h ew a t e r p o w e r m a t e r i a l si nt h em a i nr i v e r so n ea f t e r t h eo t h e r , t h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e sa n dt h ea s s o c i a t e dc a v i t i e si nt h eh y d r o e l e c t r i c e n g i n e e r i n ga r cd e v e l o p i n gt o w a r d st h el a r g e s c a l ew a y n o w a d a y s m o d e m e q u i p m e n t i s a p p l i e dw i d e l yi nt h ee x c a v a t i o no fu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e s ，s oi t i ss i g n i f i c a n ti nt h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n gt os t u d yt h ec o n s t r u c t i o np r o c e d u r ea n de x c a v a t i o nm e t h o do f t h e u n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e t h ee x c a v a t i o no f t h el a r g eu n d e r g r o u n dc h a m b e r , e s p e c i a l l y t h e u n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e ，w i l lb es t u d i e dd e 印i nt h i sp a p e r a n ds o m ei m p o r t a n t s t a n d p l o i n t sa n d c o n c l u s i o n sa r em a d e f i r s t l y , a c c o r d i n g t os e v e r a le x c a v a t i o n e x a m p l e s o ft h ed o m e s t i c u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e s ，t h e c o n s t r u c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n d p o s s i b l ep r o b l e m s a r ea n a l y z e d + s e c o n d l y , a c c o r d i n g t o m a n ye x a m p l e s o ft h ee x c a v a t i o no ft u n n e l si nt h e h y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g ，s o m e i n f l u e n c ef a c t o r so fc o n s t r u c t i o nm e t h o d so fl a r g e u n d e r g r o u n dc h a m b e r sa r ca n a l y z e d s o m ef a c t o r sa r cd i s c u s s e di nd e t a i l ，s u c ha ss h a p e a n ds c a l eo ft h ec a v i t y , r o c ks t a b i l i t y , e q u i p m e n t ，e t c t h ep r i m a r yp r o p o s a li st a b l e dt o c h o o s et h ee x c a v a t i o nm e t h o d o f u n d e r g r o u n d t u n n e l s t h i r d l y , t h ec o n s t r u c t i o np r o c e d u r ea n de x c a v a t i o nm e t h o do ft h el a r g eu n d e r g r o u n d p o w e r h o u s ea r es t u d i e d ，a n dt h et y p i c a lm u l t i l a y e r e ds c h e m ei sa n a l y z e dc o n s i d e r i n go f t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h em u l t i l a y e r e de x c a v a t i o no ft h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e a n db a s e do nt h er o c kp r e s s u r et h e o r y , a p p l y i n gt h ea n s y s s o f t w a r ea n de n g i n e e r i n g e x a m p l e s ，t h ee x c a v a t i o np r o c e d u r eo f t h et o p h e a d i n g o ft h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e si s s t u d i e d ，a n dt h er e c o m m e n d a b l ep r o j e c to ft h e t o p h e a d i n ge x c a v a t i o ni sm a d e f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt o t h e b l a s t i n g v i b r a t i o na n dr o c km a s s d a m a g e ，s u c h a s s o c i a t e dc o n s t r u c t i o np r o b l e m sa st h ee x c a v a t i o nm e t h o do f t h eb e n c h o f t h ec r a n eb e a m a n dt h eb e n c h e su n d e rt h ec r a n eb e a m a r ed i s c u s s e d f i n a l l y , a f t e rs t u d y i n g t h ec h a n n e l d e s i g n i n g o fs e v e r a ld o m e s t i c u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e st h a t a r e b u i l d i n gn o w , t h ee l e m e n t a r yp r i n c i p l ed u r i n gd e s i g n i n gt h e t e m p o r a r ya c c e s st u n n e l si nt h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s es y s t e mi sd e s c r i b e d a n dt h e t y p i c a la c c e s sd e s i g n i n gm e t h o di sa n a l y z e d k e y w o r d s ：t u n n e l ；u n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e ；c o n s t r u c t i o n p r o c e d u r e ；e x c a v a t i o n ； t e m p o r a r y a c c e s st u n n e l i i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有 剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承 担由此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：前破冉 如尹年歹月7 目 壅兰查堂翌主兰竺垒圭鱼上主兰! 竺 1 1 选题意义 第1 章绪论 由于能源、交通、城建以及环保工程的大力发展，对地下空间的利用和大规模 开发呈现越来越强劲的势头。以水电工程为例，我国蕴藏的水力资源非常丰富，可 开发的水电容量达3 7 8 亿k w ，居世界首位，水力资源大半分布在西部崇山峻岭、 深山狭谷之中，如金沙江、雅砻江、大渡河、澜沧江、乌江、红水河和黄河上游等p ”。 对于峡谷地带水利枢纽，采用地下厂房的设计，有利于枢纽建筑物的合理布置 和拦河大坝的快速施工，并且在施工导流布置方面具有优势，能缩短建设周期、节 省工程总投资。我国9 0 年代后动工的峡谷高坝基本上都采用地下厂房设计方案，如 二滩、大朝山、江垭、棉花滩、小浪底、小湾、龙滩、溪洛渡、瀑布沟、水布垭等。 据统计，目前我国己建成水电站地下厂房约1 0 0 座，其中装机超过1 0 0 l v i w 以上 的地下厂房水电站2 0 座，最大的已建地下厂房尺寸为2 8 0 3 2 5 5 6 3 9 m ( - - 滩水电 站) ，最大的在建地下厂房尺寸为3 8 8 5 3 0 7 7 7 3 m ( 广西龙滩水电站) ，为世界之最。 表1 1 为我国己建成装机大于i o o m w 的水电站地下厂房统计表1 7 w 7 1 ，表1 2 为我国 在建的几个主要大型地下厂房统计表【m 2 “。 表1 1中国已建水电站地下厂房统计裘f 装机容量大于1 0 0 m w ) 覆盖层厂房开挖尺寸 序号名称装机容量( m w )地质条件 厚度( m )( 长x 宽高) ( m ) l 刘家峡( 甘肃) 2 2 2 5 = 4 5 0石英片岩 2 5 8 5 1 2 3 9 6 0 9 2 映秀湾( 四川) 3 4 5 = 1 3 5花岗闪长岩 2 0 0 8 1 8 1 6 3 4 8 3 渔子溪i ( 四川)4 x 4 0 = 1 6 0花岗闪长岩 2 5 0 6 1 6 x1 4 3 3 4 4 龚咀( 四川) 3 x1 0 0 = 3 0 0花岗岩5 01 0 6 2 4 5 5 5 s 西洱河( 云南) 3 3 5 = 1 0 5片麻岩 5 0 5 6 2 1 8 3 0 6 白山( 吉林) 3 3 0 0 = 9 0 0混合岩 1 0 0 1 2 1 ，5 2 5 5 4 3 7 明湖( 台湾) 4 x 2 5 0 = 1 0 0 0砂岩1 2 7 2 2 1 2 4 5 5 8 渔子溪i i ( 四川)4 x 4 0 = 1 6 0花岗岩专岩5 6 4 1 8 3 1 9 9 鲁布革( 云南) 4 1 5 0 = 6 0 0白云岩 3 0 0 1 2 5 2 1x 3 8 5 覆盖层厂房开挖尺寸 序号 名称装机容量( r v l v o 地质条件 厚度( 长宽x 高) ( m ) 1 0 广蓄( 一) ( 广东) 4 3 0 0 = 1 2 0 0花岗岩 4 0 51 4 5 2 1 ，5 4 5 6 l l 东风( 贵州) 3 1 7 0 = 5 1 0灰岩 1 2 01 0 5 5 1 4 5 2 1 2 大广坝( 海南) 3 6 0 篇1 8 0花岗岩 1 4 8 7 x1 4 x 3 5 7 1 3 太平驿( 四川) 4 x 6 5 = 2 6 0花岗岩 2 4 01 5 6 x 2 1 4 6 1 4 明潭( 台湾) 6 2 6 7 2 1 6 0 2砂岩 3 0 0 1 4 9 2 0 - 7 x 4 4 6 1 5 十三陵( 北京) 4 2 0 0 芝8 0 0花岗岩 2 5 01 1 2 1 1 9 7 4 1 4 1 6 二滩( 四川) 6 5 5 0 = 3 3 0 0灰岩 3 5 02 8 0 3 2 5 5 6 3 ，9 1 7 天荒坪( 浙江) 6 3 0 0 = 1 8 0 0凝灰岩 3 0 0 2 0 0 2 l 4 6 1 8 小浪底( 河南) 6 x 3 0 0 = 1 8 0 0砂岩 1 l o 2 1 5 5 2 6 ，2 6 1 4 1 9 广蓄( 二广东) 4 3 0 0 = 1 2 0 0花岗岩1 4 5x 2 1x 4 5 6 2 0 江垭( 湖南) 3 1 0 0 ：3 0 0灰岩 1 5 0 1 0 7 1 9 4 6 5 2 1 犬朝t b ( - 云南) 6 x 2 2 5 = 1 2 5 0玄武岩 2 3 4 2 6 4 x 6 3 注；本表按建造时序排。 表1 2 中国主要在建水电站地下厂房统计表 序 名称 装机容量覆盖层厂房开挖尺寸建设时间 地质条件 号 ( m w ) 厚度( m )( 长宽x 高) ( m )( 厂房开挖) l 龙滩( 广西) 9 6 0 0砂岩、泥板岩互层1 0 0 2 8 03 8 8 5 x 3 0 7 7 7 32 0 0 1 短 2 泰安( 山东) 4 2 5 0混合花岗岩2 l o 2 3 51 8 0 0 2 4 5 5 2 | 32 0 0 1 在 3水布垭( 湖北) 4 x 4 0 0灰岩1 0 5 1 8 51 5 0 x 2 3 0 6 8 32 0 0 2 焦 4 三板溪( 贵州) 4 2 5 0厚层砂岩2 2 0 2 7 01 4 7 2 x 2 2 7 6 0 12 0 0 2 矩 5 百色( 广西) 4 1 3 5新鲜辉绿岩2 0 5 31 4 7 1 9 5 4 92 0 0 2 年 6 索风营( 贵，t 1 ) 3 x 2 0 0中厚层灰岩1 0 01 3 3 5 x 2 4 5 8 42 0 0 2 芷 7 琅琊山( 安徽) 4 1 5 0薄层灰岩1 2 0 1 4 0】5 6 7 2 1 5 4 6 22 0 0 2 钲 8 小湾( 云南) 6 7 0 0黑云花岗片麻岩3 8 0 , - - 4 8 02 9 8 1 3 0 6 8 2 02 0 0 3 在 9 瀑布沟( 四川) 6 x5 5 0 中粗粒花岗岩2 0 0 3 0 02 9 4 1 3 0 7 x 7 0 22 0 0 4 盆 在水电站地下厂房系统中，除地下厂房外，还包含有主变洞、交通洞、调压井、 尾水洞等大型洞室。随着一些干流水力资源的相继开发。水电工程中地下厂房及相 关洞室等在向大型化或超大型的方向发展，特别是伴随着装机容量的增大，地下厂 2 武汉大学磺士学位论文 第1 章绪论 _ - - _ _ _ - - - l _ _ - _ _ _ _ - _ “_ w _ _ - _ 一一一一 房规模越来越大，以大跨度、高边墙、多交叉以及结构复杂为特征。在很多地下厂 房系统中，大大小小的隧洞和地下空间交织在一块，形成庞大、复杂的地下洞室群。 以现在正在兴建的龙滩和小湾水电站为例f 4 7 l ：龙滩水毫站在不劐o 5 k m 2 的山体内布 置了1 1 3 条洞室，这些洞室以平、斜、竖的形式相贯，形成庞大而复杂的地下洞室 群，石方开挖量达3 5 6 万m 3 ；小湾水电站在不到o 3 k m 2 的区域里布置近百条洞室， 总长度近1 7 k i n ，构成一个超大型的地下工程系统。 对于大型地下洞室的施工，最常采用的手段仍是钻孔爆破法。在钻爆法开挖大 型地下洞室的过程中，开挖程序和开挖方法的选择对于实现快速、经济、安全的施 工具有重要影晌。例如，对于大跨度地下洞室，是采用导渝超前，还是采用台阶法 开挖；采用台阶法开挖的情况下，分层方案如何确定；在不同的围岩地质条件下， 采用何种开挖方式；等等。所有这些涉及到开挖程序和开挖方法的问题，都直接关 系到大型洞室的丌挖质量和开挖速度。而对于水电工程中地下厂房这一具有鲜明特 征的超大型地下洞室，其开挖方法和开挖程序选择的合理与否，更是直接关系到地 下厂房的稳定和工期目标的实现。 所以，对大型洞室施工方法，特别是在目前地下洞室开挖广泛使用了现代化施 工机械的情况下，对漏室开挖方法和开挖程序作比较系统的研究，将具有很实际的 工程意义。 1 2 大型地下厂房施工实践及研究现状 国内对于大型地下厂房开挖方法的研究，主要是一些蒇工单位针对已建工程总 结出一些宝贵的施工经验，同时学习国外的先进施工工艺和方法，在某些具体工程 中傲有益的尝试。另外，一些科研机构同施工企业合作，在开挖方案、旋工程序等 方面做了一定有价值的理论和试验研究。 2 0 世纪6 0 到7 0 年代，前苏联在大断面地下建筑物的研究、设计与施工方面作 了大量的工作。1 9 7 4 年，b m 莫斯特秘夫翻结合前苏联当时完成的一些大断面地下 建筑物，对大型地下洞室的掘进方法作了较详细的论述。莫斯特科夫在考虑围岩地 质条件和断面大小的情况下，对前苏联当时的一些大型洞室开挖方法作了分析，并 给出了在一定施工技术条件下的洞室掘进方法选择建议；同对还讨论了大型洞室开 挖的施工机械配套问题。 3 武汉大学硕士学位论文 第1 章绪论 _ _ - 一 我国在隧洞开挖方法方面的研究起步较晚。2 0 世纪6 0 年代以前，我国水电站地 下工程开挖采用手风钻造孔，自由爆破。1 9 5 9 年，水利电力部门的有关技术刊物开 始介绍了光面爆破技术。1 9 “年，在二龙山水库输水洞中对光面爆破进行了比较全 面的试验研究，并在实际应用中取得了较好的效果。2 0 世纪7 0 年代，在渔子溪水电 站、镜泊湖水电站、察尔森水库和太平哨水电站等工程的引水隧洞中都采用了光面 爆破技术，并进行了大量的锚喷支护试验研究 4 】。 为了发展新奥法，从1 9 8 2 年开始，铁道部、水电部等单位广泛的开展了科学研 究，分别在广东的大瑶山隧道、云南的西洱河三级电站、贵州的东风电站、天生桥 电站等国家重点骨干工程中进行了大规模的试验研究工作，并取得了可喜的成果瞪”。 2 0 世纪8 0 年代初期，在西洱河三级电站的建设过程中，水电部委托中国水利水电第 十四工程局( 以下简称“水电十四局”) ，并邀请东北院、武汉水利电力学院、长办、 昆明院，在西洱河三级电站1 # 支洞中进行了全面的新奥法试验。 1 9 8 5 年以后，在鲁布革水电站引水隧洞开挖中，引进了成龙配套的地下工程开 挖支护设备，采用凿岩台车、非电毫秒雷管、全断面光面爆破，创平均月进尺2 3 l m 、 最高月进尺3 7 3 5 m 的纪录。进入2 0 世纪9 0 年代，在二滩水电站、小浪底水电站、 广州抽水蓄能电站等工程的隧洞和地下厂房开挖中大量使用现代化的钻孔和装载运 输设备，使我国的地下工程施工技术和速度都上了个新的台阶。在这期间，一些 单位的工程技术人员，结合本单位参与施工的具体大型地下洞室工程，在施工方法、 开挖程序等方面作了比较详尽的介绍。 在广蓄一期地下厂房 u l 的施工中，水电十四局提出了“平面多工序、立体多层 次”的施工观念。广蓄一期地下厂房总体上采用分层开挖的旌工方案，整个厂房分6 层开挖。顶拱使用凿岩台车钻孔，采用中导洞首先掘进，两边跟进扩大的开挖方式； 中部i i 层使用潜孔钻钻孔，大孔径梯段爆破开挖，并在上部层面施工的同时， 从引水支洞和尾水管提前进入厂房，进行厂房下层的开挖，实现立体交叉施工。另 外，在同一工作面( 或平行工作面) 安排钻孔、装药爆破、出碴、支护、量测等工序平 行作业。这种“平面多工序、立体多层次”施工方案的实施，大大加快了施工进度， 使厂房开挖工期大大缩短。 在大朝山地下厂房【2 9 】开挖过程中， 房分7 层开挖。顶拱采用两侧导洞超前， 同样采用了分层开挖的施工方案，整个厂 中间岩柱跟进的开挖方式；下部层面的开 d 武汉大学硕士学位论文 第】章绪论 挖充分利用了主厂房上、下游及端部的施工通道，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。 在二滩地下厂房的开挖过程中，承包商是以德国的霍尔兹曼为责任公司的中德 二滩联营体，在厂房施工中，联营体采用了国际上常用的某些施工方法。地下厂房 按上、中、下三个部分开挖，由上至下先开挖顶拱，然后分6 个台阶逐层下挖，逐 层锚喷。顶拱开挖采用中导洞领先、两侧扩大跟进的开挖方式；台阶开挖则采用周 边预留保护层光面爆破的施工程序和方法。 其他还有一些关于龙滩、太平驿、小浪底、天荒坪、棉花滩等水电站地下厂房 开挖方法的介绍【2 7 ”3 8 l ；国外也有一些具体工程的施工情况介绍【6 3 删】。 另外，有人结合自己从事地下工程施工的经验，对大型洞室和地下厂房的施工 程序和开挖方法作了总结。例如，水电十四局的蒋健1 4 7 】结合广州抽水蓄能电站、龙 滩水电站地下厂房的施工，介绍了地下厂房开挖方法、施工机械使用等方面的情况； 中国水利水电第六工程局的于景辰【48 】对地下厂房的一般开挖方法作了研究，并探讨 了地下洞室中的周边爆破、施工排水等问题。 尽管国内在大型地下洞室的开挖方面积累了丰富的施工经验，而且也作了一定 的理论和试验研究，但是对于大型地下洞室旌工程序的选择和开挖方法的确定仍处 于一种经验和半经验的状态。在使用了现代化施工机械的情况下，对于大型地下洞 室的开挖缺乏比较全面的研究；对于水电工程地下厂房的施工程序和开挖方法，以 及厂房施工中的顶拱开挖、岩锚粱施工等关键问题也很少有人加以总结和系统研究。 1 3 本文主要研究内容 大型地下洞室的开挖受到各种因素的影响和制约，在实际施工中必须根据实 际情况选择合适的开挖方案；对于复杂的地下厂房洞室群工程，除了重点考虑地 下厂房这一特殊的超大型洞室的开挖方法外，还需根据具体工程特点布置合适的 施工通道。 针对水电工程中的大型地下洞室开挖问题，本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 结合国内若干地下厂房的开挖实例，分析大型地下洞室的旌工特点及开挖过 程中可能存在的闯题； ( 2 ) 结合水电工程大量的洞室开挖实例，分析大型地下洞室施工方法酌影响因 5 武汉大学硕士学位论文第1 章绪论 素，重点讨论洞室体形特征、围岩稳定、施工机械等对洞室开挖方法及程序的影响， 并据此提出地下洞室开挖方案选择的初步建议： ( 3 ) 研究水电站地下厂房的开挖程序和开挖方法。从厂房分层开挖考虑的因素出 发，分析地下厂房的典型分层方案；并且重点研究厂房顶拱层的开挖方法； ( 4 ) 从爆破震动、岩石损伤等角度出发，探讨岩锚梁簏工的相关技术问题，研究 地下厂房岩锚梁层中部、岩锚梁岩台以及岩锚梁浇筑后下部层面的开挖方法： ( 5 ) 结合国内目前在建的几个地下厂房系统的通道布置，提出地下厂房系统施工 通道布置的主要原则，并且分析典型地下厂房系统的通道布置方法。 6 苎圣查兰翌兰竺堡圭 苎! 主兰! 生竺兰尘苎兰! 苎查型皇生 第2 章地下厂房的几个典型开挖实例分析 在水电站地下工程中，地下厂房无疑是一个具有鲜明特征的大型地下洞室工程， 它不仅具有一般大断面洞室跨度大、边墙高的特点，而且结构复杂，交叉洞室多， 同时由于总工期的控制，特别是电站早日发挥效益的要求，一般主厂房的开挖工作 必须快速完成，以利后续的混凝土和机组安装工程顺利展开。一方面要求快速掘进， 另一方面又要保证大跨度拱顶及高边墙的安全和稳定，这对地下工程建设者来说是 一个不小的挑战。国内还没有有关地下厂房施工的综合性介绍，在讨论地下厂房的 施工程序和开挖方法之前，有必要对一些开挖实例作一定的了解和分析。 2 1 国内若干地下厂房开挖实例 2 1 1 二滩水电站地下厂房开挖 二滩水电站1 3 2 】位于四川雅砻江下游，6 台水轮机组总装机容量3 3 0 0 m w ，地下 厂房为以德国的霍尔兹曼为责任公司的中德二滩联营体中标承建，地下厂房开挖断 面2 8 0 3 x 2 5 5 6 3 9 m ( 长宽x 高) ，开挖分层及开挖程序示意图如图2 1 所示。 图2 1二滩地下厂房开挖分层及开挖程序示意图 在二滩水电站地下厂房施工中，联营体采用了国际上常用的某些施工方法。地 下厂房分1 0 层开挖，由上至下先开挖顶拱，然后分6 个台阶逐层下挖，逐层锚喷。 顶拱开挖采用中导洞领先、两侧扩大跟进的开挖方式；台阶开挖则采用周边预留保 护层光面爆破的施工程序和方法。 厂房开挖过程中，交通洞承担了大部分的出碴任务，为了创造多个工作面同时 1 查圣苎! 翌主兰竺兰查 堑! 主兰! 生苎墨竺! 堕塑竺望兰竖翌生 平行作业的条件，从厂房安装间至厂房顶拱增开了一条旎工廊道。另外为满足压力 钢管下平段的开挖和安装进度，承包商在1 号进厂交通洞开辟了环形向下的旅工支 洞。该支洞进人1 号尾水洞后，穿过1 号尾调室经3 号尾水管的中上部进入厂房下部， 并沿厂房轴线方向在上游侧形成旄工廊道。该廊道不仅为压力钢管下平段的开挖提 供了通道，而且还为厂房的第6 台阶和4 、5 台阶的剩余开挖及尾水洞和尾调室的下 部开挖刨造了条件。 2 1 2 广州抽水蓄能电站一期地下厂房开挖 广州抽水蓄能电站【8 4 】总装机2 4 0 0 m w ，分两期建设，每期4 2 3 0 0 m w ，第一 期地下工程由中国水利水电第十四工程局( 以下简称“水电十四局”) 中标承建。地 下厂房开挖断面1 4 5 2 1 5 x 4 5 6 m ( 长宽高) ，开挖分层及开挖程序示意图如图 2 2 所示。 i 扦只嗣，：t 1 渭镡井，j 地禹僳制堤l 升，1 直椭 雌墁镧7 引水直箭s 足水昔，_ 肇木井 i o ：l ：蜚开关掣 图2 2 广蓄一期地下厂房开挖分层及开挖程序示意图 在广蓄一期地下厂房的施工中，水电十四局首次提出了“平面多工序、立体多 层次”的旎工观念。在厂房施工过程中，利用2 、5 号施工支洞开挖引水支管，当厂 房第1 v 层开挖时，从2 号引水支管提前进入厂房进行第v 层开挖，沿上游培先掘进 一条2 0 m 长的平洞，在第1 、，层之下掏空。洞顶岩板距第层底部仅3 9 m 厚，施工方 经地质鉴定和定量计算，认为在顶拱旄工机械荷载作用下，能保证施工安全，所以 采用了此方案。另外在厂房第v 层施工时，利用3 号旋工支洞开挖尾水管，并提前 进入厂房底层开挖。而平面多工序是指厂房开挖、喷锚支护平行作业，附属洞室与 查圣查兰翌主兰竺丝圭 苎! 主些! 生竺兰尘苎兰要苎查型! 三生 厂房开挖平行作业，附属洞室开挖与厂房喷锚支护平行作业等。“平面多工序、立体 多层次”施工方案的实施大大加快了旌工进度，整个广蓄一期地下厂房开挖仅用时 1 7 5 个月，而比广蓄地下厂房小1 3 的鲁布革地下厂房用了2 1 5 个月。 从广蓄一期地下厂房施工分层中可以看出，厂房第层与母线洞在一个平面上， 母线洞的旌工可以在该层旌工后以厂房作为通道开挖，而第v 层与引水隧洞持平， 这是为了以引水隧洞作为施工通道的需要。 2 1 - 3 大朝山水电站地下厂房开挖 大朝山水电站工程1 2 9 l 位于云南省临沧地区的云县和思茅地区的景东县交界的 澜沧江上，电站装机容量6 2 2 5 m w ，地下厂房工程由葛洲坝集团公司和中国水电 一局联营体中标承包，水电一局施工。厂房设计最大开挖尺寸2 3 3 9 x 2 6 4 x 6 7 3 m ( 长 宽x 高1 ，开挖分层示意图如图2 3 所示。 图2 3 大朝山地f 厂房开挖分层示意图 大朝山地下厂房开挖过程中，充分利用了主厂房上、下游及端部的施工通道， 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。在主厂房第1 i 层开挖的同期，利用已完成的主厂房中部施工支洞( z d 4 、高 程8 0 7 m ) 及6 条引水洞向主厂房内掘进，形成了进入主厂房第、v 、层开挖的第 二施工通道。同时加快母线洞开挖、支护施工，为第1 i i 层开挖开创施工通道。在厂 房后期开挖中，抓紧尾水管洞的开挖，为主厂房第层开挖创造条件，也为混凝士 施工提供了通道。而在总的掩工程序上，依然遵循了从上至下的开挖程序。 大朝山地下厂房开挖第1 层以厂房附属洞室( 母线洞) 作为施工通道，而为了方便 第层施工，增设了旌工支洞，厂房下部则利用引水隧洞和尾水作为出碴通道。 9 武汉大学硕士学位论文第2 章地下厂房的几个典型开挖实例分析 2 1 4 三板溪水电站地下厂房开挖 三板溪水电站( 1 5 】位于清水江中下游，坝址在贵州省黔东南苗族侗族自治州锦屏 县境内，电站装机容量1 0 0 0 m w ( 4 2 5 0 m w ) ，地下厂房工程由水电十四局中标承建。 厂房开挖尺寸1 4 7 2 2 2 7 6 0 o m ( 长宽x 高1 ，开挖分层及开挖程序示意图如图 2 4 、2 5 所示，图中带圈的数字表示开挖顺序，箭头表示开挖方向。 图2 4 三板溪地下厂房开挖分层横剖面图 图2 5 三板溪地下厂房开挖分层纵剖面圈 三板溪地下厂房分7 层开挖，大体上按照从上至下的顺序分层开挖，由于中部 施工通道( 进风洞) 的存在，使厂房各层开挖出碴基本上由位于同一高程的施工通道完 1 0 武汉大学硕士学位论文第2 章地下厂房的几个典型开挖实例分析 成，只在i i 层开挖时存在两个斜坡道。厂房施工过程中，在v 层开挖的同时，由尾 水进入厂房下部进行层的开挖，实现立体施工。厂房分层方案中，第1 层考虑到 了母线洞上层施工的需要。 2 1 5 水布垭水电站地下厂房开挖 水布垭水利枢纽【1 川位于清江中游河段巴东县境内，是清江梯级开发的龙头枢纽， 电站装机容量1 6 0 0 m w ( 4 4 0 0 m w ) ，地下厂房工程由水电十四局中标承建。厂房开 挖断面1 5 0 o 2 3 0 6 8 3 m ( 长宽高) ，开挖分层及开挖程序示意图如图2 6 、2 7 所示，图中带圈的数字表示开挖顾序，箭头表示开挖方向。 说明：尺寸单位以c m 计高程单位以m 计。 图2 6 水布垭地下厂房开挖分层横剖面图 rli，引r，科。l，剖卜蜀l口ll封ji引一il 武汉大学硕士学位论文第2 章地下厂房的几个典型开挖实例分析 说明：凰中r 寸单位以c 耐高程单位以m 计 图2 7 水布垭地下厂房开挖分层纵剖面图 水布垭地下厂房规模与三板溪相差不大，但高度方向上要高出8 3 m ，从结构上 看，主要是厂房下部机坑较深，所以在分层时，引水隧洞与尾水之间分两层开挖。 在厂房上部增设了施工支洞，解决了i i 层的出碴问题，使上部梯段爆破开挖不存在 斜坡道，而下部的施工主要还是通过引水隧洞和尾水支洞完成。 2 1 6 索风营水电站地下厂房开挖 索风营水电站【1 7 l 位于贵州省修文、黔西县交界的乌江干流六广河段，其上、下 游分别与已建的东风和乌江渡水电站衔接，是乌江干流继东风之后的第二个梯级电 站，电站装机容量6 0 0 m w ( 3 2 0 0 m w ) ，地下厂房系统布置在大坝下游右岸山体内， 厂房开挖断面1 3 5 5 x 2 4 0 x 5 7 9 r n ( 长宽x 高) ，开挖分层及开挖程序示意图如图 2 8 、2 9 所示( 根据水电十四局投标文件) ，图中带圈的数字表示开挖顺序，箭头表示 r 丌挖方向。 1 2 武汉大学硕士学住论文第2 章地下厂房的几个典型开挖实例分析 图2 8 索风营地下厂房开挖分层横剖面图 图2 9 索风营地下厂房开挖分层纵剖面图 索风营地下厂房分7 层开挖，除第层提前开挖外( 在i i i 层开挖的同时交叉进 行) ，i 层依次顺序开挖。厂房开挖基本上依靠与厂房连接的永久通道完成，而 分层也是紧紧围绕充分利用施工通道这一日标展开。 壅圣查兰翌主兰竺至查 苎! 主些! 二生竺生尘苎里垄苎窒型坌堑一 2 1 7 龙滩水电站地下厂房开挖 龙滩水电站【1 2 j 是红水河梯级开发中的骨干工程，位于广西壮族自治区天峨县境 内的红水河上，电站装机容量5 4 0 0 m w ( 9 6 0 0 m w ) ，地下厂房系统位于左岸山体内， 由龙滩工程1 4 7 8 联营体( 水电十四局、七局、八局) 中标承建。厂房开挖断面3 8 8 5 3 0 7 x 7 7 3 m ( 长宽高) ，开挖分层及开挖程序示意图如图2 1 0 所示。 图2 1 0 龙滩地下厂房开挖分层及开挖程序示意图 龙滩水电站地下厂房是我国目前在建最大的地下厂房，厂房开挖工程量巨大， 施工方为了加快施工速度，适当的增设了施工支洞，使厂房上部4 层基本上都形成 了两头对挖的局面。另外在第1 层开挖的同时，从引水下平洞进入厂房下游侧，开 挖v 层部分，为加速、v 层创造了条件；在厂房v 层开挖的同时，从尾水支管进 入开挖厂房、层，在不同高程上立体交叉作业，以节省工期。 2 1 8 小湾水电站地下厂房开挖 小湾水电站1 16 】位于云南省西部南涧县与风庆县交界的澜沧江中游河段，电 站装机容量4 2 0 0 m w ( 6 x7 0 0 m w ) ，地下厂房系统布置在双曲拱坝右岸山体内， 由小湾1 4 1 联营体( 水电十四局、一局) 中标承建，厂房开挖断面2 9 8 4 x 3 0 6 x 8 2 o r e ( 长 宽高) ，开挖分层及开挖程序示意图如图2 1 1 、2 1 2 所示，图中箭头表示开挖方向。 小湾水电站地下厂房比龙滩地下厂房短9 0 m ，而高度却超出后者5 m 左右，同龙 滩地下厂房开挖一样，小湾地下厂房在上部开挖时增设了辅助施工通道，所不同的 是，小湾工程设置的施工支洞不单单在厂房端部，在厂房中部也设置了施工通道， 保证了引水隧洞以上6 层都具备了两个甚至多个工作面同时掘进的条件，大大加快 了厂房开挖速度。 1 4 武汉大学硕士学位论文第2 章地下厂房的几个典型开挖实例分析 图2 1l 小湾地下厂房开挖分层横剖面图 谎碑圈中高程、桩号以t 计、尺寸单位峨计 图2 1 2 小湾地下厂房开挖分层纵剖面图 2 1 9 瀑布沟水电站地下厂房开挖 j s m x 瀑布沟水电站口1 】位于大渡河中游、四川省汉源县及甘洛县境内，电站装机容量 3 3 0 0 m w ( 6 5 5 0 m w ) ，地下厂房系统布置在左岸山体内，由水电七局、十四局联营 体中标承建，厂房开挖断面2 9 4 1 x 3 0 7 x 7 0 2 m ( - l f ：x 宽高) ，开挖分层及开挖程序 示意图如图2 1 3 所示( 根据投标文件) ，图中箭头表示开挖方向。 1 5 武汉大学硕士学位论文 第2 章地下厂房的几个典型开挖实例分析 图2 1 3 瀑布沟地下厂房开挖分层纵剖面图 瀑布沟水电站地下厂房开挖断面与小湾工程大体相当，只在高度上比后者低 1 l , s m ，两者开挖分层方案基本致，岩锚梁都位于第1 层，安装间以上部分都分4 层开挖，只不过瀑布沟比小湾要少设一个施工通道，使厂房、v 层施工时只具备 单工作面开挖的条件。 2 2 基于实例工程的分析和思考 2 2 1 地下厂房施工特点 在2 1 节中共列举了9 个地下厂房的施工情况，从上面的实例工程可以看出，地 下厂房的施工存在如下特点： ( i ) 地下厂房普遍具有跨度大、边墙高、结构复杂、交叉洞室多等特点，施工过 程中的围岩稳定问题比较突出： ( 2 ) 地下厂房断面巨大，其开挖基本上都遵照分层开挖的方法进行，不同的地下 厂房由于断面大小、结构特点等差别，在分层方案上存在很大的区别，不仅分层数 目不同，而且层高也存在差异： ( 3 ) 地下厂房开挖方式多样。顶拱使用凿岩台车造孔，水平孑l 爆破开挖；而下层 台阶则采用潜孔钻钻孔，大7 l 径梯段爆破开挖，完全脱离了水平孔掘进的隧洞开挖 模式； ( 4 ) 厂房工程量巨大，上下高差大，这使得旌工通道的利用情况比较复杂，而且 厂房大小的不同，会使旄工通道的利用存在很大的区别。以本世纪动工开挖，有水 电十四局参与的三扳溪、水布垭、索风营( 未中标) 、龙潍、小湾和瀑布沟六个地下厂 1 6 d i 耐鞋札肘 ”|一qq咖”程目幡 田龋 武汉大学硕士学位论文 第2 章地下厂房的几个典型开挖实例分析 房为例，后面三个地下厂房明显比前面三个要大，前面三个厂房平均开挖断面1 4 4 2 2 3 2 6 2 1 m ( 长宽高) ，后三个厂房平均开挖断面3 2 7 0 3 0 7 7 6 5 m ( 长宽 高1 ，三板溪、水布垭、索风营三个地下厂房基本上依靠永久通道解决分层开挖时 的出碴问题，只有水布垭在厂房中部设置了一个施工支洞；而对于龙滩、小湾和瀑 布沟这三个超大型的地下厂房，为了加快施工速度，都在适当的高程层面设置了施 工支洞，使厂房两端都具备出碴条件，这样就可以形成两头对挖的局面。 2 2 2 地下厂房开挖可能存在的问题 由前面的实例分析可以看出，地下厂房同一般的小断面隧洞相比，两者在旌工 程序及开挖方法上存在很大的区别，对于类似地下厂房的大型洞室，开挖中可能存 在的问题如下： ( 1 ) 大型洞室施工过程复杂，爆破开挖方式多样，涉及的影响因素众多，必须根 据实际情况制定合理、经济的开挖程序： ( 2 ) 大型地下洞室采用大孔径梯段爆破开挖，随之引发的爆破震动安全稳定问题 值得重视； ( 3 ) 大型洞室跨度大、边墙高，开挖过程中的顶拱及边墙稳定问题突出，在施工 中必须采用合理的施工程序和开挖方法，以保证洞室稳定； ( 4 ) 施工通道对洞室施工影响较大，在开挖过程中，布置合理通畅的施工通道， 成为保证施工进度和减少施工干扰的关键。 综上所述，地下厂房的开挖不n t ：- - 般的小断面隧洞，本文后面各章将围绕上 面提到的地下厂房施工特点及存在的问题，针对大型洞室，特别是地下厂房的施工 程序及开挖方法问题展开讨论。 1 7 查兰查兰翌主鲎竺兰查 苎i 主查兰些! 望竺垄苎竺曼兰里查苎兰生些些 第3 章大型地下洞室开挖的影响因素及程序优化 大型地下洞室的开挖过程是一个非常复杂的系统工程，它受到工程所处自然条 件、施工技术水平及相应机械设备配置、通道条件、洞室空间结构形式、支护形式、 施工安全、施工质量、环境控制等多重因素影响，且这些因素有时并不独立存在， 而是相互影响，相互制约的，这在一定程度上增加了地下洞室开挖的难度，使不同 大小及类型的地下空间在开挖方法及程序的制定上有着很大的不确定性，可以说“地 下建筑没有一个通用的、定型不变的施工方法”【5 。但是，这并不意味着地下洞室的 开挖就完全没有规律可循了，如果我们掌握了其主要的影响因素，并且弄清这些因 素之间相互的因果和制约关系，那么在旋工程序拟定的过程中就能从总体上把握开 挖涉及到的多方面问题，做到考虑周全，但又主次分明。本章主要结合水电建设中 地下厂房系统的施工来分析大型地下洞室开挖方法的几个主要影响因素，并提出地 下洞室开挖方案选择的初步建议。 3 1 断面尺寸及体形特征 在围岩稳定性较好的情况下，洞室断面形式及大小对洞室开挖方法的影响是显著 的，当施工机械和技术